Гибридный двигатель MIT: один вид топлива для быстрых манёвров и межпланетных перелётов

Инженеры Массачусетского технологического института (MIT) успешно испытали гибридную двигательную систему для малых спутников. Она сочетает мощь химических ракет с исключительной экономичностью электрических двигателей, причём обе системы работают на одном и том же топливе. Эта инновационная технология способна отправлять недорогие космические аппараты размером с портфель к Марсу и за его пределы.

Микроспутники – аппараты размером примерно с обувную коробку или ручную кладь – значительно дешевле и проще в запуске по сравнению с традиционными спутниками. Однако они сталкивались с существенным ограничением: для выполнения как быстрых орбитальных манёвров, так и медленных, точных корректировок требовались две отдельные двигательные системы с разными источниками топлива. Для столь компактных платформ это представляло серьёзную проблему.

Химические двигатели быстро сжигают топливо, обеспечивая мощную и мгновенную тягу, что критически важно для изменения орбиты за считанные секунды. Электрические двигатели (в частности, электрораспылительные двигатели), напротив, крайне экономичны, но работают медленно. Их применяют для точных корректировок или постепенного ускорения космического аппарата в течение месяцев или лет, что делает их идеальными для длительных межпланетных перелётов.

Решение проблемы: новое топливо

Эти технологии, хоть и дополняют друг друга, оставались несовместимыми в малом формате – до недавнего времени. Прорыв произошёл благодаря ВВС США, которые в течение многих лет разрабатывали топливо под названием ASCENT (улучшенное энергетическое нетоксичное топливо для космических аппаратов) как более экологичную альтернативу гидразину – высокотоксичному химическому веществу, традиционно используемому в космических двигателях. ASCENT создавалось для химических двигателей, но обладало скрытым свойством, которое до сих пор не использовалось: это ионная жидкость.

Ионные жидкости – это соли, которые остаются в жидком состоянии даже в вакууме космоса, что крайне редко встречается среди материалов. Такая стабильность делает их идеальными для электрораспылительных двигателей, принцип работы которых основан на приложении электрического поля к жидкости, зарядке её ионов и их последующем выбросе в виде тонкой струи, создающей тягу.

Лаборатория аэронавтики и астронавтики MIT, возглавляемая профессором Пауло Лозано, более десяти лет занималась созданием и совершенствованием именно таких двигателей. Как отмечает Амелия Бруно, ведущий автор исследования, опубликованного в журнале Journal of Propulsion and Power, “ASCENT представляет собой смесь ионных жидкостей. Мы поняли, что это то, что мы обычно используем. Теоретически, это должно работать. Оставалось только понять, как именно”.

Команда загрузила 1 грамм топлива ASCENT в небольшие баки, соединённые с электрораспылительными двигателями, установленными на микроспутнике CubeSat. Исследователи поместили аппарат на платформу с магнитной левитацией – по сути, дорожку, имитирующую невесомость космоса – и дистанционно активировали двигатели при различных уровнях напряжения, наблюдая, как спутник медленно вращается.

Топливо ASCENT продемонстрировало соотношение тяги к мощности в диапазоне от 40 до 65 микроньютонов на ватт, удельный импульс (стандартная мера эффективности топлива) в 600 секунд и общую эффективность в 15%. Двигатели работали непрерывно до 167 часов без заметного снижения характеристик.

“По сравнению с нашими обычными электрораспылительными топливами, ASCENT способен обеспечить сопоставимую тягу”, – заявила Бруно. – “Теперь, когда мы знаем, что наши двигатели работают с ASCENT, мы можем начать думать о путях их дальнейшего улучшения”.

Предстоящие испытания и перспективы

Следующий этап – выход на орбиту. MIT совместно с NASA работает над миссией Green Propulsion Dual Mode. В её рамках CubeSat будет оснащён одним химическим и четырьмя электрораспылительными двигателями, каждый из которых будет питаться от единого общего бака с ASCENT. Запуск запланирован на конец текущего года. “Это будет первый случай, когда спутник будет использовать общий бак для топлива”, – подчеркнул соавтор исследования Пауло Лозано, профессор аэронавтики и астронавтики MIT имени Мигеля Алемана Веласко.

В случае успеха области применения этой технологии будут широки – от практических, таких как развёртывание спутниковых группировок для отслеживания ураганов в реальном времени, до весьма амбициозных. По словам Лозано, можно будет отправлять CubeSat-ы к Марсу или поясу астероидов, где они будут медленно перемещаться, используя электрораспылительные двигатели. “Затем можно будет быстро переместиться с помощью химических двигателей, чтобы исследовать интересные объекты”, – добавил он.

Источник: MIT