Всевидящее око: новые двигатели помогут создать гигантские антенны в космосе

Инженеры из России разработали газовый двигатель для наноспутников, который улучшит маневренность космических аппаратов и даст возможность объединять их в многоспутниковые системы. Эти технологии могут быть использованы для создания распределенных антенн и космических обсерваторий. Кроме того, они обеспечат получение стереоизображений Солнца в реальном времени, что повысит точность прогнозов космической погоды и магнитных бурь на Земле. Однако специалисты отметили, что это пока технологии будущего, так как современные наноспутники имеют ограниченные функциональные возможности. Об этом сообщает Известия.

Ученые Московского авиационного института (МАИ) и Самарского национального исследовательского университета имени академика С.П. Королева создали газовый двигатель для наноспутников. Одним из его преимуществ является гибкая компоновка: бак с газом можно разместить в любой свободной области аппарата и соединить 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, например, многосоставные обсерватории для наблюдения за солнечными вспышками и черными дырами, а также для поиска признаков жизни на экзопланетах.

Активные «созвездия» наноспутников могут применяться для высокоточного дистанционного зондирования Земли: отслеживания циклонов, лесных пожаров, извержений вулканов и дрейфа льдов, а также наблюдения за перемещением транспортных средств и грузов.

Современные космические технологии все чаще основываются на небольших устройствах. Реактивные двигатели увеличивают функционал малых спутников, повышая их маневренность и продлевая срок службы на орбите, компенсируя торможение в верхних слоях атмосферы. Однако жесткие ограничения по массе, объему и мощности усложняют размещение таких 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 в сильном магнитном поле. Установка предназначена для наноспутников массой до десяти килограммов.

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.

Согласно расчетам, в космосе частота импульсов подачи газа в новой установке составит один-два герца. Двигатель сможет выдержать более миллиона циклов открытия и закрытия клапана без деградации основных механизмов, что позволит орбитальным аппаратам совершать до трехсот часов активных маневров.

Эти характеристики позволят решать широкий спектр практических задач в околоземном пространстве. В частности, 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. Множество простых устройств, объединенных в сеть, способны гибче и дешевле решать задачи, которые раньше 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 этом направлении в институте разработали новый испытательный комплекс — «тренажер» бортовых компьютеров наноспутников. Оборудование позволяет сократить время тестирования аппаратов с восьми недель до сорока часов.

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

Группировки, состоящие из наноспутников, лучше защищены от вывода системы из строя, так как можно реализовать дублирование задач между аппаратами. Выбывание или уничтожение части из них не нарушит функционирование системы, хотя качество картинки может снизиться, но останется на приемлемом уровне.

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

Подобные решения могут быть полезны и 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. 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, резюмировал эксперт.