Плазменный двигатель от МИФИ испытают в космосе до конца года

Авторизация
Регистрация

Сброс пароля

Подпишитесь на
«СР-КУРЬЕР»
Быстрая и маленькая, как атом, газета — доставляем свежие новости из «Росатома», России и мира прямиком в ваш почтовый ящик

Больше не показывать

Вы знаете больше и готовы рассказать?

У вас есть интересная история или вы знаете больше о теме, по которой мы уже выпустили материал. Поделитесь с СР любой идеей. Ждем ваших сообщений!

Прикрепить файл

Отправить

В МИФИ делают сверхмалый плазменный двигатель для наноспутников. Сложность в том, чтобы заставить его работать от маленькой конденсаторной батареи, над чем ученые бились много лет. В конце года аппарат планируют испытать в космосе. Подробностями о разработке, испытаниях двигателя на орбите и будущем серийном производстве поделился один из создателей устройства, руководитель лаборатории плазменных ракетных двигателей Института лазерных и плазменных технологий МИФИ Игорь Егоров.

Тенденция к уменьшению

В последние годы в мире наблюдается настоящий бум наноспутников — ​аппаратов массой менее 10 кг. С начала 2021 года в космос запустили более 150 спутников формата CubeSat — ​одного из самых популярных типов малых спутников.

Многие из них применяются для дистанционного зондирования Земли. К примеру, американская компания Planet Labs запустила уже больше 100 космических аппаратов, оборудованных телескопом, камерой и ПО для съемки поверхности Земли с разрешением 3–5 м. Проблема таких аппаратов в том, что их запускают на орбиту, просто выбрасывая десятками из ракеты в одном месте. Для качественной съемки нужно распределить спутники по орбите равномерно, а значит, необходимо изменить их скорость вращения вокруг Земли. В Planet Labs для этого используют установленные на спутнике раскрывающиеся панели: поворачивают их либо перпендикулярно движению спутника, чтобы значительно замедлить его движение, либо параллельно, если нужно немного его замедлить. Метод хорош, но не идеален: из-за замедления спутники часто теряют высоту и, постепенно сходя с орбиты, сгорают в атмосфере. Тогда приходится снова запускать несколько десятков спутников на замену.

CUBESAT

Это формат сверхмалых искусственных спутников, базовый модуль (1U) имеет габариты 10×10×11,3 см, из которых 10×10×10 см доступны для размещения полезной нагрузки. Масса у 1U не более 1,33 кг. Часто объединяют несколько стандартных кубов в составе одного спутника (обозначаются 2U, 3U и т. д.). Количество зависит от размера и массы оборудования, которое необходимо разместить на спутнике. Так, для съемки поверхности Земли с орбиты достаточно 3U, а отправившаяся на Марс миссия Mars Cube One состояла из двух спутников CubeSat 6U — ​слишком много оборудования потребовалось для такого дальнего полета.

Выходом стала бы установка миниатюрного двигателя, который позволит перемещать спутник без потери высоты и затем поддерживать стабильную орбиту. Однако почти все используемые на спутниках двигатели предназначены для больших аппаратов. И даже если удастся уместить какой-то из существующих двигателей в наноспутнике, он все равно будет потреблять слишком много энергии. Спутник маленький, и солнечные батареи у него маленькие, они не дадут достаточно энергии для питания двигателя. Еще одно ограничение связано с безопасностью: нельзя использовать взрывоопасные вещества, а значит, не получится поставить на спутник, к примеру, жидкостный ракетный двигатель на гидразине.

Углеродный скелет

В нашем плазменном двигателе рабочим телом служит пластик полиацеталь, который, постепенно выгорая, превращается в плазму, выбрасывается из двигателя и таким образом создает тягу, приводящую спутник в движение. Идея использовать пластик не нова. Первый в истории плазменный двигатель в космосе испытали в 1964 году на советской автоматической межпланетной станции «Зонд‑2», которая отправилась к Марсу. Несколько плазменных двигателей, в разработке которых принимал участие мой учитель Виктор Александрович Храбров, отвечали за ориентацию станции в пространстве. В основе разработки тоже лежало рабочее тело из пластика — ​но не из полиацеталя, а из фторопласта. Преимущество этого материала — ​высокая плотность, в небольшом объеме можно заключить больше материала. Но есть и недостаток: при использовании такого пластика нужен большой разрядный ток. Если ток недостаточен, поверхность фторопласта покрывается слоем углерода: пластик испаряется не полностью, углерод остается в виде тонкой пленки и из-за своей электропроводности вызывает короткое замыкание. Двигатель выходит из строя.

Храбров с такой сложностью не сталкивался просто потому, что его двигатели были большого размера: он мог использовать тяжелые громоздкие импульсные конденсаторы, которые генерировали большой разрядный ток.

Моя же задумка была в том, чтобы сделать плазменный двигатель гораздо меньшего размера (размер двигателя — 83×83×50 мм. — СР). Я стал изучать химические формулы пластиков и обратил внимание на полиацеталь, углеродный скелет которого состоял не из сплошной углеродной цепочки (-С-С-С-), как у фторопласта, а из перемежающихся атомов углерода и кислорода (-С-О-С-). Использование такого материала решило проблему углеродной пленки. На поверхности рабочего тела нашего двигателя все равно образуется слой некоего вещества вроде нефти или масла, но оно не проводит электричество и никак не влияет на работу аппарата.

Другая особенность нашего двигателя — ​внешняя магнитная система из медной катушки. С ее помощью удалось ограничить разрядный ток и при этом сохранить эффективность двигателя.

И, наконец, мы смогли установить на двигатель компактные и легкие конденсаторы. Создание маленького двигателя никогда не было проблемой, сложность была как раз в том, чтобы заставить его работать от маленькой конденсаторной батареи. Над этим ученые бились не один год.

Тысяча часов на орбите

Ближайшие несколько месяцев мы будем дорабатывать двигатель, совершенствовать технологию: попробуем изменить конфигурацию электродов, размер и форму рабочего тела, чтобы увеличить запас пластика и тем самым повысить эффективность двигателя. В конце года наши устройства пройдут испытания на орбите — ​отправятся в космос на двух спутниках на платформе «ОрбиКрафт-Про». У нас уже есть договоренность с их разработчиками — ​частной космической компанией «Спутникс». Параллельно с испытаниями на орбите проведем ресурсные испытания на Земле. Предполагается, что ресурс работы нашего устройства будет около 1 тыс. часов. По всей видимости, к лету 2022 года завершатся все испытания, и мы сможем уверенно говорить про ресурс работы, силу тяги двигателя, совместимость с оборудованием спутника и т. д. Если все пройдет гладко, то наладим серийный выпуск двигателей.

«СПУТНИКС»

Российская частная космическая компания, резидент «Сколкова». Разрабатывает технологии производства спутниковых платформ, служебных систем микроспутников и наноспутников. В 2017 году компания создала спутниковую платформу «ОрбиКрафт-Про» — ​набор-конструктор, позволяющий собирать наноспутники различной конфигурации, на которые можно установить научную аппаратуру.

К нам уже обратились представители образовательного проекта по разработке и производству космических аппаратов. Они планируют покупать 10–15 двигателей в год. Проявила интерес и компания Orbital Express, которая в следующем году запускает на орбиту собственный спутник и хочет видеть на нем наш двигатель, а также другие, помимо «Спутникса», разработчики наноспутниковых платформ. Интерес к нашей разработке довольно большой, это приятно.

Есть интересная история?

Напишите нам

Читайте также:

Плюсы и минусы: как работают электростатические двигатели

Search

10.02.2022

Время на чтение 6 мин.

Если попросить любого из нас представить реактивный двигатель, то воображение рисует струи огня, вырывающиеся из сопла и толкающие самолет или огромную ракету. Однако реактивные двигатели могут быть и другими: в них аппарат толкает поток ионизированных частиц, которые приводятся в движение электромагнитным полем. Подробнее о том, как это работает и в чем основной недостаток подобных устройств, поговорим в этом материале.

Нужно больше ионов!

На основанном выше принципе работают так называемые электрические ракетные двигатели. Мы подробно остановимся на двух типах электростатических двигателей — ионных и плазменных, — которые уже успешно применяются на космических аппаратах.

В электростатических двигателях создается электростатическое поле (привет, капитан очевидность) — электрические заряды, которые его «производят», неподвижны в пространстве и не изменяются со временем. В этом поле и разгоняются частицы рабочего тела — так в ракетостроении называют вещество, которое выбрасывают из летательного аппарата, чтобы создать тягу. В качестве рабочего в электрических ракетных двигателях могут использоваться практически любые жидкости, газы и их смеси, но для электростатических двигателей как правило используют благородный газ ксенон.

В целом, принцип работы ионного двигателя довольно прост. Нейтральные по заряду атому ксенона поступают в ионизатор, где бомбардируются электронами. Эти электроны выбивают собственные электроны ксенона, в результате чего в ионизаторе образуются положительно заряженные ионы ксенона и свободные электроны, то есть газ в состоянии плазмы.

Положительно заряженные ионы притягиваются к сеткам системы извлечения, между которыми поддерживается большая разность потенциалов. В результате ионы разгоняются и выбрасываются из двигателя. Ну а дальше все по третьему закону Ньютона — действию всегда есть равное противоположное действие: ионы вылетают, аппарат толкают.

Помните, у нас еще остались свободные электроны? Они собираются на специальную катодную трубку, которая выведена в камеру ионизации, и выбрасываются под небольшим углом к потоку ионов.

Концептуально второй тип электростатических двигателей — двигатели на эффекте Холла — работает по тому же принципу. Эффект Холла заключается в том, что если расположить проводник в перпендикулярные относительно друг друга электрическое и магнитное поля, то на краях этого проводника возникнет разность потенциалов.

Такой двигатель эффективнее, чем ионный, поскольку в нем для создания тяги задействуются и положительные ионы, и электроны.

Плюсы и минусы

Возможно, именно ионные двигатели откроют нам путь к исследованию и последующему освоению Солнечной системы. По крайней мере, если не считать разнообразные фантастические варианты вроде антиматерии, термоядерных установок и варп-ядра, это лучшее, что инженеры придумали и смогли реализовать. Основное достоинство ионных двигателей — это крайне низкий расход рабочего тела. Например, аппарату Dawn на полет к астероиду Веста и малой планете Церера (а это, на минуточку, почти семь миллиардов километров) потребовалось всего 425 килограммов ксенона. У двигателей также высокий удельный импульс (отношение создаваемой тяги к расходу топлива). Ионы выбрасываются с очень большой скоростью — например у рекордного Dual-Stage 4-Grid, созданного совместно Европейским космическим агентством и Австралийским национальным университетом в 2006 году, скорость выхлопа достигла (pdf) 210 км/с. Впрочем, обычно он варьируется в пределах 20–50 км/с, но и это намного выше, чем 3–5 км/с у химических ракетных двигателей. Благодаря этому упоминавшийся Dawn смог установить рекорд негравитационного (то есть без использования маневров, когда аппарат ускоряется за счет гравитационного воздействия массивных небесных тел) ускорения, достигнув скорости 11,1 км/с (почти 40 000 км/ч).

Важным преимуществом для длительных полетов является то, что ионный двигатель может работать беспрерывно в течение многих лет. Так, NEXT, который был построен Aerojet Rocketdyne, отработал рекордные на тот момент 48 тысяч часов, или 5,5 года. Наконец, ионные двигатели могут похвастаться впечатляющим КПД — 60–80 %.

Впрочем, долговечность ионных двигателей все же ограничена. Поскольку металлические части контактируют с плазмой, они со временем разрушаются. Так что инженеры постоянно ищут более устойчивые материалы, ведь для полетов к дальним объектам необходимо быть уверенным, что двигатель проработает многие годы.

Другой недостаток ионного двигателя — для его работы нужно много энергии, до 7 кВт. Солнечные батареи не вариант (особенно если мы собираемся лететь в глубины нашей системы), поэтому аппараты с ионными двигателями необходимо комплектовать либо очень емкими батареями, либо небольшими ядерными реакторами, которые обеспечат достаточную мощность.

И если первые два недостатка инженеры с успехом преодолевают, то третий пока что является наиболее существенным. У ионных двигателей очень маленькая тяга, которая измеряется в миллиньютонах. Рекорд принадлежит разработанному NASA и Мичиганским университетом X-3 — 5,4 ньютона. Для сравнения, тяга самой мощной в истории ракеты-носителя Super Heavy должна составить 75 315 000 ньютонов.

В условиях вакуума тяга — не самая важная характеристика, но стартовать с поверхности другого небесного тела аппараты с ионным двигателем не смогут. У них не хватит тяги для преодоления притяжения и сопротивления атмосферы. Так, например, случилось со спутниками Starlink, которые оборудованы холловскими двигателями. Из-за магнитной бури верхние слои атмосферы стали более плотными, и аппараты не смогли выйти на расчетную орбиту. Поэтому пока оптимальной выглядит комбинация традиционных химических и ионных двигателей.

Впрочем, ионные двигатели — это очень перспективное направление. Они уже установлены на две сотни космических аппаратов, включая МКС и базовый модуль китайской орбитальной станции Тяньхэ. Благодаря ионному двигателю зонд «Хаябуса» долетел до астероида Итокава и вернулся обратно с образцом вещества, а европейский BepiColombo доберется до Меркурия. Возможно, однажды именно ионные двигатели позволят нам долететь до границ Солнечной системы и еще дальше.

Другие статьи

Плазменные двигатели, используемые на спутниках, могут быть намного мощнее, чем считалось ранее

Свечение плазмы двигателя H9 MUSCLE Hall во время испытания криптонового топлива. Предоставлено: Лаборатория плазмодинамики и электродвигателей.

Считалось, что двигатели Холла, эффективные электрические двигатели, широко используемые на орбите, должны быть большими, чтобы создавать большую тягу. Теперь новое исследование Мичиганского университета предполагает, что меньшие двигатели Холла могут генерировать гораздо большую тягу, что потенциально делает их кандидатами для межпланетных миссий.

«Раньше люди думали, что через площадь двигателя можно пропустить только определенное количество тока, что, в свою очередь, напрямую влияет на то, сколько силы или тяги вы можете создать на единицу площади», — сказал Бенджамин Джорнс, доцент аэрокосмической отрасли Университета штата Массачусетс. инженер, руководивший исследованием нового двигателя Холла, которое будет представлено сегодня на форуме AIAA SciTech в Национальной гавани, штат Мэриленд.

Его команда бросила вызов этому пределу, разогнав 9-киловаттный двигатель Холла до 45 киловатт, сохранив примерно 80% его номинальной эффективности. Это увеличило количество силы, генерируемой на единицу площади, почти в 10 раз.

Независимо от того, назовем ли мы его плазменным двигателем или ионным двигателем, электрический двигатель — лучший выбор для межпланетных путешествий, но наука находится на перепутье. В то время как двигатели Холла являются хорошо зарекомендовавшей себя технологией, альтернативная концепция, известная как магнитоплазмодинамический двигатель, обещает обеспечить гораздо большую мощность в двигателях меньшего размера. Тем не менее, они еще не доказаны во многих отношениях, в том числе на всю жизнь.

Электроны, ускоренные магнитным полем и движущиеся по кольцу вокруг этого канала, описанного Йорнсом как «циркулярная пила», выбивают электроны из атомов топлива и превращают их в положительно заряженные ионы. Однако расчеты предполагали, что если двигатель Холла попытается прогнать больше топлива через двигатель, электроны, свистящие по кольцу, будут выбиты из формации, нарушив эту функцию «циркулярной пилы».

«Это все равно, что пытаться откусить больше, чем ты можешь прожевать», — сказал Йорнс. «Циркулярная пила не может пробить такой объем материала».

Кроме того, двигатель сильно нагревался. Команда Йорнса проверила эти убеждения.

«Мы назвали наш двигатель H9 MUSCLE, потому что, по сути, мы взяли двигатель H9 и сделали из него маслкар, включив его на «11» — на самом деле до сотни, если мы идем в точном масштабе, — сказала Линн Су, докторант в области аэрокосмической техники, которая представит исследование.

Они решили проблему с нагревом, охладив его водой, что позволило им понять, насколько большой проблемой может стать поломка циркулярной пилы. Оказалось, особых хлопот не было. Работая с ксеноном, обычным топливом, H9 MUSCLE разогнался до 37,5 киловатт с общей эффективностью около 49%, что недалеко от эффективности 62% при проектной мощности 9 киловатт.

Работая на криптоне, газе для зажигалок, они увеличили мощность до 45 киловатт. При общем КПД 51% они достигли максимальной тяги около 1,8 ньютона, что соответствует гораздо более мощному 100-киловаттному двигателю Холла X3.

Аспирант Уилл Херли выходит из камеры, где в лаборатории PEPL испытывают новый плазменный двигатель Холла. Предоставлено: Марцин Щепански/Michigan Engineering.

«Это своего рода сумасшедший результат, потому что обычно криптон работает намного хуже, чем ксенон, на двигателях Холла. Так что это очень круто и интересно увидеть, что мы действительно можем улучшить характеристики криптона по сравнению с ксеноном, увеличив плотность тока двигателя. «, — сказал Су.

Двигатели Nested Hall, такие как X3, также частично разработанные UM, были исследованы для межпланетного грузового транспорта, но они намного больше и тяжелее, что затрудняет их транспортировку людей. Теперь обычные двигатели Холла снова используются для полетов с экипажем.

Йорнс говорит, что для проблемы охлаждения потребуется космическое решение, если двигатели Холла будут работать на такой высокой мощности. Тем не менее, он с оптимизмом смотрит на то, что отдельные двигатели могут работать на мощности от 100 до 200 киловатт, объединенные в массивы, обеспечивающие тягу мощностью в мегаватт. Это может позволить пилотируемым миссиям достичь Марса даже на обратной стороне Солнца, преодолев расстояние в 250 миллионов миль.

Команда надеется решить проблему охлаждения, а также решить проблемы разработки двигателей Холла и магнитоплазмодинамических двигателей на Земле, где лишь немногие объекты могут испытывать двигатели марсианского уровня. Количество топлива, выбрасываемого из двигателя, слишком быстро для вакуумных насосов, чтобы поддерживать условия внутри испытательной камеры космическими.

Дополнительная информация:
Линн Л. Су и др., Эксплуатация и характеристики двигателя Холла с магнитным экранированием при сверхвысоких плотностях тока, AIAA SCITECH 2023 Forum (2023). DOI: 10.2514/6.2023-0842

Предоставлено
университет Мичигана

Цитата :
Плазменные двигатели, используемые на спутниках, могут быть намного мощнее, чем считалось ранее (2023, 24 января)
получено 27 мая 2023 г.
с https://phys.org/news/2023-01-plasma-thrusters-satellites-powerful-previously.html

Этот документ защищен авторским правом. Помимо любой добросовестной сделки с целью частного изучения или исследования, никакие
часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в ознакомительных целях.

Многоступенчатый ионный двигатель с захватывающими обещаниями

• автор:

Том Нарди

Любой, кто занимался высоковольтными экспериментами, вероятно, знаком с ионными подъемниками — тонкими приспособлениями из проволоки и алюминиевой фольги, способными парить над рабочим столом в столбе ионизированного воздуха. Это впечатляющий трюк, который существует с 19-го века.50-х годов, но эта концепция еще не продемонстрировала практического применения, поскольку создаваемой тяги недостаточно, чтобы поднять более массивное транспортное средство.

Это бит рано, чтобы предположить, что [Джей Боулз] из Plasma Channel , наконец, нашел решение этого фундаментального недостатка электростатического движения, но его недавно завершенный многоступенчатый ионный двигатель, безусловно, представляет собой нечто вроде скачка поколений для технология. Объединив несколько пар электродов и экспериментально определив оптимальные значения расстояния между ними и рабочего напряжения, он смог добиться устойчивой скорости выхлопа 2,3 метра в секунду.

Сухой лед использовался для визуализации потока воздуха, проходящего через двигатель.

В то время как большинству ионных двигателей повезло, что из-за них порхает лист бумаги, [Джей] демонстрирует свое творение, задувая свечи на расстоянии метра или более. Но, пожалуй, самым впечатляющим качеством этой сборки является звук — в отличие от большинства экспериментальных ионных двигателей, которые мы видели, воздух, проходящий через это хитроумное изобретение, на самом деле издает слышимый ревущий звук. Когда включается напряжение питания 45 киловольт, это звучит как фен, за исключением того, что здесь нет движущихся частей.

В дополнение к предоставленным графикам, показывающим, как на скорость воздуха влияло входное напряжение, а также количество пар электродов и расстояние между ними, [Джей] также щелкает двигатель по шкале, чтобы показать, что действительно создается измеримая тяга. По общему признанию, 22 грамма генерируемой тяги не так уж много по сравнению с собственной массой устройства в 490 граммов, но в мире электростатического движения это довольно впечатляющие цифры.

[Джей] говорит, что у него есть некоторые улучшения, которые, по его мнению, значительно улучшат производительность устройства, поскольку он работает над достижением своей конечной цели — полета на самолете с ионным двигателем.