Полеты мысли: в МИФИ развивают технологии космических двигателей

Первый космический спутник Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ» «Святобор‑1» отличает лесные пожары от облаков и летает на плазменной тяге. Каковы перспективы программы развертывания группировки спутников с силовыми установками ядерного университета (и их коммерческие перспективы), обозреватель «СР» выяснил в лаборатории плазменных ракетных двигателей Института лазерных и плазменных технологий.

Глядит в оба

Главное предназначение мифистского спутника-пионера с абляционным плазменным двигателем VERA — ​мониторинг возгораний в лесах на территории России. Осенью «Святобор‑1» засек два таежных пожара. Один снимок сделан 1 сентября в бассейне реки Вилюй в Якутии, другой — ​8 октября близ озера Харитом и поселка Ширинга в Бурятии.

«Белый дым от бушующего огня с большой высоты очень похож на облака. И только четкая граница с одной стороны — ​кромка горящего пятна — ​позволяет сделать вывод, что это дым, — ​комментирует заведующий лабораторией Игорь Егоров. — ​Пожары вообще нелегко идентифицировать из космоса, даже в НАСА. За них иногда принимают выбросы из труб предприятий. Чтобы легче вычленять лесные пожары, у «Святобора‑1» реализована комбинация тепловизионной и оптической фотокамер. Первая, с относительно невысоким разрешением, видит горячее пятно, вторая позволяет рассмотреть его подробнее. Чтобы обработать снимок, бортовому компьютеру нужно несколько секунд. За это время спутник уходит на десятки километров, и сделать уточняющий снимок получается не всегда».

«Святобор‑1» не устает подкидывать и другие задачки со звездочкой. В зоне прямой видимости центра управления полетами (ЦУП) на московской площадке университета он пролетает в среднем пять раз в сутки. Предполагалось, что обмен информацией удастся организовывать во время каждого сеанса. Но в мегаполисе канал в радиолюбительском диапазоне сильно загрязнен другими сигналами, в том числе широкополосными, что мешает стабильной связи. Кроме того, рулить с Земли «Святобором‑1» оказалось не так просто. Когда в ЦУПе освоились с управлением, стало понятно: дополнительной настройки требует система ориентации, которую предоставила компания «Спутникс» — ​разработчик спутниковой платформы (конструктивной базы, дорабатываемой и оснащаемой под цели конкретного изделия).

«Мы первые заказчики малого спутника, которым важно видеть конкретную точку на планете, иначе вся идея поиска пожаров насмарку, — ​отмечает Игорь Егоров. — ​К тому же верная ориентация необходима и нашему двигателю VERA, ведь она задает направление тяги».

СуперСТАР для кубиков

В МИФИ убедились, что с главной задачей — ​распознаванием возгораний — ​спутник справляется. Сезон пожаров позади, и в ЦУПе начали серию экспериментов с маневрированием.

«Пока мы обрабатываем снимки сами, — ​говорит Игорь Егоров. — ​Чтобы обучить этому искусственный интеллект, нужно много орбитальных фотографий пожаров в реальном времени. То есть камеры должны снимать непрерывно. А если мы хотим постоянно захватывать всю территорию России, спутников вроде «Святобора» требуется несколько, в идеале — ​десятки. На перспективу можно говорить о российской противопожарной группировке. Но для корректного ее выстраивания на орбите нам надо убедиться, что система ориентации в ее нынешнем виде способна стабильно обеспечивать необходимое направление тяги».

Двигатель VERA (volume­effective rocket­propulsion assembly) уже продемонстрировал свою надежность. Ракета со «Святобором‑1» стартовала в июне прошлого года, а до спутника МИФИ в космосе с VERA летали два других аппарата на платформе «Спутникс». Недавно, в ноябре, запущен спутник на платформе компании «Геоскан», и точно такой же готовится к запуску весной.

Обе платформы относятся к стандарту сверхмалых спутников CubeSat. Кубсаты компонуются из кубиков с длиной ребра 10 см, внутри которых располагается система ориентации, двигатели и полезная нагрузка, а снаружи, на гранях, — ​солнечные батареи. «Святобор‑1» реализован в варианте 3U, то есть собран из трех кубиков.

«Востребованность сверхмалых аппаратов в обозримом будущем вырастет, — ​считает Евгений Степин, гендиректор созданной в МИФИ компании «СТАР» («Спутниковые технологии и астроразработки»). — ​Сейчас они полезны для мониторинга передвижения морских судов и авиалайнеров. В «Спутниксе» заинтересовались выпуском кубсатов стандарта 6U, а в недалекой перспективе — ​12U и 16U. Поэтому мы собираемся заняться серийным выпуском двигателей для них».

Помимо низкого энергопотребления и малых габаритов, у абляционных плазменных двигателей с твердотельным рабочим веществом есть еще один козырь: в спящем состоянии они абсолютно безопасны. Фактически это магнитная катушка, анод с катодом, свечи зажигания и твердотельный диэлектрик — ​при отсутствии напряжения там просто нечему взрываться, проблем с транспортировкой не возникает. Собственные мощности СТАРа позволяют производить в среднем один двигатель в день. В кооперации с научными группами ядерного университета и российской компанией «Авиационная электроника и коммуникационные системы» дорабатывается новая версия электронной системы электропитания и управления (в двигателе она своя). Прежде ее делали вручную, теперь нужна технология серийного производства.

Что дальше

«Абляционные импульсные плазменные двигатели в космосе используют больше полувека, — ​рассказывает Игорь Егоров. — ​Но с уменьшением тока разряда у них критически падает мощность и эффективность. В кубсатах же из-за маленьких солнечных панелей энергии не всегда достаточно, а для перспективных вариантов компоновок нужна большая тяга по сравнению с нынешними 30 мкН. Поэтому мы перешли к испытаниям нового электроракетного двигателя LENA (linear electromagnetic nonstationary accelerator)».

Разгон космического аппарата с VERA происходит за счет термического эффекта: нагретая плазма из испаренного слоя диэлектрика определенным образом фокусируется (обжимается) магнитным полем и выбрасывается из сопла. В геометрии LENA конфигурация электродов и магнитного поля видоизменяется так, что спутник напрямую разгоняет сила Ампера, действующая на плазму как на проводник. Пока в лаборатории испытывают первые прототипы технологического стартапа «СТАР», созданного в рамках университетского акселератора (финансируется на средства программы «Развитие НИЯУ «МИФИ» во взаимодействии с госкорпорацией «Росатом» до 2030 года»).

Замахиваются и на магнитоплазмодинамический двигатель — ​более отдаленная перспектива. В нем мощность на несколько порядков больше, а тяга создается силой Лоренца, воздействующей на заряженную частицу электромагнитным полем. Даже на испытательном стенде вполне реально добиться полезной мощности в сотни киловаттов.

«Пока мы подходим к задаче, как смоделировать отвод тепла в условиях безвоздушного пространства, чтобы мощный двигатель не расплавил космический аппарат», — ​говорит Игорь Егоров.