Инженер из Штутгартского университета разработал плазменный двигатель на атмосферном газе

Итальянский исследователь Франческо Романо из Штутгартского университета разработал экспериментальный плазменный двигатель, который по принципу работы кардинально отличается от классических ракетных систем. Вместо того чтобы нести весь запас топлива в баках на борту, эта установка представляет собой вариант электро-воздушно-реактивного двигателя. Он может использовать в качестве рабочего тела разреженный воздух, окружающий аппарат на очень низких околоземных орбитах, заменяя им традиционный, дорогой и дефицитный ксенон. В лаборатории установка стабильно работала на смеси газов, характерной для этих высот, а расчёты показали, что такой двигатель может поддерживать спутник на орбите без какого-либо запаса топлива на борту. Пока двигатель испытан только в лаборатории, а результаты диссертационного исследования опубликованы на arXiv.

Очень низкие околоземные орбиты VLEO (Very Low Earth Orbit) — которые теоретически начинаются на высоте от 100 км и простираются до 450 км — удобны для съёмки Земли. Здесь работает простой принцип: чем ближе спутник к поверхности планеты, тем более детальные снимки он может делать при тех же размерах оптической камеры. Находясь на сверхнизкой орбите, даже компактный аппарат способен рассмотреть объекты, которые с обычных высот видны лишь как размытые пятна. Но на такой высоте уже заметно сопротивление атмосферы. Аппарат очень быстро теряет высоту, поэтому ему приходится регулярно включать двигатель и расходовать рабочее тело (в случае электроракетной двигательной установки обычно это ксенон).

Что такое орбита простыми словами: как устроены космические дороги

Франческо Романо предложил использовать в качестве источника рабочего тела газы самой атмосферы. Специальный параболический воздухозаборник собирает редкие молекулы и атомы перед летящим спутником и направляет их в двигатель. Там газ превращается в плазму и выбрасывается назад высокочастотным электромагнитным полем, создавая тягу.

Реализация этого принципа на практике столкнулась с серьёзными инженерными трудностями. В верхней атмосфере много атомарного кислорода — химически активной формы кислорода, которая быстро разрушает электроды, сетки и катоды обычных ионных двигателей. Кроме того, плотность и состав атмосферы постоянно меняются в зависимости от высоты, времени суток, широты и солнечной активности. Из-за этих резких перепадов двигателю необходима способность стабильно поддерживать горение плазмы, даже когда количество поступающего воздуха внезапно падает или растёт.

Чтобы защитить систему от разрушительного воздействия кислорода, Романо разработал бесконтактный радиочастотный геликонный двигатель без отдельного нейтрализатора. В такой конструкции внутри плазменной камеры просто нет металлических сеток и электродов, которые могли бы окислиться и сгореть. Из трёх вариантов воздухозаборника лучше всего показал себя параболический: в испытаниях он улавливал около 94% частиц и сохранял высокую эффективность даже при отклонении потока на 15° из-за маневров спутника.

Для создания плазмы исследователь использовал антенну типа birdcage («птичья клетка»), похожую по конструкции на излучатели в аппаратах МРТ. Именно она позволила решить проблему меняющейся плотности атмосферы: антенна создаёт идеально однородное электромагнитное поле, которое мгновенно адаптируется к любому объёму поступающего воздуха. В испытаниях около 99% подводимой электрической мощности передавалось в двигатель, а стабильную плазму удалось получить при мощности всего 50–60 Вт.

После лабораторных тестов Романо рассчитал, как такая установка могла бы работать на настоящем спутнике. По его оценке, аппарат на высоте 190–250 км сможет постоянно компенсировать сопротивление атмосферы, потребляя меньше 1,6 кВт. Подобный двигатель можно использовать и около Марса: расчёты допускают длительную работу аппарата на высоте 120–160 км. Благодаря бесконтактной схеме двигатель оказался полностью всеядным — вместо дефицитного ксенона он способен эффективно превращать в плазму даже углекислый газ марсианской атмосферы.

Практическое применение этой технологии позволяет отказаться от закладывания массы топлива в стартовый бюджет миссий. Вместо этого полезную нагрузку ракеты-носителя можно использовать для установки более тяжёлой и точной оптической или радарной аппаратуры. В результате спутники на сверхнизких орбитах Земли и Марса смогут работать в течение всего заложенного ресурса бортовой электроники, получая детальные снимки поверхности без необходимости дозаправки с Земли.

Ранее Muon Space впервые испытала в космосе двигатель Холла на твердом цинке.

Фото F. Romano