Плазменный двигатель для спутника: размен времени на массу
Pixabay
В последние несколько лет термин «all-electric satellite» все чаще встречается в пресс-релизах и разработчиков космических аппаратов и операторов. Регулярно этот термин соседствует с такими словосочетаниями как «впервые в мире» или, скажем, «в рекордное время». Хотелось бы разобраться: что все-таки этот термин значит (и как он звучит по-русски), какие плюсы и минусы есть у этой технологии?
Прежде всего надо понять: чего именно добиваются разработчики? Здесь все просто: главная цель этой технологии — повысить массу выводимого на геостационарную орбиту космического аппарата. Все используемые для вывода на ГСО ракеты постоянно модифицируются с целью повышения грузоподъемности. Но каждая из них имеет свой конструкционный предел, и спутники в последнее время все время норовят через этот предел перешагнуть.
Основная задача, которую решает разработчик спутника совместно с оператором — сделать космический аппарат (КА), который принесет максимальную выгоду. Для этого приходится решать многопараметрическую задачу, и самый главный ограничительный параметр — масса, которую может вывести на орбиту доступная ракета. Если оператор выводит спутник в популярную (в отрасли есть термин «разогретая») орбитальную позицию, то он заинтересован в максимальном увеличении количества транспондеров и их мощности: чем тяжелее аппарат, тем ниже получается удельная стоимость емкости. То есть, чем выше масса аппарата в разогретой точке, тем дешевле 1Мгц полосы. Если же точка не разогрета, рынок неизвестен, и оператор планирует спутник среднего весового класса, то и в этом случае ракета с высокой грузоподъемностью может оказаться выгоднее, так как она способна вывести два КА одним пуском.
Ко всему прочему, в результате отказа от иностранной (в первую очередь — американской) комплектации заставила российские аппараты потяжелеть. Снижение функционала спутника приведет к ухудшению бизнеса оператора. Можно ли как-то извернуться и вывести на орбиту больше, чем в принципе может это сделать российский «Протон»? Ответ, к счастью, положительный: можно, если использовать электрореактивные двигатели и сильно увеличить время вывода.
ЭЛЕКТРОРЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ (ЭРД)
В 1916-17 годах Роберт Годдард подтвердил своими опытами реальность создания ЭРД, а в начале 30-х будущий академик и конструктор советских ракетных движков Валентин Глушко создал первую экспериментальную модель. Дальнейшие разработки пошли уже в шестидесятые, когда понадобилось корректировать положение космических аппаратов на орбите.
Специфика ЭРД такова: очень малая тяга, но очень высокий удельный импульс (время, в течение которого двигатель может развивать тягу в 1 килограмм-силу, используя массу топлива в 1 кг).
То есть высокое, по сравнению с химическими ракетными двигателями, время работы при малой массе самого двигателя. Эти особенности и определили нишу применения: коррекция аппаратов на орбите, перевод спутников с одной орбиты на другую. ЭРД бесполезны там, где нужно высокой тягой бороться с атмосферой и вытаскивать груз из «гравитационного колодца» Земли. Но они незаменимы там, где можно малыми усилиями изменить положение КА.
Наибольшее распространение из всех ЭРД получили стационарный плазменный двигатель (СПД), в которых тягу создает поток разогнанной электромагнитным полем плазмы (ионизированного газа). В качестве рабочего тела в СПД как правило используется какой-либо инертный газ, чаще всего ксенон.
Первые СПД испытаны в 1964 году на спутниках «Метеор», с 1972 года они штатно используются для коррекции орбит космических аппаратов. Основной разработчик СПД — ОКБ «Факел» из Калининграда, чьи двигатели широко используются на российских и иностранных коммуникационных геостационарных спутниках
Основной двигатель ОКБ «Факел», предназначенный для корректировки КА на орбите — СПД-100. С 1995 года НПО прикладной механики им. М.Ф. Решетнева (сейчас называется ОАО «Информационные спутниковые системы» им. М.Ф. Решетнева) начало устанавливать его на свои российские аппараты — «Галс», «Экспресс», «Экспресс-А», «Экспресс АМ», Sesat и др. С 2003 года СПД-100 стали ставить и на иностранные спутники: Inmarsat, Intelsat-X, IPSTAR-II, Telstar-8 .
ДОЛГИЙ ВЫВОД КАК АЛЬТЕРНАТИВА ИНОСТРАННЫМ КОМПЛЕКТУЮЩИМ
С появлением СПД-100 (тяга около 9 граммов, удельный импульс 1600-1700 секунд, ресурс 7-9 тыс. часов) сразу же возникла идея использовать сборку из нескольких движков для вывода на ГСО. В конце 90-х в ГКНПЦ им. М.В. Хруничева родился проект универсальной космической платформы «Яхта». На опорную орбиту «Яхту» должна была выводить ракета легкого класса, а далее спутник при помощи СПД добирался до ГСО в течение нескольких месяцев. Основным преимуществом проекта было использование конверсионной ракеты «Рокот», что должно было серьезно снизить цену запуска. Проект реализован не был, но идея осталась и была использована в других проектах.
1 ноября 2017 года на конференции SatComRus Николай Тестоедов, генеральный директор ОАО ИСС им. М.Ф. Решетнева — основного разработчика космических аппаратов для ФГУП «Космическая Связь» — отметил, что требования ФГУП «Космическая связь» (ГП КС) как заказчика являются основным драйвером прогресса в разработке отечественных спутников. Выполнение требований по импортозамещению при сохранении функционала аппаратов ведет к увеличению массы, для компенсации которой приходится применять альтернативные схемы вывода на орбиту.
Согласно данным, приведенным Николаем Тестоедовым, около пяти лет назад на аппаратах Министерства обороны применялось до 25% импортных элементов, на КА двойного назначения «Глонасс» — до 50%, на коммерческих — до 75%. Из всех импортных комплектующих 87% поставлялись из США. Поэтому импортозамещение для ОАО ИСС является постоянной и давней проблемой, несколько обострившейся в 2014 году. Программа предусматривает не только замену импортной комплектации на отечественную, но и замену американских комплектующих европейскими.
Николай Тестоедов акцентировал на том, что сейчас выполнение всех программ, которые ОАО ИСС выполняет для ГП КС и других заказчиков, не нарушено. Не изменен и функционал аппаратов — сохранены все заявленные ранее характеристики. Ситуация с иностранными (прежде всего — американскими) комплектующими после 2014 года привела к двум отрицательным факторам. Первый: сдвинулись сроки выполнения заказов, некоторых — до двух лет. Второй — в некоторых космических аппаратах вес полезной нагрузки вырос до 40%.
Возросшая масса аппаратов компенсируется применением альтернативных схем выведения: аппараты выводятся на геостационарную орбиту (ГСО) при помощи электрореактивных двигателей. В частности, «Экспресс-АМ5» и «Экспресс-АМ6»: каждый спутник выводился на ГСО в течение 72 дней при помощи электрореактивных двигателей, что позволило компенсировать превышение массы каждого аппарата на 108 кг. Можно рассчитывать и на еще большие массы аппаратов, если запланировать еще более долгий вывод на ГСО. Однако, в этом процессе надо знать меру: чрезмерно долгие сроки вывода не устраивают заказчиков, которые теряют доход из-за задержки с началом предоставления услуги.
ALL-ELECTRIC
Итак, в России СПД используются для того, чтобы компенсировать повышенную массу космического аппарата. А для чего их используют иностранные разработчики? В общем и целом для того же самого. Проблемы импортозамещения перед ними не стоит (хотя европейцы тоже стараются ориентироваться на европейскую комплектацию), но и они и их заказчики-операторы тоже заинтересованы в том, чтобы вывести на ГСО спутник большей массы.
Спутники разработки Airbus, Boeing, Lockheed Martin, Space Systems/Loral и Thales Alenia Space выводятся ракетой на геопереходную орбиту (ГПО): сильно вытянутая орбита с перигеем 200 км и апогеем 36 тыс. км. А с геопереходной не геостационарную орбиту спутник довыводится апогейным двигателем. И если масса спутника при отделении от ракеты на ГПО составляет около 6 тонн, то из них около 2 тонн приходится на топливо для жидкостного апогейного двигателя.
Сейчас все более популярным решением становится использование в качестве апогейного двигателя сборки из СПД, что позволяет выделить большую массу на полезную нагрузку, но увеличивает время вывода. Использование СПД (в том числе и российских СПД-100 и СПД-140) на иностранных спутниках в роли апогейного двигателя позволило разработчикам ввести термин all-electric — спутник, у которого все двигатели электрореактивные.
11 октября на геостационарную орбиту был выведен спутник Eutelsat 172B, запущенный 1 июня ракетой Ariane 5 с космодрома Куру. На этом спутнике установлена недавняя разработка ОКБ «Факел» — SPT-140, его тяга в три раза выше тяги СПД-100 при том же удельном импульсе и ресурсе. С момента запуска до достижения геостационарной орбиты прошло всего четыре месяца, и этот срок объявлен как рекордный. Топлива при выводе было использовано в 6 раз меньше, чем для спутников с химическими двигателями.
КОММЕНТАРИЙ РАЗРАБОТЧИКА
Применение технологии долгого вывода при помощи СПД имеет массу своих тонкостей. К тому же, изначально схема вывода российских аппаратов отличается от схемы вывода иностранных. Российские спутники не оборудованы апогейным двигателем, и выводятся на ГСО непосредственно разгонным блоком. С «Экспресс-АМ5» и «Экспресс-АМ6» пришлось импровизировать, хотя, разумеется, импровизация была тщательно просчитана.
Николай Алексеевич Тестоедов пояснил «Теле-Спутнику», ОАО ИСС давно использует стационарно-плазменные двигатели СПД разработки ОКБ «Факел» для коррекции положения спутника по наклонению. СПД-100 изначально не предназначены для довыведения, но такая необходимость возникла, и двигатели успешно вывели «Экспресс-АМ5» и «Экспресс-АМ6» на ГСО.
Сначала ракета выводит спутник на опорную орбиту (около 200 км), здесь нет никаких отличий в схемах вывода российских и иностранных аппаратов. С опорной орбиты иностранный спутник выводится разгонным блоком (то есть самой последней — третьей или четвертой — ступенью) на геопереходную, а затем апогейный двигатель переводит его на геостационарную, что занимает примерно сутки. В российской схеме вывода на ГСО использование апогейного двигателя не предусмотрено: разгонный блок, установленный на ракете (неважно — «Союз» или «Протон») сразу выводит спутник на ГСО. Это называется прямое выведение. Так выводились все «Экспрессы» до АМ5 и АМ6 — мощности «Протона» для прямого выведения этих аппаратов не хватало. И тогда, как рассказывает Николай Тестоедов, и пришлось пойти на некую импровизацию (хотя теоретически эта схема прорабатывалась ранее): «дотащить» спутник на ГСО теми СПД, которые изначально предназначены для ежесуточной коррекции положения аппарата. Схема была успешно реализована, оба спутника безо всяких замечаний работают в составе группировки оператора.
Иностранные разработчики в свою очередь реализовали идею перехода с ГПО на ГСО при помощи ЭРД. Занимает это уже не сутки, а несколько месяцев. И вся разница, утверждает Николай Тестоедов в том, что «Экспрессы» довыводились из того положения, куда смог их вывести «Протон», а Eutelsat 172B — с геопереходной орбиты.
Любой спутник, и особенно любая новая технология так или иначе отражается на бизнесе, и в первую очередь на страховке. Николай Тестоедов рассказал, что довывведение на электрореактивных двигателях сейчас квалифицировано во всем мире, и поэтому на страховке не отражается. Доказательством оценки качества технологий, применяемых ОАО ИСС, в том числе и технологии довыведения, является то, что сегодня все КА производства этого предприятия застрахованы без ограничений. Тестоедов упомянул даже, что последнее собрание андеррайтеров в Лондоне прошло скучно: все работает, замечаний нет, говорить, в общем-то, не о чем. Ситуация по сравнению с прошлым годом, когда страхование «Экспрессов» было под угрозой, изменилась кардинально.
При этом, замечает эксперт, ничего не дается даром. И оба варианта — что российский полного довыведения, что иностранный довыведения с ГПО — это размен лучшей конфигурации полезной нагрузки (и, соответственно, ее больший вес) на большее время довыведения. Оператор имеет более эффективную полезную нагрузку, но не может осуществлять бизнес в те несколько месяцев, пока СПД выводят спутник на ГСО. Сейчас в ОАО ИСС проектируется специальная система довыведения на базе более мощных СПД-140, что позволит сократить время вывода на ГСО.
