Учёные создали импульсный плазменный двигатель для наноспутников

В Московском авиационном институте совместно с Самарским национальным исследовательским университетом имени академика С. П. Королёва разработали импульсный плазменный двигатель, в котором используется газообразное рабочее тело. Устройство рассчитано на наноспутники — аппараты массой до 10 кг. Лабораторный образец и математическая модель уже готовы. Об этом сообщили в пресс-службе МАИ.

Малые космические аппараты всё шире применяются для дистанционного зондирования Земли, связи и научных экспериментов. Наличие реактивных двигателей расширяет их возможности: повышает маневренность и продлевает срок службы на орбите, компенсируя торможение в верхних слоях атмосферы. Однако ограничения по массе, габаритам и энергопотреблению затрудняют установку силовых установок на малые спутники, отметил руководитель исследовательской группы, ведущий инженер отдела 13 Научно-исследовательского института прикладной механики и электродинамики МАИ и доцент кафедры 208 Института № 2 «Авиационные, ракетные двигатели и энергетические установки» Святослав Гордеев.

Газообразное рабочее тело имеет преимущество перед традиционными твёрдыми материалами, такими как фторопласт. Оно позволяет гибко компоновать двигательную систему. Бак с газом можно разместить в любой свободной полости спутника и соединить с двигателем гибкими трубками. Это даёт возможность увеличить запас рабочего тела при ограниченном объёме аппарата.

Основой двигателя служит быстродействующий электромагнитный клапан с тонкой подвижной мембраной. При коротком импульсе тока электромагнит создаёт поле, которое отжимает мембрану от уплотнительного седла. В результате порция газа поступает в канал двигателя. После этого давление газа возвращает мембрану в исходное положение.

Святослав Гордеев рассказал, что идея двигателя развивает разработки в области ускорителей плазмы, используемых в исследованиях управляемого термоядерного синтеза. В отличие от предыдущих схем, мембрана изготовлена из ферромагнитного материала. Это повышает эффективность клапана, поскольку электромагнитное поле усиливается в материале мембраны. Отсутствие трущихся деталей повышает надёжность и долговечность системы. Кроме того, электромагнитное управление обеспечивает быстрое срабатывание и низкое энергопотребление.

По расчётам и результатам натурных экспериментов, в космических условиях частота подачи газа составит 1–2 Гц. Двигатель выдерживает более миллиона циклов срабатывания клапана без ухудшения характеристик. Это позволит аппаратам совершать до 300 часов активных манёвров. Такой ресурс даёт возможность решать разнообразные практические задачи на околоземной орбите. Двигатели позволят наноспутникам периодически увеличивать высоту полёта и распределять аппараты по орбите после запуска и корректировать их положение в составе группировок.

Разработка допускает применение различных газообразных рабочих тел, что позволяет адаптировать параметры двигателя под конкретные задачи. Изначально двигатель рассчитывали на азот. Этот газ показал стабильную подачу и предсказуемый расход. Затем разработчики перешли на криптон, тяжёлый инертный газ, который обеспечивает более высокую тягу и эффективный разгон частиц в плазменном канале. Также рассматривался ксенон.

В планах учёных — изучение других газов, перспективных для импульсных плазменных двигателей, и комплексные испытания образца в условиях, близких к космическому полёту. Работа выполнена при поддержке Минобрнауки России.