Ракеты — единственный способ поднять космический аппарат с Земли и вывести его на высокую орбиту. Но это не единственный способ передвигать аппарат, когда он уже находится на орбите. Инженеры разработали двигатели, использующие различные принципы, от ионизированных газов до солнечных парусов, для перемещения космических аппаратов в нашей Солнечной системе. Двигатель, использующий один из распространенных видов топлива, разрабатывался в течение многих лет и был впервые успешно испытан. Давайте рассмотрим результаты испытаний водяного космического двигателя и узнаем, почему инженеры заинтересованы в его создании.
Что такое водяной двигатель?
Система AQUA ResIstojet propUlsion System (AQUARIUS) – это водяной резистивный реактивный двигатель, который был запущен в рамках миссии EQUilibriUm Lunar-Earth point 6U Spacecraft (EQUULEUS, назван в честь созвездия Малого Коня) в ноябре 2022 года. Токийский университет и JAXA — японское агентство по исследованию космоса — разработали как AQUARIUS, так и EQUULEUS.
Это был не первый случай испытания водяной двигательной установки в космосе. Было предложено множество конструкций систем, включая ионные двигатели, холловские двигатели и даже двигатели на основе магнетронного распыления, которые работали бы на воде. Однако те, которые прошли путь от идеи до прототипа, относились к особому типу двигателей, известному как резистивные реактивные двигатели (резистожеты).
Резистожеты имеют ряд преимуществ перед другими типами двигательных установок. Одним из них является простота использования — они используют различные виды топлива, от ракетного топлива до воды. Учитывая небольшой объем выбрасываемого вещества для создания тяги, ими легко управлять. Направить сопло, чтобы сориентировать космический аппарат в нужном направлении, не так сложно, как в случае, когда из сопла вырывается настоящее пламя.
Дополнительные преимущества включают высокую эффективность тяги, хотя она достигается за счет ограничения общей тяги. Резистивный двигатель не способен поднять космический аппарат с Земли на орбиту. Но эта эффективность также означает, что он относительно недорог по сравнению с другими двигательными установками, что делает его привлекательным для бюджетных миссий, таких как CubeSat.
Резистожеты использовались на спутниках Vela в 1965 году и работают по принципу, аналогичному многим электронным двигателям. Они пропускают жидкое топливо над поверхностью, нагретой электричеством, что приводит к газификации топлива. Этот нагретый газообразный пропеллент — в данном случае водяной пар — затем выбрасывается через сопло двигателя. В теории это звучит просто, но заставить его работать в космосе оказалось сложно.
Два примера неудачных систем включают UK-DMC, который был запущен в 2003 году, но не смог придать себе никакого импульса из-за недостаточного расстояния между жидкой и газовой фазами двигателя. В 2015 году еще одна водяная резистивная двигательная установка была запущена на борту AeroCube OCSD-7A и -7B, но обе системы вышли из строя, скорее всего, из-за образования льда, блокирующего сопло двигателя.
Чем отличается AQUARIUS?
AQUARIUS представляет собой первое успешное испытание водяной резистивной двигательной системы для изменения орбиты. Тем не менее, у него есть несколько отличий от предыдущих систем, которые, по мнению инженеров Токийского университета, способствовали его успеху. Во-первых, это новая техника разделения газа и жидкости. Во-вторых, это стратегия энергосбережения.
Разделение жидкости и газа имеет решающее значение для успешной работы резистивной двигательной системы — считается, что именно из-за этого вышел из строя один из ранних прототипов. Камера испарения AQUARIUS, где происходит разделение газа и жидкости, имеет две ключевые особенности, которые отличают ее от традиционных резистожетов — специальное место для испарения капель и несколько «лабиринтных путей потока», согласно статье, описывающей успешное испытание.
Испарение капель происходило в камере, нагретой до 31°C, чтобы гарантировать отсутствие образования льда. Для поддержания этой температуры в вакууме космоса AQUARIUS использует отработанное тепло от других систем космического аппарата для нагрева камеры испарения. Несмотря на это, поддержание этой температуры по-прежнему требовало большей части энергии, предназначенной для работы двигательной установки.
Создание лабиринта каналов сделало путь потока водяного пара очень четким после того, как он отделился от оставшейся жидкой массы. Это также затруднило слипание капель воды, которые могли образоваться в процессе выброса частиц, вокруг сопел двигателя и замерзание, как это произошло в неудачном эксперименте AeroCube.
Нагрев самих сопел двигателя был дополнительной мерой безопасности, чтобы избежать этой участи, хотя это и увеличило энергопотребление системы. Дополнительные инженерные решения включают в себя несколько датчиков, размещенных внутри камеры испарения, чтобы определить, есть ли еще вода в камере, прежде чем добавлять больше воды в систему. Поскольку у AQUARIUS было всего 1,4 кг воды для использования в качестве топлива, это кажется эффективным способом гарантировать, что он не потратит топливо впустую.
Эти инженерные усовершенствования привели к первой успешной демонстрации перехода на другую орбиту, вызванного водяной резистивной двигательной установкой. AQUARIUS позволил EQUULEUS удерживать свою орбиту в системе Земля-Луна с тягой 0,006 Н и удельным импульсом 91,0 с. Весь маневр также потреблял всего 14 Вт мощности.
Хотя эти цифры могут показаться не такими уж большими, их было более чем достаточно, чтобы переместить CubeSat 6U массой 14 кг туда, куда ему нужно, при общей стоимости пространства всего 2,5 единицы из шести слотов, выделенных для CubeSat 6U. (CubeSat 6U это формат наноспутников, где 1U (юнит) = куб 10x10x10 см, соотвественно 6U = 6 таких кубиков). Они также значительно улучшились по сравнению с предыдущей версией AQUARIUS, которая была запущена с МКС в рамках эксперимента AQT-D CubeSat в 2019 году. В этом эксперименте гораздо меньшая (размером 1U) экспериментальная установка обеспечивала некоторую тягу для управления ориентацией, но никогда не пыталась выполнить переход на другую орбиту.
Тем не менее, этот эксперимент подготовил успешное испытание, которого AQUARIUS достиг сейчас, и это может коренным образом изменить то, как крошечные CubeSat могут перемещаться по Солнечной системе. На данный момент неясно, каковы планы по коммерциализации системы AQUARIUS, если таковые имеются. Теперь, когда разработчики спутников знают, что это возможно, это, безусловно, не последний раз, когда вода, самая важная жидкость для жизни, будет использоваться в качестве двигательной установки в космосе.
Энди Томасик — инженер и внештатный писатель, увлеченный образованием, исследованием космоса и улучшением мира с помощью технологий. Когда он не занимается инженерией и не пишет что-то, он проводит время со своей семьей или бегает по кругу, чтобы оставаться в форме.
