Малые космические аппараты смогут совершать путешествия к другим планетам и автономно действовать в открытом космосе благодаря создаваемым в Омском государственном техническом университете ускорительным СВЧ-ионным микродвигателям.
Среди спутников, выводимых на орбиту, увеличивается количество сверхмалых космических аппаратов, их масса не превышает 100–200 килограммов, некоторые весят значительно меньше и могут поместиться на ладони (пикоспутники и фемтоспутники). Выше пикоспутников в массово-размерном ряду малых космических аппаратов находятся наноспутники (масса от 1 кг до 10 кг). Их перспектива – в применении аппаратов не по одиночке, а группами из десятков единиц, так называемых роев.
Широкое развитие класса космических наноспутников – результат поэтапного прогресса в области микроэлектроники. Масса технических средств для зондирования Земли и обеспечения связи снизилась в разы, а в отдельных случаях – в десятки раз.
Однако, обратной стороной компактности ученые называют низкую избыточную мощность системы электропитания наноспутников. Ее недостаточно для подключения к аппарату дополнительных систем, поэтому он малофункционален. Область применения таких образцов ограничивается простыми научными экспериментами для изучения радиационных поясов Земли и студенческими работами профильных университетов, утверждают специалисты.
Из-за отсутствия двигательных систем наноспутники функционируют на орбите не более двух лет, а их траекторию и выполняемые задачи практически невозможно корректировать после запуска.
Игорь Вавилов, доцент кафедры «Авиа- и ракетостроение» ОмГТУ:
«Для расширения функционала наноспутников мы создаем прототип СВЧ-ионного двигателя с ускорением плазмы в высокочастотном зазоре тороидального резонатора. Данная разработка позволит применить технологии ускорителей элементарных частиц в области космического двигателестроения».
Ученый уточнил, что базовый элемент конструкции – сверхвысокочастотный твердотельный плазмогенератор и тороидальный резонатор. Плазмогенератор создает высокочастотный разряд холодной плазмы и одновременно является источником электромагнитного излучения. Электромагнитная энергия выводится в объем тороидального резонатора, далее рассеивается на его стенках и в ускоряющем зазоре возникает переменное напряжение.
За счет переменного выброса положительной и отрицательной компонент плазмы из ускоряющего зазора возникает реактивная тяга. То есть генерация плазмы и ее ускорение осуществляется одним и тем же источником энергии, что упрощает технологию и снижает энергопотребление, обратил внимание исследователь.
«Одно из основных преимуществ технологии в малой величине потребляемой мощности (10 Вт) и простоте конструкции, что позволяет говорить о возможности применения разработки на наноспутниках. Перспектива автономного, регулярного и массового межпланетного перемещения сверхмалых космических аппаратов становится ближе», – пояснил Вавилов.
Обеспечение космических наноаппаратов двигательными системами позволяет решать задачи орбитального маневрирования, разведения аппаратов по орбитам функционирования при групповом запуске, а также приблизиться к реализации задачи построения спутниковых роевых структур. Они объединяют малые возможности каждого аппарата для решения больших научных, военных или хозяйственных задач.
По словам исследователя, для испытания прототипов коллективом авторов были разработаны специальные стенды для определения силы тяги и скорости ионизированной струи. Для выявления полной энергии потока специалисты использовали калориметрические методы диагностики, а чтобы узнать параметры плазмы применяли зондовые методы.
Ученый подчеркнул, что на основе данных открытых научных баз предложенный ускорительный СВЧ-ионный микродвигатель не имеет аналогов. В случае введения технологии в промышленность выполнение задач мониторинга различных космических объектов и их исследований станет в разы менее энергозатратным, считает политехник.
Дооснащение материально-технической базы научно-исследовательской лаборатории вуза, в которой реализуется проект, осуществляется в рамках федеральной программы поддержки университетов «Приоритет 2030». Само исследование соответствует стратегическому проекту «Космическая экология» и финансируется Российским научным фондом.