Крихітний супутник розміром із портфель може опинитися на Марсі. Звучить як сюжет наукової фантастики, проте інженери Массачусетського технологічного інституту стверджують: ключова технологія вже працює. Вони створили систему рушія, яка поєднує швидкість хімічних ракет із надзвичайною ефективністю електричних двигунів і все це з одного бака палива.
До сьогодні мініатюрні апарати класу CubeSat здебільшого застрягали на навколоземній орбіті. Їхній розмір від ланчбокса до невеликої валізи робить запуск дешевим і доступним, але накладає суворі обмеження на паливні системи. Хімічні двигуни дають потужний ривок, проте швидко витрачають ресурс і займають багато місця. Електричні двигуни, зокрема електроспрейові, економлять кожну краплю палива під час міжпланетних переходів, але не здатні швидко маневрувати в критичних ситуаціях. Результат: для серйозних глибоких космічних місій знадобилося б дві незалежні системи з двома баками, що перетворює компактний супутник на перевантажену конструкцію, яка втрачає головну перевагу малу вагу та простоту.
Тепер ця проблема має рішення.
Паливо, яке грає за двох
У центрі прориву речовина під назвою ASCENT (Advanced SpaceCraft Energetic Non-Toxic). Первісно її розробило управління Повітряних сил США як безпечну альтернативу гідразину надзвичайно токсичному паливу, яке десятиліттями використовували в космічних апаратах. Гідразин вимагає суворих протоколів безпеки, дорогого наземного обладнання та спеціальних захисних костюмів для персоналу на космодромі. Його пари небезпечні для здоров’я, а аварії з його витоком можуть зупиняти стартові операції на години. ASCENT позбавлена цих недоліків, зберігаючи при цьому високу енергетичну щільність, необхідну для космічних маневрів.
Ще одна властивість зробила її ідеальною для MIT. ASCENT належить до класу іонних рідин: вона стабільна, не замерзає у космосі та складається з моря іонів, які легко зарядити електричним полем. Саме це привернуло увагу дослідників із лабораторії космічних рушіїв MIT, якими керує професор Пауло Лозано.
«ASCENT випадково виявилася іонною рідинною сумішшю, пояснює Амелія Бруно, колишня постдокторантка кафедри авіації та астронавтики MIT та провідна авторка статті в журналі Journal of Propulsion and Power. Ми подумали: ого, це саме те, чим ми зазвичай користуємося. Теоретично це має працювати. І ми пішли з’ясовувати, як саме».
Вона працювала.
Як випробовують технологію
Щоб перевірити гіпотезу, команда Бруно разом із професором Пауло Лозано та колишнім аспірантом MIT Меттью Коррадо провела серію експериментів у великій вакуумній камері. На спеціальній платформі магнітної левітації MagLev розмістили макет CubeSat із двома протилежними електроспрейовими двигунами. Кожен рушій був під’єднаний до резервуара розміром із цеглинку LEGO, що містив лише один грам ASCENT рідини з в’язкістю, подібною до дитячого масла. Такої кількості вистачило б на години безперервної роботи в космосі.
Вакуумна камера повністю імітує безповітряний простір на висоті орбіти. Магнітна левітація усуває тертя, дозволяючи виміряти навіть найтонші імпульси тяги. Під час тестів дослідники дистанційно змінювали напругу, що подавалася на двигуни. Заряджені частинки іонної рідини вилітали крізь мікроскопічні отвори рушіїв, створюючи тягу. Макет супутника закрутився у вакуумі, немов дзиґа в невагомості. Команда вимірювала силу тяги та працювала двигунами безперервно до ста годин, фіксуючи стабільність і продуктивність палива.
Результат перевершив очікування.
ASCENT продемонструвала продуктивність на рівні традиційних іонних палив, які зазвичай застосовують в електричних рушіях. Тепер, коли доведено, що електроспрейові двигуни працюють на військовому паливі, перед інженерами відкрилася значно ширша перспектива: об’єднати хімічний та електричний рух під однією кришкою бака.
Земні переваги, космічні масштаби
Електроспрейові двигуни, які розробляє лабораторія Лозано, крихітні кожен із них поміщається на нігтьовій фаланзі. При підключенні до батареї електричне поле витягує іони з резервуара і виштовхує їх у космос, формуючи плавну, економну тягу для міжпланетних переходів. Хімічний же модуль дає короткі потужні імпульси для гальмування, розгону або різкої зміни позиції.
До цього моменту ці дві технології існували у власних ізольованих світах. Об’єднання їх в одному апараті означає радикальне спрощення конструкції:
- Електроспрейовий режим дозволяє супутнику місяцями йти до Марса чи поясу астероїдів, витрачаючи мінімум палива
- Хімічний режим забезпечує швидкі маневри біля цільових об’єктів: гальмування, огляд поверхні, уникнення перешкод
- Єдиний бак ASCENT зменшує вагу апарату на критичні кілограми та звільняє місце для наукових приладів
- Безпека для екології паливо нетоксичне, що спрощує наземні операції та знижує витрати на підготовку запуску
«Якщо ви можете мати хімічний та електричний рух у одному компактному корпусі це найкраще з двох світів, каже Амелія Бруно. Це відкриває двері для малих супутників, щоб робити ще більше науки, більше спостережень і цікавіші місії і все це на меншій та дешевшій платформі».
«Ми могли б відправити CubeSats на Марс або до поясу астероїдів, де вони подорожували б повільно, використовуючи електроспрей-двигуни, пояснює Пауло Лозано, співавтор дослідження та професор аеронавтики MIT. А потім задіяти хімічні двигуни, щоб швидко переміститися до цікавих деталей. У вас з’явиться набагато більше гнучкості, щоб робити набагато більше речей».
Перший політ уже близько
Концепція «спільного бака» отримає своє перше випробування у справжньому космосі вже у листопаді. Місія NASA під назвою Green Propulsion Dual Mode (GPDM) відправить на орбіту супутник CubeSat розміром із портфель, оснащений одним хімічним та чотирма електроспрейовими двигунами. Усі п’ять рушіїв живитимуться з єдиного резервуара уперше в історії малих космічних апаратів. Для команди MIT це кульмінація десятиліть роботи з мініатюризацією космічних технологій.
«Це буде вперше, коли супутник матиме спільний паливний бак для двох типів рушіїв», підкреслює Лозано. Успіх місії стане переломним моментом: він доведе, що компактні апарати можуть не лише швидко маневрувати на навколоземній орбіті, але й вирушати в глибокий космос без традиційних громіздких систем.
Але глибокий космос це лише частина історії.
Куди летіти
Технологія обіцяє змінити й те, як ми дивимося на Землю. Лозано наводить приклад: надвигається шторм, і група з десятків малих супутників має терміново сконцентруватися над одним регіоном для моніторингу погоди чи клімату. Завдяки подвійній системі апарати можуть швидко дістатися цілі хімічним ривком, а потім точно утримувати позицію електричним двигуном і все на одному баку палива.
Для наукової спільноти це означає дешевші місії, більше обладнання на борту та раніше недоступні траєкторії. Для студентів і молодих інженерів шанс побудувати міжпланетний апарат у університетській лабораторії. Для всього людства новий спосіб досліджувати Сонячну систему без мільярдних бюджетів і гігантських ракет-носіїв.
Перший спільний бак уже зібраний і готовий до старту.
Наступний може опинитися на шляху до Червоної планети у портфелі розміром із ваш діловий атрибут.
Про автора
