Одной из главных проблем малых спутников является в большинстве своем отсутствие какой-либо силовой установки на борту. Разработчикам становится намного сложнее выбрать верную траекторию для выведения аппарата на нужную орбиту, если у него отсутствуют ускорители.
Немаловажно и то, что по мере того, как космическая отрасль углубляется всё глубже в космическое пространство, операторам требуется следить за траекториями большого количества спутников, что делает существование аппарата без силовой установки неоправданно накладным из-за невозможности маневрировать или уводить аппарат с орбиты после окончания срока его работы.
Из-за малых размеров довольно-таки непросто добавить к кубсату силовую установку. Обычные ускорители слишком громоздкие и тяжелые для установки на малый спутник, поэтому электрические двигатели могут оказаться для них спасением. Новые электрические ускорители без проблем вписываются в габариты малых спутников и в их бюджет, по этой причине все больше стартапов разрабатывают новые виды ЭРД.
Прорыв в сфере
Одним из таких стартапов является Enpulsion, австрийская компания с офисом в Кремниевой долине. В Enpulsion разработали систему электрического ускорения, основанную на автоэлектронной эмиссии под аббревиатурой FEEP (field-emission electric propulsion), которая легко размещается в кубсате размером 10х10х11 см.
Небольшой размер обусловлен использованием жидкого металла в качестве топлива вместо газов по типу ксенона, который часто используется в электрических ускорителях. Такие системы, по словам исполнительного директора Enpulsion Александра Райснера, требуют наличие емкостей под высоким давлением и различных объемных компонентов.
"У нас отсутствует какой-либо газ, у нас нет жидкостных систем", - доложил Александр по время дискусии на конференции Space Tech Expo в Калифорнии. "Все помещается в модели 1U".
Европейское космическое агенство поддержало разработку технологии FEEP, компания заключила контракты с несколькими компаниями на изготовление ускорителей. Сейчас у Enpulsion есть возможность изготовлять один-два ускорителя в неделю, но открытие новых помещений этим летом даст возможность производить по одному ускорителю в день.
Ускорители также уже имеют опыт запуска. Ускоритель Enpulsion был включен в состав кубсата модели 3U для американского клиента, который был запущен в январе. Данные, собранные во время полета оказались обнадёживающими. Ускоритель обеспечивал 220 мкН тяги с импульсом в 4000 сек. Это весьма значительный показатель для такой маленькой силовой установки.
Открытия Enpulsion это лишь часть широких изменений на поле спутниковых силовых установок. "Я думаю то, что мы сейчас наблюдаем это большой прорыв в сфере силовых установок," - говорит Райснер.
В рядах прорывных компаний также находится Phase Four. Стартап, базирующийся в Калифорнии, разработал новые холловские двигатели, которые вместо электродов используют радиочастотные волны для получения плазмы. Тесты показали, что ускорители этой компании показали схожие результаты с обычными холловскими двигателями, но при меньших габаритах и низкой стоимости.
"Мы изобрели простую и удобную систему, которая имеет такую же производительность, как двигатели с эффектом Холла, но без их больных мест," - говорит исполнительный директор Phase Four Симон Халперн. "Получилась простая в использовании и недорогая в производстве двигательная установка для малых спутников."
Ускорители Phase Four пока еще не были в космосе, но компания недавно получила несколько заказов. В мае компания аннонсировала сделку с НАСА - космическое агенство протестирует ускоритель в одной из будущих своих миссий. Отдельный контракт с Astro Digital подразумевает установку ускорителей Phase Four на группу кубсатов дистанционного зондирования, а также на кубсаты, которые Astro Digital производит для других компаний.
По словам Халперна первый полет ускорителя от Phase Four состоится с конце этого года с составе космического аппарата компании Astro Digital. "Это будет отличная демонстрация наших возможностей в производстве хороших компонентов для космических аппаратов," - добавил он.
Другие компании тоже разрабатывают системы электрических двигателей, предназначенных для кубсатов и других малых спутников. Британские компании Mars Space Ltd. и Clyde Space, в сотрудничестве с университетом Саутгемптона и при поддержке Европейского Космического Агенства, построили импульсный плазменный ускоритель для кубсата, который уже прошел наземные тесты, удостоверяющие его готовность в полёту.
Accion Systems, компания из Бостона, работает над электрическими ускорителями, работающими на ионной жидкости, технологии для разработок были представлены Массачусетским технологическим институтом. У Accion есть контракт с York Space Systems, производителем малых спутников, на установку ускорителей на космический аппарат компании.
Некоторые компании идут ещё дальше. Австралийская компания Neumann Space разрабатывает двигатель, использующий импульсную катодную дугу. "Импульсная дуга по физике работы похожа на сварочную горелку, превращая цельный кусок материала в плазму, генерирующую тягу," - говорит учёный и директор компании Патрик Ньюман.
Такие двигатели всё еще в разработке, но у них есть потенциал работы с импульми в 10000 сек, в зависимости от выбора топлива. Ньюман надеется провести лётные испытания ускорителя в 2020 году.
Ускоритель сможет использовать в виде сырья самые различные материалы, что делает их потенциально полезными для миссий на астеройдах, где двигатель сможет использовать местное сырьё. "Если хочется, можно сделать стержень для топлива хоть из золота, это не самый лучший вариант, но и он возможен," - шутит Ньюман.
Трудности на рынке
Пока компании разрабатывают ускорители для кубсатов, наибольшим спросом пользуются малые спутники, разработанные для огромных сетей. Проблема для стартапов в том, что большинство разработчиков таких сетей уже определились с типами двигательных установок для использования на своих спутниках, что не дает развиваться стартапам электрических ускорителей.
"Были шансы, которые мы упустили," говорит Халперн. Тем не менее, он надеется, что спрос на малые спутники не будет прекращаться ещё долгие годы, представляя новые возможности для развития компаний. "Если вы считаете проект OneWeb единственным будущим детищем Airbus, то вы смотрите в будущее недостаточно далеко."
Райснер из Enpulsion предполагает, что разработчики не будут полагаться лишь на одного поставщика двигательных установок. "Если вы оператор большой сети спутников, вряд ли вы заходите иметь лишь один источник поставок для 600 спутников," - говорит он. "Я думаю, один поставщик будет занимать 50 или 70 процентов сети."
Рост стартапов связанных с двигательными установками для малых спутников идет параллельно с ростом интереса в разработке малых ракет, которые предназначены для таких спутников. Но некоторые наблюдатели за данной индустрией считают, что такой переизбыток идей может привести к ряду неудач у этих компаний, то же самое касается и рынка электрических ускорителей.
"Сейчас очень много компаний, которые приходят с новыми идеями для производства ускорителей," - говорит Ньюман. Часть этих компаний может быть полезна производителям больших спутников, в то время как остальные станут не нужны и разорятся. Он также добавил, что пока рано говорить о том, какие именно компании переживут все рыночные проблемы.
Райснер сказал, что уже сейчас видит признаки возможных волнений в сфере двигателей для спутников. "За последние пять лет множество компаний финансировались венчурными капиталами, и постепенно это финансирование прекращается, так как люди хотят видеть результат, видеть доход, различные презентации и демонстрации. Это касается всей индустрии малых спутников, но особо сильно это бьёт по новым ускорителям."
Однако, ни Халперн, ни кто-либо другой не думает, что есть какая-то одна компания или технология, которая займет весь рынок ускорителей для кубсатов. Всё будет зависить от индивидуальных пожеланий заказчика.
