До планет и звезд: 60 лет первому применению плазменного электроракетного двигателя
60 лет назад советский космический аппарат, известный как «Зонд-2», должен был сфотографировать Марс при пролете Красной планеты на близком расстоянии. Из-за проблем с раскрытием солнечных панелей, он пролетел от Марса слишком далеко, к тому же с ним отсутствовала связь. Однако, аппарат все равно вошел в историю как первый, который использовал плазменные электроракетные двигатели (ЭРД). Константин Циолковский, предложивший идею такого двигателя, предполагал, что с его помощью люди смогут достичь ближайшей к Солнцу звезды за 10-40 лет.
Фотосессия Марса не задалась...
30 ноября 1964 года с площадки №1 космодрома Байконур стартовала ракета-носитель «Молния». После выхода на промежуточную околоземную орбиту разгонный блок «Л» успешно вывел на траекторию полета к Марсу полезный груз — космический аппарат серии 3МВ-4А массой 960 кг, разработанный в ОКБ-1 Сергея Королёва. Это была автоматическая межпланетная станция второго поколения, предназначенная для фотографирования Красной планеты при пролете с близкого расстояния. Аппарат вошел в историю, как "Зонд-2".
В отличие от своего предшественника «Марса-1», первого в истории космического аппарата, выведенного на траекторию полёта к Марсу, новая станция оснащалась модифицированной аппаратурой связи и шестью экспериментальными плазменными двигателями, которые можно было включать по командам с Земли для управления ориентацией зонда, экономя рабочее тело обычной газореактивной системы управления.
Но второму аппарату, как и первому, не повезло: в самом начале автономного полета возникли проблемы с системами электропитания (панели солнечных батарей "Зонда-2" не раскрылись полностью или застряли в промежуточном положении) и терморегулирования (радиаторы стояли на тех же панелях, что и солнечные батареи), а также отказало программно-временное устройство.
В связи с этим в сообщении ТАСС от 2 декабря 1964 года действительная цель запуска — научные исследования Марса — указана не была. Аппарат, обозначенный «Зондом-2», согласно официально распространенной информации, предназначался для отработки бортовых систем в условиях длительного космического полёта, накопления практического опыта и проведения научных исследований в межпланетном пространстве. ТАСС также сообщил, что «по данным телеметрии, полученным в первых сеансах связи, энергоснабжение на борту станции приблизительно вдвое меньше ожидаемого».
Лишь 15 декабря 1964 года, более чем через две недели после старта, в результате энергичных маневров по переориентации аппарата панели, наконец, раскрылись. Но момент коррекции траектории был упущен, да и в связи с длительно пониженным электропитанием бортовых систем полной работоспособности межпланетной станции достичь не удалось.
Однако если контакт с «Марсом-1» был потерян 21 марта 1963 года, через четыре месяца после запуска, на расстоянии 106 млн км от Земли (рекорд дальности космической связи на тот момент), cвязь с «Зондом-2» поддерживалась до апреля — мая 1965 года. Исходя из данных траекторных измерений, можно предполагать, что 6 августа 1965 года молчащий аппарат осуществил неуправляемый пролёт на расстоянии 650 тысяч километров от Марса и продолжил движение по околосолнечной орбите.
...Но революционные движки испытали
Несмотря на провал главной задачи, «Зонд-2» вошел в историю как первый космический аппарат, успешно использовавший плазменные электроракетные двигатели (ЭРД) для ориентации, имеющие существенные отличия от химических.
Принцип работы последних основан на экзотермической реакции горючего и окислителя с последующим истечением нагретых продуктов сгорания через сверхзвуковое сопло. Химические двигатели отличаются большой тягой (используются в качестве стартовых и маршевых), но невысокой экономичностью.
В ЭРД рабочее тело и источник энергии разделены, и в качестве последнего служит электроэнергия бортовой энергоустановки космического аппарата, которая используется для нагрева рабочего тела до высочайших температур (вплоть до плазмы) и разгона плазменной струи до огромных скоростей.
Электроракетные двигатели отличаются малой тягой (не могут использоваться в качестве стартовых) и высокой экономичностью, на порядок больше чем у химических собратьев. В зависимости от способа преобразования электроэнергии в кинетическую энергию реактивной струи различают электростатические (ионные), электромагнитные и электротермические ЭРД.
На «Зонде-2» проводились испытания шести эрозионных ЭРД (рабочее тело — твердый фторопласт). Система, установленная в герметичном отсеке на дне аппарата, показала себя великолепно: плазменные сгустки с температурой около 30 тысяч градусов Цельсия истекали со скоростью до 16 км/с, в то время как газореактивные двигатели выдавали в 20 раз более медленную струю.
Из-за нештатного функционирования системы электроснабжения испытания удалось провести лишь 14 декабря 1964 года на расстоянии 5,37 миллиона километров от Земли. Основная газореактивная система ориентации временно не работала, уступив место плазменной: шесть электроракетных двигателей включались несколько раз, когда конденсатору удавалось накопить достаточно электроэнергии, и в течение 70 минут поддерживали ориентацию станции в пространстве таким образом, чтобы плоскость панели солнечных батарей была перпендикулярна направлению солнечных лучей.
Плазменные двигатели - российская технология
Ведущие космические державы мира признают приоритет России в области создания и использования плазменных электроракетных двигателей. Причем задумывались такие двигатели изначально для межзвездных путешествий.
Константин Циолковский в 1903 году утверждал в статье для "Вестника воздухоплавания": «Может быть, с помощью электричества можно будет со временем придавать громадную скорость выбрасываемым из реактивного прибора частицам. Это обеспечило бы такую скорость реактивного прибора, при которой достижение ближайшей звезды сократилось бы до 10–40 лет».
В нашей стране не только впервые была сформулирована идея электроракетного двигателя, но и проведены первые экспериментальные работы. В ленинградской Газодинамической лаборатории (ГДЛ) в 1929–1933 годах будущий основоположник ракетного двигателестроения академик Валентин Глушко разработал и испытал экспериментальный электротермический ракетный двигатель.
Разработка плазменных двигателей началась в Отделе плазменных исследований Института атомной энергии (ИАЭ) Академии Наук СССР, который возглавлял Лев Арцимович, совместно с ОКБ-1 под руководством Сергея Королёва. Профессор Михаил Романовский, заместитель Арцимовича по науке, вспоминал, как вскоре после запуска первого искусственного спутника Земли в октябре 1957 года Королёв обратился к Игорю Курчатову с предложением начать в ИАЭ исследования по созданию электроракетных двигателей.
В 1960 году, уже после смерти Курчатова, вышли два секретных постановления Военно-промышленной комиссии Совета министров СССР, обязывающих Институт приступить к масштабной разработке ЭРД. Это было поручено отделу под руководством Арцимовича, который в 1956–1957 годах предложил и экспериментально обосновал электродинамический метод ускорения плазмы. Всестороннюю поддержку работам оказывали Мстислав Келдыш, Сергей Королёв и Михаил Миллионщиков, который был вице-президентом АН СССР и председателем комиссии Академии наук по ЭРД.
Усилия целой плеяды выдающихся ученых и инженеров принесли плоды. Первыми в мире в космос были запущены советские импульсные плазменные ЭРД (1964), а затем были проведены космические испытания ионных (1966) и стационарных плазменных двигателей (1972).
В 1959 году отдел НИИ-1 (ныне — Исследовательский центр имени М.В. Келдыша) под руководством Бориса Раушенбаха приступил к исследованию возможности использования ЭРД с питанием от солнечных батарей для систем ориентации и стабилизации космических аппаратов и обосновал требования к плазменной системе ориентации автоматических станций для полетов к Венере и Марсу в 1962-1966 годах.
В середине 1960 года Раушенбах возглавил межведомственную исследовательскую группу, которая разработала конструкцию системы ориентации аппаратов массой около 1 т на основе импульсных плазменных двигателей, удовлетворяющих множеству требований: высокая надежность, простота конструкции, малый вес, устойчивость к космическим факторам, малый расход электроэнергии конденсатора, отсутствие радиопомех и вредных воздействий плазменной струи на элементы конструкции и аппаратуру космических аппаратов.
В течение первых двух лет специалисты испытывали большое разочарование результатами работ. Но это только усиливало их упорство в достижении необходимых параметров системы.
В середине 1962 года удалось доказать, что наиболее эффективное решение проблемы – импульсный плазменный двигатель (ИПД) эрозионного типа: в нем плазма образуется вследствие «эрозии» диэлектрика в импульсном разряде большой мощности (10-200 МВт) длительностью несколько микросекунд. Наиболее подходящим диэлектриком оказался фторопласт-4 (тефлон).
Первые успешные ресурсные испытания абляционного электромагнитного ИПД с тефлоном проводились в течение 20 суток (с 27 марта по 16 апреля 1962 года) в непрерывном режиме. При средней потребляемой мощности 1 кВт (импульсная — 200 МВт) получили электрическую тягу 1 грамм. При электромагнитном способе ускорения плазмы «цена тяги» приблизилась к 1 кВт/г. Задачу создания надежных и простых ЭРД можно было считать решенной. Однако для первых испытаний в космосе требовалось снизить энергетическую «цену тяги» в четыре раза, до 250 Вт на 1 г тяги.
Исследования продолжались. В 1962 году был изготовлен электротермический абляционный ИПД, соответствующий требованиям ОКБ-1. После испытаний моделей был создан прототип летного варианта системы (включал шесть двигателей, конденсаторы, преобразователь напряжения, программно-коммутирующее устройство и другое оборудование) со следующими характеристиками: один миллион (!) импульсов, энергопотребление 50 Вт, тяга 0,2 г, импульсная мощность 10 МВт. В конце 1962 года было получено авторское свидетельство.
Арцимович предложил Королеву начать совместные опытно-конструкторские работы по созданию летного образца двигателя для системы ориентации и стабилизации. В марте 1963 года межведомственная комиссия ознакомилась с состоянием исследований и подписала документ о готовности ЭРД к испытаниям в космосе, рекомендовав ускорить работы по созданию двигателей для автоматических межпланетных станций.
Первый запуск космического аппарата с ЭРД был запланирован на конец 1963 года. Несмотря на свою занятость, Королёв лично контролировал ход работ. Однако запуск, состоявшийся 11 ноября 1963 года, завершился неудачей: из-за аварии разгонного блока межпланетная станция осталась на околоземной орбите, превратившись в спутник «Космос-21».
Работы по подготовке станций с электроракетными двигателями продолжались с удвоенной энергией. По указанию Королёва одновременно готовились три комплекта плазменных ЭРД...
Ровно 60 лет назад, 19 декабря 1964 года из сообщения ТАСС мир узнал о новом прорыве в космических технологиях - советский космический аппарат впервые в истории использовал плазменный электроракетный двигатель. Имена Курчатова, Королёва, Арцимовича и других участников этого события мирового значения не были обнародованы. Однако в одной из газет появилась статья Михаила Миллионщикова, который высоко оценил результаты испытаний и предсказал важность использования ЭРД в будущих межпланетных полетах.
Реликвия отечественной космонавтики — один из экземпляров первых в мире рабочих ЭРД — хранится в Государственном музее истории космонавтики имени К.Э. Циолковского в Калуге. Созданием ЭРД в последовавшие за первым применением в космосе десятилетия занялись сразу несколько научно-производственных объединений страны. Самым мощным на сегодня является калининградское ОКБ «Факел», где продолжилось совершенствование ЭРД различных типов и назначения.
Первой разработкой этого коллектива стала плазменная система стабилизации и ориентации для спутника связи, разработанная по заказу академика Михаила Решетнева, близкая к двигателям «Зонда-2», но имеющая «энергетическую цену» тяги 85 Вт на 1 г.
В 1972 году состоялась первая коррекция орбиты спутника серии «Метеор» с помощью стационарного плазменного двигателя ОКБ «Факел», разработанного Алексеем Морозовым и Германом Щепкиным под руководством Льва Арцимовича. С начала 1980-х все более мощные и совершенные стационарные плазменные ЭРД устанавливаются на геостационарных спутниках связи и других космических аппаратах, построенных как у нас в стране, так и за рубежом.
Самое популярное
