К дальним планетам – на электрической тяге

В Военно-космической академии имени А.Ф. Можайского занимаются в том числе инновациями в освоении космоса.

Перспективное направление развития ракетно-космической техники – разработка и совершенствование электрических ракетных двигателей. Интенсивное развитие данного направления исследований никоим образом не ставит задачу замены широко используемых в настоящее время химических ракетных двигателей. У каждого из этих типов силовых установок свои преимущества и область применения. Возможности ракет с двигателями на химическом топливе ограничены природой горючего, окислителя и продуктов реакции, что не позволяет получить очень большую скорость истечения реактивной струи, а интенсивное потребление топлива негативным образом влияет на суммарное время работы. Однако бесспорное достоинство химического ракетного двигателя – огромная тяга, необходимая для преодоления гравитационного притяжения планеты, сил аэродинамического сопротивления атмосферы и выведения тяжёлой ракеты в космическое пространство. В электрических ракетных двигателях электромагнитная энергия преобразуется в механическую энергию реактивного движения. Создаваемая тяга несравненно мала и не позволяет использовать такой двигатель для старта с поверхности планеты. Но высокая скорость истечения реактивной струи в десятки раз больше, чем у химических ракетных двигателей, обеспечивает плавный разгон космического аппарата до очень больших скоростей.

Важными преимуществами электрического ракетного двигателя, кроме того, являются возможность его многократного управляемого включения в работу, относительно высокий КПД, рациональное использование топлива – рабочего тела и большой срок службы. Указанные преимущества особенно актуальны на дальних космических перелётах. В наступившее время планирования экспедиций на Луну, активизации исследований дальнего космоса наблюдается значительный рост интереса к технологиям электрических ракетных двигателей. Кроме того, интенсивно растут группировки навигационных, метеорологических спутников, аппаратов связи, на которых уже успешно применяются подобные двигатели в системах ориентации и корректировки орбиты. Ведутся исследования по созданию электрических ракетных двигателей и целых двигательных платформ на их основе для выполнения транспортных операций в космосе, довыведения аппаратов с промежуточных орбит на рабочие. Актуальность обозначенного направления побудила крупнейшие учебные заведения Санкт-Петербурга – Военно-­кос­ми­чес­кую академию имени А.Ф. Можайского и Санкт-Петер­бург­ский политехнический университет Петра Великого – на создание творческого коллектива для проведения теоретических и экспериментальных исследований по разработке ионного электрического ракетного двигателя нового поколения. Наземные испытания в условиях вакуума показали, что получена новая высокоэффективная технология мембранной автоионизации на основе пористой «холодной» металлической мембраны; лабораторный образец электрического ракетного двигателя нового поколения подтвердил свою работоспособность. В ходе исследований экспериментально подтверждена возможность ионизации рабочего тела в импульсно-частотном и постоянном режимах подвода электрической энергии, а также устойчивая работа лабораторного образца на различных видах топлива. В качестве рабочего тела наряду с традиционно применяемым ксеноном использовались аргон, гелий, элегаз и даже воздух. Полученные результаты легли в основу ряда научных трудов, публикаций, докладов и патентных изысканий. Одной из таких работ является заявка на изобретение под названием «Электрический ракетный двигатель (варианты)». Заявка содержит группу изобретений и объединяет три инновационные идеи. Согласно требованию единства изобретения все они относятся к объектам одного вида, одинакового назначения и обеспечивают получение одного и того же технического результата. Предлагаемые устройства объединены изобретательским замыслом и предназначены для достижения положительного эффекта, заключающегося в увеличении эффективности использования электрической энергии в ракетном двигателе. Как следствие, повышается количественный показатель энергоэффективности – энергетический КПД двигателя. Реализация идей предполагает установку вблизи границы ускорительного канала фотоактивных устройств и подключение их к бортовой системе электроснабжения и управления. Устройства используют яркостное фотонное излучение, возникающее при работе двигателя на границе области ускорения ионов, в области нейтрализации электронами и в области экстракции факела. Обычно эта энергия безвозвратно теряется в космическом пространстве. Первая идея заключается в применении фотоэмиссионных катодов – источников электронов, которые производят эмиссию потока вторичных фотоэлектронов в вакуум. Реактивная тяга в электрическом ракетном двигателе осуществляется за счёт разгона и высокоскоростного выбрасывания заряженных частиц в пространство. За космическим аппаратом образуется некая область частиц с одноимённым зарядом, снижающая эффективность реактивной тяги, а иногда приводящая к электрическому пробою на корпус космического аппарата. Для нейтрализации заряженных частиц после использования их кинетической энергии обычно применяют катод-компенсатор. Однако его высокая рабочая температура, большое энергопотребление и ограниченный ресурс заставляют вести поиски новых оригинальных идей. Улучшить ситуацию возможно параллельной работой фотоэмиссионных катодов, использующих энергию фотонного излучения реактивной струи. Принцип действия основан на реализации теории внешнего фотоэлектрического эффекта. Становится возможным создавать наиболее выгодную схему нейтрализации заряженных частиц, что позволяет повысить КПД дви­гателя. Вторая идея предполагает установку фотоприёмника светового излучения, формирующего сигнал при регистрации фотонов. Рацио­нальное использование получаемого с фотоприёмника сигнала позволит осуществлять удалённый контроль за функционированием двигателя, а также применять его в системе автоматического управления движением космического аппарата. Некорректная работа двигателя будет своевременно обнаружена и будет принято оперативное решение, например на перезапуск. Кроме того, использование устройства представляется эффективным при высокоточном управлении космическим аппаратом на орбите, способствуя сокращению излишних манёвров, а значит, экономии не только энергетических ресурсов, но и рабочего тела. Третья идея направлена на осуществление рекуперации энергии – возврат в бортовую сеть части энергии, затраченной на ионизацию и разгон заряженных частиц. Устройство в виде фотоэлектронных панелей при облучении фотоэлементов фотонами вырабатывает дополнительную электрическую энергию, которая направляется в бортовую электрическую сеть. Такая рекуперация энергии особенно важна при слабой интенсивности освещения панелей солнечных батарей космического аппарата (период нахождения аппарата в теневой области планет, значительное удаление аппарата от источника света, дезориентация аппарата). С учётом эффективности фотоэлементов доля рекуперируемой энергии может достигать приличных значений. В основу проекта заложена эффективная и перспективная технология ионизации газа в вакууме с применением пористых мембран. Для подтверждения возможностей новой технологии выполнены теоретический расчёт элементов конструкции двигателя и математическое моделирование процесса иони­зации, изготовлен лабораторный образец электрического ракетного двигателя нового поколения, произведена модернизация вакуумной системы для огневых испытаний образца. Для обеспечения испытаний разработаны и реализованы высоковольтные источники питания, система дозированной подачи рабочего тела, устройство оценки силы тяги.