Новый «воздушный» спутниковый двигатель можно вдыхать непосредственно в атмосферу Земли в качестве топлива и в будущем он может оставаться на орбите на неопределенный срок.

Аннотация:

Новый спутниковый двигатель, который может напрямую использовать верхние слои атмосферы Земли в качестве топлива, привлекает внимание аэрокосмической отрасли.

Идея взята из докторской работы Франческо Романо, исследователя из Штутгартского университета в Германии. Основная идея состоит в том, чтобы превратить атмосферные молекулы, которые изначально замедляли спутник, в топливо для двигательной установки, тем самым превращая факторы, препятствующие работе спутника, в источник энергии, необходимой для поддержания орбиты.

В области сверхнизкой околоземной орбиты, которая находится на расстоянии от 100 до 450 километров от Земли, спутники могут получить множество уникальных преимуществ. Находясь ближе к земле, оборудование дистанционного зондирования может получать более четкие изображения, а системы связи и радиолокации требуют значительно меньше энергии. В то же время сопротивление атмосферы в этой области также может естественным образом утащить спутник обратно в атмосферу и сжечь его после того, как он будет утилизирован, тем самым уменьшая проблему длительного накопления космического мусора.

Однако у этих преимуществ есть серьезный недостаток.

Даже на высоте сотен километров остаточная атмосфера будет продолжать замедлять спутники. Если тяга не будет постоянно пополняться, высота орбиты спутника будет постепенно уменьшаться и в конечном итоге упасть в атмосферу. Поэтому спутники, в настоящее время работающие на более низких орбитах, обычно полагаются на бортовые двигательные установки для регулярной коррекции орбиты, и эти двигательные системы должны иметь ограниченные запасы топлива.

Традиционные электрические двигательные установки в основном используют дорогое топливо, такое как ксенон. После того, как топливо израсходовано, срок службы спутника обычно заканчивается, независимо от того, цел ли сам спутник.

Решение, предложенное Романо, относится к «электрической двигательной установке, дышащей в атмосфере». В отличие от традиционных методов, эта система непосредственно собирает приближающуюся разреженную атмосферу во время полета, вводит молекулы газа в двигатель, а затем использует электрическое поле для преобразования этих молекул в плазму, которая затем выбрасывается назад для создания движения.

Теоретически, пока спутник все еще находится на орбитальной высоте с остаточным газом, он может продолжать получать источник топлива без необходимости нести большое количество дополнительного топлива.

Однако воплотить эту, казалось бы, простую идею в реальность, непросто.

Исследователи отмечают, что одна из самых больших проблем на сверхнизких орбитах связана с атомарным кислородом. В верхних слоях атмосферы ультрафиолетовый свет расщепляет обычный кислород на одноатомный кислород. Это вещество обладает чрезвычайно сильной окислительной способностью и быстро разъедает ключевые компоненты, такие как металлические электроды, ускоряющие решетки и катоды в традиционных ионных двигателях.

В частности, наиболее подвержена повреждению катодная система, отвечающая за нейтрализацию заряда. Если катод выйдет из строя, спутник не сможет нормально высвобождать заряженные частицы, а двигательная установка также потеряет свою функцию.

Кроме того, верхние слои атмосферы не являются стабильной средой. Плотность газа колеблется в зависимости от смены дня и ночи, солнечной активности и орбитального положения, что еще больше увеличивает сложность проектирования двигательной установки.

Чтобы решить эти проблемы, Романо разработал новый тип радиочастотного плазменного двигателя со спиральными волнами. По сравнению с традиционными ионными двигателями, эта конструкция не использует нейтрализаторы и катодные системы, подверженные коррозии, и обеспечивает движение за счет создания квазинейтральной плазменной струи, содержащей как положительные, так и отрицательные ионы.

Исследовательская группа также разработала специализированные структуры для сбора атмосферных данных. Наиболее эффективным из них является воздухозаборное устройство с параболической зеркальной конструкцией. В экспериментах такая конструкция смогла захватить около 94,3% встречных молекул газа. Даже если положение спутника в определенной степени отклоняется, снижение эффективности сбора данных относительно ограничено.

Основная часть двигателя имеет конструктивную конструкцию, аналогичную «антенне в виде птичьей клетки» в оборудовании для магнитно-резонансной томографии. Результаты испытаний показывают, что это решение может передавать около 99% радиочастотной энергии в двигатель, что значительно снижает потери энергии, вызванные традиционной конструкцией катушки.

Результаты лабораторного моделирования показывают, что двигательной системе требуется всего от 50 до 60 Вт мощности для формирования стабильного потока плазмы, а в реальной орбитальной среде ожидается, что мощность, необходимая для поддержания непрерывной работы, составит менее 1,6 киловатта. Исследователи полагают, что этот спрос можно полностью удовлетворить с помощью обычных солнечных батарей.

Согласно модельным расчетам, если характеристики системы оправдают ожидания, спутник сможет длительное время удерживать орбиту на высоте примерно 190–250 километров без необходимости пополнения традиционных топлив. Это означает не только то, что срок службы миссии может быть значительно продлен, но также могут быть снижены качество запуска и стоимость миссии.

Исследователи подчеркнули, что эта технология пока находится на стадии экспериментальной проверки и теоретического моделирования и еще не прошла испытания в реальных космических миссиях. Его долгосрочная надежность, адаптируемость к орбитальной среде и фактическая эффективность движения все еще нуждаются в дальнейшей проверке.

Несмотря на это, в отрасли в целом считают, что атмосферно-дышащие двигательные установки представляют собой важное направление развития сверхнизкоорбитальных спутников. Ожидается, что в случае успешного развертывания в будущем следующее поколение спутников наблюдения Земли, спутников связи и даже других планетарных зондов будет полагаться на природный газ в окружающей среде для поддержания работы, тем самым избавляясь от зависимости от традиционных видов топлива.