Инженеры NASA создают сверхэффективный ионный двигатель для малых космических аппаратов

Ещё на заре космической эры ведущие учёные США и Советского Союза начали активно исследовать концепцию ионного двигателя. Её основы были заложены такими пионерами ракетной техники, как Константин Циолковский и Герман Оберт. С тех пор технология ионной двигательной установки неоднократно подтверждала свою эффективность в ходе различных космических миссий.

Среди наиболее известных примеров — аппарат NASA Deep Space-1, лунный орбитальный зонд ESA Smart-1, японские спутники Hayabusa и Hayabusa 2, а также космический аппарат Dawn, совершивший исследования карликовой планеты Церера и астероида Веста. Опыт этих проектов продемонстрировал преимущества ионных двигателей перед традиционными — их высокую топливную эффективность и возможность осуществления длительных межпланетных перелётов.

Стремясь к дальнейшему развитию этой технологии, учёные Исследовательского центра Гленна (Glenn Research Center, GRC) NASA занялись разработкой ионного двигателя следующего поколения, сочетающего в себе более высокую экономичность использования топлива и мощную тягу. Результатом их усилий стало создание двигателя на эффекте Холла NASA-H71M мощностью в несколько киловатт. Этот двигатель ляжет в основу компактной и эффективной двигательной системы SSEP, которая позволит осуществлять новые виды планетарных научных миссий.

Кроме того, двигатель NASA-H71M будет активно использоваться совместно с коммерческими партнёрами, такими как SpaceLogistics, для продления срока службы космических аппаратов, уже находящихся на орбите. Это стало возможным благодаря высокой топливной экономичности и долговечности ионных двигателей по сравнению с традиционными химическими.

Бурное развитие малых космических аппаратов и спутников наряду с коммерциализацией космической деятельности в значительной степени обусловлено распространением маломощных двигателей на эффекте Холла. Эти компактные и экономичные двигательные системы сегодня являются весьма распространёнными. Их высокая топливная эффективность позволяет осуществлять орбитальные манёвры, коррекцию траектории и уклонение от столкновений в течение многих лет.

Вместе с тем, миссии небольших космических аппаратов начинают испытывать потребность в возможности выполнения более сложных манёвров — выхода на высокоскоростные межпланетные траектории, перемещение на орбиты небесных тел и других операций, требующих значительной тяги — до 8 км/с. Существующие коммерческие электрические двигатели пока не способны обеспечить такие характеристики, к тому же они имеют ограниченный ресурс и низкую эффективность использования топлива.

Аналогичные ограничения испытывают и космические аппараты, которые запускаются в качестве дополнительной полезной нагрузки. Несмотря на экономичность таких попутных запусков, эти миссии, как правило, ограничены научными целями, соответствующими траектории основного космического аппарата. Кроме того, у них обычно остаётся слишком мало времени для полноценных научных исследований во время высокоскоростных пролётов.

Для решения этих задач необходимы принципиально новые двигательные системы небольшой мощности (в пределах нескольких киловатт), но обладающие высокой топливной эффективностью и длительным сроком службы. Инженеры NASA активно работают над созданием таких систем. Эти усилия включают проекты Lunar Gateway и Deep Space Transport — программы, предусматривающие создание пилотируемого транспортного средства для полётов на Марс к 2040 году. Разработка компактного и экономичного двигателя NASA-H71M, основанного на этих наработках, способна оказать серьёзное влияние на расширение возможностей малых космических аппаратов, открывая новые горизонты для научных исследований и коммерческого освоения космоса.

По расчётам специалистов NASA, космические миссии с использованием двигателя NASA-H71M способны работать в течение 15 000 часов, при этом потребляя топливо около 30% от начальной массы небольшого космического аппарата. Такая топливная эффективность позволит существенно увеличивать дальность действия и манёвренность вторичных космических аппаратов, запускаемых в качестве дополнительной полезной нагрузки.

Эти миссии смогут отклоняться от основной траектории, расширяя круг научных целей для исследования. Кроме того, обеспечиваемые двигателем NASA-H71M возможности по торможению и выходу на орбиту небесных тел существенно увеличат продолжительность таких миссий и время для детального изучения объектов.

Между тем, нужды большинства коммерческих проектов на околоземной орбите обычно не требуют столь высоких характеристик двигательной системы, а сопутствующие затраты, как правило, превышают коммерческие потребности. Поэтому NASA активно ищет партнёрства с компаниями, работающими над более амбициозными проектами малых космических аппаратов.

Одним из таких партнёров выступает дочерняя структура Northrop Grumman — компания SpaceLogistics, предоставляющая услуги орбитального обслуживания спутников на геостационарной орбите. Для этих целей SpaceLogistics разработала специальное космическое средство — Mission Extension Vehicle (MEV), оснащённое двигателями на эффекте Холла.

В основе конструкции MEV лежит двигатель NGHT-1X, созданный на базе технологии NASA-H71M. Эта двигательная установка позволит MEV осуществлять стыковку с геостационарными спутниками заказчиков и продлевать срок их активного функционирования как минимум на 6 лет. 

В соответствии с Соглашением о сотрудничестве, компания Northrop Grumman проводит на испытательном стенде NASA в Гленне длительные ресурсные испытания двигателей MEV в условиях вакуума. Ожидается, что первые три космических аппарата MEP будут запущены уже в 2025 году, чтобы продлить срок службы трёх действующих геостационарных спутников связи.