Одно из направлений развития космонавтики, на которое сегодня делает ставку Россия, — создание инновационных плазменных двигателей. Сама технология существует и используется уже довольно давно. Однако российские ученые предлагают новые конструкции, обладающие рядом уникальных преимуществ. Создание нескольких прототипов направлено на решение разных задач — от продления срока службы спутников до сокращения времени дальних космических перелетов. Помогут ли человечеству покорить Марс плазменные двигатели — в материале «Известий».

Советское качество

Плазменные двигатели на космических аппаратах используются уже более 60 лет. Несмотря на то что за рубежом наиболее распространенный вариант установки принято называть холловским двигателем, поскольку в его работе используется открытый американским физиком Эдвином Холлом эффект, при котором в проводнике с током под действием магнитного поля возникает поперечная разность потенциалов, считать пионерами индустрии США было бы некорректно.

Значимость Советского Союза в появлении этой технологии сложно переоценить: идею о создании реактивного прибора, позволяющего достигать ближайшей звезды за 10–40 лет за счет ускорения частиц Константин Циолковский высказывал еще в 1903 году. А в 1950-х в Отделе плазменных исследований Института атомной энергии (ИАЭ) Академии наук СССР совместно с ОКБ-1 под руководством конструктора Сергея Королева началась разработка плазменных двигателей.

В 1964 году, как указывает директор Центра космических исследований и технологий «Космоцентр» НИЯУ МИФИ, старший научный сотрудник Института прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН Евгений Степин, состоялись два знаковых события — первое в истории применение в открытом космосе абляционных импульсных плазменных двигателей на советской автоматической межпланетной станции «Зонд-2» и запуск США суборбитальной ракеты SERT-1 с двумя ионными двигателями.

Советская станция была отправлена к Марсу. Сблизиться с Красной планетой тогда не удалось из-за проблем с раскрытием солнечных батарей, но сам факт запуска стал знаковым для развития этого направления.

При этом в декабре 1971 года в космос был отправлен спутник «Метеор-1-10», оснащенный стационарным плазменным двигателем (СПД) Алексея Морозова. Эта установка представляет собой разновидность электрического ракетного двигателя, в котором рабочее тело (например, ксенон) превращается в ионизированную плазму, создающую реактивную тягу благодаря ускорению электромагнитным полем.

Данная технология в конечном итоге получила широкое распространение. Даже новые космические аппараты, оснащенные плазменными двигателями, в основном работают именно на СПД. Большинство таких устройств выпущено российским ОКБ «Факел», и они востребованы во всём мире. С помощью российского СПД, например, европейский зонд Smart-1 был доставлен к Луне с околоземной орбиты. Поэтому приоритет России в области создания и использования плазменных электрореактивных двигателей признают все ведущие космические державы.

Плазменные двигатели предназначены для работы именно в космическом пространстве. Для летательных аппаратов, которые осуществляют движение в атмосфере (самолетов, вертолетов, БПЛА, ракет-носителей) такие установки — крайне неэффективный вариант, считает Евгений Степин. В этом случае адекватных альтернатив классическим решениям (реактивные двигатели на химическом топливе, лопасти и прочие) пока не существует.

— Сопротивление атмосферы требует мощных двигателей с высокой тягой, тогда как плазменные двигатели ею не обладают. Их преимущество раскрывается в безвоздушном пространстве — в вакууме, где нет сопротивления среды: благодаря высокому удельному импульсу и ресурсу работы, в космосе эти двигатели гораздо эффективнее и экономнее «химических» и позволяют развивать на порядок большие скорости, тем самым существенно сократить время на перелеты до целевого объекта — планеты или астероида, — разъясняет ученый.

Есть ли жизнь на Марсе

Работы по совершенствованию плазменных двигателей в России активно продолжаются. В последние годы в стране создаются и испытываются сразу несколько двигательных установок. Назначение у устройств 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 перелетов. Разработкой технологии начали заниматься еще в 2021 году. А в феврале 2025-го ученые объявили о создании лабораторного прототипа, приступив в 2026-м к этапу стендовых и ресурсных испытаний. Появление летного 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, указывает заместитель директора отделения по науке Научного института «Росатома» в Троицке Константин Гуторов.

— Если говорить конкретно о нашем плазменном ракетном двигателе, то аналогов за рубежом нет. Но есть конкурирующие разработки плазменных двигателей, основанные на других принципах, — уточняет он.

Наиболее известным конкурентным решением, по словам собеседника «Известий», является двигатель VASIMR компании Ad Astra Rocket. Эта компания продемонстрировала прототип двигателя с тягой до 5,4 Н, рассчитанный на мощность 200 кВт и изменение удельного импульса в диапазоне от 20 до 50 км/c.

Однако, как отмечает специалист, прототип «Росатома» имеет превосходство по комплексу характеристик — тягу 6 Н, удельный импульс 100 км/с и тяговую мощность свыше 300 кВт.

— Ключевым конкурентным преимуществом нашей разработки является высокий энергетический КПД, свыше 80%, — подчеркивает Константин Гуторов.

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 (едва превышающую 4,5 км/с). Такие характеристики открывают новые возможности для полетов к близким к Земле планетам.

Ожидается, например, что такая установка позволит сократить время полета к Марсу до 30–60 дней. На имеющихся технологиях подобная миссия может растянуться почти на год в одну сторону, обращал внимание ранее директор по науке и стратегии научного института «Росатома» в Троицке Николай Климов. И это не только тяжело психологически, но и опасно для здоровья космонавтов из-за воздействия излучения и радиации.

Евгений Степин подтверждает, что благодаря своим характеристикам и эффективности в космическом пространстве, маршевые плазменные двигатели для аппаратов открытого космоса (к которым относится и разработка «Росатома») открывают перед человечеством новые горизонты в освоении и изучении Солнечной системы. В первую очередь речь идет о Луне, Марсе и Венере. Впоследствии с помощью двигателей также могут исследоваться спутники Юпитера и пояс астероидов.

Мировая гонка за возможностью совершить пилотируемый полет 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 еще через два года на Марс попробуют доставить первый экипаж. Американский предприниматель рассчитывает, что примерно 20 лет спустя на Красной планете удастся основать самодостаточный город.

Ученые «Росатома», к слову, не единственные в России пытаются создать плазменный двигатель, подходящий для межпланетных перелетов. 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 полетов к другим планетам, включая Марс.

При этом, поскольку космос — очень недружелюбное место, для реализации полноценных пилотируемых космических полетов к другим планетам необходимо решить целый ряд технических задач, таких как защита от радиации, организация системы жизнеобеспечения и т.д., предупреждает Евгений Степин.

— А для работы маршевой плазменной двигательной установки требуется также обеспечить ее электропитанием, источником которого рассматриваются, в частности, компактные ядерные установки, что ставит еще и задачу об отводе лишнего тепла от аппарата, что в условиях космоса является нетривиальной проблемой, — подчеркивает собеседник «Известий».

Реактивный эффект

Ведутся, впрочем, 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 маневры, разъясняет Евгений Степин.

— В настоящее время без таких двигателей не обойтись при построении многоспутниковых группировок и для свода аппаратов с орбиты в атмосферу по истечении срока эксплуатации в решении проблемы накопления космического мусора, — убежден ученый.

Плазменные двигатели для наноспутников (аппаратов с небольшой массой — от 1 до 10 кг) занимаются ученые НИЯУ МИФИ. Еще 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 (МАИ) совместно с учеными из Московского физико-технического института (МФТИ) создали для работы с низкоорбитальными спутниками маломощный плазменный двигатель на криптоне. Силовая установка, как отмечали в пресс-службе МАИ, 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, ученые МАИ создали импульсный плазменный двигатель для сверхмалых спутников формата CubeSat (кубсатов). 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.

К слову, продолжаются в РФ 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 ученым, занимающимся разработкой инновационных плазменных двигателей, предстоит еще немало работы. Однако при достижении успеха России удастся укрепить свои позиции в космической отрасли, оставив конкурентов далеко позади.

— Наша страна первая в мире отправила в открытый космос и включила электрореактивный плазменный двигатель на автоматической межпланетной станции, первая в мире запустила на орбиту стационарный плазменный двигатель в составе искусственного спутника Земли и остается одним из лидеров в области разработки таких устройств. Безусловно, когда новые разработки будут полностью завершены и успешно продемонстрируют себя в «боевых» условиях, это еще больше укрепит позиции нашей страны в гонке по освоению ближнего и дальнего открытого космоса, — резюмирует Евгений Степин.

Валентина Аверьянова

https://iz.ru/2165532/valentina-averianova/tridtcat-sekund-do-marsa-kak-plazmennye-dvigateli-uskoriat-osvoenie-dalnego-kosmosa