В НАСА рассказали об электрореактивных двигателях малых космических аппаратов

Исследовательский центр НАСА имени Гленна рассказывает о революционном решении в области двигательной установки для малых космических аппаратов.

Разработанный в Исследовательском центре имени Гленна НАСА технологический комплекс LEW-TOPS-162 (Small Spacecraft Electric Propulsion — SSEP) позволяет создать компактную, высокопроизводительную, долговечную и масштабируемую первичную двигательную установку для малых космических аппаратов. SSEP относится к классу космических двигательных установок, известных как солнечные электрические двигатели (SEP), в которых тяга создается за счет солнечной энергии и солнечных батарей, а не за счет тяжелых горючих химических веществ.

Комбинируя электрические и магнитные поля, SSEP преобразует солнечную энергию в тягу, удерживая электроны, выбрасываемые из катода, в кольце, напоминающем пончик, создаваемом кольцевым магнитным полем внутри его двигателя. Это создает ток Холла — циркулирующий вихрь электронов, заключенный в кольцевом пространстве двигателя, и позволяет использовать двигатели на эффекте Холла (HET). Тяга создается, когда на одном конце кольцевого двигателя выпускается нейтральный газ, который затем попадает в ток Холла, где электроны сталкиваются с ним и ионизируют его. Заряженный газ под действием электрического поля резко ускоряется и выходит из другого конца кольцевого двигателя, создавая тягу.

SSEP решает технологический пробел НАСА, а именно отсутствие высокоэффективной системы SEP, оптимизированной для малых космических аппаратов весом от 200 до 500 килограммов. Такой масштаб космических аппаратов делает SSEP идеальным для использования в системе rideshare. Это практика приобретения вторичного объема полезной нагрузки на ракете, орбитальная траектория которой в основном оплачивается другой ракетой. Максимально увеличивая пропускную способность с помощью системы rideshares, в космос поднимается больше оборудования, что создает больше возможностей для малых космических аппаратов.

Опираясь на наследие, SSEP увеличивает срок службы субкиловаттных HET. По сравнению с современными субкиловаттными HET, SSEP работает в пять-семь раз дольше, что делает его идеальным для применения в условиях высокой маневренности на низкой околоземной орбите (LEO), геостационарной орбите (GEO), в лунных миссиях и за их пределами.

Наследие — это термин искусства. Как следует из названия, это продемонстрированный технологический успех, передаваемый от одной космической миссии к другой. Поскольку полеты космических аппаратов обходятся очень дорого, разработчики миссий ценят проверенные и испытанные в космосе технологии. Наследие помогает новым космическим аппаратам избежать дорогостоящих неудач, поскольку конструкторы выбирают проверенные технологии. Зная об этом, команда NASA Glenn's SSEP разрабатывала проект с учетом наследия. В отличие от других технологических решений, ориентация SSEP на традиционные методы проектирования, материалы, процессы и компоненты способствует освоению рынка, а также внедрению творческих и целенаправленных конструкторских разработок, выводящих возможности субкиловаттных HET за рамки современных.

Чтобы способствовать освоению рынка и повышению конкурентоспособности американской космонавтики, Гленн предоставляет эти технологии по отдельности или в совокупности американским компаниям на основе бесплатного, неэксклюзивного лицензионного соглашения с сопутствующим Соглашением о космическом акте (SAA). SAA — это юридические инструменты сотрудничества НАСА. В рамках этого соглашения лицензиаты получают всеобъемлющий технический пакет, который NASA Glenn создало и курирует. НАСА предоставляет эту услугу с целью приобретения в конечном итоге высококачественных и высокопроизводительных систем SEP американского производства.

Преимущество HET перед другими высокоэффективными SEP, такими как решетчатые ионные двигатели, заключается в их более высоком соотношении тяги и мощности. Высокое соотношение тяги и мощности делает HET привлекательными для миссий, требующих большого импульса. Поскольку в большинстве полетов SEP сегодня используются HET, их развитие имеет непосредственные последствия для космической отрасли. Согласно экономическим прогнозам, в 2040 году доходы от коммерческой космонавтики могут превысить 1 триллион долларов США; в 2020 году этот показатель составлял 350 миллиардов долларов. Этот рост обусловлен снижением стоимости доступа в космос и ростом спроса на спутниковые услуги.

Оказывая влияние на этот растущий рынок, SSEP может революционизировать возможности малых космических аппаратов при минимизации затрат на запуск. В соответствии с «уравнением тирании ракеты», или формулой Циолковского, увеличение полезной нагрузки на ракете приводит к увеличению массы ракетного топлива. Больше массы означает больше топлива; больше топлива порождает больше массы, что приводит к увеличению количества топлива. SSEP разорвал этот замкнутый цикл.

Сегодня, когда полеты на низкую околоземную орбиту стали регулярными, космическая отрасль напоминает авиационную. Увеличение частоты запусков означает увеличение числа поездок. Чтобы максимально увеличить количество поездок, больше малых космических аппаратов, оснащенных SSEP, могут использоваться в качестве дополнительной полезной нагрузки и отправляться после выведения на орбиту.

• Низкая околоземная орбита (НОО): SSEP не конкурирует с ультрадешевыми HET, нацеленными на рынок НОО. Хотя система SSEP разработана с учетом стоимости, ее требования к достижению высокой производительности превышают стоимость, приемлемую для мегаконстелляционных миссий на НОО, таких как StarlinkTM компании SpaceX. Тем не менее, существует как минимум два потенциальных применения SSEP на НОО. Первое — долгосрочное поддержание орбиты на очень низких орбитах, требующее постоянной компенсации атмосферного сопротивления. Второе — значительные или повторяющиеся изменения наклонения или изменение наклона орбиты спутника, что может потребоваться для оперативной разведки. Изменение наклонения — дорогостоящий маневр, требующий больших затрат топлива для обычных спутников НОО. Когда спутник исчерпывает запас топлива, срок его службы заканчивается. SSEP может продлить срок службы таких спутников за счет эффективного использования топлива и других конструктивных особенностей.
• Более высокие околоземные орбиты: Независимо от того, достигает ли SSEP более высоких орбит, покидая НОО или перемещаясь на ракете с траекторией на более высокую орбиту, она находит применение в повышении орбиты (орбитальный маневр, увеличивающий высоту), уборке космического мусора, предотвращении столкновений, удержании станции (поддержание фиксированного расстояния относительно чего-то другого) и обслуживании космических аппаратов. Например, поддержание станции на геостационарной экваториальной орбите (ГСО) может длиться десятилетиями. Недавно Northrop Grumman's Mission Extension Vehicle (MEV) обслуживал спутники с истекшим сроком эксплуатации. Хотя для спутников, находящихся на ГСО, окончанием срока службы обычно считается истощение топлива, другие их аппаратные средства могут сохранять отличную функциональность и коммерческую ценность. Вместо того чтобы отправлять ценный спутник на кладбище или орбиту утилизации, аппараты типа MEV, оснащенные системой SSEP, пристыковываются к этим спутникам и, подобно буксиру, усиливают их двигательную установку, значительно продлевая срок их службы. Если расширить парадигму буксиров, то роботизированное развертывание меньшей капсулы Mission Extension Pod (MEP) на отслужившем свой срок спутнике может функционировать как MEV; они развертываются с более крупного роботизированного аппарата Mission Robotic Vehicle (MRV). MRV может не только перемещаться к другим спутникам и разворачивать дополнительные MEP из пополняемого запаса для обслуживания большего количества спутников, но и проводить осмотр и ремонт. MEP, оснащенные SSEP, позволят расширить коммерческий космос и извлечь больше пользы из существующей и будущей космической инфраструктуры.
• За пределами околоземных орбит: За пределами Земли исследователи также могут извлечь выгоду из совместного использования SSEP. Научные миссии могут отправляться с орбиты с помощью своих SSEP к Луне, Марсу, точкам Лагранжа или главному поясу астероидов.

Зарождается концепция LunaNet. Для того чтобы НАСА могло обеспечить устойчивое присутствие на Луне, необходима высокоскоростная и бесперебойная инфраструктура лунной спутниковой связи. Концепция LunaNet предусматривает связь между посадочными аппаратами, лунными приборами и астронавтами с аванпостами на Луне и планируемой космической станцией Gateway. Для этого НАСА нужны высокопроизводительные спутники связи, которые будут работать на орбите Луны в качестве ретрансляторов между всеми этими узлами и темной стороной Луны. Один из способов экономически выгодно доставить их туда — использование SSEP. Вместо того чтобы запускать десятки спутников связи с десятков ракет, можно запустить их все одной ракетой на НОО. Затем спутники LunaNet смогут самостоятельно маневрировать на лунных орбитах под действием собственной энергии, что позволит значительно сэкономить средства.

Кроме того, SSEP дает возможность недорогим малым космическим аппаратам замедляться после выхода в космос. Типичные недорогие миссии достигают стоимости за счет пролетов, а не остановок. Не останавливаясь, космические аппараты избегают значительного истощения массы топлива для маневров замедления, что значительно снижает массу космического аппарата и стоимость миссии. Без замедления цель, на достижение которой ушли месяцы или годы, можно рассмотреть лишь за несколько часов, а иногда и минут, что ограничивает потенциальную научную отдачу. Улучшение способности малых космических аппаратов маневрировать и выводить на орбиту свои цели дает возможность максимизировать научную ценность.

Ранее ученые сообщили об успешном испытании детали ракетного двигателя, напечатанной на 3D-принтере.

19.12.2024