Пламенные и ледяные моторы спутников
Привет, с вами lozga в несколько непривычной роли автора поста корпоративного блога. В январе в челябинской Точке кипения прошла олимпиада «Астероидная безопасность», в рамках которой спутникостроители и преподаватели Южно-Уральского государственного университета Валерий Богданов и Руслан Пешков прочитали лекцию для школьников о двигателях для космических аппаратов. Этот материал — развернутая обработка лекции и моей беседы с ними.
Двигатель ориентации на топливной паре метан-кислород, фото NASA/John H. Glenn Research Center
Богатство выбора
Первые письменные свидетельства создания ракет относятся к 13 веку. Только четыре века спустя, спасибо Ньютону, человечество поняло, как они работают. Подсказка: ракета не «отталкивается» — в вакууме отталкиваться не от чего, а разгоняется в одну сторону за счет выброса вещества в противоположную. А в 20 веке люди, создав спутники, придумали и множество вариантов их движения, причем есть даже такие, которые работают не на выбросе массы. Основные виды спутниковых двигателей можно классифицировать так:
Как это часто бывает, в нашем мире, нет «идеального» двигателя для всех случаев, и задача «выбрать двигатель для космического аппарата» может иметь множество самых разных условий, делая какие-то варианты неприемлемыми или неэффективными. А для того, чтобы иметь возможность сравнивать что бы то ни было, нам нужно прежде всего найти критерии, по которым мы будем сравнивать. Для двигателей можно выделить удельный импульс и тягу.
Удельный импульс — мера эффективности двигателя. По определению, это время, в течение которого двигатель может развивать тягу, затратив 1 кг топлива. Если мы измеряем тягу двигателя в килограммах (точнее, килограмм-силах), то удельный импульс будет измеряться в секундах, а если тяга измеряется в Ньютонах, то единицей измерения будет метр в секунду. Из секунд в метры в секунду и обратно величину удельного импульса можно пересчитать, умножив или разделив на ускорение свободного падения. Смысл изменения в метрах в секунду можно легче понять, если представить его как скорость истекающего из двигателя вещества на срезе сопла. Очевидно, что чем больше величина удельного импульса, тем более эффективным будет двигатель.
Тяга, по сути, является служебным параметром или даже ограничением. Очень эффективные двигатели, которые, однако, развивают маленькую тягу, не получится применить в ситуации, когда нужно произвести маневр, требующий большого изменения скорости и не может быть растянут во времени (или разделен на много включений двигателя).
Сочетание обеих величин позволяет нам построить график наиболее подходящих в каждом случае двигателей.
Источник: Реактивные системы управления космических летательных аппаратов, Беляев Н.М., Белик Н.П., Уваров Е.И. — М.: Машиностроение, 1979.
Двигатели на холодном газе
Если вы интересовались историей космонавтики, то знаете, что газовые двигатели ориентировали «Луну-3» и «Восток» Гагарина. Сейчас, когда спутники отказываются от химических двигателей и переходят на электрореактивные, газовые двигатели из-за слабой тяги и низкого удельного импульса могут показаться архаизмом, однако, это не так. До сих пор в космос отправляются конструкции, которым вроде бы устаревшие двигатели подходят лучше других. Прежде всего, сжатый газ не токсичен и прекрасно подходит для «ракетных ранцев» космонавтов — возможная утечка не отравит экипаж, а осевший на скафандре выхлоп не придется дезактивировать.
Брюс Маккэндлесс испытывает установку MMU в 1984 году, фото NASA
Конструкция двигательной системы на холодном газе проста и надежна, кроме баллонов, электроклапанов и трубопроводов, считай, ничего не нужно. Если вам хватит небольших запасов характеристической скорости (delta-V), то эта конструкция будет и легче более сложных альтернатив. Газовые двигатели ориентации обладают отличной динамикой — клапаны очень быстрые (время реакции до 20 миллисекунд) и не нуждаются, скажем, в предварительном прогреве катализатора. Благодаря этим достоинствам они прекрасно подходят для точных систем ориентации малой тяги, поэтому, например, телескоп Gaia отправился в полет именно с газовыми двигателями ориентации. У аппарата LISA Pathfinder, сделанного для проверки возможности работы гравитационной обсерватории в космосе и нуждающегося в очень точном перемещении, два варианта двигателей — на холодном газе и электрические с полевой эмиссией, в полете они были успешно испытаны как вместе, так и по отдельности.
Схема двигателя на холодном газе. Красное — область высокого давления газа, синее — низкого
Но, конечно, большой тяги или большого изменения скорости на газовых двигателях не получить — удельный импульс сжатого азота не больше 80 секунд, к тому же он падает с уменьшением давления в баке. У сжатого водорода удельный импульс больше 270 секунд, но из-за низкой плотности тяга получается нерационально маленькой.
Сублимационные двигатели
На схеме в левом нижнем углу есть выступающие в качестве рабочего тела сублимирующиеся вещества. То есть в баке находится твердое тело, которое при нагреве сразу переходит в газ, минуя жидкое состояние. В быту вы могли встречать «сухой лед» — замороженный до твердого состояния углекислый газ. Из-за того, что двигатели на сжатом газе могут предложить большие и тягу и удельный импульс, они фактически вытеснили сублимационные двигатели. Но концепция не заброшена совсем — исследование NASA, выполненное в начале десятых, считает подобные двигатели перспективными при условии, что рабочее тело добывается на месте. Лед из углекислоты на Марсе, метан и угарный газ во внешней Солнечной системе, летучие вещества астероидов и комет — все это теоретически можно использовать как добываемое на месте топливо.
Концепт аппарата, отклоняющего комету от опасного курса и использующего в качестве рабочего тела местные ресурсы, иллюстрация NASA
Однокомпонентные двигатели
Это не пожар на борту, а штатный сброс перекиси водорода, использующейся в системе ориентации, посадка «Союза МС-02», фото NASA/Bill Ingals
Есть вещества, которые в определенных условиях разлагаются с выделением тепла, а продукты разложения хорошо подходят для того, чтобы направить их в сопло Лаваля и получить тягу. Конструкция все еще простая, остается только одна линия подачи топлива, нет проблем смешивания компонентов в камере сгорания, температуры не требуют сложного охлаждения, а вот удельный импульс уже повыше, чем у двигателей на холодном газе.
Схема однокомпонентного двигателя
Способность концентрированной перекиси водорода разлагаться на катализаторе из простого железа на воду и кислород с обильным выделением тепла сделала ее популярным видом однокомпонентного топлива еще на заре космонавтики — привод турбонасоса двигателей первой и второй ступеней ракет семейства «Р-7» с 1957 года и до сих пор работает на разложении перекиси. На ней работали двигатели ориентации первых версий корабля «Союз», и до сих пор она применяется для ориентации спускаемого аппарата. Концентрированная перекись не токсична, но вызывает ожоги при попадании на кожу и взрывоопасна при загрязнении магистралей. А еще ее не получится хранить годами и десятилетиями. Удельный импульс сравнительно небольшой, в районе 150 секунд. Из-за двух последних свойств перекись сейчас используется редко.
Гидразиновый двигатель тягой 1 Ньютон, производимый компанией Arianespace
Гидразин разлагается в присутствии подогретого до 200–300°С катализатора. Из-за необходимости предварительного прогрева у двигателя падает динамика, гидразин очень токсичен, но, благодаря самому высокому удельному импульсу 230–240 секунд и возможности длительного хранения, он остается популярным вариантом для однокомпонентного двигателя.
Закись азота тоже способна к разложению в присутствии катализатора, но при более высоких температурах, что усложняет конструкцию двигателя. Зато она хороша тем, что не токсична, не удушлива, не вызывает ожоги, не взрывоопасна, не вызывает коррозию и может очень долго храниться. В Стэнфордском университете были успешно испытаны двигатели на закиси азота тягой до 2 Ньютонов, работавшие без разрушения катализатора больше часа при температуре до 1225°С. Рабочая температура может быть и меньше, в статье университета Суррея (Великобритания) показано, что при температуре 520°C закись азота разлагается без катализаторов, что позволяет создать двигатели на самоподдерживающемся разложении. К сожалению, удельный импульс закиси азота невысок, до 170 секунд.
Каталитическая камера экспериментального двигателя на закиси азота, фото Стэнфордского университета
Токсичность гидразина приводит к исследованию более экзотических вариантов, например, динитрамида аммония (ADN) или нитрата гидроксиламмония (HAN). Обладая даже чуть большим, чем у гидразина, удельным импульсом, эти химические соединения гораздо менее токсичны, но требуют высоких температур в каталитической камере.
Гидразиновая классика
Космический аппарат должен работать долго, поэтому топливо для него должно иметь возможность храниться годами. И если нужны большая тяга и достаточно большой удельный импульс, то наиболее освоенным и привычным вариантом будет двухкомпонентный двигатель на несимметричном диметилгидразине (как вариант, монометилгидразине или смеси с гидразином, т.н. аэрозине) и тетраоксиде диазота.
Испытания двигателя ориентации тягой 200 Н в барокамере, фото Arianespace
Эта топливная пара имеет множество достоинств — топливо пребывает в жидком состоянии при комнатной температуре, хранится годами, самовоспламеняется при контакте, то есть не нуждается в системах зажигания, обладает неплохой динамикой и хорошим удельным импульсом в районе 320 секунд. Но, естественно, не обошлось без недостатков. Оба компонента очень токсичны, вызывают коррозию и требуют специальных материалов. И, раз компонентов теперь два, теперь у нас два бака, две системы подачи, то есть в два раза большая вероятность отказа, и появляется система смешивания компонентов в камере сгорания. Например, в 2010 году зонд «Акацуки» не смог выйти на орбиту Венеры из-за отказа клапана наддува. В результате в смеси возник избыток окислителя, температура камеры сгорания и сопла выросла, и они были непоправимо повреждены. Аппарат смог выйти на орбиту Венеры только спустя пять лет, выполнив очень долгий маневр торможения на однокомпонентных двигателях ориентации.
Схема двигательной системы зонда Акацуки, источник
Благодаря сочетанию высокой тяги и высокого удельного импульса двигатели на этой топливной паре практически безальтернативны для пилотируемых кораблей и грузовиков снабжения МКС. Они до недавнего времени были также привычной классикой для межпланетных миссий и геостационарных спутников, но сейчас в этих областях их теснят электрореактивные двигатели.
Альтернативы
Сложности работы с криогенными компонентами не остановили конструкторов. Уникальным примером двигателей на нетоксичных компонентах является объединенная двигательная установка корабля «Буран», в которой использовались жидкий кислород и керосин. Использование этой топливной пары давало большую энерговооруженность (удельный импульс в районе 358 секунд, выше, чем НДМГ+АТ), нетоксичные компоненты делали эксплуатацию корабля более безопасной и экологичной, а также позволяли использовать кислород для систем электропитания и жизнеобеспечения.
ОДУ «Бурана», отлично виден большой бак жидкого кислорода, источник
Специальные технические решения: глубокое охлаждение кислорода до -210°С перед заправкой, постоянное перемешивание в баке и газификация перед подачей в двигатели ориентации позволили создать двигательную установку, которая могла обеспечивать полет до 30 суток.
А в середине нулевых в NASA рассматривали топливную пару «метан-кислород» для лунного модуля и пилотируемого корабля. Метан гораздо легче хранить в жидком виде, чем водород, а удельный импульс выше, чем у НДМГ-АТ. Корабль, который стал «Орионом», в итоге получил гидразиновые двигатели. Но идея метановых двигателей никуда не исчезнет, потому что для двигателей, работающих на собранных на месте ресурсах, метан остается интересным вариантом.
Электробудущее
2020, по представлению экспертов, должен стать годом, когда половина новых коммерческих спутников будет использовать электрореактивные двигатели. Учитывая, что на массово запускаемых спутниках Starlink и OneWeb стоят именно они, сейчас эта оценка выглядит консервативной. Геостационарный спутник на НДМГ+АТ доберется до целевой орбиты максимум за неделю, но половину его начальной массы будет составлять топливо. А на электрических двигателях подъем орбиты займет до полугода, но спутник окажется легче на 40%. Большие солнечные панели, установленные для мощных ретрансляторов, прекрасно сочетаются с электрореактивными двигателями. Аналогичное электрическое наступление происходит и в стане научных аппаратов — отправившийся в 2007 году в полет зонд Dawn имел рекордный запас характеристической скорости, 11 км/с, недостижимый для химических двигателей. Все эти замечательные результаты возможны благодаря тому, что удельный импульс электрореактивных двигателей на порядок больше химических и для разных моделей находится в широком диапазоне нескольких тысяч секунд. Но, конечно, у всего есть цена — тяга электрореактивных двигателей измеряется в миллиньютонах, и ее можно представить на бытовом уровне как вес мелкой монетки.
Наиболее распространены два вида электрореактивных двигателей:
Ионные двигатели ионизируют газ электронной бомбардировкой и выбрасывают получившиеся ионы электрическим полем.
В работающей на эффекте Холла конструкции, также часто называемой плазменным двигателем, рабочее тело подается в кольцевую камеру, к которой приложена разность потенциалов. Нейтральный газ ионизируется и разгоняется электрическим полем, выбрасываясь из двигателя с огромной скоростью.
Ионные двигатели имеют больший удельный импульс, но пока что страдают из-за проблем с долговечностью: от большой разности потенциалов между ускоряющей и фокусирующей решётками и эрозии со временем решётки банально выламывает. Так что на сегодняшний день двигатели на эффекте Холла имеют ряд эксплуатационных преимуществ.
Также есть менее распространенные варианты. Например, электротермический, он же электронагревный двигатель, в котором топливо разгоняется за счет нагрева электрическим током. На спутниках Iridium первого поколения (всего построено 98 штук) были установлены семь однокомпонентных двигателей тягой 1 Ньютон и один более эффективный электронагревный двигатель тягой 0,369 Н. Все двигатели питались от одного бака с гидразином.
Электронагревный двигатель производства Aerojet Rocketdyne
Электрореактивные двигатели — перспективная тема, и там, где можно обойтись без большой тяги двигателей, их будет все больше. А когда, наконец, в космос полетят ядерные реакторы, их огромные энергетические возможности, в сочетании с удельным импульсом ЭРД, откроют новые перспективы.
Слишком негибкие
Твердотопливные двигатели постепенно теряют популярность для космических аппаратов. Простота конструкции и большая тяга не могут компенсировать однократное включение и далеко не рекордный удельный импульс — примерно 290 секунд. Но у них было славное прошлое: на первых «Пионерах» маленькими твердотельными двигателями собирались проводить коррекции траектории, они использовались как тормозные двигатели на пилотируемых «Меркуриях» и «Джемини», включались перед посадкой на Луну автоматических зондов Surveyor и долгое время использовались в качестве апогейных двигателей, переводя спутники с геопереходной орбиты на близкую к геостационарной.
Схема геостационарного спутника Syncom первого поколения, апогейный двигатель по центру слева
Экзотика
Нагревать рабочее тело можно не только электричеством. Очень много тепла выделяется при ядерной реакции, и еще в 50-х возникли идеи прямоточного ядерного двигателя. Водород должен был поступать в активную зону реактора и выбрасываться наружу. Удельный импульс ожидался в районе 900 секунд. Разработки велись по обе стороны океана, в США — NERVA, в СССР — РД-0410, но в итоге были свернуты.
Двигатель NERVA
Существовали и более экзотические конструкции: импульсный взрыволет, двигатели на солях ядерного топлива, газофазные ядерные двигатели и т.п., но пока что они не уходят дальше схем и рисунков.
Есть и более экологичные концепции нагрева, например, энергией Солнца или лазерами. На поверхности Луны реголит днем разогревается выше ста градусов, так что принцип концентрации солнечных лучей для нагрева рабочего тела реален, но без очень легких зеркал будет проигрывать по общей массе системы обычному химическому двигателю.
Концепция экспериментального спутника Solar Moth, источник
Для изменения скорости все вышеперечисленные варианты использовали выброс вещества в противоположном направлении. Но есть конструкции, которые обходятся без этого. Наиболее известными и успешными являются солнечные паруса. Космический аппарат IKAROS, запущенный к Венере вместе с зондом «Акацуки», 10 июня 2010 года развернул парус 14×14 метров. Форма паруса поддерживалась вращением аппарата, а ориентацией управляли при помощи светодиодов на краях, меняющих отражающую способность. Экспериментальный спутник успешно пролетел мимо Венеры и к 2013 году благодаря парусу изменил свою скорость примерно на 400 м/с.
Уменьшенный макет IKAROS
Полотнище солнечного паруса — непростая штука, его необходимо раскрыть, в идеале без складок и провисаний, обеспечить прочность и управляемость, чтобы случайный микрометеорит не стал катастрофой для миссии, а также долговечность. Есть потенциально более надежный и эффективный вариант — электрический парус. Вместо хрупкого полотнища раскрываются тонкие штыри или тросы, на спутнике ставится электронная пушка, выбрасывающая электроны, из-за чего сам спутник и тросы приобретают положительный заряд и отталкивают ионы солнечного ветра. К сожалению, экспериментальный эстонский кубсат ESTCube-1 не смог раскрыть парус в космосе, а финский Aalto-1 должен был раскрыть парус в прошлом году, но новостей о нем нет.
Принцип работы электрического паруса, иллюстрация Alexandre Szames
Тросы могут быть использованы для торможения в магнитном поле Земли либо, наоборот, использоваться как двигатель. Если мы размотаем проводящий трос с электронным эмиттером на конце, то в тросе возникнет ток, и спутник начнет тормозить без расхода топлива. А если обратить направление тока, то можно разгоняться. К сожалению, японский эксперимент HTV-KITE закончился неудачей — трос не размотался.
Принцип работы пассивного торможения проводящим тросом
Размотав трос и раскрутив получившуюся систему, можно преобразовать момент вращения в скорость, в нужный момент отцепив груз на конце. Таким образом успешно вернули (пусть и не смогли потом найти) капсулу «Фотино» с аппарата «Фотон-М3». В теории вращающиеся тросовые системы можно использовать для перемещения грузов между орбитами, но пока что такие системы работают только в фантастике (например, Нил Стивенсон, «Семиевие»).
Взаимное положение «Фотино» и «Фотона-М3» при размотке троса
Эпилог
Двадцать первый век для спутниковых двигателей обещает быть ничуть не менее интересным, чем двадцатый — изобилие разных концепций обещает новые увлекательные эксперименты и развитие космических двигателей во множестве различных направлений.
