МИФИ готов помочь Роскосмосу создать двигатели для полета на Венеру

В состав НИЯУ «МИФИ» входит Институт лазерных и плазменных технологий «ЛаПлаз». В нем на кафедре физики плазмы действует лаборатория плазменных ракетных двигателей, которую возглавляет Игорь Егоров. В ней ведутся работы по двум инновационным направлениям создания плазменных двигателей для космических аппаратов, способных отправиться и к другим планетам. Первое — разработка абляционных импульсных плазменных двигателей (АИПД) для наноспутников международного стандарта CubeSat. Они, к примеру, используются для корректировки орбиты после запуска маленького спутника непосредственно с МКС. Это АИПД с внешней магнитной системой, что позволяет снизить потребляемый двигателем электрический ток. Второе направление — создание магнитоплазмодинамических (ПМД) двигателей высокой мощности для геостационарных спутников или космических аппаратов с большой массой. Такие двигатели помогут спутникам добраться на удалённую целевую орбиту за минимальное время и с минимальным расходом рабочего тела — реального топлива. В будущем их можно будет использовать и для межпланетных полетов. Двигатель ПМД использует внешнюю магнитную систему, основанную на сверхпроводящих лентах второго поколения.

Проблемы существующих плазменных двигателей типа АИПД в том, что их минимальные габариты и масса ограничивают создание плазмы с помощью импульсных конденсаторов. Это одно из основных направлений работ лаборатории. «В целом мы используем уже давно известные идеи плазменных двигателей, но компонуем их друг с другом новым образом. Если вы посмотрите на первый в истории плазменный двигатель, реально летавший в космос, разработку моего учителя Виктора Александровича Храброва, и внешне сравните с нашим последним прототипом, то увидите явное внешнее сходство. Тем не менее видно и отличие: там, где у двигателя 60-х годов был сплошной металлический корпус, наш прототип имеет соленоид — магнитную катушку», — рассказал автору ИА REGNUM руководитель лаборатории Игорь Егоров. Он считает, самое главное новшество двигателя — выбор рабочего тела, из которого потом под воздействием электрических и магнитных полей будет получаться плазма. Еще одни важнейший критерий — расход электроэнергии. В лаборатории Егорова смогли добиться снижения силы разрядного тока со 100 000 до 1000 ампер. Ранее в иных лабораториях достигались минимальные показатели в десятки тысяч ампер. Это позволило снизить массу рабочего конденсатора и его габариты и применить не специзделие, а массовые конденсаторы, купленные в обычном магазине радиодеталей. Кстати, раньше разработчики плазменных двигателей считали, что снижение разрядного тока снижает эффективность двигателя. Однако в МИФИ придумали выход: применить внешнюю магнитную систему. Сочетание нового рабочего тела двигателя с использованием внешней магнитной системы как раз и стало той самой инновацией, которая позволила России совершить этот технологический прорыв.

Лаборатория Игоря Егорова нашла ответ на ещё один актуальный вопрос — как малые спутники могут заменить на орбите большие. Это непосредственно связано с затратами по выводу на орбиту спутников весом от тонны, они оцениваются в десятки миллионов долларов. Одним ракетоносителем можно вывести больше сотни наноспутников типоразмера CubeSat, а распределить их в околоземном пространстве как раз и помогут плазменные двигатели.

Наноспутник — это аппарат массой до 10 кг. Для них плазменные двигатели решают задачу корректировки орбиты с минимальными энергетическими затратами после вывода наноспутников в космос. Не меньшей важности является задача фазирования — распределения спутников по нужным точкам на окружности орбиты. Например, при решении задач дистанционного зондирования Земли, когда нам нужно изучить максимальную часть поверхности планеты за минимальное время усилиями множества аппаратов сразу. Кроме этого, использование двигателя АИПД помогает поддерживать стабильность орбиты спутника, а, следовательно, продлить его жизнь, возможно, с двух до пяти лет. Это реальная экономическая выгода для Роскосмоса.

«Разумеется, маленький спутник не может выполнить задачи большого на том же качественном уровне», — считает Игорь Егоров. Однако с помощью малых спутников можно проводить системный мониторинг земной поверхности. Например, можно четко отслеживать ситуацию с лесными пожарами, их очагами. Это возможно с разрешением от 50 метров на пиксель, что достигается без применения высокоточной оптики, спутники формата CubeSat вполне способны обеспечить разрешение на уровне 5 метров на пиксель. Для решения этой задачи, по расчетам руководителя лаборатории МИФИ, нужна группировка из 12—16 малых аппаратов. Также группировка наноспутников может использоваться для обеспечения связи, например, с какими-либо удалёнными метеостанциями или иными объектами, которым требуется регулярно передавать на большое расстояние небольшой объём данных. Сейчас для связи в основном используются геостационарные спутники, которые находятся на расстоянии 36 000 км от Земли, а потому требуют мощных радиопередатчиков. Наноспутники на низкой орбите, порядка 500−600 км, позволяют обойтись передатчиками размером с обычный мобильный телефон.

Важно и то, что применение плазменных двигателей в наноспутниках снизит количество космического мусора, который становится «общечеловеческой» проблемой. Его непрогнозируемое распределение на околоземных орбитах скоро может привести к сложностям со стартами новых космических проектов. Наличие плазменного двигателя у спутника поможет «снести» его с орбиты и отправить догорать в атмосфере после завершения им своей работы.

В настоящее время работа лаборатории плазменных двигателей института «ЛаПлаз» НИЯУ «МИФИ» готова выйти практически на производственный уровень. Заканчиваются стендовые испытания прототипов, осенью к запуску начнёт готовиться первый спутник. Во всем мире наноспутников запускается пара сотен в год. На один спутник достаточно одного двигателя. Университет готов обеспечить такое производство для всех. «Пусть не завтра, но послезавтра», — утверждает Игорь Егоров. Основные рынки, кроме российского, — это Китай и Индия, которые активно развивают свои космические программы. По мнению Игоря Егорова, «в принципе, мы могли бы обеспечить этими двигателя весь мир. Несколько десятков двигателей в год мы сможем производить уже сейчас». И это не просто слова — в ближайшее время будут проведены летные испытания двигателя на платформе аппаратов компании «Спутникс», они ожидаются в конце ноября этого года.

При этом в лаборатории МИФИ продолжаются новые исследования. Пробуются разные варианты электродов, создающих поля для формирования плазмы, новые рабочие тела — топливо для двигателя. В результате этих разработок тяга и ресурс двигателя будут повышаться при неизменных габаритах и энергопотреблении.

Использование плазменных двигателей имеет стратегическое значение. В настоящее время рассматривается вопрос их применения в космическом аппарате одной из частных российских компаний при полете на Луну. Плазменные двигатели способны управлять «тонкой механикой» маневров на подходе к исследуемым космическим объектам — планетам, спутникам, астероидам, а в некоторых случаях даже обеспечивать непосредственно сам перелёт к этим объектам.

12 апреля 2021 года, в День космонавтики, начались практические испытания двигателя АИПД. Кстати, в планах лаборатории работа над двигателями для более тяжелых космических аппаратов — более тонны, пригодных для перелетов в Солнечной системе. Стоит представить, что будет, если лаборатория «ЛаПлаз» НИЯУ МИФИ получит полноценное финансирование по линии Роскосмоса. Тогда точно «на Марсе будут яблони цвести», а Россия укрепит свои позиции главного производителя плазменных двигателей для космических кораблей на планете Земля. Особенно интересно то, что в ближайшей перспективе использование разработок лаборатории Игоря Егорова для отправки космического аппарата к Венере. К этой планете в последнее время возрос интерес после обнаружения признаков существования жизни. Игорь Егоров подчеркивает: «Именно Советский Союз был первым в успешном исследовании поверхности Венеры, и эту традицию мы будем продолжать. Планету можно исследовать весьма недорого с использованием возможностей проекта Роскосмоса «Луна-25/26». Оказывается, есть достаточно простое решение: одновременно с аппаратом, который запускается на Луну, можно добавить малый, весом не более 10 кг и оснащенный плазменным двигателем, который и доберется до орбиты Венеры. Это будет очень дешево — не нужно запускать отдельную ракету. В институте «ЛаПлаз» НИЯУ МИФИ готовы сделать не только двигатели для этого аппарата, но и разработать специальные инфракрасные камеры, способные пробиться до поверхности Венеры через ее плотную и ядовитую атмосферу.

Роскосмосу стоит подумать о создании сверхмощных плазменных двигателей, считает Игорь Егоров. «За день мы их, конечно, не сделаем, но лет за пять 80-киловаттный двигатель для полетов в космос сделать вполне реально», — утверждает начальник инновационной и прорывной лаборатории. А для решения задачи полета на Венеру малых аппаратов совместно с лунной программой двигатель реально сделать за один год.