Учёные создают воздушно-ионный двигатель для спутников

Сегодня спутники прекращают работу, как только у них заканчивается топливо. Но двигатель нового типа может покончить с дорогостоящей практикой, предположил научный обозреватель Forbes Анатолий Глянцев.


Инженеры работают над принципиально новым двигателем для космических аппаратов. Устройство захватывает атомы воздуха для создания реактивной струи. Изобретение должно продлить срок службы наблюдающих за Землёй спутников. Предположительно технология применима и на других планетах в будущем.

Спутник требует поддержки

Движение спутника по орбите — это свободное падение. Аппарат бы упал на Землю ещё быстрее, но промахивается. Из-за его скорости направление на центр нашей планеты меняется слишком быстро, так что падение превращается в движение по по эллипсу. И для этого не нужен двигатель.

Даже на геостационарной орбите в 36 тыс. км над Землёй притяжение Луны и Солнца постепенно меняет траекторию аппарата и даже может развернуть спутник антенной от Земли, лишив связи. Двигатели и топливо компенсируют эти возмущения, но топливо иссякает.

Не так давно спутники, которые обошлись в сотни миллионов долларов, просто выводили из эксплуатации, как только горючее заканчивалось. Ситуация начала меняться в 2020 году с запуском первого космического буксира MEV от компании SpaceLogistics. Он стыкуется со спутником и берёт на себя заботу о его орбите и ориентации.

Нужно компенсировать

Ещё сложнее продержаться ниже 450 км над Землёй, на очень низких околоземных орбитах (ОНОО). Общепризнанные пределы космоса — 100 км над уровнем моря. Но там уже есть очень разреженный воздух. Остатки атмосферы постепенно тормозят космический аппарат. Сопротивление уменьшает скорость, , и он переходит на более низкую, где воздух ещё гуще. Так эллипс орбиты становится спиралью, по которой спутник всё ближе к Земле, пока не сгорит в более плотной атмосфере.

Вот почему постепенное снижение нужно компенсировать. Хороший пример — МКС, которая кружит примерно в 400 км над планетой. Её орбиту регулярно повышают пристыкованными грузовыми кораблями, иначе станция давно бы «спикировала» на Землю.

Но запускать космические буксиры ради рядовых необитаемых спутников нерентабельно. Вот почему на ОНОО очень мало аппаратов. Даже наблюдающие за Землёй спутники запускают обычно на высоты 550–700 км. Хотя это и ухудшает качество данных.

Заставить работать противника

Проблему можно решить, если заставить воздух работать на поддержание орбиты.

Реактивный двигатель работает за счёт струи так называемого рабочего тела, которая вырывается из его сопла. И законы физики толкают аппарат в противоположную сторону. Традиционные двигатели — химические. Их рабочее тело — раскалённые газы от сгорания топлива, которое быстро заканчивается.

Уже несколько десятилетий на орбите применяют ионные двигатели. Рабочим телом для них служат ионы чаще всего ксенона, ускоренные электрическим полем. Ионный двигатель создаёт значительно большую тягу на килограмм рабочего тела, чем химический. Но тяга на единицу времени оказывается малой, поскольку солнечные батареи дают лишь несколько киловатт электричества. То есть такие двигатели экономичны, но маломощны. Поэтому их устанавливают лишь на небольшие аппараты и для малых коррекций траектории.

Да и запасы ксенона тоже рано или поздно заканчиваются. А на очень низкой орбите, корректировать которую нужно постоянно, они закончатся ещё раньше. Так, европейскому спутнику GOCE, летавшему на высоте 250 км, 40 кг ксенона хватило на четыре года.

Пересмотреть роль воздуха

Возникла идея использовать как рабочее тело сам неиссякаемый воздух вокруг спутник на ОНОО.

Такую возможность исследуют несколько научных групп в Европе, США и Японии. Дальше всех, вероятно, продвинулся проект DISCOVERER. Аббревиатура означает «первооткрыватель», но фактически сложена из слов DISruptive teChnOlogies for VERy low Earth oRbit platforms — «революционные технологии для платформы на очень низкой околоземной орбите».

Манчестерский университет, возглавляющий проект, начал исследования в 2017 году и получил на это от Евросоюза €5,7 млн. В 2018 году разработчики уже испытали прототип двигателя на Земле.

Недавно инженеры из семи европейских стран опубликовали препринт научной статьи, оценив перспективы воздушно-ионного двигателя. По их расчётам, он сможет удерживать аппараты на высоте от 180 до 250 км над Землёй. Энергией установку снабдит Солнце, а рабочим телом — атмосфера, так что время работы спутника ограничится только его износом. Пусть и очень разреженный атомарный кислород рано или поздно прервёт срок службы.

О других планетах

Над Марсом при его низкой гравитации можно будет кружить ещё ниже — от 130 до 160 км. И над Марсом новые аппараты смогут играть роль космических буксиров, подобных опробованным на геостационарной орбите MVE.

Но пока в космос ещё не отправился ни один аппарат с воздушно-ионным двигателем.