Обычный спутник несёт с собой запас рабочего тела для двигателей, которые компенсируют потери орбитальной энергии и позволяют сохранять заданную высоту. Чем ниже аппарат опускается над Землёй, тем сильнее становится сопротивление разреженной атмосферы и тем больше топлива требуется для поддержания орбиты. Именно поэтому сверхнизкие орбиты остаются сложным режимом работы космической техники: они дают преимущества для наблюдений за поверхностью Земли, но одновременно требуют практически непрерывной компенсации атмосферного торможения.
Новый вариант электрического плазменного двигателя предлагает изменить сам принцип решения этой проблемы. Вместо того чтобы везти с собой запас ксенона или другого рабочего тела, аппарат может собирать частицы верхней атмосферы непосредственно перед собой, превращать их в плазму и выбрасывать назад. Таким образом, окружающая атмосфера одновременно становится причиной торможения спутника и источником рабочего тела для его двигателя.
Разработанный вариант относится к классу атмосферно-заборных электрических двигательных установок, или ABEP. В рамках работы была создана система, включающая специальный воздухозаборник и бесконтактный радиочастотный геликоновый плазменный двигатель. Лабораторные испытания показали устойчивое образование плазмы при работе с атмосферными газами, а расчёты позволили оценить возможность использования системы на очень низких орбитах Земли и Марса. При этом речь пока идёт о лабораторно проверенной технологии и расчётных сценариях, а не о двигателе, уже установленном на действующем спутнике.
Почему сверхнизкие орбиты требуют необычного двигателя
Большинство спутников работает на высотах, где атмосфера Земли настолько разрежена, что её сопротивление за время типичной миссии относительно невелико. Однако при снижении высоты ситуация постепенно меняется. Даже на нескольких сотнях километров над поверхностью Земли ещё остаются молекулы атмосферы, и они сталкиваются с движущимся космическим аппаратом.
Для спутника это означает постоянную потерю энергии орбитального движения. Если её не компенсировать, аппарат постепенно опускается на всё более низкую орбиту и в конечном итоге входит в плотные слои атмосферы.
Особенно интересен диапазон так называемой очень низкой околоземной орбиты — VLEO. В рассматриваемой работе к нему относятся высоты ниже примерно 450 километров. Чем ниже находится аппарат, тем сильнее становится аэродинамическое сопротивление и тем больше энергии требуется для его компенсации.
У низких орбит есть важные преимущества
Несмотря на проблему атмосферного торможения, очень низкая орбита привлекательна для целого ряда задач.
Спутник, находящийся ближе к поверхности Земли, может получать более детальные изображения. Для систем дистанционного зондирования это позволяет повысить пространственное разрешение без необходимости использовать настолько крупные оптические системы.
Уменьшение расстояния до поверхности также может быть выгодно для некоторых радиолокационных и коммуникационных задач. Кроме того, низкая орбита обладает своеобразным преимуществом с точки зрения космического мусора: после прекращения работы спутника атмосферное сопротивление постепенно снижает его орбиту, а затем аппарат сгорает в атмосфере.
Однако именно это преимущество одновременно становится главным недостатком для работающего спутника. Пока аппарат должен оставаться на орбите, ему приходится постоянно компенсировать сопротивление атмосферы.
Традиционный двигатель ограничивает срок работы
Для электрических двигателей одним из распространённых рабочих тел является ксенон. Спутник должен взять необходимое количество газа с собой, хранить его под давлением и постепенно расходовать.
Такой подход хорошо работает там, где расход рабочего тела невелик. Но на очень низкой орбите двигатель может потребоваться практически постоянно. В результате запас рабочего тела превращается в один из факторов, ограничивающих продолжительность миссии.
Именно здесь возникает идея атмосферно-заборного двигателя: если частицы, которые тормозят спутник, можно собрать и использовать для создания тяги, то необходимость в большом запасе рабочего тела на борту существенно уменьшается.
Как работает атмосферно-заборный плазменный двигатель
Принцип системы относительно прост, хотя его практическая реализация требует решения нескольких сложных инженерных задач.
В передней части аппарата располагается воздухозаборник. При движении по очень низкой орбите частицы разреженной атмосферы входят в него. Затем собранный газ направляется в плазменный двигатель.
Внутри двигателя газ переводится в состояние плазмы — электрически активной среды, содержащей заряженные частицы. Электромагнитное поле ускоряет плазму и направляет её назад относительно направления движения аппарата.
Выброс плазмы создаёт реактивную тягу, компенсирующую атмосферное сопротивление.
Таким образом, система не отменяет атмосферное торможение. Она использует то же самое взаимодействие с атмосферой, которое в обычном случае сокращает срок существования спутника, как источник рабочего тела для двигателя.
Почему система не является обычным воздушно-реактивным двигателем
Название «двигатель на воздухе» может создавать неправильное представление. На таких высотах атмосфера настолько разрежена, что речь не идёт о засасывании воздуха и его сжигании, как в авиационном турбореактивном двигателе.
В атмосферно-заборной электрической двигательной установке частицы сначала собираются, затем превращаются в плазму и ускоряются электромагнитным способом.
Рабочим телом может быть именно окружающий газ, а энергия для его обработки поступает от электрической системы космического аппарата, например от солнечных батарей.
Поэтому главная особенность такой установки состоит не в том, что она получает энергию из атмосферы. Атмосфера поставляет материал для выброса, тогда как электрическая энергия необходима для создания и ускорения плазмы.
Главная проблема — атомарный кислород
Использовать верхнюю атмосферу Земли в качестве рабочего тела значительно сложнее, чем просто собрать её молекулы.
Одной из основных проблем является атомарный кислород. Под воздействием ультрафиолетового излучения Солнца молекулы кислорода в верхних слоях атмосферы могут распадаться на отдельные атомы кислорода.
Атомарный кислород химически гораздо более агрессивен, чем молекулярный кислород. При столкновении с поверхностями космического аппарата он способен вызывать окисление и эрозию материалов.
Для обычного спутника это уже серьёзная проблема, а для атмосферно-заборного двигателя она становится ещё важнее, поскольку рабочее тело непосредственно проходит через двигатель.
Почему обычные плазменные двигатели уязвимы
В традиционных электрических двигателях могут использоваться электроды, катоды и другие элементы, которые непосредственно контактируют с плазмой или заряженными частицами.
При использовании агрессивных компонентов атмосферы такие элементы могут постепенно разрушаться. Особенно проблематичным является катод, который в некоторых типах электрических двигателей используется для нейтрализации выходящего потока.
Если из двигателя выходит преимущественно поток положительно заряженных ионов, без нейтрализации космический аппарат может накапливать электрический заряд. Это способно нарушить нормальную работу двигателя.
Поэтому для атмосферно-заборной системы особенно привлекательна конструкция, в которой можно обойтись без контактного нейтрализатора.
Новый двигатель работает без электродов в зоне плазмы
Для решения проблемы была использована радиочастотная геликоновая плазменная схема.
Её важная особенность заключается в бесконтактном создании плазмы. Электрическая энергия передаётся газу посредством электромагнитного поля, а не через электроды, которые непосредственно соприкасаются с плазмой.
Это позволяет уменьшить количество элементов, подверженных химическому воздействию агрессивных частиц.
Плазма затем выводится из двигателя в виде квазинейтрального потока. В нём присутствуют как положительно заряженные ионы, так и электроны, поэтому отдельный нейтрализатор для компенсации заряда не требуется. Такой принцип использовался и в более ранних разработках этого семейства двигателей.
В основе конструкции — антенна, похожая на применяемые в МРТ
Необычной частью системы стала так называемая birdcage-антенна — конструкция, известная в медицинской технике и используемая, в частности, в магнитно-резонансной томографии.
В плазменном двигателе она выполняет совершенно другую функцию. Радиочастотная энергия с её помощью передаётся в плазменную область.
Такая конструкция позволила получить очень высокую электрическую эффективность передачи энергии в двигатель. По результатам испытаний, более 99% подводимой радиочастотной мощности передавалось в плазменную систему в условиях вакуумных испытаний.
Это важно потому, что электрическая мощность на космическом аппарате является ограниченным ресурсом. Чем меньше энергии теряется в самой системе возбуждения плазмы, тем больше её остаётся для создания тяги и работы остальных систем спутника.
Воздухозаборник оказался не менее важен, чем сам двигатель
Сам по себе плазменный двигатель не решает задачу. Сначала необходимо собрать достаточное количество чрезвычайно разреженных частиц атмосферы и направить их в разрядную камеру.
Это принципиально сложнее обычного воздухозаборника. На очень низкой орбите отдельные частицы находятся далеко друг от друга и движутся относительно аппарата с высокой скоростью.
В работе сравнивались три конструкции воздухозаборника, основанные на разных вариантах взаимодействия частиц газа с поверхностью.
Три варианта сбора атмосферных частиц
Первый вариант представлял собой усовершенствованную воронкообразную конструкцию. Её задача заключалась в том, чтобы увеличить вероятность попадания разреженных частиц внутрь системы.
Второй вариант использовал диффузионную конструкцию компактной формы, изготовленную из покрытого титанового сплава.
Третий вариант получил название specular intake. В нём использовалась параболическая поверхность, способная отражать частицы в направлении двигателя. Поверхность была рассчитана на зеркальное взаимодействие с потоком и могла иметь покрытие из графита или диоксида кремния.
Зеркальный воздухозаборник показал лучший результат
Именно последний вариант продемонстрировал наилучшее сочетание эффективности сбора и устойчивости к изменению направления набегающего потока.
В испытаниях в аэродинамической трубе он собирал примерно 94,3% использовавшихся частиц. При этом речь шла не о полноценном испытании в верхней атмосфере, а о наземном эксперименте с отдельными газами — атомарным кислородом, аргоном и азотом.
При отклонении воздухозаборника на 15 градусов эффективность снижалась примерно на 8%. Это важно для космического аппарата, поскольку реальная ориентация спутника и направление набегающего атмосферного потока не всегда будут идеально совпадать.
Таким образом, воздухозаборник показал высокую эффективность именно в лабораторных условиях. Это не означает, что 94,3% частиц будут автоматически собираться на реальном спутнике при любых условиях полёта.
Лабораторный прототип смог создать устойчивую плазму
После разработки конструкции воздухозаборника и двигателя систему испытали отдельно в условиях, имитирующих разреженную атмосферу очень низкой околоземной орбиты.
Для этого использовали вакуумную камеру. В ней создавали газовую среду с концентрациями, соответствующими рассматриваемым условиям полёта, и проверяли работу плазменного двигателя.
В испытаниях использовались аргон, азот и кислород. Двигатель смог зажигаться и поддерживать устойчивый плазменный разряд при соответствующих потоках газа. Для работы требовалось менее 60 Вт радиочастотной мощности; в описании эксперимента указывается стабильная работа при уровне примерно 50–60 Вт.
Это существенный результат, но его важно правильно интерпретировать. Испытание показало работоспособность плазменного двигателя в лабораторной установке при заданных условиях. Оно не являлось испытанием полного атмосферно-заборного спутника и не демонстрировало компенсацию реального орбитального сопротивления.
От 50–60 Вт в лаборатории до 1,6 кВт на спутнике — это разные показатели
Здесь особенно важно не смешивать два разных результата.
В лабораторном эксперименте речь шла о радиочастотной мощности порядка 50–60 Вт, необходимой для поддержания плазмы при заданном потоке газа.
Для полноценного космического аппарата требуется гораздо больше энергии, поскольку необходимо не только поддерживать плазменный разряд, но и компенсировать реальное аэродинамическое сопротивление конкретного спутника.
В расчётном сценарии для аппарата, сопоставимого по характеристикам с GOCE, была получена потребность в электрической мощности до 1,6 кВт для поддержания орбиты в диапазоне примерно 190–250 километров. Это уже системный расчёт, а не измерение, полученное во время лабораторного испытания.
Именно такое различие между экспериментом и расчётом принципиально важно для оценки технологии.
Что показывает пример спутника GOCE
Для проверки практической применимости концепции использовался сценарий, основанный на характеристиках спутника GOCE.
GOCE работал на очень низкой околоземной орбите и использовал ионный двигатель с запасом ксенона для компенсации атмосферного сопротивления.
По расчётам, атмосферно-заборная система могла бы использовать окружающий газ вместо заранее доставленного запаса рабочего тела. Для рассматриваемого аппарата расчёты дали диапазон высот примерно от 190 до 250 километров, в котором для компенсации сопротивления требовалась мощность менее 1,6 кВт.
Это не означает, что существующий GOCE можно было просто оснастить новым двигателем и вернуть на орбиту. Речь идёт о расчётном сравнении с конкретным типом космического аппарата.
Почему именно такие высоты
Чем ниже находится спутник, тем плотнее атмосфера и тем сильнее сопротивление. Но при увеличении высоты количество доступных атмосферных частиц уменьшается.
Следовательно, для атмосферно-заборного двигателя существует диапазон высот, в котором одновременно выполняются два условия: частиц достаточно для сбора рабочего тела, но сопротивление ещё можно компенсировать при доступной мощности.
Именно поэтому задача не сводится к принципу «чем ниже, тем лучше». Снижение высоты одновременно увеличивает количество доступного газа и увеличивает сопротивление.
Кроме того, плотность верхней атмосферы Земли меняется во времени и зависит от условий, связанных в том числе с солнечной активностью. Поэтому расчётная мощность двигателя не является одной постоянной величиной для любого полёта.
Солнечная активность становится частью задачи управления двигателем
Верхняя атмосфера Земли не представляет собой неизменную газовую оболочку.
Её плотность зависит от высоты, географического положения, времени суток и солнечной активности. Во время изменения космической погоды плотность верхней атмосферы может существенно меняться.
Для обычного спутника это означает изменение силы атмосферного торможения. Для ABEP-системы появляется дополнительная особенность: одновременно меняется и количество доступного рабочего тела.
Получается своеобразная обратная связь. Рост плотности атмосферы усиливает торможение, но одновременно увеличивает поток частиц, который можно использовать в двигателе.
Однако это не означает автоматической компенсации. Чтобы удерживать орбиту, система должна быть рассчитана на конкретный баланс между сопротивлением, количеством собираемого газа, эффективностью двигателя и доступной электрической мощностью.
Почему такая система может продлить работу спутника
В традиционной схеме срок работы двигателя на низкой орбите связан с количеством рабочего тела, которое спутник может взять с Земли.
У атмосферно-заборной системы появляется другой ограничивающий фактор: она должна находиться в области атмосферы, где можно собрать достаточно газа и обеспечить необходимую тягу.
Это принципиальное изменение архитектуры миссии. Запас рабочего тела перестаёт быть главным ограничителем, однако вместо него появляются требования к воздухозаборнику, плазменному двигателю, электропитанию и устойчивости конструкции к воздействию атмосферы.
Поэтому корректнее говорить не о «бесплатном топливе», а о переносе части ограничений с хранения рабочего тела на сбор атмосферного газа и его последующее преобразование в тягу.
Марс также подходит для атмосферно-заборного двигателя
Интерес к ABEP не ограничивается Землёй. Сам принцип может работать на любом небесном теле, где имеется атмосфера достаточной плотности и доступна энергия для работы двигателя.
Особенно интересен Марс. Его атмосфера сильно отличается от земной и в основном состоит из углекислого газа. Поэтому рабочее тело для такого двигателя будет иметь другой состав.
В расчётах рассматривался вариант использования атмосферно-заборной электрической двигательной установки на низкой марсианской орбите. Для аппарата, сопоставимого с рассматриваемым земным сценарием, расчёты указывают на возможность поддержания орбиты примерно в диапазоне 120–160 километров.
Низкая марсианская орбита особенно интересна для наблюдений
Чем ниже находится орбитальный аппарат над поверхностью Марса, тем ближе он находится к объектам, которые наблюдает.
Однако обычный спутник не может просто опуститься на произвольно малую высоту. Атмосфера Марса, хотя и значительно разреженнее земной, всё же создаёт сопротивление.
Для обычного спутника это ограничивает срок работы на низкой орбите. Атмосферно-заборная система потенциально позволяет компенсировать это сопротивление без большого запаса рабочего тела.
В расчётной части работы рассматривалась возможность применения такой технологии для низкоорбитальных марсианских аппаратов, включая задачи наблюдения и обеспечения связи. Однако эти варианты пока относятся к теоретическим сценариям.
Марсианский вариант не является готовым двигателем для полёта
Особенно важно, что расчёт возможности работы на Марсе не равнозначен экспериментальной демонстрации двигателя в марсианской атмосфере.
Лабораторные испытания проводились с газами, соответствующими отдельным компонентам атмосферных сред, а марсианская применимость оценивалась расчётно.
Для реальной миссии потребовалось бы проверить работу двигателя с соответствующим составом и плотностью газа, работу воздухозаборника, стабильность плазмы, долговечность материалов и способность системы компенсировать реальное сопротивление на орбите Марса.
Поэтому диапазон 120–160 километров следует рассматривать как результат расчётов, а не как установленную эксплуатационную возможность готового космического аппарата.
Почему двигатель особенно интересен именно для очень низких орбит
Главная идея ABEP состоит в использовании необычного свойства низких орбит.
На обычной орбите атмосфера воспринимается как источник проблем: она тормозит аппарат и постепенно снижает его орбиту.
В атмосферно-заборной системе тот же поток частиц становится рабочим телом. Спутник собирает его впереди себя, и после электрического преобразования поток выбрасывается назад.
Это не нарушает законы сохранения импульса и не создаёт энергию из ничего. Аппарату по-прежнему необходима электрическая энергия, а атмосфера продолжает создавать сопротивление. Новизна заключается в том, что вместо постоянного расходования заранее привезённого рабочего тела используется поток окружающего газа.
Какие задачи могут решать такие спутники
Если технология пройдёт дальнейшие испытания, атмосферно-заборный двигатель может быть особенно полезен для аппаратов, которым требуется длительная работа на очень низких орбитах.
Одно из очевидных направлений — дистанционное зондирование Земли. Более низкая высота позволяет приблизить сенсоры к поверхности и потенциально получать изображения с более высоким пространственным разрешением.
Другим направлением могут стать радиолокационные системы, которым выгодна малая высота.
Ещё один вариант — специализированные научные аппараты для исследования верхней атмосферы. В этом случае наличие самого газа вокруг аппарата перестаёт быть только помехой и становится частью экспериментальной среды.
На Марсе аналогичный подход может использоваться для низкоорбитальных платформ наблюдения и связи. Однако конкретная конструкция такого аппарата должна учитывать состав марсианской атмосферы и значительно отличающиеся условия полёта.
Что пока остаётся нерешённым
Несмотря на успешные лабораторные испытания, до полноценного космического применения технологии остаётся несколько важных этапов.
Первый вопрос связан с долговечностью. Двигатель должен работать не минуты или часы, а потенциально месяцы и годы, поскольку именно длительная эксплуатация является одним из главных преимуществ ABEP.
Второй вопрос — поведение материалов при длительном контакте с атомарным кислородом и другими агрессивными компонентами верхней атмосферы.
Третий — изменчивость атмосферы. Система должна сохранять работоспособность при изменении плотности и состава окружающей среды.
Четвёртый — работа всего комплекса одновременно. Отдельно испытанные воздухозаборник и плазменный двигатель ещё не представляют собой полностью продемонстрированную орбитальную двигательную систему.
Испытание на реальной орбите станет главным следующим шагом
Наземная вакуумная камера позволяет проверить важнейшие физические процессы, но она не может полностью заменить космический эксперимент.
На орбите аппарат одновременно движется с огромной скоростью, взаимодействует с реальным потоком атмосферы, испытывает изменения плотности и солнечной активности и должен самостоятельно поддерживать ориентацию.
Кроме того, потребуется подтвердить, что воздухозаборник действительно собирает необходимое количество частиц в реальном полёте, а плазменный двигатель создаёт достаточную тягу для компенсации сопротивления всего аппарата.
Только после такой демонстрации можно будет оценить практическую эффективность системы как космической двигательной установки.
Это не двигатель, который позволит спутнику летать без энергии
Одно из наиболее важных ограничений концепции заключается в том, что отсутствие запасов рабочего тела не означает отсутствие энергетических затрат.
Аппарат должен собирать атмосферные частицы, переводить их в плазму и ускорять. Для этого необходима электрическая энергия.
В случае Земли потенциальным источником может служить солнечная энергетическая система. В расчётном сценарии для аппарата GOCE-подобного класса потребность оценивалась менее чем в 1,6 кВт на рассматриваемом диапазоне высот. Но это расчёт для конкретных параметров аппарата, а не универсальная характеристика двигателя.
Поэтому при проектировании реального спутника придётся учитывать не только двигатель, но и площадь солнечных батарей, массу системы, площадь поперечного сечения аппарата и требования к ориентации.
Главный результат — объединение воздухозаборника и плазменного двигателя
Наиболее интересная особенность разработки заключается не в отдельном изобретении нового плазменного двигателя или воздухозаборника.
Для атмосферно-заборной двигательной системы оба элемента должны работать как единое целое.
Если воздухозаборник эффективен, но двигатель не способен переработать собранный поток, система не сможет компенсировать сопротивление. Если двигатель эффективен, но воздухозаборник собирает слишком мало частиц, ему не хватит рабочего тела.
Разработанная система объединяет оптимизированный вариант сбора частиц с бесконтактным геликоновым плазменным двигателем. В лабораторных испытаниях двигатель продемонстрировал устойчивое образование плазмы, а испытания воздухозаборников показали высокую эффективность для выбранной зеркальной конструкции.
От идеи к реальному спутнику предстоит пройти ещё несколько этапов
На сегодняшний день технология находится на стадии лабораторной проверки и расчётной оценки применения.
Уже продемонстрированы отдельные ключевые элементы: воздухозаборник с высокой эффективностью сбора частиц в наземном испытании и радиочастотный геликоновый плазменный двигатель, способный работать с соответствующими газами при сравнительно небольшой радиочастотной мощности.
Но пока не продемонстрирована полноценная работа всей системы на орбите. Нет и космической демонстрации того, что такой двигатель способен годами компенсировать сопротивление конкретного спутника.
Поэтому говорить о скором отказе от традиционных запасов топлива для низкоорбитальных аппаратов пока рано.
Почему эта технология может изменить подход к сверхнизким орбитам
Если дальнейшие испытания подтвердят расчёты, атмосферно-заборная электрическая тяга может изменить сам подход к проектированию аппаратов для VLEO.
Сегодня инженер должен учитывать ограниченный запас рабочего тела как один из факторов продолжительности миссии. В ABEP-схеме рабочее тело практически постоянно доступно вокруг аппарата, но вместо него возникают новые требования к сбору газа, электропитанию и долговечности двигателя.
Для Земли это может открыть возможность длительной работы спутников на высотах, где атмосферное сопротивление сейчас делает эксплуатацию особенно сложной.
Для Марса концепция ещё интереснее с точки зрения будущих низкоорбитальных аппаратов, поскольку позволяет рассматривать орбиты существенно ниже тех, которые удобны для обычной длительной эксплуатации.
При этом всё это пока относится к перспективам технологии. Лабораторный прототип уже показал принципиальную работоспособность основных элементов, но реальная космическая система должна пройти значительно более жёсткие испытания.
Главная идея разработки при этом предельно наглядна: атмосфера, которая обычно заставляет спутник падать, может одновременно стать источником рабочего тела для двигателя. Аппарату всё равно потребуется энергия, но ему потенциально не понадобится нести с собой большой запас газа. Именно это превращает сопротивление атмосферы из исключительно ограничивающего фактора в ресурс, который можно использовать для поддержания низкой орбиты.
Источники:
Статья создана по материалам UniverseToday.com
