Воздушные космические двигатели: невероятно звучащая реальность

Орбиты на краю космоса

Околоземные орбиты бесконечно разнообразны по форме своего эллипса, размерам и расположению в пространстве. В том числе огромен и диапазон их высот. Автоматические обсерватории поднимаются по высоким эллиптическим орбитам на 150 тысяч километров над Землей и выше. Другие эллиптические орбиты типа «Молния» и «Тундра» для спутников телетрансляции и обнаружения пусков ракет достигают апогея в 40 тысяч километров, немного выше геостационарной орбиты с ее высотой 35 786 километров. Спутники GPS, ГЛОНАСС и других систем глобального позиционирования бороздят космос на средних высотах приблизительно 19-20 тысяч километров.

Это всевозможная гражданская и военная связь, дистанционное зондирование нашей планеты, фотосервисы и оптическая разведка на многочисленных солнечно-синхронных орбитах, наблюдение тусклых гиперзвуковых целей в атмосфере и множество других применений. На низких орбитах летят и пилотируемые космические корабли, и станции МКС и «Тяньгун». Туда же планируют запуски их будущих аналогов.

Внизу всего этого разнообразия лежит самый необычный слой орбит. Полет там по-своему уникален, и качественно отличается от движения по любым другим орбитам. Он дает важные преимущества, которых больше нет нигде в космосе. Но для освоения этих заманчивых орбит нужно решить необычные для космических спутников задачи.

Необычности начинаются с того, что границы этого особого диапазона высот точно не заданы. Формальной границей атмосферы и космоса человек назначил круглые 100 километров (названные линией Кармана, хотя на самом деле это поверхность) ради своего удобства. В реальности атмосфера поднимается гораздо выше и прослеживается до пары тысяч километров. Например, МКС на высоте своих 415 километров испытывает атмосферное торможение от 100 до 400 граммов силы, в зависимости от высоты полёта, текущего состояния атмосферы и положения панелей солнечных батарей.

Ниже плотность воздуха и его тормозящая сила растут. На высотах 120-150 километров орбиты теряют устойчивость: космический аппарат начинает там свой последний виток, уже не полный и ведущий к падению в плотную атмосферу. На переход к финальному витку влияют и форма аппарата, его «размашистость» или, наоборот, обтекаемая компактность.

Такие орбиты издавна работают в космонавтике, но по ним не делают полного оборота вокруг Земли. Ракета обычно выводит туда полезный груз, еще не отделившийся от последней ступени или разгонного блока. По низкой орбите груз со ступенью «доезжает» до нужного района Земли, например до полюса или в другое полушарие, где включаются двигатели ступени или разгонного блока.

Груз уходит с этой низкой орбиты на другую, поднимаясь выше и продолжая полет к целевой орбите, куда он держит путь. Такие временные орбиты, с которых груз вскоре уходит в дальнейший полет, называют опорными. В России их привычная высота круглые 200 километров, в США это часто 185 километров — круглые 100 морских миль.

На высотах 200-250 километров спутник может находиться в свободном движении примерно неделю. За это время атмосфера затормозит его и стащит вниз, к высотам неустойчивости орбит, откуда быстро сбросит в погребальный костер в плотных слоях.

Орбиты, занимающие этот нижний край космоса, зовутся в англоязычных источниках VLEO, или Very Low Earth Orbit («очень низкие околоземные орбиты»). Мы будем говорить короче: сверхнизкие орбиты. И они отличаются от всех других околоземных орбит особыми свойствами.

Самые низкие — самые близкие

Прежде всего наименьшая высота: она дает два важнейших плюса. Первый — близость к наземным объектам наблюдения. И оптическое наблюдение, и радиолокационное даст здесь самые большие разрешение и чувствительность, а значит, подробность и оптического снимка в любых диапазонах, и радиолокационного изображения. Со столь малых высот можно разглядеть тусклые цели внизу, уже неразличимые с высот тысяч километров. Это могут быть очень серьезные и важные цели: например, относительно слабо нагретые гиперзвуковые крылатые ракеты. А для большого радарного разрешения на этих высотах потребуется небольшая мощность и излучателя, и источников питания, упрощая конструкцию и снижая ее массу.

Отметим, что высокие разрешение и детализация с этой высоты получатся и у гравиметрических работ, измеряющих распределение аномалий гравитационного поля Земли и выявляющих по ним детали геологических объектов (например, месторождений полезных ископаемых). Тут проще изучать и объекты на Земле и в атмосфере, и поля возле нее.

Второй плюс малой высоты — минимальная задержка сигнала со спутника и на спутник. Для систем связи она может быть чрезвычайно важна, особенно для телефонных звонков через спутники.

Третий плюс сверхнизких орбит — отсутствие там космического мусора. Не нужно маневрировать, избегая столкновения, и отслеживать баллистическую обстановку. Атмосфера непрерывно и эффективно очищает эти высоты, быстро переводя весь космический мусор в редкий косой огненный дождь.

Если бы сделать полет на этой высоте длительным, многолетним, такая орбитальная система по эффективности и возможностям намного превзошла бы большинство существующих спутниковых группировок.

Борьба орбиты с атмосферой

Но весомые плюсы, однако, сопровождаются двумя важными минусами, порождаемыми все той же атмосферой. Это аэродинамическое сопротивление и эрозионное действие на поверхности конструкции спутника. Ключевым является атмосферное торможение, противодействующее длительному полету.

Она состоит здесь из азота и еще больше из кислорода, но не из тех кислородных молекул, которыми мы дышим. Поглощая энергию солнечного ультрафиолета, молекулы О2 распадаются здесь на отдельные атомы. И этот атомарный кислород нагрет до температуры 1000 °С и больше, из-за чего эта часть атмосферы называется термосферой.

Впрочем, ощутимо разогреть конструкцию столь разреженная среда не может. Зато атомарный кислород химически очень активен, и действует на поверхность спутника окислением, разъедая материалы и меняя их свойства. А главное — непрерывный поток кислородных атомов, бьющих навстречу летящей конструкции на огромной орбитальной скорости, неумолимо замедляет спутник, снижая высоту и погружая его в зону неустойчивости орбит и к началу его последнего огненного витка.

Именно атмосферным торможением на сверхнизкой орбите определился и исторический старт первого космонавта. Целевая орбита корабля «Восток-1» с Гагариным на борту имела перигей на высоте 181 и апогей на высоте 235 километров. В случае отказа тормозной двигательной установки корабля атмосфера закончила бы орбитальный полет за четверо суток, на которые с запасом предусмотрели бортовой запас еды, воды и кислорода.

Однако задержка исполнения радиокоманды на выключение двигателя третьей ступени продлила тягу и увеличила импульс, подняв апогей орбиты корабля до 327 километров. Свободный сход с нее занял бы, по разным оценкам, 20-50 дней. К счастью, полет первого космонавта завершился благополучно (сработало торможение двигателем), и атмосферное замедление для схода с орбиты не понадобилось. Но вот для долгой работы на сверхнизкой орбите это торможение выступает критической проблемой.

Возможные решения проблемы торможения

Решать ее можно сразу по двум направлениям. Первое — снижать лобовое сопротивление конструкции. Для этого корпус спутника нужно сделать вытянутым в длину и узким: чем меньше площадь поперечного сечения спутника, тем меньше торможение. Из этих же резонов солнечные панели стоит вытянуть вдоль корпуса, как оперение стрелы: так они создадут наименьшее сопротивление.

Хорошо бы заострить переднюю часть спутника, сделав ее клиновидной. А еще применить там специальные гладкие материалы зеркального типа, при ударе в которые встречные атомы кислорода будут косо отскакивать от них, снижая передаваемый спутнику тормозящий импульс.

Эти меры снизят, но не обнулят сопротивление воздуха. Его остаток можно компенсировать тягой двигателя, и это второе направление борьбы с атмосферным торможением. Для долгого полета работа двигателя нужна столь же долгая. Химические двигатели не годятся: они сожгут топливо слишком быстро, его не хватит для многих месяцев или лет полета.

Сначала двигатель отрывает электрон от нейтрального атома этих газов; полученные заряженные ионы отзывчивы на ускоряющее действие электрического поля двигателя. Они разгоняются полем и вылетают из сопла с огромной скоростью, создавая реактивную силу. Запаса из нескольких килограмм криптона хватает на несколько месяцев работы двигателя.

Таким был европейский гравиметрический спутник GOCE (Gravity Field and Steady-State Ocean Circulation Explorer — «исследователь гравитационного поля и установившихся океанских течений»), сделанный для долгой работы на сверхнизкой орбите. Запущенный российской ракетой из Плесецка в марте 2009-го, он четыре года работал на круговой орбите высотой 255 километров. Это удалось благодаря удлиненной аэродинамической форме пятиметрового корпуса и вытянутым вдоль корпуса солнечным панелям, сильно похожим на оперение стрелы. А также непрерывной работе двух электрореактивных двигателей и бортовому запасу ксенона в 40 килограммов. После исчерпания ксенона спутник потерял тягу, замедлился и сгорел в атмосфере в ноябре 2013 года.

Космический Пегас на подножном корму

Что, если в качестве рабочего тела использовать не только поднятый на орбиту ксенон, но и уже находящиеся там атомы и ионы кислорода? Электрическое поле двигателя разгонит и их до высоких скоростей выброса. Атомная масса кислорода меньше, чем у криптона и ксенона в пять-восемь раз; при той же скорости вылета из двигателя настолько же слабее окажется реактивная сила от выброса иона кислорода. Но она будет: двигатель создаст тягу. Эта мысль в шаге от ключевой идеи: атомы кислорода можно собирать из окружающего простора — точнее, из встречного потока.

С этой скоростью встречный атом кислорода ударит в аппарат, передав ему свой тормозящий импульс — произведение массы атома на его скорость. Для реактивного разгона аппарата надо выбросить ион кислорода (его масса практически равна массе атома) намного быстрее. Тогда аппарат получит от иона реактивный импульс гораздо больший тормозного от встречного удара. К примеру, двигатели уже знакомого нам спутника GOCE выбрасывали ионы ксенона со скоростью более 40 километров в секунду, в пять раз быстрее полета по сверхнизкой орбите.

Проект сверхнизкоорбитального спутника с прямоточной двигательной установкой ABEP барселонского стартапа Kreios Space

Часть ударов встречных атомов придется просто на конструкцию аппарата и не попадут в двигатель. Их тормозящее действие нужно компенсировать реактивной тягой от ионов, проходящих через двигатель. Так можно полностью уравновесить аэродинамическое сопротивление — и аппарат полетит без потери скорости и снижения.

В глубоком космическом разрежении лишь скудные остатки воздуха. Но огромная скорость полета позволяет воздухозаборнику аппарата захватывать большой объем за секунду, и в этом большом объеме наберется достаточно кислородных атомов для двигателя. Главное — атмосфера неисчерпаема. Ее атомы никогда не закончатся, а тяга двигателя не иссякнет.

Особенно если и электроэнергию для разгона ионов брать из солнечных лучей с помощью батарей. Стоит лишь предусмотреть запас электроэнергии в аккумуляторах для теневой части орбиты, которая, кстати, всегда короче освещенной части. Так получится «вечный двигатель», работа которого не ограничена запасом рабочего тела или энергии: то и другое неисчерпаемо берется из окружающей среды. Время работы двигателя ограничится лишь физическим износом его систем и элементов, постепенным снижением их рабочих характеристик.

Что в имени тебе моем

Для такого двигателя еще нет устойчивого общепринятого названия. Он воздушный, раз работает на встречном воздухе. Он электрореактивный, раз создает реактивную силу электрическим разгоном ионов. Воздух в виде атомов кислорода входит в воздухозаборник, ионизируется и с разгоном выбрасывается из сопла. В англоязычной литературе часто пишут «Air-breathing ion engine (ABIE)» — «воздушный ионный двигатель». Или RAM-EP / RAM-electric propulsion «прямоточный электрореактивный двигатель», Air-breathing electric propulsion (AEP) «воздушно-электрический двигатель».

В российских работах встречаются «ионный воздушно-реактивный двигатель (ИВРД)» и «прямоточный электрореактивный двигатель (ПЭРД)». Мы для простоты назовем такой двигатель воздушно-космическим.

С прямоточностью вопрос: она подразумевает только поступательное, «прямое» течение воздуха в проточной части, без вращения его лопатками компрессора. Только встречный скоростной напор делает всю работу по сжатию в двигателе. Выбор конкретной технической схемы двигателя определит, станет ли он прямоточным.

Такая прямоточная схема тоже возможна: попадающие в воздухозаборник атомы кислорода отражаются сужающимися поверхностями конструкции внутрь, концентрируясь в узкой горловине. Дальше мощной электрической дугой атомы нагреваются до ионизации, попадают в разгоняющее электрическое поле сопловой части. Для эффективного отражения, «отскока» атомов от поверхностей воздухозаборника потребуются специальные материалы, стойкие к кислороду и не дающие атомам «залипать» в них. Возможно, понадобятся маленькие углы наклона этих поверхностей и другие технические хитрости для эффективности рабочего процесса.

Например, воздухозаборнику можно придать форму однополостного параболоида, обращенного раструбом навстречу потоку. Атомы, летящие почти параллельно и прямолинейно, отразятся от стенок параболоида в его фокус, подобно параллельным лучам света. Но не строго в точку, а из-за своего разброса скоростей и атомарного движения размазано в тесную область вокруг точки геометрического фокуса. Впрочем, и этого достаточно для решения задачи первичного сжатия. Так атомы кислорода сфокусируются в тесной области (фокусировка необычное дело для газодинамики!). Там начнется канал воздуховода, в профилированном сужении которого кислород затормозится до приемлемого сверхзвука, уплотнившись для последующей ионизации.

В общем случае можно организовать и не строго прямоточный процесс. А как-либо иначе задать работу ловушек кислородных атомов и их транспортировку в зону ионизации. Технические решения и детали физических схем и процессов можно изобрести разные. Конструкторские бюро, создающие такие двигатели, не всегда раскрывают детали своих технологий.

Волна освоения космических низин

Сегодня ведется много разработок специализированных спутников для сверхнизких орбит. Американская Skeyeon делает спутник Near Earth Orbiter, похожий на зубило с клиновидным носом и «оперением стрелы» из узких солнечных панелей. Из них хотят создать орбитальную сеть на высоте 250 километров. Компания EOI Space из американского штата Колорадо планирует группировку спутников съемки сверхвысокого разрешения для государства и коммерции Stingray, похожих на детский бумажный самолет с «крыльями» солнечных панелей. Albedo, стартап из Денвера, хочет развернуть орбитальную сеть из 24 аппаратов для сверхчетких изображений со сверхнизкой орбиты. Китайский аэрокосмический гигант CASIC к 2027 году планирует сеть из 192, а к 2030 году из 300 космических аппаратов для высот 150-300 километров.

Одновременно ведутся разработки воздушно-космических двигателей. Теоретические работы с обоснованиями и расчетами публиковались уже 10 лет назад, в том числе российскими учеными из МГТУ имени Н. Э. Баумана и МАИ. Позже появились и экспериментальные конструкции.

Европейское космическое агентство в 2017 году испытало в вакуумной камере прямоточный двигатель ESA RAM-EP / Air-Breathing Hall Thruster (ABEP) — демонстрирующий работу в условиях, моделирующих 200 километров, с воздухозаборником польской компании QuinteScience. Его двухступенчатый модуль для ионизации и ускорения ионов создала итальянская компания Sitael. Аналогичный проект разработал базирующийся в испанской Барселоне стартап Kreios Space.

Институт космических систем Штутгартского университета в Германии создал Центр совместных исследований «Развитие технологий спутников на сверхнизких высотах» ATLAS. Он разрабатывает воздухозаборник и плазменный двигатель, впервые запущенный в марте 2020. Воздухозаборник и двигатель разрабатываются в рамках проекта DISCOVERER EU H2020.

В 2022 году свой вариант двигателя представили инженеры российской компании «Экипо», проведя его предварительные испытания со стабильной работой. Разработку двигателя ведут и в российском МАИ совместно с коллегами из МГУ.

И не только автоматическими космическими аппаратами. Пилотируемая долгосрочная станция на сверхнизкой орбите высотой 150-180 километров даст ряд преимуществ по сравнению с МКС. Ее орбиту не нужно будет периодически поднимать, так как не будет снижения. Уклоняться от космического мусора тоже не придется из-за его отсутствия. Детальность наблюдения Земли будет в разы выше.

Логистика станет в разы эффективнее: запускать грузы и экипажи на высоту 150 км дешевле и проще, чем на 415 километров к МКС. Или, с другого ракурса, та же ракета доставит на высоту 150 километров намного больше полезного груза, чем на 415 километров. А для утилизации отходов не нужен грузовой корабль с тормозной двигательной установкой и управляемым полетом в точку затопления. Отходы просто отправят за борт станции мелкими порциями, и спустя несколько часов они превратятся в легкую небесную иллюминацию.

Облик таких станций будет сильно отличаться от сегодняшних. Обтекаемый корпус, вытянутый вдоль движения, будет зиять носовым воздухозаборником. Позади станции вытянутся голубые ленты потоков ионов кислорода. Или воздушно-космические двигатели и их группы будут висеть на консолях по бокам станции, напоминая подвеску авиационных турбореактивных двигателей? Это пока еще область фантастики, но воздушно-космические двигатели сделают ее реальностью. Какой она окажется — покажет время.