Гигантские антенны в космосе: новые двигатели для наноспутников

Российские инженеры разработали новый газовый двигатель для наноспутников, который увеличит маневренность космических аппаратов и позволит создавать многоспутниковые группировки. Эти системы могут быть использованы для формирования распределенных антенн и космических обсерваторий. Также они обеспечат получение стереоизображений Солнца в реальном времени, что повысит точность прогнозов космической погоды и магнитных бурь на Земле. Однако специалисты подчеркивают, что эти технологии пока находятся на стадии разработки. Эту информацию сообщает издание Известия.

Как именно газовый двигатель увеличит запас хода космических аппаратов? Ученые Московского авиационного института (МАИ) и Самарского национального исследовательского университета имени академика С.П. Королева создали двигатель, работающий на газе. Одним из его преимуществ является гибкая компоновка: бак с газом можно разместить в любой свободной части космического аппарата и соединить его трубками с силовой установкой. Это позволит увеличить запас рабочего тела на борту и, соответственно, продолжительность маневров.

Такие характеристики расширят возможности наноспутников, позволяя им объединяться в сложные распределенные системы, такие как многосоставные обсерватории для наблюдения за солнечными вспышками и черными дырами, а также для поиска признаков жизни на экзопланетах.

Активные «созвездия» наноспутников также могут быть использованы для высокоточного дистанционного зондирования Земли, включая отслеживание циклонов, лесных пожаров, извержений вулканов и дрейфа льдов, а также наблюдение за перемещением транспортных средств и грузов.

Современные космические технологии все чаще опираются на небольшие устройства. Реактивные двигатели позволяют увеличить функционал малых спутников за счет повышения их маневренности и продления срока их жизни на орбите, компенсируя торможение в верхних слоях атмосферы. Однако жесткие ограничения по массе, объему и бортовой мощности усложняют размещение таких силовых установок на малых спутниках, отметил ведущий инженер МАИ Святослав Гордеев.

Новое устройство представляет собой импульсный плазменный двигатель, который использует электрическую энергию для создания тяги за счет разгона плазмы — ионизированного газа — в сильном магнитном поле. Установка предназначена для наноспутников массой до 10 кг.

Конструкция включает высокоскоростной электромагнитный клапан с тонкой подвижной мембраной из магнитного материала. При подаче короткого импульса тока электромагнит создает поле, которое отжимает мембрану и впускает порцию газа в канал двигателя. Затем давление среды возвращает мембрану в исходное положение.

По словам разработчика, такой принцип обеспечивает высокое быстродействие при низком энергопотреблении. Отсутствие трущихся элементов повышает надежность и долговечность механизма. Частота импульсов подачи газа в новой установке составит 1–2 Гц, и двигатель сможет выдержать более миллиона циклов открывания и закрывания клапана без деградации основных механизмов, что позволит орбитальным аппаратам совершить до 300 часов активных маневров.

Эти характеристики позволят решать широкий спектр практических задач в околоземном пространстве. Двигатель можно будет использовать для распределения наноспутников по целевым орбитам после запуска и корректировки их положения в составе крупных группировок.

Переход от одиночных объектов к сетевым структурам — современная тенденция, в том числе в спутникостроении. Большое количество простых устройств, объединенных в сеть, способно гибче и дешевле решать задачи, которые ранее выполняли крупные исследовательские комплексы. При нынешнем уровне технологий серийное производство множества простых аппаратов эффективнее, чем создание одного сложного изделия, отметил директор Академического исследовательского центра информационной безопасности систем и сетей НИЯУ МИФИ Леонид Кессаринский.

В институте разработали новый испытательный комплекс — «тренажер» бортовых компьютеров наноспутников, который позволяет сократить время тестирования аппаратов с восьми недель до 40 часов.

Распределенные системы значительно улучшают качество дистанционного зондирования Земли. Большое количество аппаратов на орбите позволяет лучше отслеживать перемещения и изменения объектов, чем один спутник. Это работает как фасеточный глаз мухи, в котором каждая ячейка ведет наблюдение независимо от других, пояснил военный эксперт Дмитрий Корнев.

Группировки, состоящие из наноспутников, лучше защищены от вывода системы из строя, поскольку можно реализовать дублирование задач между аппаратами. Выбывание или уничтожение части из них не приведет к нарушению функционирования системы, хотя качество изображения может снизиться.

Многоспутниковые конфигурации позволят создавать гигантские обсерватории с «зеркалом» в тысячи и миллионы километров. Они будут работать по принципу интерферометрии, когда множество небольших телескопов или антенн, разнесенных в пространстве, объединяются в единую систему и обеспечивают угловое разрешение, недостижимое для одиночного аппарата. Это поможет исследовать удаленные объекты, например, проверять экзопланеты на наличие следов жизни, объяснил астрофизик Владимир Афанасьев.

Подобные решения также могут быть полезны для детектирования гравитационных волн, что важно для изучения сверхмассивных черных дыр в центрах галактик. Для работы таких систем необходимо удерживать все элементы на строго заданных позициях, и новые двигатели могут обеспечить требуемую точность.

Кроме того, множество малых спутников, расположенных вокруг Солнца, сможет в реальном времени получать стереоизображения светила, что расширит возможности прогнозирования космической погоды и магнитных бурь на Земле.

Разработка полезна для продления активного существования космических аппаратов. Однако при изучении Солнца она не решает проблему отсутствия специализированных миссий, так как в России нет ни одного космического аппарата для этих целей. В результате отечественные гелиофизики вынуждены использовать зарубежные материалы, отметил ведущий научный сотрудник Института солнечно-земной физики СО РАН Сергей Язев.

В будущем, когда космические аппараты смогут работать как элементы единого «зеркала», такая технология будет особенно востребована. Однако сегодня наноспутники способны решать лишь ограниченный круг задач.