Почти вечная орбита без ксенона? Новый плазменный двигатель для спутников питается окружающим газом
iXBT.com ·
Исследователь Штутгартского университета Франческо Романо разработал экспериментальный плазменный двигатель, способный использовать разреженную атмосферу Земли в качестве рабочего тела. В перспективе такая технология может позволить спутникам годами работать на сверхнизких орбитах без запаса ксенона или другого традиционного рабочего газа.
Исследователь Штутгартского университета Франческо Романо разработал экспериментальный плазменный двигатель, способный использовать разреженную атмосферу Земли в качестве рабочего тела. В перспективе такая технология может позволить спутникам годами работать на сверхнизких орбитах без запаса ксенона или другого традиционного рабочего газа.
Разработка относится к классу Atmosphere-Breathing Electric Propulsion (ABEP). Ее принцип заключается в том, что спутник во время полета собирает молекулы и атомы верхних слоев атмосферы, ионизирует их, превращая в плазму, а затем ускоряет электромагнитным полем, создавая тягу.
Такие двигатели особенно интересны для очень низких околоземных орбит высотой примерно 100–450 км. Чем ближе спутник находится к Земле, тем более детальные снимки он может получать, а радиолокационным и коммуникационным системам требуется меньше энергии. Кроме того, после завершения миссии аппарат быстрее сходит с орбиты, уменьшая количество космического мусора.
Главная проблема VLEO заключается в сопротивлении остаточной атмосферы. Даже на этих высотах спутники постепенно тормозятся и вынуждены постоянно компенсировать потерю скорости, расходуя рабочее тело.
Новая установка предлагает использовать в качестве рабочего тела тот самый разреженный газ, который создает аэродинамическое сопротивление спутнику. Самым сложным препятствием оказался атомарный кислород — чрезвычайно активный компонент верхней атмосферы, способный разрушать электроды, катоды и другие элементы традиционных плазменных двигателей.
Чтобы решить эту проблему, Романо создал бесконтактный радиочастотный геликонный двигатель без внешнего нейтрализатора. Магнитное поле формирует квазинейтральный поток плазмы, что позволяет отказаться от одного из наиболее уязвимых элементов традиционных электрореактивных двигателей.
Не менее важной частью проекта стала система забора воздуха. Из трех испытанных вариантов наиболее эффективной оказалась конструкция с отражающей параболической поверхностью. Во время экспериментов она собирала около 94,3% поступающих частиц атомарного кислорода, азота и аргона, а при отклонении от оптимального направления на 15 градусов эффективность снижалась всего примерно на 8%.
Для образования плазмы используется так называемая birdcage-антенна, конструкция которой вдохновлена антеннами медицинских МРТ. Испытания показали, что до 99% подводимой высокочастотной мощности передавалось в плазмообразующую область двигателя.
В вакуумной камере установка стабильно генерировала плазму при мощности всего 50–60 Вт. Ученые моделировали состав и концентрацию газов, характерных для верхней атмосферы Земли.
Расчеты показывают, что полноценный спутник с таким двигателем потенциально сможет удерживать орбиту высотой 190–250 км, используя менее 1,6 кВт электроэнергии, которую теоретически способны обеспечить солнечные панели.
Технология может оказаться полезной и для Марса. Поскольку атмосфера планеты в основном состоит из углекислого газа, двигатель теоретически сможет использовать его в качестве рабочего тела и поддерживать сверхнизкие орбиты высотой около 120–160 км.
Пока разработка остается лабораторным прототипом. Ее работоспособность в реальных космических условиях еще предстоит подтвердить, а следующим ключевым этапом должно стать испытание технологии на настоящем космическом аппарате.