Российским учёным удалось первыми в мире создать миниатюрный плазменный двигатель для наноспутников. Отличительной особенностью двигателя является его небольшие габариты и вес — всего 306 граммов.
Кроме учёных из МИФИ таких показателей ещё не удавалось достичь никому. Это делает возможным наиболее эффективно использовать спутники и устанавливать на них более совершенное оборудование.
Новый двигатель планируется использовать для орбитальных манёвров и коррекции орбиты наноспутников.
Особенности конструкции
Отличительной особенностью плазменных двигателей является высокий удельный импульс. Если говорить другими словами, то это скорость реактивной струи. В нашем случае из двигателя вылетает поток плазмы, который направляется магнитным полем управляющей катушки.
Для обычных жидкостных реактивных двигателей скорость струи составляет от 2 до 3 км/с, а у самых мощных моделей этот показатель не превышает 4,5 км/с. Для плазменных двигателей этот показатель обычно составляет от 10 км/с и выше. Теоретически предела скорости для плазменных двигателей нет, а на практике, скорость ограничивается затратами электроэнергии.
Конструкция плазменного двигателя очень проста. По сути для создания плазмы требуется два электрода, разделённые между собой изолятором из фторопласта. К этим электродам подключены два конденсатора, причём первый подключён постоянно, а второй, может быть замкнут или разомкнут.
При подключении второго конденсатора, по поверхности изолятора протекает разряд. Затем к работе подключается первый конденсатор, который усиливает разряд. При прохождении разряда по поверхности изолятора, он моментально испаряется и становится плазмой. Плазма, фокусируемая посредством магнитной катушки, с большой скоростью выбрасывается из двигателя.
Самую большую сложность представляло создание конденсаторной батареи небольших размеров. Задача решалась несколько лет. Для этого пришлось заменить фторопласт на полиацеталь.
В процессе исследований удалось снизить разрядный ток, требуемый для работы двигателя до уровня в 1000 А. Это позволило использовать обычные конденсаторные батареи и снизить габариты и массу самого двигателя.
Дальнейшие перспективы развития плазменных двигателей
Если получиться овладеть в полной мере технологиями магнитного удержания плазмы, тогда станет возможным создание двигателей с максимально возможным импульсом. А это в будущем позволит создать двигатели для межзвёздных перелётов.
Прототипом такого двигателя является ТОКАМАК — установка для создания условий, необходимых для протекания термоядерной реакции. Плазма в такой установке удерживается также при помощи магнитного поля, но в отличие от плазменного двигателя не выбрасывается наружу, а остаётся внутри установки.
Изучая процессы, происходящие внутри ТОКАМАКА учёные становятся ближе к созданию плазменных двигателей большой мощности.
Применение плазменных двигателей для спутников
Применение космических аппаратов небольших размеров и веса до 10 кг — наноспутников, является очень перспективным направлением. По сути, с помощью таких аппаратов можно выполнять такие же работы, что и при помощи спутников обычных размеров, но затраты на выведение их на орбиту и эксплуатацию будут намного меньше.
Основной проблемой, ограничивающей применение наноспутников являлось сложность управления ими в космическом пространстве. Наиболее часта причина выхода их из строя — это сход с орбиты и сгорание в атмосфере.
Применение нового двигателя позволит корректировать орбиту наноспутника или выводить его на другую орбиту. Двигателем уже серьёзно заинтересовалась фирма, производящая наноспутники и уже изготовила образец спутника, в котором будут применяться новые плазменные двигатели. Это даёт возможность увеличения места для установки научной аппаратуры.
Кроме этого, применение двигателей на наноспутниках является обязательным требованием международных программ по предотвращению загрязнения космического пространства. Согласно этих требования каждый наноспутник должен быть оборудован системой свода с орбиты.
Заключение
Конечно для доработки нового двигателя потребуется некоторое время. В конце 2021 года запланированы ресурсные испытания на Земле, которые будут завершены к лету следующего года. Запуск двигателя в серийное производство запланирован на 2022 год.