Сверхмалый плазменный двигатель для наноспутников: российская разработка готова к испытаниям в космосе

Наноспутники — это космические аппараты массой менее 10 кг, которые могут выполнять различные задачи в космосе, такие как дистанционное зондирование Земли, связь, научные исследования и т. д. Однако для эффективной работы наноспутников необходимо иметь возможность корректировать их орбиту и ориентацию в пространстве. Для этого нужен специальный двигатель, который должен быть маленьким, легким, энергоэффективным и безопасным.


Один из таких двигателей — плазменный двигатель, который использует плазму — ионизированный газ — в качестве рабочего тела. Плазма создается в двигателе за счет газового разряда в специальном канале, где она подвергается воздействию электрического и магнитного полей. Ионы плазмы ускоряются в электрическом поле и выбрасываются из канала с высокой скоростью, создавая реактивную тягу. Электроны плазмы компенсируют электрический заряд ионов и обеспечивают нейтральность плазменной струи.

Плазменные двигатели имеют ряд преимуществ перед другими типами ракетных двигателей. Они обладают высоким удельным импульсом — отношением тяги к расходу рабочего тела — что означает, что они могут работать дольше и эффективнее при меньшем количестве топлива. Они также безопасны, так как не используют взрывоопасные или токсичные вещества. Кроме того, они могут регулировать свою мощность и тягу в зависимости от задачи.

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 Виктор Храбров, отвечали за ориентацию станции в пространстве. В качестве рабочего тела использовался фторопласт, а источника энергии — конденсаторная батарея.

Однако для использования плазменных двигателей на наноспутниках необходимо было решить ряд проблем. Во-первых, фторопласт при малом разрядном токе обугливается, что приводит к быстрому выходу двигателя из строя. Во-вторых, плазма без дополнительного ускорения имеет низкую скорость истечения и соответственно низкую тягу.

Решением этих проблем занимаются ученые Национального исследовательского ядерного университета МИФИ. Они разработали новую модификацию плазменного двигателя VERA (Volume-Effective Rocket-propulsion Assembly), которая имеет следующие особенности:

В роли рабочего тела выбран пластик полиацеталь, который легко ионизируется и не обугливается при малом разрядном токе. В качестве ускорителя плазмы использована магнитная катушка, которая создает на выходе двигателя магнитное сопло, дополнительно увеличивающее скорость плазмы.

Благодаря этим решениям плазменный двигатель МИФИ имеет среднюю тягу 30 мкН при энергопотреблении 3 Вт и массе 500 г. Это в два раза больше, чем у предыдущей модификации двигателя, которая была запущена на орбиту в августе 2022 года.

Плазменный двигатель МИФИ будет установлен на наноспутник «Святобор-1», который отправится в космос в первой половине 2023 года. Спутник будет выполнять задачи дистанционного зондирования Земли с помощью оптического прибора. Плазменный двигатель позволит корректировать орбиту спутника и поддерживать стабильную траекторию.

Плазменные двигатели для наноспутников — это перспективное направление в космонавтике, которое может снизить стоимость и упростить процесс запуска малых спутников. Они также могут быть использованы для создания крупных спутниковых группировок, которые могут выполнять различные задачи в космосе. Развитие этой области требует инновационных решений и сотрудничества ученых из разных стран.