«Отказаться от IT невозможно»: как технологии меняют производство электроракетных двигателей
В мае 2024 года NASA представило экспериментальный электрический ракетный двигатель мощностью 1 кВт, который обладает рекордной эффективностью. По словам авторов, технология позволит проводить новые типы планетарных миссий. Коммерческий партнёр NASA собирается использовать такие изделия для продления срока службы спутников, которые уже находятся на орбите.
В России одним из главных проектов десятилетия эксперты называют межорбитальный буксир «Зевс» на базе электроракетной двигательной установки. Ожидается, что ориентированный на длительные перелёты «Зевс» станет ответом на космические прорывы США и Китая.
Насколько перспективным направлением считается производство электроракетных двигателей? Какие IT-технологии используют при этом и какие возможности открываются перед учёными с развитием цифровизации? Своим мнением поделился замдиректора Научно-исследовательского института прикладной механики и электродинамики МАИ Александр Богатый.
Электроракетный двигатель на смену химическому
Принцип работы традиционных химических ракетных двигателей основан на реакции между топливом и окислителем. Это позволяет создать большую тягу, но приводит к быстрому расходу топлива, а также существенно увеличивает массу космического аппарата.
Электроракетные двигатели – устройства, которые используют электрическую энергию для генерации тяги. По сравнению с химическими ракетными двигателями ЭРД создают на порядки меньшую тягу, но позволяют кратно снизить расход топлива. Это важное преимущество в дальних космических миссиях, где экономия ресурсов имеет решающее значение.
Разработкой и экспериментами с ЭРД исследователи занялись в середине XX века. В результате был созданы электроракетные двигатели, различающиеся по принципу создания тяги. Например, ионный двигатель создаёт тягу за счёт ускорения ионов электрическим полем, а в импульсном плазменном двигателе тяга создаётся силой Ампера. Но их объединяет одна особенность – превращение в плазму рабочего тела (им может быть аргон, ксенон или другой газ).
14 декабря 1964 года первый в мире ЭРД – импульсный плазменный двигатель, разработанный в НИЦ «Курчатовский институт», начал функционировать в космосе в составе аппарата «Зонд-2». А в 1972 году ЭРД нового поколения – стационарный плазменный двигатель, созданный в НИЦ «Курчатовский институт» и ОКБ «Факел», – был установлен на борту аппарата «Метеор».
С тех пор процесс создания ЭРД набрал обороты и в России, и в мире. Появились плазменные двигатели, электростатические и электромагнитные. Уточним, что предпочтение тому или иному типу двигателя отдаётся в зависимости от цели космической миссии и требований к космическому аппарату: ионные двигатели подходят для межпланетных миссий, а плазменные – для околоземных орбит.
По словам замдиректора НИИ ПМЭ МАИ Александра Богатого, актуальной задачей для современных исследователей стала разработка мощных электроракетных двигателей, способных создавать более высокую тягу. Благодаря освоению новых материалов и технологий становится возможным создавать более эффективные, надёжные двигатели, которые могут работать тысячи часов. Ещё одно востребованное направление – миниатюризация. А в рамках перехода к серийному производству проводится технологическая оптимизация конструкций.
И для учёных, и для государства тема производства и применения электроракетных двигателей в космосе очень актуальна. Мы уже говорили о большом внимании к производству ядерного буксира «Зевс». По словам экспертов, буксир, или транспортно-энергетический модуль, будет ориентирован на преодоление больших расстояний: только 100 суток понадобятся на разгон и торможение, но чем дальше находится планета, тем выгоднее его использование.
По оптимистичному плану первая миссия «Зевса» начнётся в 2030 году и продлится 50 месяцев. При этом выводить на орбиту его планируют по частям: модуль соберут уже в космосе и отправят в сторону Юпитера.
Тенденции и перспективы цифровых технологий в ЭРД
С развитием искусственного интеллекта цифровые технологии играют всё более важную роль в создании и управлении ЭРД. Например, составные части ядерного буксира «Зевс» разрабатываются с широким применением IT, включая моделирование процессов, происходящих в двигателе.
– Важная тенденция – замена испытаний расчётами. Это требует больших вычислительных мощностей. Используемые мощные компьютеры позволят учёным экономить время на испытаниях, перенеся их в среду компьютерного моделирования, – отмечает Александр Богатый.
Компьютерное моделирование останется одним из основных направлений и в будущем. Оно подразумевает использование цифровых технологий для создания детализированных компонентов ЭРД и предсказания поведения двигателя в различных ситуациях. Исследователи активно прорабатывают модели симуляции, изучают динамику работы изделий и в будущем планируют внедрить данные технологии в производственные процессы.
Однако исследователи ещё не отказались от натурных испытаний в пользу математических расчётов. Подход, включающий в себя оба этих процесса, помогает избежать множества ошибок.
– Математическая модель обязательно проходит верификацию. Учёные проводят испытания и сравнивают их результаты с результатами расчётов. Потом модель корректируют, проверяют и доводят до состояния, когда данные совпадают настолько, чтобы расчётам можно было верить. Среди преимуществ такого подхода – экономия средств и времени при создании аналогичных изделий. Адаптировать созданную математическую модель для нового изделия и использовать её в расчётах гораздо быстрее и дешевле, чем создать новый макет и испытать его. Отказаться от IT в этом процессе уже невозможно, – уточняет эксперт.
Другим важным аспектом является сбор и анализ данных для мониторинга и проведения испытаний. С помощью цифровых инструментов разработчики могут отслеживать состояние запущенных в космос двигателей, вести техническое обслуживание, выявлять слабые места и следить за сроками годности. У каждого изделия они разные: аппарат может проработать полгода, год, пять-семь лет. Большие, тяжёлые аппараты – 15 лет. Это обусловлено задачами и количеством пусков, под которые рассчитывается длительность существования изделия.
Перспективные направления в IT-технологиях для ЭРД способствуют повышению эффективности, срока службы и надёжности двигателей. В будущем удастся расширить возможности космических исследований и межпланетных перелётов, а также сократить затраты на космические миссии.
Материал подготовлен при поддержке Минобрнауки России