На початку 2023 року на орбіту було виведено SAT-1 від компанії EOS Data Analytics — перший із семи супутників майбутнього сузір’я для ведення точного землеробства (Precision Agriculture). Крім того, що SAT-1 став першим у світі цільовим космічним апаратом, призначеним для агромоніторингу, він вперше продемонстрував працездатність орбітального двигуна SPS-25, виробленого компанією Space Electric Thruster Systems (SETS).
Давайте розберемося, у чому унікальність електричних іонних двигунів, що розробляються в SETS, і за рахунок чого вони в найближчому майбутньому можуть стати провідним рішенням для більшості орбітальних супутникових місій.
Головні переваги електричних двигунів
В основі всіх космічних двигунів на електротязі лежить принцип перетворення електричної енергії на кінетичну для надання космічному апарату прискорення в просторі. Електросилова установка є “серцем” електричних двигунів і відповідає за процес перетворення електричної енергії на питомий імпульс (Delta-v), який використовується для прискорення маси космічного апарата і дозволяє йому перебувати на заданій орбіті.
Головне призначення електричних космічних двигунів полягає у підтримці висоти орбіти та постійної швидкості для космічних апаратів. Навіть Міжнародна космічна станція (МКС) використовує електричні двигуни для маневрів орбітального перезавантаження. Опір атмосферного шару, з яким стикається МКС під час подорожі земною орбітою, неухильно тягне її вниз до Землі, тому без систематичного проведення маневрів із вирівнювання орбіти станція ризикує зійти зі своєї робочої орбіти (≈400 км над Землею) та зруйнуватися у більш щільних нижніх шарах атмосфери планети.
Джерело: NASA
Організація умов, за яких супутники можуть дотримуватися постійної орбітальної швидкості, є особливо важливою, коли йдеться про групове переміщення супутникових сузір’їв — найпопулярнішої на сьогодні архітектури комплексних супутникових рішень. Постійна швидкість, створювана електричними космічними двигунами, дозволяє супутниковим угрупованням рухатися в одному темпі, а також забезпечує умови, за яких супутники можуть виходити на задані координати орбіти в один і той же час доби. Це виявляється особливо корисним при провадженні апаратами моніторингової діяльності, спрямованої, зокрема, й на збирання метеорологічних даних та показників вегетації для ведення точного землеробства.
Причини відмови від хімічних двигунів
Альтернативою електричним космічним двигунам є двигуни, що використовують хімічне паливо. Такі силові установки, хоча і можуть надати космічному апарату набагато більшу тягу, проте поступаються електричним двигунам за показниками енергоефективності (бо споживають значно більше палива), що безпосередньо позначається на термінах служби космічного апарата.
До того ж умови мікрогравітації на навколоземній орбіті не вимагають від космічних апаратів наявності потужних силових установок, оскільки їхня маса в умовах невагомості фактично нівелюється. Космічні двигуни на хімічному паливі є кращим рішенням тільки при проведенні запусків ракет-носіїв, адже їхня потужна тяга дозволяє ракеті подолати силу земного тяжіння. Наразі потужністю, необхідною для запуску ракети-носія з Землі, не володіє жоден з існуючих електричних космічних двигунів.
Відмова від використання хімічного палива позитивно впливає і на зниження всієї маси космічного апарата, дозволяючи використовувати вільний простір під розміщення корисного навантаження. Це відіграє важливу роль при плануванні міжпланетних космічних перельотів. Так, космічний апарат, оснащений електричною силовою установкою, під час подорожі до Марса буде здатний доставити туди близько 70% своєї первісної маси. Водночас для корабля з ракетним двигуном на хімічному паливі ця цифра не перевищуватиме кількох відсотків від його маси на момент запуску — тому що всім корисним навантаженням у даному випадку будуть запаси палива для довгої подорожі.
Різновиди електричних двигунів
Зараз найбільш поширеними типами електричних космічних двигунів є іонні та плазмові. Тяга у таких двигунах створюється за рахунок процесу іонізації палива під впливом електрики. У якості палива для іонних двигунів найчастіше використовують нейтральний інертний газ: ксенон, криптон, аргон, а в деяких випадках — ртуть.
За функціональними особливостями іонні та плазмові космічні двигуни можна розділити на три великі категорії:
- Електростатичні двигуни. Розгін іонної плазми в таких двигунах досягається через вплив електричного поля, вектор спрямованості якого співпадає з вектором прискорення космічного корабля. Таким чином іони в електростатичних іонних двигунах завжди прискорюються в напрямку електричного поля.
- Електротермічні двигуни. Тяга у цих двигунах створюється за рахунок підвищення питомої температури палива шляхом впливу на плазму потужних магнітних полів. Теплова енергія, отримана в результаті розігріву плазми, згодом змішується з пропелентом — газом із низькою молекулярною масою. Надмірне тепло, що вивільняється в процесі змішування плазми з пороховими газами, відводиться через сопло двигуна, забезпечуючи космічному апарату малу тягу.
- Електромагнітні двигуни. Якщо у електростатичних двигунах прискорення іонів відбувається у результаті кулонівської сили, то в електромагнітних воно досягається за допомогою сили Лоренца, яка прискорює як вільні електрони, так і позитивно та негативно заряджені іони (аніони). На відміну від електростатичних іонних, електромагнітні двигуни прискорюють іони в напрямку, перпендикулярному напрямку прикладеного електричного поля.
Для забезпечення безперебійної роботи електричних космічних двигунів їм необхідно постійно поновлювати запас електроенергії. У наближених до Сонця областях з високою інтенсивністю випромінювання ця проблема вирішується шляхом встановлення на космічний апарат сонячних панелей, які переробляють світлове випромінювання нашого світила на електричну енергію. У віддалених від Сонця областях космосу використовуються іонні та плазмові двигуни, які поповнюють свій електричний заряд за допомогою ядерного палива.
У нашому матеріалі йтиметься переважно про іонні космічні двигуни. Втім, варто відзначити, що на сьогодні плазмові та іонні прискорювачі не є єдиним рішенням при організації тривалих космічних перельотів.
Активно розробляються концепції фотонних (або лазерних) силових установок, що забезпечують тягу за допомогою спрямованого пучка фотонів. На відміну від хімічних та електричних двигунів, які завжди несуть запас палива на борту космічного апарата, джерело енергії у лазерних двигунах здебільшого розташовується поза корпусом корабля (найчастіше фотони надходять на силову установку з наземних лазерних станцій).
Ефект Голла: предтеча іонних двигунів
Електричний двигун SPS-25 компанії SETS відносять до іонних двигунів Голла, оскільки вони працюють на ефекті Голла. Американський фізик Едвін Голл вперше спостерігав цікавий ефект 1879 року: пропускаючи електричний струм через тонку напівпровідникову пластину із сусального золота, вчений впливав на неї сильним магнітом, внаслідок чого на цій пластині виникала різниця потенціалів — напруга Голла. Цей принцип ліг в основу функціонування космічних іонних двигунів, перші версії яких з’явилися за 85 років після відкриття ефекту Голла.
Перші гіпотези щодо можливості створення електричного ракетного двигуна були озвучені і Костянтином Ціолковським — піонером ракетно-космічної теорії. Пізніше з перспективою побудови ракетного двигуна на електричній тязі погоджувався і винахідник перших у світі балістичних ракет на хімічному паливі Роберт Годдард.
Сучасні двигуни, засновані на ефекті Голла, прискорюють іонну плазму низької щільності за допомогою впливу на неї сильного магнітного поля. Штучно розігнані іони створюють питомий імпульс (Delta-v), який забезпечує кінетичне прискорення космічного корабля, достатнє для здійснення орбітальних підрулюючих маневрів та міжпланетних перельотів.
Успішною реалізацією електростатичного іонного двигуна, який досяг орбіти, став SERT-1 (Space Electric Rocket Test). Виведений у космос 20 липня 1964 року, він пропрацював на орбіті трохи більше за 31 хвилину. Наступна версія космічного апарата на іонних двигунах SERT-2 була запущена на орбіту через шість років, у 1970-му. Він використовував уже два електричні іонні двигуни, що працювали на ртутному паливі. Експеримент показав разючу стійкість технології — іонний двигун перезапускався близько 300 разів, а загальна кількість годин, коли працювали двигуни, становила 2011 і 3781 відповідно.
Джерело: NASA
Історична місія SERT-1 продемонструвала можливість використовувати іонні двигуни для міжпланетних перельотів, і вже 1998 року космічний апарат Deep Space 1, оснащений більш досконалою модифікацією іонного двигуна NSTAR (NASA Solar Technology Application Readiness), попрямував у свою першу космічну місію, метою якої став проліт повз астероїд Брайль 9969 та комету Бореллі.
Європейське космічне агентство (ESA) 2009 року також успішно продемонструвало можливості свого повітряно-реактивного двигуна під час місії космічного апарата GOCE, призначеного для картографування гравітаційного поля Землі.
Електричний космічний двигун Ram-Electric Peoplusion, розроблений італійською компанією Sitael, для створення тяги використовував молекули повітря, які зустрічалися у верхніх шарах атмосфери Землі. Двигун збирав ці молекули повітрозабірником польського виробництва QuinteScience.
Після попадання в повітрозабірник молекули повітря штучно стискалися і за допомогою генератора пучка частинок надходили на електричний двигун GOCE, який працював на ксеноновому паливі. Імпульс від молекул повітря був досить сильним для того, щоб виконувати запалювання двигуна, завдяки чому команда GOCE змогла продемонструвати потенційну працездатність своєї технології двигуна, що працює на атмосферному паливі.
Космічна місія ESA GOCE довела, що в майбутньому технології, подібні до двигуна Ram-Electric Peoplusion, можуть бути задіяні в організації багаторічних орбітальних місій не лише в умовах земної атмосфери, а й у атмосферах інших планет Сонячної системи. Однак для цього конструкцію двигуна спершу слід модифікувати під можливість використання у якості палива молекул вуглекислого газу, який переважає в атмосфері найближчих до Землі планет — Венери і Марса.
Простота конструкції та енергоефективність: унікальність іонних двигунів від SETS
Попри досить малі розміри, двигуни SPS-25, встановлені на супутнику сузір’я EOS SAT-1, можуть забезпечувати тягу з питомим імпульсом до 1400 с і потужністю 200 Вт. Силова установка SPS-25 здатна генерувати тягу від 5 до 11 мН, що виявляється достатнім для багаторічного (у випадку сузір’я EOS SAT ідеться про термін служби 5-7 років) використання супутників в умовах низької навколоземної орбіти. Повна вага силової установки складає всього 6 кг, що дозволяє виділити значну частину маси супутника під корисне навантаження у вигляді спектральних датчиків і надчутливої оптики, за допомогою якої супутники сузір’я EOS SAT роблять знімки з високою роздільною здатністю (до 1,4 пікселя/м).
Компанія SETS сама виробляє всі компоненти своїх електричних іонних двигунів та збирає їх в єдину силову установку. Це суттєво заощаджує і час, і кошти, необхідні для створення супутника з нуля. Всі компанії, відповідальні за розробку супутників EOS SAT, вертикально інтегровані в межах групи компаній Noosphere, заснованої візіонером Максом Поляковим. Подібна організація робочого процесу дозволяє мінімізувати ризики, пов’язані з логістичними поставками, а також суттєво пришвидшити темпи виробництва супутників без шкоди для якості, що в підсумку позначається на зменшенні їхньої собівартості.
SETS активно залучає передові технології 3D-друку до створення своїх двигунів, що теж значно скорочує терміни їхнього виробництва. Розробка та збірка двигуна SPS-25 проводилася в Україні в умовах війни, після чого силова установка була направлена до цехів південноафриканської компанії Dragonfly Aerospace, де було здійснено монтаж іонного двигуна на супутник. Увесь процес створення SAT-1 тривав всього сім місяців, що майже наполовину менше від середньоринкового терміну конструювання подібних моніторингових супутників (1-1,5 року).
Ускладнюючим фактором стала криза електронних компонентів, тож інженери SETS змогли створити систему SPS-25 повністю на комерційних компонентах. Це ще один фактор зниження витрат та ефективного підходу компанії до будування своїх двигунів. При цьому всі компоненти проходять необхідні випробування для роботи в умовах космічних температур і радіації, що забезпечує надійність двигунів.
Інертні гази ксенон та криптон, які використовуються як паливо в іонних двигунах від SETS, є екологічно чистим видом палива, на відміну від космічних хімічних двигунів.
Вже у найближчому майбутньому нові типи електричних космічних двигунів можуть забезпечувати імпульс тяги космічного корабля (Delta-v), рівний 100 км/с, що відкриє людству унікальну можливість направити свої космічні апарати до найвіддаленіших планет Сонячної системи. Інноваційні двигуни, що виробляються у цехах компанії SETS, сьогодні стоять біля витоків цих дивовижних космічних подорожей.
