В МИФИ создают ракетный двигатель малой мощности LENA

Линейная электромагнитная двигательная установка (linear electromagnetic nonstationary accelerator, LENA) — ​это усовершенствованная версия ранее разработанного двигателя VERA. Мощность VERA — ​несколько ваттов, LENA — ​уже несколько десятков. Мы попросили заведующего лабораторией плазменных ракетных двигателей Института ЛаПлаз Игоря Егорова рассказать о разработке.

— Для какого микроспутника предназначен двигатель LENA?

— Возможно, вы решили, что двигатель разрабатывается для конкретного спутника, но это не так. Он может быть установлен на каких угодно микроспутниках — ​главное, чтобы тяги хватило справиться с массой и у спутника было достаточно места и электрической мощности.

— Как устроен и как работает двигатель?

— Двигатель состоит из двух электродов, между которыми располагается шашка рабочего тела — ​пластикового изолятора. Электроды подсоединяются к конденсаторной батарее, которая может обеспечить силу тока в тысячи ампер. В отверстии катода находится свеча зажигания, которая запускает электрический разряд между электродами. Электрический разряд вызывает испарение тонкого слоя пластикового изолятора, разложение паров буквально на атомы, ионизацию этих атомов с образованием плазмы. Когда ток в несколько тысяч ампер протекает через электроды и плазму, он создает большое магнитное поле. Ток взаимодействует с рожденным им же полем, появляется сила Ампера, которая пытается раздвинуть электроды и вытолкнуть плазму из двигателя. Электроды прочно закреплены, так что они никуда не двигаются, а вот плазма разгоняется до скорости, которая может превышать 10 км/с, и выбрасывается из двигателя. По третьему закону Ньютона выброс плазмы в одну сторону одновременно толкает двигатель в противоположную — ​так создается тяга.

В нашем случае ток течет не только через электроды и плазму, но еще и через пару магнитных катушек, которые дополнительно увеличивают магнитное поле. В других двигателях подобного рода этих катушек нет, поле создается только при протекании тока через электроды и плазму.

— Что дает увеличение магнитного поля?

— В традиционных плазменных двигателях разряд длится очень короткое время — ​3–7 мкс. Затем запас энергии в конденсаторе заканчивается, и ток спадает до нуля. Но нагретая разрядом шашка рабочего тела продолжает какое-то время испаряться. Тяги это почти не создает, но расходует пластик. Непроизводительный расход рабочего тела порой достигает 80 %.

Чем дольше разряд, тем большая часть рабочего тела разгоняется и, соответственно, больше тяга. Но при ограниченном запасе энергии в конденсаторах увеличивать длительность разряда можно только за счет сокращения разрядного тока. Сила Ампера определяется произведением величины тока на величину магнитного поля. Если мы снижаем разрядный ток в пять раз, то у нас и магнитное поле падает в пять раз, а сила, которая разгоняет плазму, — ​в 25 раз. Если мы существенно увеличим длительность разряда, сократив ток, то в итоге у нас вообще никакого разгона не будет.

Мы пробуем решить эту проблему, добавив в конструкцию магнитные катушки, которые позволят получить большое поле при относительно небольшом токе. Так мы увеличим длительность разряда и не слишком сильно потеряем в силе разгона плазмы. Надеемся, наш двигатель будет эффективнее всех остальных расходовать и запас пластика, и электричество.

— Когда вы планируете закончить работу?

— Если отталкиваться от прошлого опыта, то на разработку и доводку двигателя потребуется год-полтора. То есть до конца 2024 года он будет готов.

— Когда должен быть запущен спутник с LENA?

— «Должен» — ​никогда. Еще раз: нет конкретного спутника, для которого этот двигатель разрабатывается. Но при условии, что производители спутников проявят интерес к нашей разработке до ее полного завершения, потенциально уже в конце следующего года на орбиту может отправиться первый спутник с таким двигателем. Подчеркну: «может», а не «должен». Пока работы идут всего пару месяцев, тут рано говорить о перспективах.

СПРАВКА

Малые спутники — ​космические аппараты весом от нескольких граммов до нескольких сотен килограммов (микроспутники — ​не больше 100 кг). Их используют для наблюдения за Землей, связи с космическими исследовательскими миссиями, измерения радиации, мониторинга погоды, научных экспериментов и др.

Отправляются такие аппараты в космос двумя способами. Первый — ​в качестве вторичной полезной нагрузки на ракете-носителе. После выхода на нужную высоту спутники «выстреливаются» из специального устройства. Второй способ — ​доставить как обычный груз на МКС и запустить оттуда.

Благодаря низкой стоимости разработки, запуска и обслуживания малые спутники открывают возможности для проявления частной инициативы в космосе и для реализации вузовских проектов. Глава «Роскосмоса» Юрий Борисов отмечает высокую востребованность наработок в области малых космических аппаратов: «Мы открыты для взаимодействия и всегда будем только способствовать, потому что не можем охватить весь широкий спектр. Мы больше сосредотачиваемся на тяжелых спутниках, многофункциональных, дорогих, а вот кубсаты (от англ. CubeSat, формат сверхмалых спутников. — ​«СР»), по крайней мере обзорные спутники дистанционного зондирования Земли, вполне могут восполнить имеющийся дефицит информации».