Новый малый ионный микродвигатель наконец-то может сделать реальностью пресловутые микроспутники, которые вот уже несколько лет обещают радикально снизить стоимость исследовательских полётов в космос.

Ионные двигатели — новость с огромной бородой; их применению в космосе скоро исполнится полвека. Тем не менее до недавнего времени их роль ограничивалась маневрированием на околоземной орбите. И хотя Dawn, самый быстрый из КА землян, приводится в движение именно тремя ионными двигателями, их проблемой всегда был малый удельный импульс, который они придают кораблю.

А вот с микроспутниками, масса которых исчезающе мала, всё может и должно быть много лучше. Двигатель весом в 200 г (с контролирующей электроникой), разработанный в Федеральной политехнической школе Лозанны (Швейцария), способен за шесть месяцев доставить с низкой околоземной орбиты к Луне килограммовый спутник объёмом около 1 дм³. Незначительная масса аппарата, таким образом, компенсирует низкий удельный импульс двигателя, видеоматериал о котором представлен ниже.

Ключевые узлы микродвигателя собираются при помощи фотолитографии, используемой при производстве электроники (слишком уж малы компоненты!). Понятно, что на конвейере их стоимость просто рухнет. Основное назначение разработки — разгон КА с низких околоземных орбит на геостационарную и лунную орбиты, а также отправка к более далёким объектам Солнечной системы.

Новый ионный двигатель, даром что размером с кубик Рубика, способен на полёт к другим планетам. (Здесь и ниже иллюстрации Федеральной политехнической школы Лозанны.)

Для выброса ионов двигатель использует кремниевые микросопла, сгруппированные в компактную тяговую матрицу, в которой 1 000 сопел приходится на один квадратный сантиметр площади. Сначала 1-этил-3-метилимидазолий тетрафторборат (ионная жидкость) без какого-либо топливного насоса, под действием капиллярной силы попадает из маленького топливного бака в капиллярные трубопроводы и далее к соплам, где затем ионы топлива разгоняются электродом, к которому подведено напряжение в 1 000 В. Каждую секунду полярность электрического поля на электроде меняется на противоположную, что позволяет использовать для разгона все ионы — как положительные, так и отрицательные.

В первую очередь разработка будет установлена на швейцарский CleanSpace One, о котором мы уже писали. Назначение спутника — однократная миссия по удалению с земной орбиты предыдущего космического аппарата, запущенного швейцарцами и ныне являющегося космическим мусором. По мысли Швейцарского космического агентства, этому примеру смогут последовать остальные космические державы, начав за собой орбитальную уборку. В будущем новые двигатели будут ставить на микроспутники Европейского распределённого космического радиотелескопа (программа OLFAR ).

Однако потенциальное применение у двигателя гораздо шире. Он, как и всё, что делается фотолитографированием, легко может производиться массово, а модульная конструкция позволяет объединять двигатели в крупные блоки. Действующая модель даёт ускорение в 0,1 мм/с² для спутника весом в 1 кг. Поэтому, чтобы разогнаться с 24 000 км/ч (начальная скорость, придаваемая спутнику химической ракетой, которая выведет его на орбиту) до 42 000 км/ч (вторая космическая скорость), такому КА потребуется шесть месяцев непрерывной работы. При этом он потребует 4 Вт мощности (микроскопические фотоэлементы килограммового спутника как раз справятся) и всего 100 мл топлива — меньше половины стакана. А тысяча таких установок могут сделать то же самое с 1 000-килограммовым космическим кораблём, потратив всего 100 литров ионной жидкости. Чтобы долететь до Марса, Титана или любой другой точки Солнечной системы, отныне нужно меньше топлива, чем когда-либо. По сути, отправить туда автоматический КА будет стоить не сильно дороже, чем к МКС; нужно лишь масштабировать двигательную установку, объединив множество микродвигателей.

Микросопло с капиллярным отверстием по центру.

Открываются перспективы и перед орбитальными спутниками. Теоретически активное маневрирование и переход с орбит доступны спутникам любого размера и массы, в том числе в «весе мухи» (до килограмма). А значит, аппараты можно будет запускать группами даже с самой маленькой ракеты-носителя, и при этом каждый из них будет иметь собственную цель не только на любой мыслимой орбите вокруг нашей планеты, но и в любой мыслимой точке Солнечной системы.

Текст: Александр Березин

Подготовлено по материалам Федеральной политехнической школы Лозанны .