Двигатели для маленьких спутников

Политолог, публицист Александр Механик и старший преподаватель Института лазерных и плазменных технологий НИЯУ МИФИ, главный инженер ООО СТАР Игорь Егоров – о масштабировании производства двигателей для кубсатов.

В 2015 году в десятку выдающихся открытий по версии журнала Science вошло создание сверхмалых космических аппаратов типа кубсат (англ. CubeSat, cube + satellite). Но история создания таких аппаратов началась еще в 1999 году в США в результате совместных усилий Калифорнийского технологического института и Стэнфордского университета.

Многие страны, в том числе ранее никогда не занимавшиеся космонавтикой, строят собственные спутники подобного типа для проведения атмосферных исследований, наблюдений Земли и испытания новых космических технологий. Именно такие миниатюрные спутники позволяют им проводить недорогие космические исследования.

Кубсаты, в большинстве случаев относящиеся к классу наноспутников, строятся в стандартном размере 100 × 100 × 113,5 мм (типоразмер, который получил обозначение 1U) и выполняются в форме кубика, как легко догадаться по названию. Они масштабируются и бывают разных версий — 1U, 1,5U, 2U, 3U или 6U. Весит такой спутник максимум 2 кг на U. В последние годы разрабатывались и более крупные платформы CubeSat, включающие модель 12U (226,3 × 226,3 × 366 мм), которая может расширить возможности кубсатов, позволив выйти за пределы академических исследований и проводить испытания новых технологий для интересов сложной науки и оборонки.

Наибольшие перспективы идея малых стандартизированных аппаратов имеет при создании на их основе распределенных спутниковых систем — группировок спутников, разнесенных на большие расстояния, но выполняющих общие задачи. В этом случае различные системы могут быть перераспределены между аппаратами (например, для дистанционного зондирования Земли может использоваться специальный спутник, оборудованный телеметрической системой с большой пропускной способностью для передачи данных, собранных другими аппаратами).

Но для маленьких спутников нужны маленькие двигатели, причем дешевые, а это не самая простая техническая проблема. О том, как ее решали в МИФИ мы рассказывали в 2022 году. Теперь университетские НИОКР трансформировались в малый инновационный бизнес, перед которым стоит задача масштабирования, превращения стартапа в скейлап. О том, как это происходит, мы решили узнать у нашего тогдашнего собеседника Игоря Егорова, старшего преподавателя Института лазерных и плазменных технологий НИЯУ МИФИ и главного инженера ООО СТАР.

— Что изменилось за это время в конструкции двигателей, какие новые достижения появились у разработчиков?

— Принципиальных изменений в двигателях не произошло. Но вот в деталях их много. Например, изменился шаг намотки магнитной системы, размер рабочего тела, подобных изменений было множество. И суммарно они привели к тому, что нам удалось значительно повысить эффективность двигателя: если двигатель, отправленный на орбиту в 2022 году, имел импульс плазмы за один разряд в районе 400 микроньютонов за секунду, то в прошлом году мы отправили на орбиту новый двигатель, и там уже 1100. То есть импульс увеличился почти втрое. При этом габариты двигателя, или, точнее, всей двигательной установки, остались прежними.

Так что прогресс именно по двигателю у нас большой. При этом мы решили всякие мелкие задачи, например повысили стабильность при изготовлении свечей зажигания. Смогли добиться того, что мы можем делать сейчас целую серию, и каждая из них сразу работает. А не переделываем по десять раз, чтобы заработала. Сейчас мы дошли до этапа, когда главное, что нам нужно дорабатывать, — это электроника, управляющая двигателем.

— Что с точки зрения эксплуатации самой ракеты или спутника дало это усовершенствование?

— С точки зрения эксплуатации эти усовершенствования дали то, что можно совершить орбитальный маневр в несколько раз быстрее. И, соответственно, спутник будет меньше времени занят маневром и больше — выполнением своих основных задач.

— В сообщении вашей пресс-службы, которое, собственно, сподвигло нас на интервью, говорилось, что создается предприятие по серийному производству двигательных установок. Что это значит? Вы создаете какой-то цех или даже завод?

— Нет. В данном случае речь идет о юридическом оформлении наших отношений с нашим университетом. МИФИ — это образовательное и научно-исследовательское учреждение. Даже чисто формально оно не имеет права заниматься поставками серийной продукции. МИФИ может в рамках какого-то контракта на исследовательскую работу поставить результаты этих исследований в виде какого-то изделия, но вот производить их серийно МИФИ права не имеет. Соответственно, юридически создается новое предприятие, в котором МИФИ один из совладельцев, а другие совладельцы — это, в частности, лично я и еще некоторые мои коллеги. И такая организация уже имеет право на серийное производство двигателей.

И в отличие от МИФИ, для которого эти двигатели — одно из десятков, даже сотен направлений, у этого предприятия это единственная задача. И это предприятие, сейчас заключает контракт на разработку и поставку электронных компонентов с аэрокосмическими предприятиями. А получив от них электронику, здесь, в той же самой лаборатории, только теперь уже арендованной новым предприятием у МИФИ, мы собираем и испытываем двигатели, а затем поставляем их заказчикам.

— А ранее эти двигатели серийно изготавливались? Если да, то кем и как?

— Самое большое, что мы сделали, — это серию из трех двигателей, точнее двигательных установок. Одинаковых, однотипных, одна из них осталась у нас, а две другие были поставлены двум разным заказчикам. То есть каждый раз поставлялась только одна двигательная установка, и формально это не было серией. Но де-факто мы изготовили серию из трех двигателей. Такое было. Но это максимум.

— Какую сейчас вы видите перспективу, сколько может потребоваться таких установок?

— На данный момент компания, которую мы считаем своим ключевым заказчиком, готова приобретать до 60 двигателей в год. Плюс есть некоторые договоренности о более мелких заказах. Так что у нас вполне может выйти даже более 70 двигателей за следующий год.

— Что это за компания?

— Главный наш партнер — компания «Спутникс». Это частная компания, на данный момент она входит в Sitronics Group. И они сейчас, если считать космические аппараты в штуках, а не по деньгам, крупнейшие в России производители. Причем с огромным отрывом. Они делают космические аппараты десятками в год. И в перспективе нужны десятки двигателей. Сейчас они отправляют аппараты без двигателей и у них нет возможности орбитального маневрирования, но они хотели бы иметь такую возможность. Для этого им нужен поставщик двигателей, который их серийно выпускает. И мы планируем таковым стать.

— У вас были в разработке разные типы двигателей. О каком именно типе сейчас идет речь?

— На данный момент у нас речь идет о серийном выпуске двигателя VERA — абляционный импульсный плазменный ракетный двигатель. Это у нас наиболее отработанное изделие. Уже запускали на орбиту несколько аппаратов с прототипами таких двигателей. И в ближайшее время уже можно начинать его серийный выпуск. Другие варианты — это либо какие-то самые первые, лабораторные образцы, даже можно сказать действующие макеты либо вообще концепции.

— А ракеты и спутники, на которые их ставят, — это изделия для науки или для решения каких-то прикладных задач?

— Для чисто прикладных задач. Если мы говорим о нашем основном потенциальном заказчике, «Спутниксе», то это отслеживание перемещения морских судов, а в перспективе и воздушных судов. У них также есть спутники для решения задач дистанционного зондирования Земли, то есть просто для фотосъемки Земли, и это чисто коммерческие задачи. Сейчас есть проблема: в России нет никого, кто мог бы по всей планете отслеживать суда. А ведь торговля у России идет со всем миром, и российским компаниям очень хотелось бы знать, где их грузы. Сейчас эти данные приходится покупать за рубежом. Но в текущих условиях непонятно, всегда ли удастся их получать. И на каких условиях. Поэтому «Спутникс» взялся срочно создавать такую группировку спутников, чтобы получать необходимые данные.

Одновременно они создают группировку для съемки Земли. Спутники для съемки у России есть, и они хорошие, но их мало. Поэтому мы имеем ограниченную возможность за определенное время что-то отснять. Например, если к нам придет фермер, и скажет: «Я хочу отслеживать свои поля, как там идет уборка урожая», — то, скорее всего, ему ответят, что смогут снять его поле в следующем месяце. А в следующем месяце ему это уже не нужно. Необходимо развивать группировку, чтобы было много спутников. И в «Спутниксе» этим занимаются, налаживают серийный выпуск спутников, в том числе для дистанционного зондирования Земли.

— А для того, чем Маск занимается, для систем связи, подходят такого рода спутники?

— Мы можем создать двигатели и для спутников связи, но такого заказа на данный момент у нас нет.
Вернее, два года назад к нам обращалась компания «Бюро 1440», но два года назад мы были, мягко говоря, еще далеки от серийного производства. И они обратились к другой компании. И сейчас сотрудничают с ними, а к нам больше не приходили. Если они снова придут к нам, то пожалуйста, мы с радостью сделаем двигательную установку под их космические аппараты.

— Кто-то еще занимается разработкой и изготовлением такого рода двигателей?

— Если мы говорим о сверхмалых плазменных ракетных двигателях, то в тех габаритах, в которых сейчас у нас сделана VERA, по крайней мере в России, никто за такую задачу сейчас, насколько нам известно, не берется. Только более крупные двигатели. Собственно, поэтому мы и выбрали эту ниша, что никто ею не занимался, у нас конкурентов здесь нет. Тем не менее к нам уже обратились с запросом сделать двигатель покрупнее. По той же технологии, но крупнее. И здесь уже у нас будут конкуренты, например тот же МАИ. Они тоже занимаются абляционными импульсными двигателями, просто более крупными. И если мы завтра, условно говоря, сделаем двигатель массой не полкило, как сейчас, а полтора килограмма и мощностью не два ватта, как сейчас, а двадцать ватт, тогда у заказчика уже будет выбор: можно взять двигатель или у МАИ, или у нас. Но раз у нас есть запросы от заказчиков, сейчас обсуждается заключение договора, то мы, естественно, рады это сделать.

— А почему для спутников выбран именно этот тип двигателя? В силу того, что его можно сделать малогабаритным, или у него есть еще какие-то характеристики, необходимые для спутников?

— Два момента играют в этом случае свою роль. Во-первых, такой двигатель действительно можно сделать очень маленьким, мало какие типы двигателей хорошо работает в таких габаритах. А во-вторых, его можно сделать дешевым. И это тоже очень важный момент. Потому что мы делаем двигатели для очень маленьких и дешевых спутников — кубсатов. Соответственно и двигатели там требуются дешевые. Если мы сделаем двигатели ценой, допустим, пять миллионов рублей за штуку, то он просто мало кому будет нужен за такие деньги. Даже если он будет еще меньше и при этом даже мощнее и эффективнее. Но если у вас сам спутник стоит пять миллионов, вы не захотите тратить еще пять миллионов на двигатель. А наш двигатель пока стоит 500 тысяч рублей.

Возможно, его цена несколько вырастет, именно из-за электроники. У нас в России, как вы понимаете, сейчас есть некоторые проблемы с электронными компонентами. Плюс мы пытаемся электронику улучшить. И ее улучшение, повышение надежности тоже может привести к некоторому росту цены, но не многократному.

— Казалось бы, МИФИ к двигателям не имеет прямого отношения. Почему вы вообще занялись ими, как началась ваша история?

— Сказать, что МИФИ не имеет отношения к двигателям, несколько неправильно. В МИФИ на протяжении очень долгого времени, например, работает кафедра горения и взрыва, которая разрабатывает детонационные жидкостные ракетные двигатели. То есть в МИФИ занимаются тематикой ракетных двигателей, и уже давно. И у нас есть кафедра физики плазмы, которая занимается самыми разными плазменными установками и плазменными процессами. До того, чтобы заняться плазменными двигателями всерьез, раньше, грубо говоря, не доходили руки. Я на кафедре где-то 18 лет назад учился, и у нас уже тогда был курс по плазменным ракетным двигателем. А в 2020 году уже дошло до того, чтобы создать отдельную лабораторию плазменных ракетных двигателей. И всерьез заняться их разработкой.

— Какие перспективы развития вы видите? Вот вы собираетесь сделать более мощный двигатель, а дальше?

— Если говорить о том, что прямо перед глазами, то это создание более мощных абляционных двигателей на уровне десятков ватт потребляемой мощности. И с массой двигательной установки несколько килограммов. Еще мы, по всей видимости, будем заниматься в ближайшее время исследованием в области магнитоплазмодинамических ракетных двигателей. Это вообще совершенно другой тип двигателей огромной мощности. Речь уже идет о сотнях киловатт. Но это именно исследования, а не серийное производство.

— А куда такие двигатели могут пойти?

— Это перспективные космические системы, например какие-нибудь межорбитальные буксиры, автоматические межпланетные станции с ядерными энергетическими установками и другие подобные системы. Создание их в России планируется на 2030-е годы, и уже сейчас идут исследования в этой области. Вот под такие аппараты, скорее всего, мы в ближайшее время будем прорабатывать двигатели высокой мощности.

— Какие ключевые проблемы, как технические, так, может быть, и организационные, вам придется решать?

— Главная техническая проблема, которую мы сейчас решаем, — создание надежных электронных компонентов двигательной установки, систем преобразования питания, систем управления. Просто до сих пор каждый экземпляр электронных компонентов двигательной установки приходилось индивидуально несколько раз дорабатывать, на создание одного двигателя могло уйти больше месяца. И это совершенно непригодно для серийного производства. Нам просто необходимо какое-то отработанное решение, чтобы выпускать по двигателю хотя бы каждую неделю. А лучше за неделю делать несколько двигателей, потому что спрос уже, как я сказал, порядка 70 двигателей в год. То есть нам надо по два двигателя в неделю делать, а не один за месяц. И это сейчас ключевая наша проблема. Сейчас мы договариваемся с партнерами, имеющими в этом большой опыт, о создании нужных компонентов.

Еще, скорее всего, по мере роста возникнет необходимость во втором стенде для испытания двигателей. Так как эти двигатели предназначены для работы в космосе, нам надо создать на стенде близкие к космосу условия. То есть высокий вакуум, причем важный момент: двигатель выбрасывает при работе вещество, и если это не космос, а закрытая камера, то оно этот вакуум там портит. Поэтому нужна камера довольно больших габаритов и с очень мощными насосами. Сейчас у нас есть такой стенд, но он один. Если мы перейдем к массовому производству, этот стенд, скорее всего, будет непрерывно занят тестированием серийных двигателей перед отправкой заказчику. А для того, чтобы проводить параллельно еще изыскания по каким-то новым типам двигателей, нам придется создать еще один стенд, но это уже вопрос не сегодняшний, а как минимум следующего года.

— Вы сказали, что для вас электронику кто-то разрабатывает. А кто, если не секрет?

— Это компания «Авэкс», они создавали электронику еще для самого первого спутника Земли. История этой компании идет аж с тех времен, и они занимаются силовой электроникой для космических аппаратов. И мы сейчас заключаем с ними договор на создание электроники и для нашего двигателя. Кроме того, есть и внутри МИФИ команда, которая параллельно тоже взялась за эту задачу. Мы решили, что пускай лучше две команды работают, это повышает надежность. Может быть, одни предложат вариант электроники менее надежный, но дешевле, а другие более надежный, но дороже, и мы сможем предлагать заказчику разные варианты. Скажем, гарантию пять лет, но дороже, или гарантию полгода, но дешевле.

— А кто все эти работы финансирует?

— На данный момент у нас есть программа, так называемый технологический акселератор, росатомовская, в которой участвует МИФИ, и в рамках этого акселератора мы прошли через конкурс на получение финансирования и получили более 10 миллионов рублей на создание предприятия, о котором мы говорили. Из этих денег заключается контракт на разработки, выплачивается аренда этой же лаборатории, и производятся выплаты зарплат.

Печать