«Запрягли» лазер и плазму

Еcли лазерно-плазменный двигатель системы ориентации микроспутника получится удачным и если Беларусь в кооперации с Россией решит построить с его использованием космический аппарат весом 170-200 килограммов, то в калькуляции расходов белорусское участие в разработке, конечно, зачтется.

Плодотворная идея ученых Института физики Национальной академии наук Беларуси, заложенная сегодня в совместный проект программы Союзного государства «Космос НТ», родилась давно, и вовсе не в связи с намерениями Синеокой иметь на орбите собственные портативные аппараты.
– Сразу же после развала СССР, когда мы, традиционно сориентированные на работу по всесоюзным космическим и оборонным программам, остались не у дел и без денег, возникла мысль поучаствовать в международном конкурсе NASA, – вспоминает заведующий лабораторией радиационной плазмодинамики Института физики НАН Беларуси доктор физико-математических наук Александр Чумаков. – Американцы задумались тогда о двигателях малой тяги, а у нас как раз на этот счет были перспективные идеи. Вместе с российскими коллегами из Центрального НИИ машиностроения мы в этом конкурсе приняли участие, но безуспешно. Победу и солидный грант американцы отдали своим. Однако Роскосмос наш замысел оценил и выделил на исследования «утешительные» 10 тысяч долларов. Сумма была скромной, но  для того тяжелого времени спасительной. Воспользоваться же этими деньгами белорусам можно было только через совместную программу, куда тему и включили.
Но почему у стран, участвующих в космических программах, одновременно возник интерес к двигателям малой тяги? Все дело в растущей миниатюризации бортовой аппаратуры и, как следствие, в тенденции к снижению массы спутников. Чем легче аппарат, тем меньше расходы на запуск. Но вот беда: принцип работы придуманных россиянами и скопированных всеми остальными космическими державами стационарных плазменных двигателей, используемых на многотонных зондах, как выяснилось, нельзя реализовать на спутниках массой 200 и меньше килограммов. К тому же двигатели «космических монстров» потребляют много газа ксенона, довольно дорогого, кстати, запастись которым в достаточной мере на борту миниатюрного аппарата невозможно.
Потому-то малые спутники если и запускаются сегодня, но из-за ограниченного ресурса корректирующих двигательных установок, использующих разные технические решения, живут они на орбите недолго. Некоторые и вовсе лишены систем ориентации, что тоже не продляет их век. Словом, из этого тупика космонавтика пока не выбралась, а потому поиск идет во многих странах одновременно, причем конструкторы порой хватаются даже за самые спорные идеи: а вдруг!
Два года назад, например, в России запустили спутник «Юбилейный», оснащенный совсем уж нетрадиционным двигателем, не использующим реактивный выброс массы. То есть речь шла о попытке использовать мифические торсионные поля. В шутку двигатель, внутри которого вращалось рабочее тело в форме торнадо, назвали «гравицапой». И, похоже, шутка состоялась. Спутник никаких шевелений на орбите так и не произвел. Но разговоров вокруг этого было много.
В отличие от «гравицапы» на пиар создаваемых лазерно-плазменных двигателей никто не работает и они, кроме специалистов, мало кому известны. Но сегодня двигатели  признаны самым перспективным направлением, хотя и очень трудным в реализации. Причем решений здесь предполагается такое великое множество, что различные исследовательские группы в разных странах могут продвигаться к цели, не повторяя друг друга.
Белорусы и россияне уже близки к успеху. От крупного макета, на котором отрабатывались параметры, они перешли к отладке и доводке экспериментального образца в натуральную величину, где лазерно-оптический блок вместе с источником плазмы в сборе составляет в длину всего 16 сантиметров. Эта конструкция буквально вот-вот должна пройти функциональные испытания в Институте физики НАН Беларуси, а потом будет опробована в вакуумной камере. Время полетных испытаний пока не определено. Все будет зависеть от успеха наземных тестов.
– Принцип действия лазерно-плазменного двигателя состоит в следующем, – поясняет Александр Чумаков. – Импульсное лазерное излучение воздействует на рабочее тело, которое испаряется и превращается в плазму. Разлетаясь от движка, плазма толкает аппарат. При этом в отличие от химического горения топлива требуется очень мало и используется оно полнее, создавая точно отмеренный, прецизионный импульс тяги. Правда, проблем хватает и здесь. Например, мощные, компактные и долговечные лазеры создать не так просто. Над их созданием работают в двух других лабораториях нашего института. Кроме того, твердое рабочее тело нужно подавать в зону действия лазерного излучения, а это требует затрат энергии, утяжеляет конструкцию, заставляет решать проблему сваривания трущихся деталей в открытом космосе. Именно поэтому, когда техническое задание в ходе выполнения работы было пересмотрено заказчиком и ресурс, первоначально определенный в 2-3 года, решено было резко увеличить, мы перешли на жидкое рабочее тело – вещество, подобное вакуумному маслу, характеристики которого соответствующим образом улучшили. Есть вариант и с использованием жидких металлов. Но и версию с твердым телом мы окончательно не хороним. В нашей лаборатории предложен чрезвычайно оригинальный способ подачи его в зону образования плазмы, при котором не будет механического перемещения. В нужное место атомы металла должны попадать за счет электролитического эффекта. Разумеется, сложности всем этим не ограничиваются. Многие проблемы, связанные с проектированием двигательной системы микроспутника в целом вместе с компьютерным блоком управления ориентацией космического аппарата, решают наши коллеги из ЦНИИ машиностроения с привлечением Института сильноточной электроники Сибирского отделения Российской академии наук.  
Белорусским физикам, работающим по программам космических исследований, часто задают вопрос: какую пользу извлекает маленькая страна из всего этого и надо ли ей заниматься проблемами, поднять которые могут только мощные государства? Если хотим сохранить научный потенциал, повторю я их доводы, и если хотим, чтобы этот потенциал соответствовал мировому уровню и решал не только космические, но и земные проблемы, то надо заниматься. В конце концов всякая разработка – это товар. На его создание хотя и требуются деньги, но и заработать на нем можно гораздо больше, если реализовать его тем странам, которые скупятся на науку.

Дмитрий ГОМЕЛЬСКИЙ