Российские ученые рассчитали параметры идеального "сердца" для плазменного двигателя
наноспутников
Разработка поможет создавать более экономичные и легкие космические двигатели
Ученые Самарского университета им. Королёва и Московского авиационного института разработали систему расчета параметров одного из важнейших узлов перспективных космических плазменных двигателей — импульсного газового клапана. Разработка ученых поможет конструкторам при проектировании таких двигателей. Созданные алгоритмы автоматического расчета параметров клапана
позволят создавать более экономичные и легкие космические двигатели, которыми можно будет оснащать малые космические аппараты, например, наноспутники формата «кубсат», что позволит значительно увеличить срок активной службы наноспутников на орбите.

Экспериментальное исследование проведено при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках масштабного всероссийского проекта «Фундаментальные проблемы разработки аэрокосмических транспортных систем и управления в аэрокосмической технике для обеспечения связанности территории РФ». Результаты исследования опубликованы в авторитетном международном журнале International Review of Aerospace Engineering («Международный обзор аэрокосмической техники»).
«В последние годы все большее количество задач на Земле и в космосе решаются с помощью малых и сверхмалых космических аппаратов, в том числе наноспутников формата „кубсат“. При этом многие из этих задач выполняются более эффективно, если космические аппараты оснащены реактивными двигательными установками. Двигатели помогают компенсировать силу аэродинамического сопротивления на орбитах в диапазоне высот 300−450 км, что значительно увеличивает срок активной службы космического аппарата — от нескольких дополнительных месяцев до года и более. Также с помощью двигателей можно корректировать высоту рабочей орбиты и месторасположение спутника относительно других аппаратов спутниковой группировки. Поэтому сейчас во всем мире ведутся исследования и разработки двигательных установок для спутников малого и сверхмалого класса, и в число наиболее перспективных по многим показателям входят импульсные плазменные двигатели с газообразным рабочим телом», — рассказал Георгий Макарьянц, заведующий кафедрой
эксплуатации авиационной техники Самарского университета им. Королёва.
В таких двигательных установках газ через специальный импульсный клапан, открывающийся на строго определенный промежуток времени (как клапан в человеческом сердце), поступает в разрядный канал, где при необходимом давлении происходит электрический пробой между электродами. Газ разогревается электрической дугой, ионизируется, превращаясь в плазму, а затем ускоряется в сопле, создавая тягу двигателя.
«Одним из наиболее сложных конструктивных узлов импульсного плазменного двигателя с
газообразным рабочим телом является импульсный газовый клапан — он как «сердце» плазменного двигателя, от него зависит режим работы всей двигательной установки. В ходе нашего исследования были рассмотрены самые разные аспекты работы такого клапана для создания различных параметров тяги двигателя и показателей расхода газа. Это позволило создать систему расчета параметров как по рабочему давлению, так и по быстродействию, что может использоваться конструкторами при проектировании газового тракта таких клапанов для перспективных плазменных двигателей", — отметил Георгий Макарьянц.
По словам ученого, применение газа в плазменном двигателе позволяет избавиться от недостатков, которые присущи твердотельным плазменным двигателям, использующим в качестве рабочего тела специальные шашки из диэлектрического материала, например, фторопласта. Такие шашки сложно
размещать и компоновать в ограниченных габаритах двигателя, предназначенного для малых и сверхмалых космических аппаратов. Газ в качестве рабочего тела дает гораздо больше свободы в плане проектирования конструкции и позволяет уменьшить размеры двигательной установки, поскольку исключает зависимость формы и размеров разрядного канала от формы шашек рабочего тела. Кроме того, как следствие, использование газа дает возможность использовать разрядный канал, форма которого позволяет снизить величину разрядного тока, то есть элементы, через которые протекает разрядный ток, в частности, блок накопителя электроэнергии в таком двигателе можно сделать меньше по размеру и весу, что для наноспутников очень важно.

Разработанная система расчета параметров была успешно проверена на практике в ходе экспериментов на газовом клапане, созданном в Научно-исследовательском институте прикладной механики и электродинамики Московского авиационного института (НИИ ПМЭ МАИ). В качестве рабочего тела в экспериментах использовался азот.

Материал подготовлен при поддержке гранта Минобрнауки России в рамках Десятилетия науки и технологий.
Справочно
В 2024 году Самарский университет им. Королёва выиграл грант на выполнение проекта «Фундаментальные проблемы разработки аэрокосмических транспортных систем и управления в аэрокосмической технике для обеспечения связанности территории РФ». Он реализуется в рамках ведомственного проекта «Развитие институтов грантовой поддержки исследователей, научных и творческих коллективов» госпрограммы «Научно-технологическое развитие РФ». Срок выполнения проекта — с 2024 по 2026 год.

Головным исполнителем является Самарский университет им. Королёва, соисполнителями — Московский авиационный институт и Институт электрофизики и электроэнергетики РАН. Руководителем работ является научный руководитель Самарского университета им. Королёва, академик РАН, профессор Евгений Шахматов.

Цель проекта — решение фундаментальных научных проблем разработки аэрокосмических транспортных систем и управления в аэрокосмической технике, необходимых для обеспечения связанности территории Российской Федерации, а также освоения и использования космического и воздушного пространства для интеграции новых территорий в условиях геополитических и климатических вызовов за счёт повышения эффективности как атмосферных, так и космических летательных аппаратов, являющихся носителями аппаратуры дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) на базе новых способов управления их движением, методов повышения их энергоэффективности, методов обеспечения надёжности аппаратуры управления, методов защиты от динамических и тепловых воздействий на полезную нагрузку, а также повышения качества ДЗЗ на базе новой методологии совместного анализа и обработки разнородных и разновременных данных, получаемых с летательных аппаратов.
Вернуться на Главную