Двигатели размером с монету, возможно, скоро появятся на самых маленьких спутниках в космосе.
Это устройство, разработанное Пауло Лозано (Paulo Lozano), доцентом кафедры аэронавтики и астронавтики Массачусетского технологического института, имеет мало общего с современными громоздкими двигателями для спутников, обременёнными клапанами, трубопроводами и тяжёлыми топливными баками. Напротив, конструкция Лозано плоская, компактная и квадратная - совсем как компьютерная микросхема - имеет 500 микроскопических стержней, которые, при приложенном напряжении, импускают тонкие пучки ионов. Массив таких заострённых стержней создаёт скромный поток заряженных частиц, который может заставить двигаться спутник размером с ботинок.
«Они такие маленькие, что вы можете установить несколько штук на одном аппарате,» - говорит Лозано. Ещё он добавляет, что маленький спутник, оснащённый несколькими микродвигателями, может «не только изменять параметры своей орбиты, но и вытворять прочие интересные штуки - поворачиваться и вращаться, к примеру.»
Лозано и его группа из Лаборатории реактивного движения и Лаборатории технологии микросистем МТИ продемонстрировали свой двигательный массив в Американском институте аэронавтики и астронавтики на недавней Общей конференции по реактивному движению.
Сегодня более двух дюжин малых спутников, известных как CubeSat, обращаются вокруг Земли. Каждый размером чуть больше кубика Рубика и массой менее трёх фунтов. Их крохотные размеры позволяют классифицировать их как «наноспутники» в противоположность традиционным бегемотам-исследователям Земли. Эти миниатюрные спутники дешевы в производстве и их можно относительно легко запустить в космос: ввиду их очень малой массы ракета может вывести несколько CubeSat'ов в качестве попутного груза без дополнительных затрат топлива.
Однако у этих маленьких спутников отсутствует двигательная установка (ДУ), и, оказавшись однажды в космосе, они обычно остаются пассивно вращаться на близкой к Земле орбите. После выполнения задачи спутники сгорают в нижних слоях атмосферы.
Лозано говорит, что если бы спутники CubeSat выводились на высокие орбиты, они находились бы в космосе до входа в атмосферу гораздо дольше, создавая хаос и неразбериху. Чем больше CubeSat'ов будет запускаться в будущем, тем больше создаваемая ими свалка будет создавать серьёзных проблем.
«Эти спутники могут остаться в космосе навсегда в виде мусора,» — считает Лозано, который является заместителем директора Лаборатории космических двигателей. — «Этот мусор может сталкиваться с другими спутниками... Из-за нескольких столкновений космическая эра может закончиться.»
Создание ДУ для малых спутников может разрешить проблему космического утиля: CubeSat' ты смогут переходить на низкие орбиты, чтобы затем сгореть в атмосфере, или даже работать в качестве галактических сборщиков мусора, сталкивая отработавшие свой срок спутники в атмосферу Земли. Однако традиционные ДУ пока остаются слишком большими для наноспутников, оставляя немного пространства для размещения электроники и системы связи.
В отличие от классических, двигатели конструкции Лозано совсем немного увеличивают общую массу спутника. Микросистема собрана из нескольких слоёв пористого металла (металлических пластин с капиллярами), а верхний слой имеет 500 пустотелых металлических стержней. С обратной стороны микросистемы размещена небольшая ёмкость для жидкости — «жидкой плазмы» со свободно плавающими ионами, что является ключевым в работе устройства.
Чтобы объяснить, как работает двигатель, Лозано проводит аналогию с деревом: вода из земли поднимается к верхушке по капиллярам всё меньшего и меньшего диаметра, сначала по корням, затем вверх по стволу и, наконец, через листья под действием солнечного излучения выходит в виде газа. Двигатель Лозано работает на основе похожего капиллярного эффекта: каждый слой металла содержит всё более тонкие капилляры, которые пассивно вытягивают ионную жидкость через всю толщину микросистемы к металлическим стержням.
Группа [Лозано] разработала позолоченную пластину, размещенную вокруг системы, и на которую подаётся напряжение, генерирующее электрическое поле между пластиной и стержнями двигателя.
Под действием поля пучки ионов истекают из стержней, создавая тягу. Исследования показали, чтобы массив из 500 стержней создаёт тягу 50 микроньютон — на Земле этого может хватить только, чтобы поддерживать небольшой клочок бумаги. Но в мире микрогравитации этой мизерной силы вполне достаточно, чтобы привести в движение двухфунтовый спутник.
Лозано с соавтором Деном Кортни (Dan Courtney) также обнаружили, что совершенно незначительное повышение напряжения приводит к существенному увеличению силы, создаваемой пятьюстами стержнями двигателя, и это выглядит многообещающе с точки зрения энергоэффективности.
«Это значит, что вы можете использовать напряжение для регулирования в широком диапазоне, — говорит Лозано. — У вас нет необходимости сильно повышать напряжение для получения большого тока. Это очень небольшое повышение.»
Тимоти Грэйвз (Tomoty Graves) manager of electric propulsion and plasma science at Aerospace Corp. in El Segundo, Calif., считает, что конструкция микродвигателя выделяется среди прочих ДУ для спутников благодаря своим размерам и энергопотреблению.
«Обычно двигательные установки имеют развитую инфраструктуру, связанную с магистралями подачи топлива, клапанами и сложными преобразователями энергии, — говорит Грэйвз, который в разработке не участвовал. — Кроме того, почтово-марочный размер двигателя облегчает его внедрение в отличие от других, крупных ДУ.»
Исследователи видят это как малый спутник с несколькими микродвигателями, ориентированными в разных направлениях. Когда спутнику необходимо переместиться, двигатели временно запитываются от солнечных батарей. В будущем, предсказывает Лозано, микродвигатели могут быть использованы даже для больших спутников: плоские панели, покрытые микродвигателями, могут перемещать спутник в пространстве, изменяя направления подобно тому, как это делает руль или рыбий хвост.
«Точно так же, как вы ориентируете солнечные панели на Солнце, вы можете ориентировать двигатели в нужном вам направлении и включить их, — говорит Лозано, — Это даёт вам необычайную гибкость, и это круто.»
Ionic Liquid Ion Source Emitter Arrays Fabricated on Bulk Porous Substrates for Spacecraft Propulsion by Daniel Cortney (в процессе перевода)
По ссылке выше размещается реферат диссертации Дэниела Кортни (и ссылка на саму диссертацию) на степень доктора философии. Поскольку он включен в текст диссертации, то я не стал делать отдельную страницу, как это сделали в МИТе, и оставил его только в полном документе:
Диссертация Д. Кортни на степень PhD
