В газете «Коммерсант» вышло интервью со старшим преподавателем кафедры физики плазмы МИФИ Игорем Егоровым. Приводим полный текст этого интервью.
Наноспутники, то есть космические спутники весом до 10 килограммов, а также их разновидности – кубсаты (кубические спутники размером 10х10х10 см) становятся сегодня одной из самых процветающих сегментов космической индустрии. К настоящему времени на орбиту запущено около 3 тыс. подобных малых космических аппаратов, число запусков растет примерно на 14-16% в год. И параллельно с этим развивается совершенно новое направление - создание двигателей для таких аппаратов, двигателей которые позволяют спутникам перемещаться по орбите, а в случае, когда спутник отслужил свой срок - не становиться космическим мусором а сходит с орбиты. Пока еще большинство космических аппаратов запускаемых на орбиту - «безмоторные», однако процент, оснащенных двигателями с каждым днем все больше. В России существует несколько научных центров, где разрабатываются двигатели для малых спутников и один из них – лаборатория плазменных ракетных двигателей НИЯУ МИФИ. Об идущих там разработках мы побеседовали с ее руководителем, Игорем Егоровым.
– Игорь Дмитриевич, при каких обстоятельствах в МИФИ возникла «ракетная» лаборатория»?
– Все началось с лаборатории плазменных двигателей компании «СуперОкс». Эта компания занимается высокотемпературными сверхпроводниками, и у ее владельцев возникла идея применить высокотемпературные сверхпроводники для создания космических плазменных двигателей. И компанией была создана лаборатория, которую я возглавлял. Проект шел несколько лет, и в ходе его реализации стало ясно, что высокотемпературные сверхпроводники в целом могут быть эффективно применены для двигателей, но только для плазменных двигателей очень высокой мощности, под которые пока нет большого спроса. В итоге компания, видимо, потеряла интерес к дальнейшей к разработке и в конце 2019 года приняла решение о закрытии проекта. Ровно в тот же день и практически в тот же час в МИФИ приняли решение открыть лабораторию плазменных двигателей. Буквально было так: мне сообщают, что проект закрывается, в пятницу у тебя последний рабочий день, я достаю телефон, набираю заведующего кафедрой физики плазмы МИФИ и слышу: «О, Игорь, слушай, я только что с совещания, мы тут приняли решение о создании лаборатории плазменных ракетных двигателей. Не хотел бы ты к нам прийти и с этим помочь?» Я говорю: «Отлично. Я вам могу ещё и порекомендовать, где можно недорого купить кучу оборудования для этого». И вот в 2020 году, несмотря на ковид, удалось провести переговоры о передаче оборудования лаборатории в МИФИ. В 2021 году, когда ковидные ограничения уже несколько ослабли, мы всё начали монтировать здесь и продолжили работы.
– Но здесь в МИФИ вы стали заниматься двигателями другого тиипа?
– Я ещё когда работал в «СупераОкс» говорил: давайте попробуем сделать двигатель без сверхпроводников, то, что востребовано — двигатель для наноспутников. Но, видимо, компании, которая занимается сверхпроводниками, были неинтересны двигатели без сверхпроводников. А здесь, в МИФИ это сразу вызвало интерес. Соответственно, я получил карт-бланш на разработку таких двигателей. Буквально в течение нескольких месяцев удалось создать первые прототипы, которые показали довольно-таки воодушевляющие результаты.
– Быстрый успех?
– Надо понять, что перед этим весь двадцатый год шла глубокая теоретическая проработка этой концепции. Была сделана большая теоретическая работа, чтобы потом за несколько месяцев создать рабочие прототипы. Кстати, первые испытания самого первого прототипа были 12 апреля 2021 года, то есть прямо вот в День Космонавтики тогда попали.
– В чем заключалась концепция вашего двигателя?
– Если коротко - в качестве рабочего вещества в двигателе использовался полимер, пластик, который «поджигается» разрядом тока из электродов, в результате пластик превращается в плазму, которая выбрасывается из двигателя и ускоряется в магнитном сопле, что позволяет перемещать спутник по орбите. Добавление магнитного сопла – это наше новшество. Важной задачей был выбор рабочего вещества: традиционно в подобных двигателях используют фторопласт, но при малых разрядных токах он лишь обугливается, а не полностью «выгорает», от чего двигатель выходит из строя. Весь двадцатый год прошёл в изучение структурных формул различных полимеров и поиск тех, которые теоретически должны начать эффективно работать при малых энергиях и разрядных токах, с малой конденсаторной батареей. В итоге был выбран полиацеталь, и первые же эксперименты подтвердили правильный выбор. С полиацеталием не возникло никаких проблем, он сразу же заработал эффективно, и в дальнейшем в этом направлении ничего менять не пришлось.
– А что пришлось?
– Конфигурацию электродов, конфигурацию магнитной системы, это всё приходилось ещё дорабатывать, но это тоже было сделано достаточно быстро. Было продумано несколько схем, самая первая оказалась неудачной, но уже следующая стала тем, что сегодня известно как двигательная установка VERA. Уже через несколько месяцев после испытаний мы доложили о результатах на конференции, и к нашей разработке сразу же появился интерес у компании «Спутникс», которая занимается малыми космическими аппаратами – стоит отметить, что на этом направлении Россия является лидером. Мы договорились со «Спутниксом» о проведении лётных испытаний, и уже в 2022 году полетели два первых аппарата с нашими двигателями.
– Как прошли испытания?
– На момент запуска первого спутника с нашим двигателем у нас ещё не было двигательной установки, у нас был просто двигатель, он работал, однако созданная очень быстро электронная обвязка двигателя начала давать сбои. Стало понятно, что нужно предлагать заказчику уже какое-то отработанное решение. Поэтому мы взялись вот за разработку уже целой двигательной установки со всеми элементами.
– Были проблемы с электроникой?
– Проблема в том, что нам нужно всё сделать очень компактно, а у нас источники высокого напряжения, большие разряды импульсных токов, и всё это находится очень близко к управляющей системе. Соответственно, электромагнитным наводкам очень легко задевать систему управления и приводить к её сбоям. У нас двигатель должен проработать там, скажем, 100 циклов зарядки конденсаторов. Но происходит разряд конденсатора, в этот момент у нас генерируются наводки, и у нас просто перезагружается система управления. И так как она перезагрузилась, она не знает, что ей нужно сделать ещё 99 разрядов. Вот такая проблема у нас имеется, и она постепенно решается. То есть у нас уже есть образец, который делает спокойно подряд сотни разрядов. Но, иногда, к сожалению, и у него происходит перезагрузка.
– Кто же решает проблему с электроникой?
– Первоначально этим занимались наши коллеги из МИФИ, потом они отвлеклись на другие проекты и мы обратились к компании «АВЭКС», занимающейся именно космической электроникой. И вот с ними сейчас продолжаем работать. Они, кстати, внедряют российскую компонентную базу, у них есть с этим большой опыт работы. Но, к сожалению, сам по себе переход к отечественной компонентной базе, даже рассчитанной под космическое назначение проблемы не решил. Проблема – в очень близком расположении высоковольтных и силовых элементов к элементам управления. Обычно такие вещи разносят друг относительно друга на некоторое расстояние. Но так как у нас двигатель для наноспутников, то есть спутников массой меньше 10 кг, мы обязаны всё сделать близко, потому что мы ограничены стандартом на габариты.
– А собственно, способностью вашего двигателя обеспечивать манёвр спутника на орбите вы удовлетворены? Как прошли испытания?
– Тяговыми характеристиками двигателя мы вполне удовлетворены, их достаточно для задач, которые требуются заказчикам - обеспечения правильного взаимного расположения спутников в спутниковой группировке. Но теперь стоит вопрос о том, чтобы наладить серийный выпуск надёжной электроники для этих двигательных установок. Потому что сейчас чтобы электронные блоки работали стабильно, каждый конкретный экземпляр индивидуально доводился в течение месяца-полутора. Это приемлемо для некоторых отдельных запусков, но для серийного выпуска нам надо сделать так, чтобы двигательные установки собирались сразу, надёжно, стабильно, а не так, что ты выявляешь какие-то мелкие проблемы и устраняешь причины зависаний в течение месяца индивидуально для каждого экземпляра. Пока почему-то так не получается. Было предположение, что один двигатель доработаем, второй сделаем точно так же и он сразу заработает, как надо. На практике так не оказалось. Более того, с третьей установкой тоже начались проблемы, и стало вот ясно, что здесь что-то надо фундаментально менять. Но три экземпляра последней версии есть, два уже летают в космосе, мы разрабатываем вместе с «АВЭКСом» вариант, который, надеемся, будет серийный, таким, что собрали и сразу работает.
– Параллельно с двигательной программой у МИФИ появились свои спутники?
– Вместе с теми же партнёром – «Спутниксом» мы запустили первый спутник МИФИ, «Святобор-1». Он у нас отвечает за отслеживание и съемку лесных пожаров. Кроме того, сейчас мы получили грант на создание и запуск второго нашего спутника «Сварог-1». Это аппарат, который будет отслеживать гамма-излучение в космосе, как от каких-то далёких источников, например, слияний нейтронных звезд в соседних галактиках, так и от Солнца, и даже земные природные источники гамма-излучения. Есть сведения, что, например, тектонические сдвиги могут провоцировать вспышки гамма-излучения. Это всё аппарат будет фиксировать, и очень важно, что он будет фиксировать не просто само излучение, а его спектр, то есть распределение по энергии. Создаваемый в нашем университете гамма-детектор сможет отделять фотонный сигнал от заряженных частиц, потому что в околоземном космическом пространстве большое количество быстрых протонов и электронов, и многие детекторы не способны понять, у них сигнал пришёл от быстрого протона или от гамма-кванта, и это не позволяет получить качественные научные данные. Но у нас специалисты работают над прибором, который будет уметь это разделять и, соответственно, давать научные данные более высокого качества, которые позволят лучше изучить и Солнце, и какие-то далёкие галактические источники, а возможно, даже, позволит, предсказывать землетрясения по вспышкам гамма-излучения.
– Какие ещё типы двигателей для спутников у вас находятся в работе?
– Наш спутник «Сварог-1» будет оснащён нашей новой разработкой - двигателем на сухой воде. Дело в том, что сейчас всё больше делается очень недорогих образовательных спутников, и им нужны недорогие двигательные установки. К сожалению, наш двигатель VERA сейчас имеет цену на уровне полутора миллионов рублей, и сильно её снизить не получится. А здесь мы разрабатываем более простой по конструкции двигатель. По сути, это бак с жидкостью, которая испаряется, и её пары через клапан стравливаются в сопло и выбрасываются. Это так называемый двигатель на холодном газе, конструкция простая и давно известная, но у неё на протяжении всего времени был недостаток, что как правило, использовались жидкости, которые дают давление паров от нескольких атмосфер до десятков или даже сотен атмосфер. Это позволяет получить хорошую тягу, однако делает двигатель потенциально опасным. А если мы говорим об образовательных применениях, а сейчас уже даже школы начинают создавать свои спутники, то хотелось бы иметь безопасную двигательную установку. Кроме того, могут быть проблемы, например, с транспортировкой двигательной установки или спутника до космодрома. Наши коллеги уже сталкивались с тем, что их с баллоном со сжатым азотом не пустили на транспортный самолёт до космодрома, сказали: «Стравите весь газ и только тогда полетите». Так что вот была задача сделать подобный двигатель, но безопасный. Изучив большой ассортимент имеющихся химических соединений, мы нашли фторкетон - вещество не токсичное и не горючее, более того, его основное применение — это пожаротушение. Вещество безопасное для техники в случае разлива, потому что это его создавали не просто для пожаротушения, а для пожаротушения в серверных, в библиотеках, на производствах, то есть оно безопасно и для техники, и для людей и даже для книг. На экскурсиях мы регулярно проводим демонстрацию, бумажку засовываем в эту жидкость, достаём – чернила не расплываются, сама бумажка остаётся прочной, и самое главное, всё быстро испаряется. Собственно, вещество имеет сленговое название — сухая вода, потому что она является прозрачной жидкостью, но очень быстро испаряется и всё остаётся сухим. Очень важно, что эта жидкость даёт давление паров достаточно высокое, но ниже нормального атмосферного давления. При комнатной температуре - около полуатмосферы. Соответственно ёмкость с этой жидкостью на Земле не имеет избыточного давления и не представляет опасности взрыва. Но при этом, когда мы выходим в космос, вокруг нас вакуум, эти полуатмосферы давления паров уже достаточны для создания тяги. Пусть и не такой большой, как если бы у нас давление было 50 атмосфер, но для маленького космического аппарата массой несколько килограмм и этого достаточно. Мы можем совершать манёвры и при этом делаем двигатель дешёвый и полностью безопасный. Вот эта безопасность — наше ноу-хау.
– Существуют ли разработки, которые интересуют частных инвесторов?
– Да, мы получили коммерческое финансирование на разработку двигателей на ионной жидкости. Это ионный двигатель, в котором в качестве рабочего тела используется очень легкоплавкая соль, то есть соль, которая плавится при температурах ниже нуля по Цельсию. Как любая соль, она состоит из смеси положительных и отрицательных ионов, поэтому электрическим полем очень легко на неё воздействовать, вырывать из неё отдельные ионы, и, что очень важно, наноразмерные заряженные капельки. За счёт того, что мы можем генерировать капельки с разным отношением заряда к массе, мы можем создавать двигатель с широким диапазоном удельного импульса, то есть скорости, с которой мы выбрасываем вещество. Если мы выбрасываем вещество быстро, то мы его используем очень эффективно, малая масса вещества может позволит сделать большой манёвр, однако требует много энергии, а тяга получается маленькая. То есть манёвр мы можем сделать большой, но за очень большое время, и потратив много электроэнергии. Не на каждом аппарате это приемлемо. Если же мы наоборот, будем выбрасывать крупные капли с относительно малым зарядом, то мы сможем создать очень большую тягу с малым расходом энергии и, соответственно, совершить манёвр быстро, потратив мало энергии, но тогда мы потратим больше вещества.
– Какой же выход?
– Одного выхода нет - у нас есть широкий диапазон вариантов, мы можем создавать оптимальные двигатели под различные задачи. Сейчас мы с этой технологией знакомимся, мы только в этом году начали эксперименты, пока изучаем, как поведение ионной жидкости зависит от формы электродов, их расположения, напряжения и так далее. Это новое направление. В целом в земной космонавтике я могу вспомнить всего один космический аппарат, где использовался подобный двигатель. То есть здесь ещё очень большой простор для технического творчества.
– Все, о чем вы до сих пор рассказывали – это разработки двигателей для малых спутников. А на что-то покрупнее вы замахивались?
– У нас опять-таки есть коммерческое финансирование на очень мощный двигатель. То есть до сих пор у нас были всё маленькие двигатели, например, двигатель на ионной жидкости на один палец положить можно. А здесь это двигатель мощностью уже в сотни киловатт с большой тягой в несколько ньютонов для космических буксиров. Как известно, в России сейчас разрабатывается ядерный буксир «Зевс» в рамках проекта «Нуклон». И пока ещё не окончательно определено, какие там будут стоять двигатели. То есть, это могут быть плазменные либо ионные двигатели различных конструкций. Один из вариантов — это то, что делаем сейчас мы. Если сделаем успешно, то, возможно, Россия будет покорять Солнечную систему на наших двигателях.
Беседовал Константин Фрумкин