Двигатели для наноспутников: В России начались испытания плазменных двигателей для наноспутников

В России начались испытания плазменных двигателей для наноспутников

Плазменный двигатель от МИФИ испытают в космосе до конца года

В МИФИ делают сверхмалый плазменный двигатель для наноспутников. Сложность в том, чтобы заставить его работать от маленькой конденсаторной батареи, над чем ученые бились много лет. В конце года аппарат планируют испытать в космосе. Подробностями о разработке, испытаниях двигателя на орбите и будущем серийном производстве поделился один из создателей устройства, руководитель лаборатории плазменных ракетных двигателей Института лазерных и плазменных технологий МИФИ Игорь Егоров.

Тенденция к уменьшению

В последние годы в мире наблюдается настоящий бум наноспутников — ​аппаратов массой менее 10 кг. С начала 2021 года в космос запустили более 150 спутников формата CubeSat — ​одного из самых популярных типов малых спутников.

Многие из них применяются для дистанционного зондирования Земли. К примеру, американская компания Planet Labs запустила уже больше 100 космических аппаратов, оборудованных телескопом, камерой и ПО для съемки поверхности Земли с разрешением 3–5 м. Проблема таких аппаратов в том, что их запускают на орбиту, просто выбрасывая десятками из ракеты в одном месте. Для качественной съемки нужно распределить спутники по орбите равномерно, а значит, необходимо изменить их скорость вращения вокруг Земли. В Planet Labs для этого используют установленные на спутнике раскрывающиеся панели: поворачивают их либо перпендикулярно движению спутника, чтобы значительно замедлить его движение, либо параллельно, если нужно немного его замедлить. Метод хорош, но не идеален: из-за замедления спутники часто теряют высоту и, постепенно сходя с орбиты, сгорают в атмосфере. Тогда приходится снова запускать несколько десятков спутников на замену.

Выходом стала бы установка миниатюрного двигателя, который позволит перемещать спутник без потери высоты и затем поддерживать стабильную орбиту. Однако почти все используемые на спутниках двигатели предназначены для больших аппаратов. И даже если удастся уместить какой-то из существующих двигателей в наноспутнике, он все равно будет потреблять слишком много энергии. Спутник маленький, и солнечные батареи у него маленькие, они не дадут достаточно энергии для питания двигателя. Еще одно ограничение связано с безопасностью: нельзя использовать взрывоопасные вещества, а значит, не получится поставить на спутник, к примеру, жидкостный ракетный двигатель на гидразине.

Углеродный скелет

В нашем плазменном двигателе рабочим телом служит пластик полиацеталь, который, постепенно выгорая, превращается в плазму, выбрасывается из двигателя и таким образом создает тягу, приводящую спутник в движение. Идея использовать пластик не нова. Первый в истории плазменный двигатель в космосе испытали в 1964 году на советской автоматической межпланетной станции «Зонд‑2», которая отправилась к Марсу. Несколько плазменных двигателей, в разработке которых принимал участие мой учитель Виктор Александрович Храбров, отвечали за ориентацию станции в пространстве. В основе разработки тоже лежало рабочее тело из пластика — ​но не из полиацеталя, а из фторопласта. Преимущество этого материала — ​высокая плотность, в небольшом объеме можно заключить больше материала. Но есть и недостаток: при использовании такого пластика нужен большой разрядный ток. Если ток недостаточен, поверхность фторопласта покрывается слоем углерода: пластик испаряется не полностью, углерод остается в виде тонкой пленки и из-за своей электропроводности вызывает короткое замыкание. Двигатель выходит из строя.

Храбров с такой сложностью не сталкивался просто потому, что его двигатели были большого размера: он мог использовать тяжелые громоздкие импульсные конденсаторы, которые генерировали большой разрядный ток.

Моя же задумка была в том, чтобы сделать плазменный двигатель гораздо меньшего размера (размер двигателя — 83×83×50 мм. — СР). Я стал изучать химические формулы пластиков и обратил внимание на полиацеталь, углеродный скелет которого состоял не из сплошной углеродной цепочки (-С-С-С-), как у фторопласта, а из перемежающихся атомов углерода и кислорода (-С-О-С-). Использование такого материала решило проблему углеродной пленки. На поверхности рабочего тела нашего двигателя все равно образуется слой некоего вещества вроде нефти или масла, но оно не проводит электричество и никак не влияет на работу аппарата.

Другая особенность нашего двигателя — ​внешняя магнитная система из медной катушки. С ее помощью удалось ограничить разрядный ток и при этом сохранить эффективность двигателя.

И, наконец, мы смогли установить на двигатель компактные и легкие конденсаторы. Создание маленького двигателя никогда не было проблемой, сложность была как раз в том, чтобы заставить его работать от маленькой конденсаторной батареи. Над этим ученые бились не один год.

Тысяча часов на орбите

Ближайшие несколько месяцев мы будем дорабатывать двигатель, совершенствовать технологию: попробуем изменить конфигурацию электродов, размер и форму рабочего тела, чтобы увеличить запас пластика и тем самым повысить эффективность двигателя. В конце года наши устройства пройдут испытания на орбите — ​отправятся в космос на двух спутниках на платформе «ОрбиКрафт-Про». У нас уже есть договоренность с их разработчиками — ​частной космической компанией «Спутникс». Параллельно с испытаниями на орбите проведем ресурсные испытания на Земле. Предполагается, что ресурс работы нашего устройства будет около 1 тыс. часов. По всей видимости, к лету 2022 года завершатся все испытания, и мы сможем уверенно говорить про ресурс работы, силу тяги двигателя, совместимость с оборудованием спутника и т. д. Если все пройдет гладко, то наладим серийный выпуск двигателей.

К нам уже обратились представители образовательного проекта по разработке и производству космических аппаратов. Они планируют покупать 10–15 двигателей в год. Проявила интерес и компания Orbital Express, которая в следующем году запускает на орбиту собственный спутник и хочет видеть на нем наш двигатель, а также другие, помимо «Спутникса», разработчики наноспутниковых платформ. Интерес к нашей разработке довольно большой, это приятно.

Источник: «Страна Росатом»

От лечения рака до ионного двигателя

Новейшая маленькая идея для микроракет Nanosat

Наноспутники — это космические аппараты размером с мобильный телефон, которые могут выполнять простые, но ценные
космические миссии. Десятки этих маленьких транспортных средств теперь неустанно вращаются вокруг Земли.
выполняя ценные функции для НАСА, Министерства обороны и даже частных
компании.

Наноспутники заимствуют многие свои компоненты у земных гаджетов: миниатюризированы
камеры, беспроводные радиоприемники и приемники GPS, которые были усовершенствованы для портативных
устройства также идеально подходят для космических кораблей. Однако, говорит Л. Брэд Кинг, наноспутники требуют
то, что вы, вероятно, никогда не сможете скачать из магазина приложений: «Даже
лучшие смартфоны не имеют миниатюрных ракетных двигателей, поэтому нам нужно их разработать
с нуля.»

Миниатюрные ракеты не нужны для запуска наноспутника с Земли. Небольшие транспортные средства
может ехать автостопом с обычной ракетой, которая и так летит туда. Но поскольку они
путешествуют автостопом, эти наноспутники не всегда доставляются в нужном месте.
Оказавшись в космосе, наноспутник часто нуждается в каком-то типе двигателя, чтобы переместить его из
точки высадки на желаемую орбиту. Введите микро ракетные двигатели.

В течение последних нескольких лет исследователи всего мира пытались построить такие
ракеты, использующие микроскопические полые иглы для электрического распыления тонких струй жидкости,
которые толкают космический корабль в противоположном направлении. Жидкое топливо представляет собой особый
химическое вещество, известное как ионная жидкость. Единственная игла двигателя тоньше человеческого
волос длиной менее одного миллиметра и создает силу тяги, эквивалентную
вес нескольких песчинок. Несколько сотен таких иголок помещаются в почтовую марку.
упаковать и создать достаточную тягу, чтобы маневрировать наноспутником.

Однако эти новые электрораспылительные двигатели сталкиваются с некоторыми трудностями при проектировании. «Потому что они
такие маленькие и сложные, их изготовление дорого, а иглы хрупкие».
говорит Кинг, профессор машиностроения Рона и Элейн Старр.
Механика. «Они легко разрушаются либо неосторожным ударом, либо электрической дугой.
когда они бегут».

Чтобы обойти эту проблему, Кинг и его команда разработали элегантную стратегию: устранить
дорогая и утомительная микрофабрикация, необходимая для изготовления игл, позволяя
Мать-природа позаботится о сборке. «Мы работаем с уникальным типом жидкости
называется феррожидкостью, которая естественным образом образует стационарный узор из острых кончиков в
жидкая поверхность, — говорит он. «Каждый наконечник в этой самособирающейся конструкции может распылять
струя жидкости, как микроигла, поэтому нам не нужно делать никаких игл».

Феррожидкости существуют с 1960-х годов. Они состоят из мельчайших магнитных частиц.
взвешенный в растворителе, который перемещается под действием магнитной силы. Король иллюстрирует
с крошечным контейнером, содержащим феррожидкость из керосина и железной пыли. Жидкость
лежит ровно, пока он не подложит под него магнит. Затем внезапно жидкость образует регулярную
серия пик, напоминающая горный хребет или стрижку Барта Симпсона. Эти
пики остаются совершенно стабильными, несмотря на энергичное встряхивание и даже переворачивание контейнера
с ног на голову. Тем не менее, он полностью жидкий, что неопровержимо доказывает прикосновение кончика пальца.
Когда магнит удаляется, жидкость растекается до идеально плоской поверхности.

Команда Кинга пыталась создать ионную жидкость, которая вела бы себя как феррожидкость, когда
они узнали об исследовательской группе Сиднейского университета, которая уже сделала
Это. Сиднейская команда использовала магнитные наночастицы, созданные компанией, занимающейся науками о жизни.
Sirtex, которые используются для лечения рака печени. «Они прислали нам образец, и мы использовали
это для разработки двигателя», — сказал Кинг. «Теперь у нас хорошее сотрудничество. Его
Удивительно, что та же технология, которая используется для лечения рака, может также функционировать как микро
ракета для космического корабля».

Первый двигатель Кинга изготовлен из дюймового алюминиевого блока с небольшим кольцом.
специальной жидкости. Когда магнит помещается под блок, жидкость образует
крошечная пятиконечная корона. Когда электрическая сила затем приложена к феррожидкости
из каждой точки выходят струи жидкости, создающие тягу. «Увлекательно
смотрите», — говорит Кинг. «Пики становятся выше и тоньше, выше и тоньше, и
в какой-то момент закругленные кончики мгновенно превращаются в наноострые точки и начинают излучать
ионы».

Ускоритель кажется почти невосприимчивым к необратимым повреждениям. Советы автоматически
исцелять себя и заново расти, если они каким-то образом повреждены. Команда Кинга уже продемонстрировала
его самоисцеляющие свойства, хотя и непреднамеренно. «Мы случайно повернули напряжение
слишком высоко, и наконечники взорвались по небольшой дуге», — говорит Кинг. Хотя это будет означать
смерть для типичного двигателя: «Из
оставшись феррожидкостью, и снова возобновил толчок».

Их двигатель еще не готов вывести спутник на орбиту. «Сначала мы
надо реально понять, что происходит на микроскопическом уровне, а потом развивать
более крупный прототип, основанный на том, что мы узнали», — сказал Кинг. «Мы еще не совсем там;
мы не можем построить человека из жидкости, как отъявленный злодей из терминатора
фильмы. Но мы почти уверены, что сможем построить ракетный двигатель».

Они не похожи на ракетные двигатели, но если приложить электрическую силу к крошечным
шипы феррожидкости, показанные выше, струи ионов вытекают наружу. Это может генерировать
тяги достаточно, чтобы маневрировать наноспутником в космосе, говорит ученый Л. Брэд Кинг.

Несколько сотен игл из феррожидкости могут создать достаточную тягу, чтобы маневрировать
наноспутник.

Л. Брэд Кинг

Мичиганский технологический университет — государственный исследовательский университет, основанный в 1885 году в Хоутоне, штат Мичиган, в котором обучается более 7000 студентов из 55 стран мира. Ведущий технологический университет Мичигана, неизменно входящий в число лучших университетов страны по рентабельности инвестиций, предлагает более 120 программ бакалавриата и магистратуры в области науки и техники, инженерии, вычислительной техники, лесного хозяйства, бизнеса и экономики, медицинских профессий, гуманитарных наук, математики, социальных наук. наук, и искусства. Загородный кампус расположен всего в нескольких милях от озера Верхнее на Верхнем полуострове Мичигана, предлагая круглогодичные возможности для приключений на свежем воздухе.

Новый ионный двигатель Kickstarter ускорит исследование космоса с помощью наноспутников

Этот сайт может получать партнерские комиссионные за ссылки на этой странице. Условия эксплуатации.

В течение последних нескольких десятилетий исследования космоса в основном были сосредоточены на создании невероятных (иногда невероятно дорогих) высококлассных машин. Нетрудно понять, почему — такие машины, как Curiosity и его парящий кран с ракетным двигателем, являются удивительными достижениями.

Однако есть еще одна группа людей, работающих над созданием космических кораблей, которые могут вписаться в пяти-шестизначный бюджет, а не требовать ежегодных расходов от НАСА или другого национального бюджета. Некоторые из этих программ были отправлены на Kickstarter в надежде получить финансирование, в том числе группа из Мичиганского университета, которая хочет создать Next Small Thing в технологии двигателей.

Улучшение ионных двигателей

Современные ионные двигатели — удобный способ перемещения космического корабля скромных размеров из точки А в точку Б, если вы не возражаете подождать некоторое время, пока он туда доберется. Как следует из названия, эти двигатели выбрасывают потоки ионизированных частиц при малой тяге (что означает, что они не толкают очень сильно), но при очень высоком удельном импульсе (они очень эффективны). США, ЕКА и Россия за последние 20 лет внедрили технологии с несколькими ионными двигателями, но большинство из этих конструкций все еще были довольно громоздкими.

Команда CubeSat Ambipolar Thruster (CAT) хочет это изменить. Они утверждают, что миниатюризировали ионный двигатель определенного типа до размеров, которые позволили бы ему питать спутник CubeSat. CubeSats, если вы не знакомы с этим термином, представляют собой крошечные квадратные спутники со стороной 10 см и объемом ровно один литр. Форм-фактор, дебютировавший в 1999 году, позволяет размещать более крупные сателлиты в многоярусной конфигурации — сателлит 1U имеет размеры 10x10x10, а сателлит 3U — 30x10x10. Целью первоначального CubeSat было создание наноспутника, который можно было бы вывести на орбиту, по цене от 65 000 до 80 000 долларов, в отличие от нескольких миллионов долларов, которые вы обычно ожидаете.

Двигатель CAT несколько раз облетит Землю, набирая скорость, достаточную для достижения космической скорости.

Потенциальные применения CubeSats варьируются от практических (измерение местного магнитного поля) до причудливых — в прошлом году НАСА запустило свой «PhoneSat» в рамках проекта, чтобы продемонстрировать, что внутренности обычного сотового телефона могут служить авионикой для спутник в определенных условиях. Команда CAT хочет расширить возможности их использования, поставив двигатель сзади. Уменьшенный ионный двигатель не сможет двигаться очень быстро, но команда считает, что его можно использовать для запуска объектов с околоземной орбиты, многократно облетая планету.

Конструкция CAT основана на особом типе ионного двигателя — двухслойном двигателе Helicon. На сегодняшний день он был проверен и испытан ЕКА, но не развернут ни на одном космическом корабле. Группа считает, что нашла способ масштабировать дизайн до заметно меньшего корабля, и ищет финансирование, чтобы воплотить это в жизнь.

Ценность маленьких вещей в действительно больших пространствах

Справедливо отметить, что CubeSat — это, по сути, игрушки — минимально функциональные коробки, которые могут обрабатывать несколько вещей. Набор CubeSat того же веса или объема, что и Curiosity, не приведет к большему исследованию Марса — просто куча потраченных усилий. С учетом сказанного, есть реальная польза от разработки такого рода технологий. Будущий запуск зонда может использовать двигатель CAT для запуска вторичных зондов или проведения подробных измерений конкретной планетарной характеристики. Команда CAT на Kickstarter говорит о поиске жизни с помощью CubeSat, установленного на CAT, но двигатель CAT на более крупном космическом корабле может обеспечить лучшую орбитальную маневренность или, при использовании в паре, может обеспечить дополнительную дельта-v (скорость изменения траектории) после запуск.

Схема электростатического ионного двигателя (как в НАСА NEXT и в большинстве других ионных двигателей)

Сначала я скептически отнесся к утверждениям организации CAT — я скептически отношусь к Kickstarter в целом — но после изучения литературы по ионным двигатели и опыт группы, а также глядя на некоторые собственные усилия НАСА в этой области, становится ясно, что есть выгода от разработки технологий двигателей, которые могут доставлять небольшую недорогую полезную нагрузку с низкой околоземной орбиты (НОО) в дальний космос.