Когда речь заходит о будущем космонавтики, воображение обычно рисует гигантские ракеты, огненные столбы и грохот стартовых площадок. Однако настоящая революция сегодня происходит в области куда более тихих, но невероятно эффективных технологий — электрических плазменных двигателей. И здесь Россия занимает особое положение, опираясь на фундамент, заложенный ещё советскими учёными.
Мне всегда было интересно наблюдать, как технологии, десятилетиями считавшиеся вспомогательными, вдруг выходят на передний план. Плазменные двигатели — именно такой случай. Они не могут оторвать ракету от Земли, но именно они способны доставить её к другим планетам быстрее и экономичнее любых химических аналогов. И сегодня российские научные коллективы создают сразу несколько прототипов, каждый из которых решает собственную задачу — от продления жизни малых спутников до сокращения времени полёта к Марсу.
Наследие, которое сложно оспорить
Плазменные двигатели работают в космосе уже более шести десятилетий. За рубежом самый распространённый тип таких установок принято называть холловским двигателем — в честь американского физика Эдвина Холла, открывшего эффект возникновения поперечной разности потенциалов в проводнике с током под воздействием магнитного поля. Однако было бы несправедливо приписывать пионерство в этой сфере Соединённым Штатам.
Советский вклад в рождение технологии переоценить невозможно. Ещё в 1903 году Константин Циолковский размышлял о реактивном приборе, который за счёт ускорения заряженных частиц позволил бы достичь ближайшей звезды за несколько десятилетий. А уже в 1950-х годах в Отделе плазменных исследований Института атомной энергии Академии наук СССР совместно с ОКБ-1 под руководством Сергея Королёва стартовала практическая разработка плазменных двигателей.
Переломным стал 1964 год. Тогда произошли два события, определившие вектор развития отрасли. Советская автоматическая межпланетная станция «Зонд-2» впервые в истории применила в открытом космосе абляционные импульсные плазменные двигатели. Параллельно американцы запустили суборбитальную ракету SERT-1 с двумя ионными двигателями. Станция «Зонд-2» направлялась к Марсу, и хотя сблизиться с Красной планетой тогда не удалось из-за проблем с раскрытием солнечных батарей, сам факт запуска стал знаковым для всей отрасли.
Настоящий прорыв случился в декабре 1971 года, когда на орбиту отправился спутник «Метеор-1-10» со стационарным плазменным двигателем, созданным Алексеем Морозовым. Эта установка представляет собой электрический ракетный двигатель, в котором рабочее тело — например, ксенон — превращается в ионизированную плазму, а электромагнитное поле разгоняет её, создавая реактивную тягу.
Именно эта технология в итоге стала доминирующей. Даже современные аппараты с плазменными двигателями в основном работают на СПД. Большинство таких устройств выпущено российским ОКБ «Факел», и они востребованы по всему миру. Показательный пример: европейский зонд Smart-1 добрался до Луны с околоземной орбиты именно с помощью российского стационарного плазменного двигателя. Поэтому приоритет России в области создания и использования плазменных электрореактивных двигателей признают все ведущие космические державы.
Важно понимать, что плазменные двигатели созданы исключительно для работы в вакууме. Для аппаратов, движущихся в атмосфере — самолётов, вертолётов, беспилотников, ракет-носителей — такие установки крайне неэффективны. Сопротивление воздушной среды требует мощных двигателей с высокой тягой, а плазменные двигатели ею не обладают. Их преимущество раскрывается именно в безвоздушном пространстве, где нет сопротивления среды. Благодаря высокому удельному импульсу и ресурсу работы в космосе эти двигатели оказываются гораздо эффективнее и экономнее химических, позволяя развивать на порядок большие скорости и существенно сокращать время перелётов до планет или астероидов.
Марсианские амбиции и технологический рывок
Работы по совершенствованию плазменных двигателей в России продолжаются активно. В последние годы в стране создаются и испытываются сразу несколько двигательных установок. Назначение у них разное: одни нужны, чтобы повысить эффективность работы малых спутников, другие призваны исполнить давнюю мечту человечества и помочь достичь других планет.
Особенно примечательной на этом фоне выглядит разработка «Росатома». Прототип плазменного реактивного двигателя, созданный Троицким институтом инновационных и термоядерных исследований, входящим в госкорпорацию, предназначен именно для дальних космических перелётов. Технологию начали разрабатывать ещё в 2021 году. А в феврале 2025-го учёные объявили о создании лабораторного прототипа, приступив в 2026-м к этапу стендовых и ресурсных испытаний. Появление лётного образца намечено на 2030 год.
Средняя мощность этого плазменного двигателя, работающего в импульсно-периодическом режиме, достигает 300 кВт. Это позволяет разогнать космический аппарат до скоростей, недоступных традиционным химическим двигателям. Запас топлива при этом используется эффективнее, что в десятки раз сокращает его потребность.
Разработку мощных плазменных двигателей в настоящее время ведут все космические державы. Однако у российского прототипа, по заверению специалистов, прямых зарубежных аналогов нет. Существуют конкурирующие разработки, основанные на других принципах, но именно такого двигателя нет нигде.
Наиболее известное конкурентное решение — двигатель VASIMR компании Ad Astra Rocket. Эта компания продемонстрировала прототип с тягой до 5,4 Н, рассчитанный на мощность 200 кВт и изменение удельного импульса в диапазоне от 20 до 50 км/с. Российский прототип превосходит его по комплексу характеристик: тяга 6 Н, удельный импульс 100 км/с и тяговая мощность свыше 300 кВт. Ключевым конкурентным преимуществом является высокий энергетический КПД — свыше 80%.
Работать без остановки этот плазменный двигатель может минимум 100 дней. А скорость истечения плазменного потока в десятки раз превосходит скорость струи при сгорании химического топлива в ракетах, которая едва превышает 4,5 км/с. Такие характеристики открывают новые возможности для полётов к близким к Земле планетам.
Ожидается, например, что такая установка позволит сократить время полёта к Марсу до 30–60 дней. На имеющихся технологиях подобная миссия может растянуться почти на год в одну сторону. И это не только тяжело психологически, но и опасно для здоровья космонавтов из-за воздействия излучения и радиации.
Благодаря своим характеристикам и эффективности в космическом пространстве маршевые плазменные двигатели для аппаратов открытого космоса открывают перед человечеством новые горизонты в освоении и изучении Солнечной системы. В первую очередь речь идёт о Луне, Марсе и Венере. Впоследствии с помощью таких двигателей также могут исследоваться спутники Юпитера и пояс астероидов.
Мировая гонка за возможность совершить пилотируемый полёт на Марс становится всё активнее. Например, основатель SpaceX Илон Маск уже заявил, что через два года его компания отправит к этой планете первые беспилотные космические корабли. В случае успеха ещё через два года на Марс попробуют доставить первый экипаж. Американский предприниматель рассчитывает, что примерно 20 лет спустя на Красной планете удастся основать самодостаточный город.
Учёные «Росатома», к слову, не единственные в России, кто пытается создать плазменный двигатель, подходящий для межпланетных перелётов. В НИЦ «Курчатовский институт» ведутся испытания безэлектродного плазменного двигателя. В апреле этого года сообщалось, что прототип проверяется в установке, имитирующей условия космоса. Разработчики также полагают, что такое устройство в будущем можно будет использовать для полётов к другим планетам, включая Марс.
При этом космос — очень недружелюбное место. Для реализации полноценных пилотируемых полётов к другим планетам необходимо решить целый ряд технических задач: защита от радиации, организация системы жизнеобеспечения и многое другое. А для работы маршевой плазменной двигательной установки требуется также обеспечить её электропитанием. Источником рассматриваются, в частности, компактные ядерные установки, что ставит ещё и задачу об отводе лишнего тепла от аппарата — в условиях космоса это нетривиальная проблема.
Двигатели для малых аппаратов: практическая польза уже сегодня
Ведутся работы и по созданию плазменных двигателей, которые можно будет использовать уже в самом ближайшем будущем. Речь об установках, которые позволят повысить эффективность работы малых спутников.
Применение электрореактивных и плазменных двигателей на орбитальных спутниках позволяет им корректировать орбиту и производить различные манёвры. В настоящее время без таких двигателей не обойтись при построении многоспутниковых группировок и для свода аппаратов с орбиты в атмосферу по истечении срока эксплуатации — это важно для решения проблемы накопления космического мусора.
Плазменными двигателями для наноспутников — аппаратов массой от 1 до 10 кг — занимаются учёные НИЯУ МИФИ. Ещё в феврале 2023 года специалисты завершили огневые испытания абляционной импульсной плазменной двигательной установки VERA с увеличенной тягой. Устройство успешно прошло проверку в составе наноспутника «Святобор-1». Особенность данного двигателя заключается в том, что специалистам удалось значительно уменьшить его габариты и массу, сохранив приемлемую тягу при существенном снижении потребляемой мощности — до уровня не более 3 Вт.
В свою очередь специалисты Московского авиационного института совместно с учёными из Московского физико-технического института создали для работы с низкоорбитальными спутниками маломощный плазменный двигатель на криптоне. Силовая установка сможет поддерживать орбитальную высоту, избегать столкновений с космическим мусором и контролируемо сводить спутники с орбиты в конце срока их службы. Предполагается, что с начала эксплуатации в космосе двигатель сможет работать до семи лет.
Помимо этого, учёные МАИ создали импульсный плазменный двигатель для сверхмалых спутников формата CubeSat. По своей сути разработка близка к установке VERA, созданной в МИФИ. Она также призвана существенно расширить мощностные возможности таких аппаратов. Этот двигатель превосходит конкурентов по важному параметру — суммарному импульсу тяги — и отличается простотой в изготовлении, что упрощает серийное производство.
Продолжаются в России работы и по совершенствованию других плазменных двигателей. В марте 2023 года в «Роскосмосе», например, заявили об успешных испытаниях стационарного плазменного двигателя СПД-70М на криптоне, созданного в ОКБ «Факел». А в марте 2024-го в Центре Келдыша провели огневые испытания плазменного двигателя КМ-55 для малых спутников.
На нынешнем этапе российским учёным, занимающимся разработкой инновационных плазменных двигателей, предстоит ещё немало работы. Однако при достижении успеха России удастся укрепить свои позиции в космической отрасли, оставив конкурентов далеко позади.
Мне кажется символичным, что страна, первой отправившая в открытый космос и включившая электрореактивный плазменный двигатель на автоматической межпланетной станции, первой запустившая на орбиту стационарный плазменный двигатель в составе искусственного спутника Земли, продолжает оставаться одним из лидеров в области разработки таких устройств. Когда новые разработки будут полностью завершены и успешно продемонстрируют себя в реальных условиях, это ещё больше укрепит позиции России в гонке по освоению ближнего и дальнего открытого космоса.
Обсудить статью
