В самом начале 2023 года на орбиту был выведен SAT-1 от компании EOS Data Analytics — первый из семи спутников будущего созвездия для ведения точного земледелия (Precision Agriculture). Помимо того, что SAT-1 стал первым в мире целевым космическим аппаратом, предназначенным для агромониторинга, он впервые продемонстрировал работоспособность орбитального двигателя SPS-25, произведенного компанией Space Electric Thruster Systems (SETS).
Давайте разберемся, в чем уникальность электрических ионных двигателей, разрабатываемых в SETS, и за счет чего они в обозримом будущем могут стать ведущим решением для большинства орбитальных спутниковых миссий.
Главные преимущества космических электрических двигателей
В основе всех космических двигателей на электротяге лежит принцип преобразования электрической энергии в кинетическую для придания космическому аппарату ускорения в пространстве. Электросиловая установка является «сердцем» электрических двигателей и отвечает за процесс преобразования электрической энергии в удельный импульс (Delta-v), который используется для ускорения массы космического аппарата и позволяет ему находиться на заданной орбите.
Главное предназначение электрических космических двигателей заключается в поддержании высоты орбиты и постоянной скорости для космических аппаратов. Даже Международная космическая станция (МКС) использует электрические двигатели для проведения маневра орбитальной перезагрузки. Сопротивление атмосферного слоя, с которым сталкивается МКС во время путешествия по земной орбите, неуклонно тянет станцию вниз к Земле, поэтому без систематического проведения маневров по выравниванию орбиты станция рискует сойти со своей рабочей орбиты (≈400 км над Землей) и разрушиться в более плотных нижних слоях атмосферы планеты.
Источник: NASA
Организация условий, при которых спутники могут поддерживать постоянную орбитальную скорость, особенно важна, когда речь идет о групповом перемещении спутниковых созвездий — наиболее популярной на сегодняшний день архитектуры комплексных спутниковых решений. Постоянная скорость, создаваемая электрическими космическими двигателями, позволяет спутниковым группировкам двигаться в одном темпе, а также обеспечивает условия, при которых спутники могут выходить на заданные координаты орбиты в одно и то же время суток. Это оказывается особенно полезным в мониторинговой деятельности аппаратов, направленной, в частности, и на сбор метеорологических данных и показателей вегетации при ведении точного земледелия.
Причины отказа от химических двигателей
Альтернативой электрическим космическим двигателям служат двигатели, использующие химическое топливо. Данные силовые установки, хотя и могут предоставить космическому аппарату гораздо большую тягу, тем не менее, уступают электрическим двигателям в показателях энергоэффективности (так как потребляют гораздо больше топлива), что напрямую сказывается на сроках службы космического аппарата.
К тому же условия микрогравитации на околоземной орбите не требуют от космических аппаратов наличия мощных силовых установок, поскольку их масса в условиях невесомости фактически нивелируется. Космические двигатели на химическом топливе являются предпочтительным решением только при запуске ракет-носителей, ведь их мощная тяга позволяет ракете преодолеть силу земного притяжения. На сегодняшний день мощностью, необходимой для запуска ракеты-носителя с Земли, не обладает ни один из существующих электрических космических двигателей.
Отказ от использования химического топлива положительно влияет и на снижение всей массы космического аппарата, позволяя использовать свободное пространство под размещение полезной нагрузки. Это играет особенно важную роль при планировании межпланетных космических перелетов. Так, космический аппарат, оснащенный электрической силовой установкой, при путешествии к Марсу будет способен доставить туда порядка 70% своей первоначальной массы. А вот для корабля с ракетным двигателем на химическом топливе эта цифра не превысит нескольких процентов от его массы на момент запуска — потому что всей полезной нагрузкой в данном случае будут запасы топлива для длительного путешествия.
Разновидности электрических двигателей
Сейчас наиболее распространенными типами электрических космических двигателей являются ионные и плазменные. Тяга в таких двигателях создается за счет процесса ионизации топлива под воздействием электричества. В качестве топлива для ионных двигателей чаще всего используют нейтральный инертный газ: ксенон, криптон, аргон, а в некоторых случаях — ртуть.
По функциональным особенностям ионные и плазменные космические двигатели можно разделить на три большие категории:
- Электростатические двигатели. Разгон ионной плазмы в таких двигателях достигается посредством воздействия электрического поля, вектор направленности которого приложен к вектору ускорения космического корабля. Таким образом ионы в электростатических ионных двигателях всегда ускоряются в направлении электрического поля.
- Электротермические двигатели. Тяга в этих двигателях создается за счет повышения удельной температуры топлива при воздействии на плазму сильных магнитных полей. Тепловая энергия, полученная в результате разогрева плазмы, впоследствии смешивается с пропеллентом — газом с низкой молекулярной массой. Избыточное тепло, высвобождаемое в процессе смешения плазмы с пороховыми газами, отводится через сопло двигателя, обеспечивая космическому аппарату малую тягу.
- Электромагнитные двигатели. Если в электростатических двигателях ускорение ионов происходит в результате кулоновской силы, то в электромагнитных оно достигается с помощью силы Лоренца, которая ускоряет как свободные электроны, так и положительно и отрицательно заряженные ионы (анионы). В отличие от электростатических ионных, электромагнитные двигатели ускоряют ионы в направлении, перпендикулярном направлению приложенного электрического поля.
Для обеспечения бесперебойной работы электрических космических двигателей им необходимо постоянно восполнять запас электроэнергии. В приближенных к Солнцу областях с высокой интенсивностью излучения эта проблема решается установкой на космический аппарат солнечных панелей, которые перерабатывают световое излучение нашего светила в электрическую энергию. В более удаленных от Солнца областях космоса используются ионные и плазменные двигатели, электричество в которых вырабатывается посредством распада ядерного топлива.
В данном материале речь пойдет преимущественно об ионных космических двигателях. Тем не менее, стоит отметить, что на сегодняшний день плазменные и ионные ускорители не являются единственным решением при организации длительных космических перелетов.
Активно разрабатываются концепции фотонных (или лазерных) силовых установок, которые обеспечивают тягу посредством направленного пучка фотонов. В отличие от химических и электрических двигателей, которые всегда несут запас топлива на борту космического аппарата, источник энергии в лазерных двигателях зачастую располагается вне корпуса корабля (преимущественно фотоны поступают на силовую установку с наземных лазерных станций).
Эффект Холла: предтеча ионных двигателей
Электрический двигатель SPS-25 относят к ионным двигателям Холла, так как они работают на эффекте Холла. Американский физик Эдвин Холл впервые наблюдал этот эффект в 1879 году. Пропуская электрический ток через тонкую полупроводниковую пластину из сусального золота, ученый воздействовал на нее сильным магнитом, в результате чего на этой пластине возникала разность потенциалов — напряжение Холла. Этот принцип лег в основу функционирования космических ионных двигателей, первые версии которых начали появляться спустя 85 лет после открытия эффекта Холла.
Первые гипотезы о возможности создания электрического ракетного двигателя были озвучены и Константином Циолковским — пионером ракетно-космической теории. Позднее с перспективой построения ракетных двигателей на электрической тяге соглашался и изобретатель первых в мире баллистических ракет на химическом топливе Роберт Годдард.
Сегодняшние двигатели, основанные на эффекте Холла, ускоряют ионную плазму низкой плотности за счет воздействия на нее сильного магнитного поля. Искусственно разогнанные ионы создают удельный импульс (Delta-v), который обеспечивает кинетическое ускорение космическому кораблю, достаточное для совершения орбитальных подруливающих маневров и межпланетных перелетов.
Успешной реализацией электростатического ионного двигателя, достигшего орбиты, стал SERT-1 (Space Electric Rocket Test). Запущенный в космос 20 июля 1964 года, он проработал на орбите чуть более 31 минуты. Следующая версия космического аппарата на ионных двигателях SERT-2 была запущена на орбиту шесть лет спустя, в 1970-м. Он использовал уже два электрических ионных двигателя, работающих на ртутном топливе. Эксперимент показал поразительную устойчивость технологии — ионный двигатель перезапускался порядка 300 раз, а общее количество часов, которые проработали двигатели, составило 2011 и 3781 соответственно.
Источник: NASA
Историческая миссия SERT-1 продемонстрировала возможность использовать ионные двигатели для межпланетных перелетов, и уже в 1998 году космический аппарат Deep Space 1, оснащенный более совершенной модификацией ионного двигателя NSTAR (NASA Solar Technology Application Readiness), направился в свою первую космическую миссию, целью которой стал пролет астероида Брайль 9969 и кометы Борелли.
Европейское космическое агентство (ESA) в 2009 году также успешно продемонстрировало возможности своего воздушно-реактивного двигателя во время миссии космического аппарата GOCE, предназначенного для картографирования гравитационного поля Земли.
Электрический космический двигатель Ram-Electric Peoplusion, разработанный итальянской компанией Sitael, для создания тяги использовал молекулы воздуха, которые встречались в верхних слоях атмосферы Земли. Двигатель собирал эти молекулы воздухозаборником польского производства QuinteScience.
После попадания в воздухозаборник молекулы воздуха искусственно сжимались и при помощи генератора пучка частиц поступали на электрический двигатель GOCE, работающий на ксеноновом топливе. Импульс от молекул воздуха был достаточно сильным для того, чтобы производить зажигание двигателя, благодаря чему команда GOCE смогла продемонстрировать потенциальную работоспособность своей технологии двигателя, работающего на атмосферном топливе.
Космическая миссия ESA GOCE доказала, что в будущем технологии, подобные двигателю Ram-Electric Peoplusion, могут быть задействованы в организации многолетних орбитальных миссий не только в условиях земной атмосферы, но и атмосфер других планет Солнечной системы. Однако для этого конструкцию двигателя сперва следует модифицировать под возможность использования в качестве топлива молекул углекислого газа, преобладающего в атмосфере ближайших к Земле планет — Венеры и Марса.
Простота конструкции и энергоэффективность: уникальность ионных двигателей от SETS
Несмотря на достаточно малые размеры, двигатели SPS-25, установленные на спутнике созвездия EOS SAT-1, могут обеспечивать тягу с удельным импульсом до 1400 с и мощностью в 200 Вт. Силовая установка SPS-25 способна генерировать тягу от 5 до 11 мН, что оказывается достаточным для многолетнего (в случае созвездия EOS SAT речь идет о сроке службы в 5-7 лет) использования спутников в условиях низкой околоземной орбиты. Полный вес силовой установки составляет всего 6 кг, что позволяет выделить значительную часть массы спутника под полезную нагрузку в виде спектральных датчиков и сверхчувствительной оптики, чтобы дать возможность спутникам созвездия EOS SAT делать снимки в высоком разрешении (до 1,4 пикселя/м).
Компания SETS сама производит все компоненты своих электрических ионных двигателей и занимается их сборкой в единую силовую установку. Это позволяет существенно сэкономить как время, так и средства, необходимые для создания спутника с нуля. Все компании, ответственные за разработку спутников EOS SAT, вертикально интегрированы друг с другом в рамках общего объединения Noosphere, основанного визионером Максом Поляковым. Подобная организация рабочего процесса позволяет минимизировать риски, связанные с логистическими поставками, а также существенно увеличить темп производства спутников без вреда для качества сборки, что в конечном итоге сказывается на уменьшении их себестоимости.
SETS активно подключает передовые технологии 3D-печати в процесс создания своих двигателей, что тоже значительно сокращает сроки их производства. Разработка и сборка двигателя SPS-25 производилась в Украине в условиях военного времени, после чего силовую установку направили в цеха южноафриканской компании Dragonfly Aerospace, где был осуществлен монтаж ионного двигателя на спутник. Весь процесс создания SAT-1 занял всего семь месяцев, что почти вполовину меньше среднерыночных сроков сборки подобных мониторинговых спутников (1-1,5 года).
Осложняющим фактором стал кризис электронных компонентов, но инженеры SETS смогли создать систему SPS-25 полностью на коммерческих компонентах. Это еще один фактор снижения издержек и эффективного подхода компании к строительству своих двигателей. При этом все компоненты проходят необходимые испытания для работы в условиях космических температур и радиации, что обеспечивает надежность двигателей.
Инертные газы ксенон и криптон, используемые в качестве топлива в ионных двигателях от SETS, являются экологически чистым видом топлива, в отличие от космических химических двигателей, выбрасывающих в атмосферу вредные выхлопы во время сжигания топлива.
Уже в обозримом будущем новые типы электрических космических двигателей смогут обеспечивать импульс тяги космического корабля (Delta-v), равный 100 км/с, что откроет человечеству уникальную возможность направить свои космические аппараты к самым отдаленным планетам Солнечной системы. Инновационные двигатели, производимые в цехах компании SETS, сегодня стоят у истоков этих удивительных космических путешествий.
