Небольшие спутники давно стали одной из самых быстро развивающихся областей космонавтики. За последние два десятилетия аппараты размером с коробку для обуви или небольшой чемодан превратились из учебных проектов университетов в полноценные научные и коммерческие инструменты. Они наблюдают за Землёй, изучают космос, обеспечивают связь и помогают тестировать новые технологии.
Однако у таких аппаратов всегда существовало серьёзное ограничение — недостаточно гибкие двигательные системы. Малые размеры спутников не позволяют размещать большое количество топлива и сложное оборудование. В результате инженерам обычно приходилось выбирать между мощными, но неэкономичными двигателями и экономичными, но медленными системами.
Теперь исследователи разработали решение, которое может существенно расширить возможности малых космических аппаратов. Новая технология объединяет преимущества двух разных типов двигателей и позволяет использовать один общий запас топлива. Если система подтвердит свою эффективность в космосе, небольшие спутники смогут выполнять задачи, которые раньше были доступны только значительно более крупным аппаратам.
Почему двигатели имеют решающее значение
Любой космический аппарат нуждается в возможности менять своё положение в пространстве.
После выхода на орбиту спутнику необходимо корректировать траекторию, удерживать нужную ориентацию, избегать столкновений и выполнять различные манёвры. Для межпланетных миссий требования становятся ещё более сложными.
Именно двигательная установка зачастую определяет возможности аппарата.
Традиционно космические двигатели делятся на две большие категории.
Первая — химические двигатели. Они обеспечивают мощную тягу и позволяют быстро изменить скорость аппарата. Именно такие системы используются при запуске ракет и выполнении резких манёвров.
Вторая категория — электрические двигатели. Они создают значительно меньшую тягу, зато расходуют топливо гораздо эффективнее. Благодаря этому аппарат может работать месяцами и даже годами, постепенно набирая скорость.
Сложный выбор для маленьких спутников
Для крупных космических аппаратов установка нескольких двигательных систем обычно не является серьёзной проблемой. Они обладают достаточным запасом массы и объёма.
У малых спутников ситуация совершенно иная.
Каждый дополнительный килограмм полезной нагрузки увеличивает стоимость запуска и усложняет конструкцию аппарата. Поэтому инженерам часто приходится идти на компромисс.
Если выбрать химический двигатель, спутник сможет быстро маневрировать, но запас топлива быстро исчерпается.
Если использовать электрическую систему, аппарат будет экономичным, однако выполнение многих манёвров займёт слишком много времени.
В результате многие перспективные миссии остаются недоступными для компактных аппаратов.
Идея объединить два мира
Инженеры предложили объединить преимущества обоих подходов.
Основой новой системы стало использование единого топлива как для химического двигателя, так и для электрических микродвигателей.
Подобная концепция долгое время считалась крайне сложной в реализации. Разные типы двигателей обычно требуют различных видов топлива и отдельных систем хранения.
Исследователям удалось доказать, что специальное ионное топливо способно эффективно работать сразу в двух режимах.
Это позволяет отказаться от нескольких баков и существенно упростить конструкцию спутника.
Что представляет собой новое топливо
Ключевым элементом разработки стало вещество ASCENT.
Оно относится к так называемым «зелёным» ракетным топливам нового поколения. Такие составы создаются как более безопасная альтернатива гидразину, который десятилетиями использовался в космической отрасли, но отличается высокой токсичностью.
Особенность нового топлива заключается в том, что оно представляет собой ионную жидкость.
Подобные вещества обладают необычными свойствами. Они сохраняют жидкое состояние в широком диапазоне условий и содержат большое количество заряженных частиц.
Именно это делает их подходящими как для химической тяги, так и для электрических двигателей.
Как работают электрические микродвигатели
Одним из компонентов новой системы являются электроспрейные двигатели.
По размерам они сопоставимы с монетой или даже меньше. Несмотря на миниатюрность, такие устройства способны постепенно разгонять космический аппарат на протяжении длительного времени.
Принцип работы основан на использовании электрического поля.
Под действием высокого напряжения заряженные частицы топлива выбрасываются в космос в виде чрезвычайно тонкой струи. Возникающая реактивная сила создаёт тягу.
Каждый отдельный двигатель производит очень небольшое усилие. Однако благодаря высокой эффективности такие системы идеально подходят для длительных перелётов и точных орбитальных коррекций.
Испытания показали неожиданный результат
Учёные провели серию экспериментов в условиях, имитирующих космическое пространство.
Для этого использовалась специальная вакуумная камера и магнитная испытательная установка, позволяющая максимально точно измерять создаваемую тягу.
Результаты показали, что топливо ASCENT обеспечивает эффективность, сравнимую с традиционными ионными жидкостями, которые специально разрабатывались для электрических двигателей.
Другими словами, вещество, первоначально созданное для химических двигателей, оказалось столь же эффективным и в электрических системах.
Первый полёт уже готовится
Следующим этапом станет реальная космическая миссия.
Совместно с NASA разрабатывается проект Green Propulsion Dual Mode. В рамках этой миссии на орбиту планируется вывести компактный спутник формата CubeSat, оснащённый как химическим двигателем, так и четырьмя электрическими двигателями.
При этом все они будут использовать один общий бак с топливом.
Если испытания пройдут успешно, это станет первым в истории примером подобной универсальной двигательной системы на малом спутнике.
Почему это важно для освоения Солнечной системы
Главное преимущество новой технологии заключается не только в экономии места.
Она открывает возможность для создания гораздо более автономных и универсальных аппаратов.
Небольшой спутник сможет медленно и экономично путешествовать между планетами при помощи электрической тяги, а затем использовать химический двигатель для быстрых манёвров возле интересующих объектов.
Такой подход особенно полезен для исследований астероидов, комет и спутников планет-гигантов.
Миссии, которые раньше требовали крупных и дорогостоящих аппаратов, потенциально смогут выполняться небольшими и сравнительно дешёвыми спутниками.
Новая роль спутников формата CubeSat
Ещё двадцать лет назад CubeSat рассматривались главным образом как образовательные проекты.
Сегодня ситуация кардинально изменилась.
Миниатюризация электроники, развитие систем связи, датчиков и двигателей превратили такие аппараты в полноценный инструмент космических исследований. Они уже используются для наблюдений за Землёй, изучения Солнца, астрофизических исследований и технологических экспериментов.
Новая двигательная система может стать очередным шагом в этой эволюции.
Возможности для науки и наблюдения за Землёй
Разработчики подчёркивают, что технология будет полезна не только для межпланетных миссий.
Группы малых спутников всё чаще используются для наблюдения за погодой, климатом, природными катастрофами и состоянием окружающей среды.
Наличие двух типов двигателей позволит таким аппаратам быстрее менять конфигурацию орбитальной группировки и более гибко реагировать на возникающие задачи.
Например, спутники смогут оперативно перемещаться в район сильного урагана или другого природного явления для получения максимально подробных данных.
Современная космическая отрасль переживает период стремительного роста числа небольших спутников.
Их производство обходится значительно дешевле по сравнению с традиционными космическими аппаратами, а запуск можно организовать гораздо быстрее. Благодаря этому государства, университеты и частные компании получают возможность проводить собственные космические исследования.
Создание универсальной двигательной системы показывает, что развитие малых спутников ещё далеко от завершения.
Если предстоящая миссия подтвердит эффективность новой технологии, спутники размером с небольшой чемодан смогут выполнять задачи, которые ещё недавно казались доступными только крупным межпланетным аппаратам. Это может заметно изменить подход к исследованию Солнечной системы и сделать космические миссии более доступными, гибкими и многочисленными.
Источники:
Статья создана по материалам Phys.Org
