Плазменный двигатель для спутника: размен времени на массу. Двигатели на спутниках

Ионный двигатель для спутников больше не фантастика

Создатель Алексей Тимошенко

Ионный движок, установленный на борту GOCE, считается главным движком галлактических аппаратов грядущего. В отличие от обыденного ракетного мотора он делает наименьшую тягу, но зато работает намного подольше и эффективнее употребляет припас горючего. Заместо языка пламени за аппаратом с ионными движками остается знакомый по умопомрачительным фильмам голубой светящийся след.

Ксеноновый тюнинг для спутника

Новый привод, разработанный инженерами ESA, употребляет заместо ракетного горючего и окислителя (без которого горючее просто не зажгется) инертный газ ксенон. На Земле его используют в ярчайших галогенных лампах для авто фар, а на борту галлактического аппарата его употребляют в качестве реактивной массы.

Как докладывают ученые, у ионного мотора даже нет горючего в серьезном смысле этого слова. Ксенон, бак с которым установлен на спутнике, не сгорает и даже не вступает в какие-то хим реакции. Заместо этого газ ионизируется (с атомов срываются наружные электроны), преобразуется в плазму и электронное поле выталкивает ионы ксенона из сопла мотора со скоростью около 40 км/с.

Ионный движок получает электричество от солнечных батарей, а выкидываемые им ионы делают реактивную тягу. Величина этой тяги в несколько миллиньютон (приблизительно такую тягу развивает бегущий таракан) может показаться малозначительной, но зато маленький расход ксенона позволяет движку работать несколько месяцев попорядку.

Измерить гравитацию Земли

Аппарат GOCE астрологи сконструировали не просто для тесты нового мотора. На его борту установлены чувствительные приборы, которые призваны измерить неоднородности силы тяжести. Ученые уповают при помощи GOCE составить подробную карту гравитационного поля Земли и найти из-за этого точную форму земного шара.

Информация о силе тяжести и форме планетки нужна, в свою очередь, многим спецам. С ее помощью климатологи сумеют проследить за конфигурацией уровня океана при глобальном потеплении, а океанологи уточнить картину подводных течений. В сообщении ESA сказано и о практических применениях приобретенной инфы геодезистами и картографами.

Не только лишь краса, да и аэродинамика

Эффектное сине-голубое пламя ионного мотора позволило развить тягу, в точности компенсирующую торможение спутника из-за трения об атмосферу. Конструкторы аппарата таким макаром решили делему полета на очень малой (по меркам спутников) высоте всего в 280 км. Интернациональная галлактическая станция и тем паче телескоп «Хаббл» работают на большей высоте. Но четкие измерения гравитационного поля лучше проводить как можно поближе к поверхности планетки.

Разгон до сотки за четыре денька

По данным инженеров ESA, система поддержания неизменной скорости работает даже лучше, чем ожидалось. Это не 1-ое испытание ионной тяги в космосе, но принципиальный шаг на пути к движкам грядущего. От первого макета до практического использования подобные движки преодолели длинный путь.

1-ые ионные ускорители (использующие не ксенон, а ртуть) испытали в 1970 году на южноамериканском аппарате SERT 2, построенном специально для проверки нового привода. Мысль оказалась работоспособной, но прямо до 1998 года такие движки ставились только как вспомогательные на ряде русских спутников.

В качестве основной двигательной установки ионный ускоритель выступил лишь на зонде Deep Space 1, построенном для тесты сходу 2-ух 10-ов многообещающих технологий. На нем инспектировали ряд систем от движков до системы автоматической компенсации повреждений. Deep Space 1 благополучно пропархал мимо астероида Брайль и кометы Борели, передав на Землю ценную научную информацию. Конструкцию движков ученые признали успешной.

После чего были построены два аппарата, которые уже не отрабатывали многообещающую технологию, а предназначались для других задач. Южноамериканский зонд Dawn на данный момент движется к астероиду Весте (конкретно его движок обеспечивает разгон до 100 км/час за четыре суток), а GOCE удачно приступил к работе поблизости верхней границы атмосферы Земли.

Перспективы

Кроме GOCE и Dawn ионный движок может показаться в дальнейшем и на борту интернациональной галлактической станции для корректировки ее орбиты, если, естественно, этим планам не помешает недочет финансирования. Движок VASIMR станет самым массивным из когда-либо построенных — его тяга составит уже 5 ньютонов.

С бытовой точки зрения это малость (вес полукилограммовой гири), но этого будет довольно для компенсации торможения о верхние слои атмосферы. Маленький расход применяемого движками инертного газа (аргона заместо ксенона) в состоянии сделать таковой движок прибыльным экономически: подвозить горючее на грузовых кораблях придется пореже.

Другие статьи:

nlo-mir.ru

Плазменный двигатель для спутника: размен времени на массу

Прежде всего надо понять: чего именно добиваются разработчики? Здесь все просто: главная цель этой технологии — повысить массу выводимого на геостационарную орбиту космического аппарата. Все используемые для вывода на ГСО ракеты постоянно модифицируются с целью повышения грузоподъемности. Но каждая из них имеет свой конструкционный предел, и спутники в последнее время все время норовят через этот предел перешагнуть.

Основная задача, которую решает разработчик спутника совместно с оператором — сделать космический аппарат (КА), который принесет максимальную выгоду. Для этого приходится решать многопараметрическую задачу, и самый главный ограничительный параметр — масса, которую может вывести на орбиту доступная ракета. Если оператор выводит спутник в популярную (в отрасли есть термин «разогретая») орбитальную позицию, то он заинтересован в максимальном увеличении количества транспондеров и их мощности: чем тяжелее аппарат, тем ниже получается удельная стоимость емкости. То есть, чем выше масса аппарата в разогретой точке, тем дешевле 1Мгц полосы. Если же точка не разогрета, рынок неизвестен, и оператор планирует спутник среднего весового класса, то и в этом случае ракета с высокой грузоподъемностью может оказаться выгоднее, так как она способна вывести два КА одним пуском.

Ко всему прочему, в результате отказа от иностранной (в первую очередь — американской) комплектации заставила российские аппараты потяжелеть. Снижение функционала спутника приведет к ухудшению бизнеса оператора. Можно ли как-то извернуться и вывести на орбиту больше, чем в принципе может это сделать российский «Протон»? Ответ, к счастью, положительный: можно, если использовать электрореактивные двигатели и сильно увеличить время вывода.

Электрореактивный двигатель (ЭРД)

В 1916-17 годах Роберт Годдард подтвердил своими опытами реальность создания ЭРД, а в начале 30-х будущий академик и конструктор советских ракетных движков Валентин Глушко создал первую экспериментальную модель. Дальнейшие разработки пошли уже в шестидесятые, когда понадобилось корректировать положение космических аппаратов на орбите.

Специфика ЭРД такова: очень малая тяга, но очень высокий удельный импульс (время, в течение которого двигатель может развивать тягу в 1 килограмм-силу, используя массу топлива в 1 кг).

То есть высокое, по сравнению с химическими ракетными двигателями, время работы при малой массе самого двигателя. Эти особенности и определили нишу применения: коррекция аппаратов на орбите, перевод спутников с одной орбиты на другую. ЭРД бесполезны там, где нужно высокой тягой бороться с атмосферой и вытаскивать груз из «гравитационного колодца» Земли. Но они незаменимы там, где можно малыми усилиями изменить положение КА.

Наибольшее распространение из всех ЭРД получили стационарный плазменный двигатель (СПД), в которых тягу создает поток разогнанной электромагнитным полем плазмы (ионизированного газа). В качестве рабочего тела в СПД как правило используется какой-либо инертный газ, чаще всего ксенон.

Первые СПД испытаны в 1964 году на спутниках «Метеор», с 1972 года они штатно используются для коррекции орбит космических аппаратов. Основной разработчик СПД — ОКБ «Факел» из Калининграда, чьи двигатели широко используются на российских и иностранных коммуникационных геостационарных спутниках

Основной двигатель ОКБ «Факел», предназначенный для корректировки КА на орбите — СПД-100. С 1995 года НПО прикладной механики им. М.Ф. Решетнева (сейчас называется ОАО «Информационные спутниковые системы» им. М.Ф. Решетнева) начало устанавливать его на свои российские аппараты — «Галс», «Экспресс», «Экспресс-А», «Экспресс АМ», Sesat и др. С 2003 года СПД-100 стали ставить и на иностранные спутники: Inmarsat, Intelsat-X, IPSTAR-II, Telstar-8 .

Долгий вывод как альтернатива иностранным комплектующим

С появлением СПД-100 (тяга около 9 граммов, удельный импульс 1600-1700 секунд, ресурс 7-9 тыс. часов) сразу же возникла идея использовать сборку из нескольких движков для вывода на ГСО. В конце 90-х в ГКНПЦ им. М.В. Хруничева родился проект универсальной космической платформы «Яхта». На опорную орбиту «Яхту» должна была выводить ракета легкого класса, а далее спутник при помощи СПД добирался до ГСО в течение нескольких месяцев. Основным преимуществом проекта было использование конверсионной ракеты «Рокот», что должно было серьезно снизить цену запуска. Проект реализован не был, но идея осталась и была использована в других проектах.

1 ноября 2017 года на конференции SatComRus Николай Тестоедов, генеральный директор ОАО ИСС им. М.Ф. Решетнева — основного разработчика космических аппаратов для ФГУП «Космическая Связь» — отметил, что требования ФГУП «Космическая связь» (ГП КС) как заказчика являются основным драйвером прогресса в разработке отечественных спутников. Выполнение требований по импортозамещению при сохранении функционала аппаратов ведет к увеличению массы, для компенсации которой приходится применять альтернативные схемы вывода на орбиту.

Согласно данным, приведенным Николаем Тестоедовым, около пяти лет назад на аппаратах Министерства обороны применялось до 25% импортных элементов, на КА двойного назначения «Глонасс» — до 50%, на коммерческих — до 75%. Из всех импортных комплектующих 87% поставлялись из США. Поэтому импортозамещение для ОАО ИСС является постоянной и давней проблемой, несколько обострившейся в 2014 году. Программа предусматривает не только замену импортной комплектации на отечественную, но и замену американских комплектующих европейскими.

Николай Тестоедов акцентировал на том, что сейчас выполнение всех программ, которые ОАО ИСС выполняет для ГП КС и других заказчиков, не нарушено. Не изменен и функционал аппаратов — сохранены все заявленные ранее характеристики. Ситуация с иностранными (прежде всего — американскими) комплектующими после 2014 года привела к двум отрицательным факторам. Первый: сдвинулись сроки выполнения заказов, некоторых — до двух лет. Второй — в некоторых космических аппаратах вес полезной нагрузки вырос до 40%.

Возросшая масса аппаратов компенсируется применением альтернативных схем выведения: аппараты выводятся на геостационарную орбиту (ГСО) при помощи электрореактивных двигателей. В частности, «Экспресс-АМ5» и «Экспресс-АМ6»: каждый спутник выводился на ГСО в течение 72 дней при помощи электрореактивных двигателей, что позволило компенсировать превышение массы каждого аппарата на 108 кг. Можно рассчитывать и на еще большие массы аппаратов, если запланировать еще более долгий вывод на ГСО. Однако, в этом процессе надо знать меру: чрезмерно долгие сроки вывода не устраивают заказчиков, которые теряют доход из-за задержки с началом предоставления услуги.

All-electric

Итак, в России СПД используются для того, чтобы компенсировать повышенную массу космического аппарата. А для чего их используют иностранные разработчики? В общем и целом для того же самого. Проблемы импортозамещения перед ними не стоит (хотя европейцы тоже стараются ориентироваться на европейскую комплектацию), но и они и их заказчики-операторы тоже заинтересованы в том, чтобы вывести на ГСО спутник большей массы.

Спутники разработки Airbus, Boeing, Lockheed Martin, Space Systems/Loral и Thales Alenia Space выводятся ракетой на геопереходную орбиту (ГПО): сильно вытянутая орбита с перигеем 200 км и апогеем 36 тыс. км. А с геопереходной не геостационарную орбиту спутник довыводится апогейным двигателем. И если масса спутника при отделении от ракеты на ГПО составляет около 6 тонн, то из них около 2 тонн приходится на топливо для жидкостного апогейного двигателя.

Сейчас все более популярным решением становится использование в качестве апогейного двигателя сборки из СПД, что позволяет выделить большую массу на полезную нагрузку, но увеличивает время вывода. Использование СПД (в том числе и российских СПД-100 и СПД-140) на иностранных спутниках в роли апогейного двигателя позволило разработчикам ввести термин all-electric — спутник, у которого все двигатели электрореактивные.

11 октября на геостационарную орбиту был выведен спутник Eutelsat 172B, запущенный 1 июня ракетой Ariane 5 с космодрома Куру. На этом спутнике установлена недавняя разработка ОКБ «Факел» — SPT-140, его тяга в три раза выше тяги СПД-100 при том же удельном импульсе и ресурсе. С момента запуска до достижения геостационарной орбиты прошло всего четыре месяца, и этот срок объявлен как рекордный. Топлива при выводе было использовано в 6 раз меньше, чем для спутников с химическими двигателями.

Комментарий разработчика

Применение технологии долгого вывода при помощи СПД имеет массу своих тонкостей. К тому же, изначально схема вывода российских аппаратов отличается от схемы вывода иностранных. Российские спутники не оборудованы апогейным двигателем, и выводятся на ГСО непосредственно разгонным блоком. С «Экспресс-АМ5» и «Экспресс-АМ6» пришлось импровизировать, хотя, разумеется, импровизация была тщательно просчитана.

Николай Алексеевич Тестоедов пояснил «Теле-Спутнику», ОАО ИСС давно использует стационарно-плазменные двигатели СПД разработки ОКБ «Факел» для коррекции положения спутника по наклонению. СПД-100 изначально не предназначены для довыведения, но такая необходимость возникла, и двигатели успешно вывели «Экспресс-АМ5» и «Экспресс-АМ6» на ГСО.

Сначала ракета выводит спутник на опорную орбиту (около 200 км), здесь нет никаких отличий в схемах вывода российских и иностранных аппаратов. С опорной орбиты иностранный спутник выводится разгонным блоком (то есть самой последней — третьей или четвертой — ступенью) на геопереходную, а затем апогейный двигатель переводит его на геостационарную, что занимает примерно сутки. В российской схеме вывода на ГСО использование апогейного двигателя не предусмотрено: разгонный блок, установленный на ракете (неважно — «Союз» или «Протон») сразу выводит спутник на ГСО. Это называется прямое выведение. Так выводились все «Экспрессы» до АМ5 и АМ6 — мощности «Протона» для прямого выведения этих аппаратов не хватало. И тогда, как рассказывает Николай Тестоедов, и пришлось пойти на некую импровизацию (хотя теоретически эта схема прорабатывалась ранее): «дотащить» спутник на ГСО теми СПД, которые изначально предназначены для ежесуточной коррекции положения аппарата. Схема была успешно реализована, оба спутника безо всяких замечаний работают в составе группировки оператора.

Иностранные разработчики в свою очередь реализовали идею перехода с ГПО на ГСО при помощи ЭРД. Занимает это уже не сутки, а несколько месяцев. И вся разница, утверждает Николай Тестоедов в том, что «Экспрессы» довыводились из того положения, куда смог их вывести «Протон», а Eutelsat 172B — с геопереходной орбиты.

Любой спутник, и особенно любая новая технология так или иначе отражается на бизнесе, и в первую очередь на страховке. Николай Тестоедов рассказал, что довывведение на электрореактивных двигателях сейчас квалифицировано во всем мире, и поэтому на страховке не отражается. Доказательством оценки качества технологий, применяемых ОАО ИСС, в том числе и технологии довыведения, является то, что сегодня все КА производства этого предприятия застрахованы без ограничений. Тестоедов упомянул даже, что последнее собрание андеррайтеров в Лондоне прошло скучно: все работает, замечаний нет, говорить, в общем-то, не о чем. Ситуация по сравнению с прошлым годом, когда страхование «Экспрессов» было под угрозой, изменилась кардинально.

При этом, замечает эксперт, ничего не дается даром. И оба варианта — что российский полного довыведения, что иностранный довыведения с ГПО — это размен лучшей конфигурации полезной нагрузки (и, соответственно, ее больший вес) на большее время довыведения. Оператор имеет более эффективную полезную нагрузку, но не может осуществлять бизнес в те несколько месяцев, пока СПД выводят спутник на ГСО. Сейчас в ОАО ИСС проектируется специальная система довыведения на базе более мощных СПД-140, что позволит сократить время вывода на ГСО.

____________________

Подпишитесь на канал «Теле-Спутника» в Telegram: перейдите по инвайт-ссылке или в поисковой строке мессенджера введите @telesputnik, затем выберите канал «Теле-Спутник» и нажмите кнопку +Join внизу экрана.

www.telesputnik.ru

Как опереться на пустоту? / Хабрахабр

«Дайте мне точку опоры, и я переверну Землю» — так, по легенде, сказал Архимед, научно объяснив интуитивно понимаемый принцип работы рычага. Но в космическом вакууме опоры нет. А спутникам нужно, чтобы солнечные батареи смотрели на Солнце, антенны — на Землю, камера — на интересный участок Марса, а двигатель для коррекции орбиты — строго в определенную точку пространства. Приходится что-то придумывать, чтобы опереться на пустоту.

Двигатели ориентации

Самый очевидный вариант — поставить специальные небольшие двигатели, которые будут управлять ориентацией аппарата:

Двигатели ориентации лунного модуля

Двигатели можно сделать мощными, чтобы поворачивать тяжелые аппараты или крутиться быстрее, или очень слабыми, чтобы поворачиваться очень точно. Они сравнительно мало весят и не требуют электроэнергии, когда не работают. Все бы хорошо, но для того, чтобы поворачиваться, нужно тратить топливо, а его всегда ограниченное количество. Да и у самих двигателей есть ограничения по количеству запусков и общему времени работы. Двигатели ориентации можно также использовать для орбитальных маневров, особенно если планируется стыковка. Маршевый двигатель может толкать аппарат только в одну сторону, а с помощью двигателей ориентации можно смещаться по всем осям.

Достоинства:

Простота.
Обеспечивают ориентацию по всем трем осям.
Сравнительно небольшая масса.
Гибкость: можно сделать мощные или очень точные двигатели.
Могут использоваться для маневрирования на орбите.
Могут долго находиться в выключенном состоянии.

Недостатки:

Расход топлива.
Ограничение по количеству запусков и общему времени работы.
Загрязнение окрестностей аппарата сгоревшим топливом (может быть актуально для телескопов).

Двигатели ориентации используются обычно там, где требуется активное, сравнительно редкое или короткое по времени изменение ориентации аппарата. Поэтому они стоят на всех пилотируемых аппаратах, и обычно предпочтительны для межпланетных станций, которые месяцами и годами летят в спящем режиме, сохраняя построенную ориентацию.

Двигатели причаливания и ориентации корабля «Союз» на МАКС-2005. Красное — защитные крышки, которые снимаются перед полетом

Работа ДПО корабля «Союз» во время стыковки с МКС в ускоренном воспроизведении

Стабилизация вращением

Всем нам с детства известна способность волчка сохранять вертикальное положение. Если раскрутить космический аппарат, он будет вести себя совершенно также, сохраняя стабилизацию по оси вращения.

Если нас устраивает стабилизация по одной оси, мы не собираемся поворачивать аппарат в разные стороны и делать фотографии с длинной выдержкой, этот способ может оказаться очень экономным.

Достоинства:

Простота.
Экономичность — раскручиваемся один раз и крутимся хоть столетиями.

Недостатки:

Стабилизация только по одной оси.
Нельзя поворачивать аппарат.
Вращение может мешать работе оборудования.

Исторически, стабилизацию вращением очень полюбили американцы. Все зонды программы «Пионер» стабилизировались вращением. На первых аппаратах это делалось из-за низкой грузоподъемности ракет — стабилизировать шестикилограммовый «Пионер-4» другими способами на технологиях 1959 года было невозможно. Стабилизация вращением «Пионеров» -10 и -11 выглядит отличным решением — если движение Земли по орбите укладывается в диаграмму направленности антенны, зонд постоянно «на связи», не тратя на это ни грамма топлива и не боясь отказа системы ориентации. Два зонда «Пионер-Венера» стабилизировали вращением, наверное, уже по привычке — на одном из них антенна механически вращалась, чтобы нацеливаться на Землю, что выглядит уже не очень рационально. Кроме межпланетных станций, американцы широко использовали закрутку разгонных блоков. В этом случае твердотопливные разгонные блоки не нуждались в отдельной системе ориентации.

Запуск спутника с разгонным блоком PAM-D с борта Спейс Шаттла

После разгона можно было достаточно просто затормозить вращение, используя закон сохранения момента импульса (пример в невесомости, пример на котиках) — небольшие грузы разматывались на тросиках и замедляли вращение аппарата.

Маховик (Reaction wheel)

Так же как кошка, которая в падении закручивает хвост в противоположную перевороту туловища сторону, космический аппарат может управлять ориентацией с помощью маховика. Например, если мы хотим повернуть аппарат по часовой стрелке:

Начальное состояние: аппарат неподвижен, маховик неподвижен.
Раскручиваем маховик против часовой стрелки, аппарат начинает поворачиваться по часовой стрелке.
Когда повернулись на нужный угол: останавливаем вращение маховика, аппарат останавливается.

Если маховик уже вращается, то, меняя его скорость, мы можем создавать силу, которая поворачивает аппарат. Вот на этом видео можно по высоте тона вращения маховика определить, что понижение скорости вращения (более низкий звук) создает силу, поворачивающую платформу по часовой стрелке, повышение скорости (более высокий звук) — против:

Использование маховиков позволяет поворачиваться с высокой точностью и не тратить драгоценное топливо. Но, как и любая другая техническая система, маховики имеют свои недостатки. Прежде всего, один маховик может поворачивать аппарат только по одной оси. Чтобы полностью управлять ориентацией аппарата нужно три маховика. А учитывая необходимость резервирования, шесть или больше. Также, скорость поворота прямо пропорциональна массе маховика и скорости его вращения и обратно пропорциональна массе аппарата. Говоря простым языком, чем больше масса аппарата, тем тяжелее должны быть маховики. Также, любой маховик имеет предельную скорость вращения и может разорваться, если его раскрутить сильнее. А если возмущающая сила действует на аппарат в одном направлении, то маховик со временем дойдет до предельной скорости, и нужно будет его разгружать какой-нибудь другой системой. Ну и, наконец, как и любая механика, маховик со временем изнашивается и может выйти из строя.

Достоинства:

Не требует расхода топлива.
Позволяет очень точно нацеливать аппарат.

Недостатки:

Малопригодны для активного маневрирования, вращение сравнительно медленное.
Требуется еще одна система ориентации для разгрузки маховиков.
Со временем изнашиваются и выходят из строя.
На каждую ось нужен минимум один маховик.

Маховики очень выгодны, если нам часто приходится перенацеливать аппарат, не меняя его орбиты. Поэтому маховики стоят на орбитальных телескопах. Например, на «Хаббле» стоят четыре маховика, обеспечивая резервированное управление по двум осям. У «Хаббла» нет задачи вращаться вокруг своей оси, поэтому маховики используются для поворота телескопа «вверх/вниз» и «вправо/влево».

Один из маховиков телескопа «Хаббл»

Гиродин (Control moment gyroscope)

Свойство волчка сохранять вертикальное положение можно использовать еще одним способом — на него можно опереться:

Если поместить такой волчок в подвесную систему, то можно, «опираясь» на него, поворачиваться в нужную сторону. Такие конструкции называются силовыми гироскопами или гиродинами. Главное отличие гиродина от маховика — в том, что маховик жестко установлен на одной оси и управляет ориентацией, изменяя скорость своего вращения. Гиродин же установлен в подвесе, который может вращаться в одной или нескольких плоскостях, и может не менять скорость своего вращения. В этом видео наглядно видно движение подвеса, при том, что высота тона вращения гиродина не меняется.

С точки зрения функциональности, гиродин — это «продвинутый» маховик. Гиродины эффективнее обычных маховиков, но и сложнее. Они могут управлять ориентацией гораздо более тяжелых аппаратов, но разделяют достоинства и недостатки маховиков. В этом видео показано, что гиродины, как и маховики, нуждаются в разгрузке — когда ось подвеса не может больше поворачиваться, велосипед начинает падать:

Достоинства:

Такие же, как у маховика.
Эффективнее, чем маховик — гиродин той же массы может управлять ориентацией гораздо более тяжелого аппарата.

Недостатки:

Такие же, как у маховика.
Сложнее маховика.

Гиродины, благодаря своей эффективности, используются на орбитальных станциях. Например, на МКС стоят четыре гиродина по 300 кг каждый.

Замена гиродина на МКС

Электромагнитная система ориентации

Магнитное поле Земли способно поворачивать стрелку компаса, значит, эту силу можно использовать для того, чтобы управлять ориентацией космического аппарата. Если поставить на спутник постоянные магниты, то действующая сила будет неуправляемой. А если поставить катушки-соленоиды, то, подавая на них ток, можно создавать нужный управляющий момент:

Три соленоида, установленных в перпендикулярных плоскостях, позволяют управлять ориентацией спутника по всем трем осям. Точнее, они обеспечивают хорошее управление по двум осям, стремясь установить аппарат как стрелку компаса. Управление по третьей оси обеспечивается изменением направления магнитного поля Земли при полете аппарата по орбите.

Электромагнитная ориентация не может быть точной из-за случайных колебаний магнитного поля Земли, и ее эффективность падает с высотой. Да и в целом, силы, создаваемые соленоидами, невелики. Также их использование ограничено небесными телами с достаточно сильным магнитным полем, например, на орбите Марса, они практически бесполезны. Зато соленоиды не содержат движущихся частей, не тратят топливо и энергетически эффективны.

Достоинства:

Простота.
Не требуют топлива.
Небольшая масса.
Не содержат движущихся частей и практически не изнашиваются.

Недостатки:

Небольшие управляющие силы.
Невысокая точность.
Требуется магнитное поле у небесного тела, вокруг которого обращается аппарат.
Эффективность зависит от высоты.

Электромагнитная ориентация используется как основная на кубсатах и прочих небольших аппаратах. Также ее часто используют для разгрузки маховиков или гиродинов. Например, телескоп «Хаббл» использует в качестве основной системы ориентации маховики, а разгружает их электромагнитной системой.

Пример соленоида для космических аппаратов. Сайт производителя утверждает, что уже больше 80 соленоидов стоят на различных спутниках

Гравитационная стабилизация

Притяжение двух тел обратно пропорционально квадрату расстояния между ними. Поэтому, если наш спутник выдвинет длинный шест с грузом, то получившаяся «гантель» будет стремиться занять вертикальное положение, когда ее нижняя часть будет притягиваться к Земле чуть сильнее, чем верхняя. Вот компьютерное моделирование 1963 года (!), показывающее этот эффект:

В первой части видео спутник занимает устойчивое положение по оси к Земле. В реальности случайные возмущения будут нарушать идеальное равновесие, и спутник будет колебаться вокруг оси, поэтому обычно такие системы дополняют демпфером. Небольшая емкость с жидкостью будет превращать энергию колебаний в тепловую и «успокаивать» спутник.

Достоинства:

Очень простая система.
Ориентация строится пассивно, без системы управления.

Недостатки:

Ориентация строится медленно из-за слабости сил, действующих на тело.
Низкая точность.
Только один тип ориентации — осью к центру Земли.
Эффект падает с высотой.
Спутник может перевернуться «вверх тормашками» относительно нужной ориентации.

Гравитационная система ориентации используется в основном на небольших аппаратах, не требующих точной стабилизации. Она хорошо подходит для некоторых типов кубсатов, также, ей, например, был оснащен спутник «Юбилейный»:

Аэродинамическая стабилизация

Следы земной атмосферы заметны и выше ста километров, а большая скорость спутников означает, что они будут сильнее тормозиться. Обычно эта сила очень мешает, потому что спутники достаточно быстро тормозятся, спускаются еще ниже и сгорают в плотных слоях атмосферы. Но, тем не менее, это сила, которая действует всегда против вектора орбитальной скорости, и ее можно использовать. Первые эксперименты были проведены еще в 60-х. Вот, например, отечественный аппарат «Космос-149», запущенный в 1967 году:

Низкая орбита, где аэродинамические силы максимальны, негостеприимное место. Но иногда там необходимо находиться для большей точности измерений. Очень красивое решение было использовано в спутнике GOCE, который изучал гравитационное поле Земли. Низкая орбита (~260 км) сделала эффективной систему аэродинамической стабилизации, а, чтобы спутник не сгорел слишком быстро, он постоянно ускорялся небольшим ионным двигателем. Получившийся аппарат мало похож на привычные спутники, кто-то даже назвал его «спутниковым Феррари»:

Благодаря ионному двигателю GOCE смог проработать с 2009 по 2013 годы, составив самую подробную гравитационную карту Земли.

Достоинства:

Аэродинамическая сила бесплатна и не требует специальной системы управления.

Недостатки:

Надо что-то делать, чтобы спутник не сгорел быстро в плотных слоях атмосферы.
Сила зависит от высоты.
Возможна ориентация только по одной оси.

Солнечный парус

Для построения ориентации можно еще использовать давление солнечного света. Солнечный парус обычно рассматривается как способ движения, но на спутник сложной формы с антеннами и солнечными батареями Солнце тоже будет действовать. Это может рассматриваться как помеха для других систем ориентации, либо, если разработчики рассчитали моменты сил заранее, это можно использовать для помощи построения ориентации спутника. Уже в 1973 году зонд Маринер-10, отправившийся к Венере и Меркурию, использовал солнечное давление для построения ориентации аппарата. Вдохновляет находчивость Лаборатории атмосферной и космической физики — когда на телескопе «Кеплер» отказали два из четырех маховиков, лаборатория разработала способ построения ориентации при помощи двух оставшихся маховиков и солнечного давления, чтобы телескоп последовательно рассматривал четыре участка пространства в год:

Очень интересным был отечественный проект Регата-Плазма, разрабатывавшийся в 90-х годах. С помощью солнечного паруса-стабилизатора и поворачивающихся рулей аппарат занимал положение в направлении Солнца и при необходимости мог быть закручен:

Даже сейчас подобная система была бы уникальной и очень интересной, жаль, что проект был закрыт.

Достоинства:

Совершенно бесплатное солнечное давление.

Недостатки:

Нельзя построить произвольную ориентацию по трем осям.
Не работает в тени, что важно, например, для низкой земной орбиты.

Заключение

Для сил, которые зависят от высоты полета, есть примерный график:

Еще одно видео с котиками и реальными гиродинами NASA. Более сложное видео по той же теме — «Проектирование системы ориентации и стабилизации» от сообщества «Твой сектор космоса».

По тегу «Незаметные сложности» публикации о двигателях, топливе, баках, стартовых сооружениях и тому подобных интересных, но не очень заметных из-за своей привычности вещах.

habr.com

Капиллярный ионный двигатель для спутников класса CubSat

Новый ионный двигатель обладает миниатюрными размерами и в качестве топлива использует жидкий электролит. Он будет применяться для сверхкомпактных спутников в позаземном пространстве космоса.

Устройство и принцип работы ионного двигателя

Свое название данный тип псевдореактивных движителей получил за то, что в качестве реактивной толкающей струи в нем используется поток заряженных частиц – ионов. Тяга такого двигателя крайне мала, однако он может стабильно работать в течение десятилетий на одной заправке. Основная область применения таких устройств – ходовые системы искусственных космических объектов.

Конструктивно ионный двигатель состоит из камеры с газообразным или твердым веществом, обладающим большим количеством свободных ионов. Как правило, это небольшой кусочек радиоактивного материала. Камера экранирована и имеет только один узкий выход для ионов, возле которого установлены электромагнитные ускорители. Они придают потоку ионов конусообразную форму, что и приводит к формированию псевдореактивной струи.

Отличительные черты системы MicroThrust

Разработанная европейскими учеными система MicroThrust отличается крайне компактными размерами и наличием стандартизированных модулей. Она предназначена для массового использования в спутниках класса CubSat – мини-устройствах в виде куба со сторонами 10×10×10 см. Вес двигателя составляет 200 гр., причем 100 гр. приходиться на жидкое топливо.

В его роли выступает электролитический состав EMI-BF4, который помещен в особую емкость. Выходное отверстие этой камеры представляет собой комплекс микрочипов с капиллярной системой. На 1 кв. см. поверхности содержится примерно 5-7 тыс. отверстий, оснащенных кремниевыми соплами – за счет капиллярного эффекта мельчайшие капли электролита постоянно и упорядоченно просачиваются через них вместе с ионами.

Они попадают в двойную систему электродов – первая формирует конусообразную струю, вторая ее ускоряет. Расчетная мощность двигателя составляет 100 микроН, что позволяет системе перемещаться в безвоздушном пространстве со скоростью порядка 11 км/с. А 100-грамового запаса топлива хватит для того, чтобы мини-спутник преодолел расстояние от Земли до Луны. В настоящее время создан прототип двигателя MicroThrust, который проходит испытания, а первый рабочий образец отправиться в космос в течение 3-4 лет.

zaryad.com

Как спутник Сатурна поможет улучшить двигатели на Земле?

Большинство современных двигателей работает на углеводородном топливе. При его сгорании образуется довольно большое количество энергии, которой достаточно для эффективного использования самых разных транспортных средств. Однако, как сообщает редакция журнала Nature Astronomy, углеводородное топливо можно использовать не совсем так, как мы «привыкли». И натолкнули ученых на эти мысли процессы, происходящие на одном из спутников Сатурна.

Дело в том, что согласно данным, полученным от одного зондов ESA (Европейского космического агентства) под названием «Гюйгенс», в атмосфере Титана присутствует большое количество полициклических углеводородов (ПАУ), образующихся из имеющегося там бензола, и способных сгорать при температуре в минус 183 градуса по Цельсию. Именно это, по словам ученых, и является причиной формирования оранжево-коричневатых слоев дымки Титана. Как заявили авторы работы,

«Согласно нашим расчетам и лабораторным экспериментам, для проведения реакции таких углеводородов, как антрацен и фенантрен (относящихся к ПАУ) вовсе не обязательно проводить высокотемпературные реакции. ПАУ могут быть синтезированы даже в низкотемпературных средах, как это, например, происходит на Титане».

Согласно имеющимся данным, реакции формирования ПАУ из бензола на Титане крайне быстры и основаны на на взаимодействии Ван-Дер-Ваальсовых комплексов, в результате чего получаются более сложные молекулы. Раскрытие механизмов начальных реакций превращения бензола при низкой температуре и давлении может быть ключом к использованию углеводородного топлива не только путем сгорания, но и другими способами. Кроме того, поняв эти механизмы здесь, мы сможем не только более эффективно расходовать топливо, но и разобраться в фундаментальных процессах, происходящих на Титане.

Эту и другие новости вы можете обсудить в нашем чате в Телеграм.

hi-news.ru

Плазменный двигатель для спутника: размен времени на массу

В последние несколько лет термин «all-electric satellite» все чаще встречается в пресс-релизах и разработчиков космических аппаратов и операторов. Регулярно этот термин соседствует с такими словосочетаниями как «впервые в мире» или, скажем, «в рекордное время». Хотелось бы разобраться: что все-таки этот термин значит (и как он звучит по-русски), какие плюсы и минусы есть у этой технологии?

ЭЛЕКТРОРЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ (ЭРД)

ДОЛГИЙ ВЫВОД КАК АЛЬТЕРНАТИВА ИНОСТРАННЫМ КОМПЛЕКТУЮЩИМ

ALL-ELECTRIC

КОММЕНТАРИЙ РАЗРАБОТЧИКА

Источник

adview.ru

Плазменный двигатель для спутника: размен времени на массу

Электрореактивный двигатель (ЭРД)

Долгий вывод как альтернатива иностранным комплектующим

All-electric

Комментарий разработчика

____________________