К Луне на одном стакане

Европейцы создали рабочий прототип ионного двигателя объемом один литр

Иван Куликов 30.03.2012, 10:49
Для полета к Луне спутнику весом в 1 кг понадобится всего 200 мл топлива и полгода времени microthrust.live.valentnet.nl
Для полета к Луне спутнику весом в 1 кг понадобится всего 200 мл топлива и полгода времени

Двигатель весом 200 грамм, созданный европейскими инженерами, способен за шесть месяцев доставить на орбиту Луны спутник весом 1 кг. Маленькие ионные двигатели нового поколения, собираемые по технологии интегральных схем, сулят настоящую революцию в космических грузоперевозках.

Группа разработчиков, возглавляемая Государственной политехнической школой в Лозанне и входящая в европейский консорциум по созданию электрических ракетных микродвигателей MicroThrust, заявила о создании первого рабочего прототипа ультракомпактного космического двигателя нового поколения, использующего технологию матричных микросопел.

По аналогии с интегральными микросхемами ключевые узлы таких движков будут собираться без использования ручного труда — методом фотолитографии, что ускоряет и упрощает процесс изготовления ионных двигателей, существенно снижая в конечном итоге стоимость космического транспорта.

Такие двигатели позволят быстро и относительно дешево выводить небольшие спутники с низких на более высокие земные орбиты и за их пределы, доставляя оборудование и грузы к Луне, а также, возможно, к Марсу.

Схема электростатического ионного двигателя нового поколения, использующего технологию матричных микросопел. // MicroThrust
Схема электростатического ионного двигателя нового поколения, использующего технологию матричных микросопел. // MicroThrust

Созданный европейцами рабочий прототип предназначен для транспортировки микроспутников размером 10х10х10 см3, и, несмотря на свой крошечный размер и вес (примерно 200 грамм, включая топливо и схемы управления), отличается высокой экономичностью и тяговой эффективностью. Такой двигатель уже планируют установить на сборщик космического мусора, создаваемый по программе CleanSpace One, а также на десятки микроспутников, предназначенных для мониторинга радиоизлучения ультрадлинного диапазона с обратной стороны Луны (программа OLFAR).

«В настоящий момент наноспутники жестко привязаны к своей орбите. Наша цель — их освободить»,

— объясняет смысл разработки Херберт Ши, координатор консорциума MicroThrust и директор подразделения микросистем для космической отрасли при Политехнической школе в Лозанне.

Научный и коммерческий интерес к наноспутникам сейчас огромный, так как стоимость их производства исчисляется всего десятками или сотнями тысяч долларов, в то время как стоимость обычных спутниковых платформ может доходить до нескольких сотен миллионов. Между тем развитие этой перспективной отрасли сильно сдерживается из-за отсутствия дешевой и эффективной двигательной установки, расширяющей функциональность наноспутников и делающей их по-настоящему автономными устройствами.

Интегральная компоновка двигателя: 1 - ускорящий электрод, 2 - кремниевые пластины электродов, 3 - экстрагирующий электрод, 4 - изолятор, 5 - капиллярное микросопло, 6 - резервуар с топливом. // MicroThrust
Интегральная компоновка двигателя: 1 - ускорящий электрод, 2 - кремниевые пластины электродов, 3 - экстрагирующий электрод, 4 - изолятор, 5 - капиллярное микросопло, 6 - резервуар с топливом. // MicroThrust

Разработанный европейцами ультракомпактный космический движок представляет собой разновидность ионного двигателя — технологии, давно и успешно используемой в маневровых двигателях спутников, а с недавнего времени и в маршевых установках межпланетных автоматических станций. В качестве рабочего тела в таком двигателе используются ионы газов (ксенона, аргона, аммиака и др.), разогнанные электростатическим полем.

Ионные электростатические двигатели характеризуются очень маленьким расходом рабочего тела (топлива) и очень высокой скоростью истечения ионов, создающих тягу.

Однако, несмотря на огромную скорость истечения вещества (до 200 км/c по сравнению с 3 км/c в химических реактивных двигателях), из-за его низкой плотности тяга и итоговое ускорение аппаратов, снабженных слаботочными ионными моторами, очень маленькие. С помощью такого двигателя не получится взлететь с поверхности планеты или даже крупного астероида. Но вот для медленного, но экономичного разгона находящихся в невесомости космических аппаратов и тем более крошечных спутников их использовать удобно: они компактны, почти безотказны и очень экономичны.

Теперь инженеры из MicroThrust предлагают космическим агентствам принципиально новую технологию, благодаря которой ионные электрические двигатели станут совсем миниатюрными, еще более надежными и еще более дешевыми.

Достигнуть этого удалось двумя путями.

Капиллярные сопла под электронным микроскопом. // MicroThrust
Капиллярные сопла под электронным микроскопом. // MicroThrust

Во-первых, используя в качестве источника ионов не дорогостоящие и дефицитные инертные газы, а ионную жидкость EMI-BF4 (ионная жидкость — вещество, состоящее только из электрически заряженных молекул и жидкое при низких температурах). По сравнению со сжиженными ксеноном и аргоном, число ионов, получаемых с единицы объема топлива, у ионной жидкости больше.

Во-вторых,

используя для выброса тяговых ионов кремниевые микросопла, которые сгруппированы в компактную тяговую матрицу из 1000 сопел площадью всего один квадратный сантиметр.

Сначала ионная жидкость под действием капиллярной силы попадает из топливного резервуара в капиллярные трубопроводы и далее устремляется к соплам, к которым приложен электрический потенциал 1000 В. Здесь ионы разгоняются дополнительным электродом, формируя реактивную струю. Каждую секунду полярность электрического поля меняется на противоположную, что позволяет использовать для разгона все ионы — как положительные, так и отрицательные.

В сборе капиллярные трубопроводы, кремниевые микросопла и разгонные электроды представляют собой миниатюрное устройство, на манер интегральной микросхемы собираемое из пластин электроизолятора и кремния, на которых фотолитографическим способом формируются капилляры, сопла и электроды. Это позволяет автоматизировать процесс, соединяя детали с ювелирной точностью.

Используя интегральную технологию, производство ионных двигателей можно будет поставить буквально на поток.

Интегральная тяговая матрица с микросоплами в сборе. Число сопел может варьироваться. // MicroThrust
Интегральная тяговая матрица с микросоплами в сборе. Число сопел может варьироваться. // MicroThrust

Серьезной проблемой, по признанию инженеров, стало электрическое обеспечение двигательной установки, объем которой составляет примерно 1 литр, что сильно ограничивает площадь солнечных батарей, питающих ионный ускоритель. Однако и ее удалось решить: один двигательный модуль с тысячевольтным инжектором и сантиметровой матрицей в 1000 микросопел потребляет в общей сложности 4 Ватта.

За шесть месяцев микроспутник, снабженный таким движком, может разогнаться со стартовых 24 тысяч км/ч (6,67 км/с) до 42 тысяч км/ч (11,67 км/с). Его ускорение будет мизерным — около десятой доли миллиметра на секунду в квадрате, но в условиях невесомости и отсутствия трения этого вполне достаточно, чтобы управлять небольшими спутниками на земной орбите и даже отправлять их в весьма далекие путешествия.

«Для того чтобы достичь лунной орбиты, спутнику весом 1 кг, снабженному нашим двигателем, потребуется 6 месяцев и всего 100 мл топлива»,

— резюмирует один из конструкторов микродвижка Мюриэль Ришар.
Добавим, что, благодаря несложной масштабируемости, количество матриц можно увеличивать в соответствии с массой и размером спутника, доводя полезную нагрузку до 100 кг.

Рабочий прототип ультракомпактного ионного двигателя нового поколения, открывающего новую страницу в истории космоплавания, будет официально представлен на международной конференции Space Propulsion 2012, которая откроется в Бордо (Франция) 7 мая.