Ионные двигатели: от фантастики к реальным пускам

Первая европейская экспедиция к Луне
SMART 1 выходит на орбиту
Спасение Artemis
Ионный двигатель Холла
Луна вновь в центре внимания
Технологическая аппаратура

Старт Ariane 5, несущая SMART 1 на борту

В минувшую субботу с космодрома Куру ракетой-носителем «Ариан 5» была успешно выведена в космическое пространство исследовательская станция европейского космического агентства SMART 1.

Спутник создан по заказу ESA (European Space Agency, Европейское космическое агентство) Шведской космической корпорацией при участии почти 30 субподрядчиков из 11 европейских стран и США. Общая стоимость проекта составила 110 млн. евро.

SMART 1 — первая автоматическая станция ESA для исследования Луны. В то же время, это уникальная исследовательская станция нового типа, первая в новой программе ESA под названием Small Missions for Advanced Research in Technology. В ходе выполнения программы запланирована апробация целого ряда новых технологий, например, связь в Ка-диапазоне и лазерная связь, автономная навигация и многое другое.

Solar Orbiter

При достаточно большом количестве аппаратуры, SMART 1 отличается малым весом (370 кг, в том числе научная аппаратура — 19 кг) и компактностью. Со сложенными солнечными батареями он представляет собой прямоугольник размером в метр. Стоимость SMART 1 примерно раз в пять меньше, чем типичной межпланетной станции ESA. Но самая главная особенность нового космического аппарата в том, что впервые в истории космонавтики ионный двигатель будет использован в качестве основного. В ближайших планах ESA — запуск еще двух аппаратов, оснащенных ионной двигательной установкой. Это BepiColombo для исследования Меркурия и Solar Orbiter — для изучения Солнца.

BepiColombo

Установленный на SMART 1 ионный двигатель потребляет 1350 Ватт электроэнергии, вырабатываемой солнечными батареями, и развивает тягу в 0,07 Ньютон, что примерно соответствует весу почтовой открытки. Рабочим веществом служит ксенон (запас топлива 82 кг). При этом для выхода на эллиптическую полярную орбиту вокруг Луны станции потребуется 16 месяцев. Выведение SMART 1 на расчетную орбиту представляет собой сложный многоступенчатый процесс, состоящий из нескольких этапов.

Переход SMART 1 на лунную орбиту

В субботу ракета-носитель «Ариан 5» вывела SMART 1 на переходную геосинхронную орбиту с апогеем 35935 км (при расчетном значении 35873 км) и перигеем 649,5 км (при расчетном значении 648,7 км). Время работы ракеты-носителя составил 27 минут. Во вторник будет включен ионный двигатель. На первом этапе полета он должен работать практически непрерывно в течение 80 дней, за исключением периодов, когда станция будет находиться в тени Земли. При этом перигей орбиты SMART 1 будет поднят до 20 тыс. км., а затем и апогей. Когда он достигнет 200 тыс. км., станция начнет испытывать ощутимое гравитационное воздействие Луны. Гравитационные маневры будут осуществляться в конце декабря 2004 года, а затем в январе и феврале 2005 г. В конечном итоге в марте 2005 SMART 1 выйдет на орбиту вокруг Луны, а с апреля 2005 аппарат приступит к выполнению своей научной программы.

Строго говоря, ионные двигатели уже устанавливались на космических аппаратах — в последние годы, в частности, на исследовательской станции НАСА Deep Space 1 (DS 1) и на экспериментальном геостационарном спутнике связи ESA Artemis. В последнем случае, благодаря наличию на борту ионных двигателей, удалось спасти казавшийся окончательно утраченным спутник ценой в миллионы долларов.

	Телекоммуникационный спутник Artemis

Нештатная работа верхней ступени ракеты-носителя Ariane 5, выводившей на орбиту спутник Artemis, привела к тому, что орбита Artemis оказалась значительно ниже расчетной. Обычно это приводит к потере спутника. Если он несет в себе угрозу другим космическим аппаратам, его топят (тяжелые аппараты) или «сжигают» в атмосфере. Но Artemis избежал этой печальной участи.

Благодаря экстренно принятым мерам и ценой расходования практически всего запаса химического топлива, имевшегося на борту, спутник удалось перевести на круговую орбиту высотой 31 тыс. км. Но после этого надо было перевести Artemis на расчетную геостационарную (высотой около 36 тыс. км). Тогда и было принято решение воспользоваться четырьмя ионными двигателями, установленными на борту попарно. Они изначально предназначались для управления ориентацией (наклоном) спутника. Что бы осуществить переход вектор тяги двигателей был направлен перпендикулярно плоскости орбиты. Но для спасения аппарата ему необходимо было придать импульс в плоскости орбиты, и таким образом перевести на более высокую геостационарную орбиту. Artemis требовалось повернуть на 90 градусов по отношению к его нормальной ориентации.

Сложнейшая спасательная операция, потребовала выработки «на ходу» новой стратегии действий, новых режимов управления спутником и функционирования бортовой аппаратуры. Потребовалось модифицировать 20% всего бортового программного обеспечения. И все же операция прошла весьма успешно. О ее сложности свидетельствует тот факт, что только для перепрограммирования бортовой системы управления потребовалось подгрузить с Земли модифицированные блоки программного обеспечения общим объемом в 15 тыс. слов. Это была самая масштабная операция по перепрограммированию с Земли телекоммуникационного спутника.

Несмотря на скромную тягу (всего 15 миллиньютон) Artemis стал «карабкаться» на расчетную орбиту, поднимаясь на 15 км в день. Вся спасательная операция заняла 18 месяцев. 31 января 2003 года Artemis оказался именно там, где ему следовало бы оказаться еще полтора года назад. Первая в мире спасательная операция, исход которой целиком зависел от надежности ионных двигателей и слаженных действий людей на Земле, прошла успешно. Спутник, считавшийся безнадежно потерянным, приступил к нормальной работе.

По своей конструкции основной двигатель SMART 1 существенно отличается от двигателей, установленных на DS 1 и на Artemis. В случае с последними двумя аппаратами, для ускорения ионов использовалась решетка с поданным на нее потенциалом (так называемый gridded ion engine). В отличие от них SMART 1 оснащен ионным двигателем Холла, который существенно отличается по своей конструкции.

Ионный двигатель в работе

Важным преимуществом двигателей на эффекте Холла является отсутствие решетки, подвергающейся постоянной бомбардировке высокоэнергетичными ионами, вследствие чего происходит ее быстрая деградация. Что касается других характеристик ионных двигателей различной конструкции, то ситуация выглядит не столь очевидной. В общем, двигатели с решеткой позволяют получать больший удельный импульс и расходуют примерно в два раза меньше топлива (рабочего тела), чем двигатели Холла. Однако при этом двигатели Холла позволяют развить большую удельную тягу при одинаковом потреблении электроэнергии. Обе конструкции имеют свои достоинства и недостатки, и выбор предпочтительного варианта зависит в каждом случае от характера задач, стоящих перед аппаратом, и от его энергетических возможностей.

Несмотря на то, что задумывался SMART 1 в первую очередь для отработки новых и перспективных технологий исследования космического пространства, информация о Луне, которую ему предстоит собрать, также можно назвать уникальной.

Связь по лазерному лучу между SMART 1 и центром слежения в Тенерифе, Канарские острова

На Луне SMART 1 проведет поиск следов наличия воды (в форме льда) в кратерах, получит данные о химическом составе поверхности нашего спутника и протекающих в нем тектонических процессах. Станции предстоит впервые провести картографирование всей поверхности Луны с помощью рентгеновского и инфракрасного спектрометров с различным разрешением. Одновременно будет проводиться съемка поверхности в нескольких участках видимого спектра. Ничего подобного прежде не проводилось.

Как ожидается, собранная новым исследовательским аппаратом информация идеально дополнит данные, полученные американскими зондами Clementine (1994) и Lunar Prospector (1998), исследовавшими Луну в минувшем десятилетии. В центре внимания те вопросы, на которые у научного сообщества еще не сформировалось определенного мнения. Это происхождение нашего спутника и его эволюции. Научная программа полета рассчитана на шесть месяцев, но если к концу этого периода запас топлива еще не будет исчерпан, предполагается перевести SMART 1 на более низкую орбиту, в том числе для повышения разрешения снимков поверхности.

На борту SMART 1 находится большое количество приборов, предназначенных для исследований Луны и изучения перспективных технологий.

Компоновка SMART 1

1. SIR – Инфракрасный спектрометр
2. Солнечные датчики
3. Стрела сенсора SPEDE (назначение - исследование свойств плазмы в окрестностях станции)
4. Камера AMIE (сверхминиатюрная, для работы в видимом и ИК-диапазоне)
5. Рентгеновский телескоп D-CIXS
6. Антенна системы связи
7. Датчики для исследования эффектов, вызванных работой ионного двигателя (EPDP)
8. Топливный бак двигателей ориентации
9. Звездный датчик
10. Двигатель для изменения ориентации солнечных батарей
11. Транспондер системы связи
12. Электроника управления ионным двигателем
13. Двигатели системы ориентации
14. Ионный двигатель с механизмом управления вектором тяги (его направление должно меняться по мере изменения положения центра масс, вызванного расходованием топлива)

EPDP и SPEDE

Для широкого использования ионных двигателей в длительных космических полетах необходимо досконально изучить побочные эффекты их длительной эксплуатации, а также характер взаимодействия с естественной электромагнитной средой, окружающей станцию. К возможным проблемам относится отклонение вектора тяги ионного двигателя от первоначальной ориентации, эрозия поверхностей, короткие замыкания, интерференция с радиосигналами, а также аккумуляция пылевых частиц. Для исследования этих эффектов предназначены приборы EPDP (исследование побочных эффектов работы ионного двигателя) и SPEDE (исследование свойств плазмы в окрестностях станции).

KaTE и RSIS

Основная задача прибора KaTE (микроволновая связь) — изучение перспектив связи в новом диапазоне электромагнитного излучения с длиной волны около 9 мм (Ка-диапазон).

Прибор RSIS (исследование радиоволн) предназначен для изучения малых вариаций движения SMART 1, вызванных нестабильностью тяги ионного движителя, с помощью Доплеровского эффекта. Регистрироваться при этом будет радиоизлучение прибора KaTE.

Laser-Link и OBAN

Laser-Link (лазерная связь) предназначен для изучения перспектив использования лазеров для связи с аппаратами, находящимися в глубоком космосе. В настоящее время ESA уже применяет лазерную связь с телекоммуникационными спутниками на геостационарной орбите.

Исследование возможности применения компьютерных технологий для автономной навигации космических аппаратов будет осуществляться посредством прибора OBAN (космическая навигация).

Картографирование лунных минералов с помощью SIR

Исследование Луны, Земли и Солнца

• Сверхминиатюрная камера видимого и ИК-диапазона (AMIE) предназначена для съемки поверхности Луны.
• Назначение инфракрасного спектрометра (SIR) — определение минерального состава лунных пород.
• Для исследования химического состава лунных пород, а также новой технологии коллимации рентгеновского излучения предназначен D-CIXS рентгеновский телескоп.
• Независимый от D-CIXS мониторинг рентгеновского излучения Солнца, сильно варьиующегося в зависимости от текущей солнечной активности, будет проводиться при помощи XCM.
• Для сбора научной информации так же будет использоваться технологическая аппаратура экспериментов SPEDE и RSIS (см. выше).

Максим Рахманов / CNews.ru