|
Электрическая двигательная установка для космических полетов
|
|
|
|
НАСА разработало передовую двигательную установку для облегчения будущих миссий по исследованию планет с использованием небольших космических аппаратов. Эта технология не только позволит осуществлять новые виды научных миссий по изучению планет, но и один из коммерческих партнеров НАСА уже готовится использовать ее для другой цели — продления срока службы космических аппаратов, которые уже находятся на орбите. Выявление возможностей для использования этой новой технологии промышленностью не только способствует достижению цели НАСА по коммерциализации технологии, но и потенциально может помочь НАСА приобрести эту важную технологию у промышленности для использования в будущих планетарных миссиях. Миссии по изучению планет с использованием небольших космических аппаратов потребуются для выполнения сложных двигательных маневров, таких как достижение скорости отрыва планеты от земли, выход на орбиту и т.д., которые требуют возможности изменения скорости (дельта—v), значительно превышающей типичные коммерческие потребности и современное состояние техники.
|
|
|
|
Таким образом, технологией № 1, обеспечивающей полеты этих небольших космических аппаратов, является электрическая двигательная установка, которая может выполнять маневры с высокой дельта-v скоростью. Двигательная установка должна работать с использованием малой мощности (менее киловатта) и обладать высокой производительностью по топливу (т.е. способностью использовать большую общую массу топлива в течение всего срока службы), чтобы обеспечить импульс, необходимый для выполнения этих маневров. После многих лет исследований и разработок исследователи из Исследовательского центра Гленна НАСА (GRC) создали электрическую двигательную установку небольшого космического аппарата для удовлетворения этих потребностей — субкиловаттный двигатель Холла NASA-H71M. Кроме того, успешная коммерциализация этого нового двигателя вскоре обеспечит, по крайней мере, одно из таких решений для научных миссий следующего поколения малых космических аппаратов, для которых требуется скорость delta-v до удивительных 8 км/с.
|
|
|
Этот технический прорыв был достигнут благодаря миниатюризации многих передовых технологий солнечных электрических двигателей высокой мощности, разработанных за последнее десятилетие для таких применений, как силовой и двигательный элемент Gateway, первой космической станции человечества, совершающей облет Луны. Небольшие космические аппараты, использующие технологию электрической тяги NASA-H71M, смогут самостоятельно маневрировать с низкой околоземной орбиты (LEO) к Луне или даже с геосинхронной передаточной орбиты (GTO) к Марсу. Эта возможность особенно примечательна тем, что коммерческие запуски НОО и GTO стали обычным делом, а избыточные пусковые мощности таких миссий часто продаются по низкой цене для развертывания вспомогательных космических аппаратов. Возможность проведения миссий, которые стартуют с этих околоземных орбит, может значительно увеличить частоту и снизить стоимость научных миссий на Луну и Марс. Эта двигательная установка также увеличит радиус действия вспомогательных космических аппаратов, которые исторически были ограничены научными целями, совпадающими с траекторией запуска основной миссии. Эта новая технология позволит вспомогательным миссиям существенно отклоняться от траектории основной миссии, что облегчит исследование более широкого круга научных целей.
|
|
|
|
Кроме того, у этих вспомогательных научных космических аппаратов, как правило, будет лишь короткий промежуток времени для сбора данных во время высокоскоростного облета удаленного объекта. Такая большая тяговая способность позволит замедляться и выходить на орбиту планетоидов для долгосрочных научных исследований. Кроме того, небольшие космические аппараты, оснащенные такой мощной двигательной установкой, будут лучше приспособлены для управления изменениями траектории запуска основной миссии на поздних этапах. Такие изменения часто представляют большой риск для научных миссий малых космических аппаратов с ограниченной двигательной способностью на борту, которые зависят от начальной траектории запуска для достижения своей научной цели. Огромные скопления малых космических аппаратов, которые в настоящее время формируются на низких околоземных орбитах, сделали маломощные двигатели на эффекте Холла самой распространенной электрической двигательной установкой, используемой сегодня в космосе. Эти системы очень эффективно используют топливо, что позволяет выводить ракеты на орбиту, сходя с нее, а также в течение многих лет избегать столкновений и изменять фазу полета.
|
|
|
|
Однако экономичная конструкция этих коммерческих электрических двигательных установок неизбежно ограничила срок их службы, как правило, менее чем несколькими тысячами часов работы, и эти системы могут перерабатывать в топливо не более 10% от начальной массы небольшого космического аппарата. Напротив, планетарные научные миссии, в которых используется технология электрической двигательной установки NASA-H71M, могут работать в течение 15 000 часов и перерабатывать более 30% начальной массы небольшого космического аппарата в топливо. Эта возможность, меняющая правила игры, выходит далеко за рамки потребностей большинства коммерческих миссий на НОО и обходится дороже, что делает коммерциализацию таких приложений маловероятной. Поэтому НАСА стремилось и продолжает стремиться к партнерству с компаниями, разрабатывающими инновационные концепции полетов коммерческих малых космических аппаратов с необычно высокими требованиями к расходу топлива.
|
|
|
|
Одним из партнеров, который вскоре будет использовать лицензированную технологию электрической тяги NASA для коммерческого использования на малых космических аппаратах, является SpaceLogistics, дочерняя компания Northrop Grumman, полностью принадлежащая Northrop Grumman. Аппарат для обслуживания спутников Mission Extension Pod (MEP) оснащен парой двигателей Northrop Grumman NGHT-1X с эффектом Холла, конструкция которых основана на NASA-H71M. Большая тяговая способность небольшого космического аппарата позволит ему достичь геосинхронной околоземной орбиты (GEO), где он будет установлен на гораздо более крупном спутнике. После установки MEP будет служить в качестве "двигательного реактивного ранца", продлевающего срок службы основного космического аппарата как минимум на шесть лет. В настоящее время Northrop Grumman проводит длительные испытания на износ (LDWT) NGHT-1X в вакуумной установке GRC 11, чтобы продемонстрировать его работоспособность в течение всего срока службы. Проект LDWT финансируется компанией Northrop Grumman в рамках соглашения о космическом пространстве на условиях полной компенсации. Ожидается, что первый космический аппарат MEP будет запущен в 2025 году, что продлит срок службы трех спутников геосвязи.
|
|
|
|
Сотрудничество с промышленностью США в поиске применений для малых космических аппаратов с требованиями к тяге, аналогичными будущим планетным научным миссиям НАСА, не только помогает промышленности США оставаться мировым лидером в области коммерческих космических систем, но и создает для НАСА новые коммерческие возможности для приобретения этих важных технологий по мере необходимости для планетарных миссий. НАСА продолжает совершенствовать технологии электрических двигателей H71M, чтобы расширить спектр данных и документации, доступных промышленности США, с целью разработки аналогичных передовых и высокопроизводительных электрических двигателей малой мощности.
|
|
|
|
Источник
|
