В МФТИ создают уникальные электроракетные двигатели для микроспутников и российский терминал спутниковой связи на АФАР

Разработка призвана обеспечить Россию собственными двигателями для малых космических аппаратов по типу CubeSat, превосходящими западные аналоги. Это позволит не только снизить зависимость космической отрасли от импорта, но и повысить ее конкурентоспособность на мировом рынке, сообщили представители МФТИ.

Освоение космоса стало для России не только вопросом репутации, но приобрело стратегический и коммерческий характер. Перед малыми космическими аппаратами ставятся новые задачи, в частности, создание спутниковых группировок из аппаратов формата CubeSat и нижнего весового сегмента для дистанционного зондирования Земли, спутниковой связи и радиолокации.

Широкое применение малых космических аппаратов отечественного производства сдерживается отсутствием ряда ключевых элементов с соответствующим уровнем готовности применяемых технологий, в том числе двигательных установок (ДУ). Такие установки необходимы для поддержания и коррекции орбиты спутников, для осуществления маневров и поддержания формации спутниковой группировки на околоземных орбитах и для реализации дальних космических миссий.

Один из вариантов двигателей — электрические ракетные двигательные установки. Они используют электрическую энергию для генерации и ускорения заряженных частиц, которые создают тягу. Ключевые преимущества ЭРД перед жидкостными ракетными двигателями и двигателями на сжатых газах — это высокое значение коэффициента полезного действия (КПД), высокий суммарный импульс тяги и длительное время работы.

Согласно специфике МКА и баллистическим расчётам к современным двигателям предъявляются следующие требования: малое энергопотребление (единицы и десятки Ватт), низкая стоимость (менее 10% от стоимости аппарата), высокое значение КПД и запас характеристической скорости, малые массогабаритные характеристики (от 0,5 до 3U).

Сейчас на российском рынке нет готового, оптимального решения по двигателям для нижнего весового диапазона МКА. Большая часть российских спутников формата CubeSat летает без двигательных установок и не может решать все поставленные задачи.

«Сегодня в России нет летных двигательных установок для малых космических аппаратов формата CubeSat. А они нужны, и нужны срочно. Если сейчас на околоземных орбитах летает десять тысяч аппаратов, то скоро их будет сто тысяч. Это будет напоминать трафик на дорогах в час пик. Вот почему аппараты должны будут не «хаотично» двигаться, а маневрировать, причем делать это аккуратно, быстро и точно. Массовое производство и использование МКА усугубляет проблему космического мусора. Уже сейчас спутники Starlink вынуждены совершать более 50 тыс. маневров за полгода. Таким образом возникает задача, — быстрого и своевременного увода отработавшего КА с орбиты. Для решения этих и других задач малые космические аппараты нуждаются в подходящих двигательных установках», сказала научный сотрудник — заведующий лабораторией плазменных двигателей МФТИ Дария Криворучко.

Разрабатываемая в МФТИ установка основана на советский разработках 1970-80-х годов, которые были законсервированы из-за отсутствия нужных технологий, а затем были «вытащены из-под сукна» за границей. В какой-то степени создаваемый двигатель — это реверс-инжиниринг с хорошо показавших себя западных образцов, но с оптимизацией и внедрением нового функционала. По словам разработчиков, расчетные тактико-технические характеристики российской разработки перспективнее. Главная задача сейчас подобрать нужные технологии для их достижения. Основной упор при разработке новой ДУ делается на снижение стоимости с сохранением значения КПД и добавление цифрового управления тягой.

Появление отечественного двигателя для малых космических аппаратов позволит компаниям, предоставляющим орбитальные и космические сервисы, решать больший спектр задач, упростит создание спутниковой группировки и снизит стоимость предоставления услуг. Эта разработка откроет новые возможности для отечественной космонавтики и позволит значительно улучшить качество и эффективность космических миссий, уверена команда разработчиков МФТИ.

«Всего лишь за год нам удалось выполнить ряд этапов на пути к достижению цели: освоены и отработаны основные физические принципы функционирования двигателя, разработан концепт и отработочный макет ДУ, получены первые значения тяги. Еще предстоит выполнить: поиск и отработка методов и технологий по созданию ДУ, чтобы система работала целостно, стабильно уже в летной компоновке, корректировка концепта и доработка имеющейся технологии на основе наших наработок, чтобы добиться желаемых характеристик. В итоге это будет во всех смыслах новая ДУ с расширенным функционалом, с улучшенными тактико-техническими характеристиками, низкой себестоимостью и главное — модульная, из которой можно будет делать кластеры», — сказала Дария Криворучко.

По словам разработчиков, за счет своей модульности предлагаемый концепт двигателя позволяет создавать широкий спектр двигательных установок под параметры пользователя и конкретные задачи, без значительных доработок. А цифровое управление тягой поможет пройти самые жесткие требования заказчика к прецизионности управления МКА. Вектор тяги также будет регулируемым.

Завершение значимого этапа проекта по созданию российской электродвигательной установки ожидается в конце 2026 г. К этому времени в МФТИ должна появиться работающая инженерная модель, прошедшая весь цикл необходимых наземных испытаний.

Кроме того, инженеры МФТИ ведут работу по созданию отечественного терминала спутниковой связи на базе активной фазированной антенной решетки. Устройство можно будет использовать для обеспечения качественными коммуникациями (интернет и связь) отдаленных регионов России, а также на подвижных объектах (в том числе морском, автомобильном и железнодорожном транспорте). Проект не имеет аналогов в России и реализуется с целью поддержки технологического суверенитета России. В отличие от ранее представленных образцов, терминал будет обладать двумя лучами и системой бесшовного перехода между спутниками, сообщили представители МФТИ.

Терминал станет интегрированным решением, обеспечивающим доступ к качественным цифровым сервисам (мобильной связи и интернету) с использованием каналов спутниковой связи, в том числе на движущихся объектах, таких как автомобили, морские суда , а в дальнейшем – и беспилотные летательные аппараты. Для обеспечения стабильной связи терминал будет оснащён гиростабилизированной платформой, компенсирующей внешние воздействия (используется для обеспечения точного направления антенны на спутник).

Сейчас ученые находятся на стадии разработки макетов терминала, которые продемонстрируют основные характеристики системы. Первые испытания запланированы на осень 2025 г.

Разработчики ориентируются на спутники, находящиеся на средних орбитах, которые требуют сложного управления антеннами. Для этого в МФТИ разработали многолучевые фазированные антенные решетки, позволяющие динамически настраивать лучи наземного терминала связи.

«Геостационарные аппараты в пространстве практически не двигаются, поэтому их сигналы легко отслеживать. Но эти спутники дают относительно медленный интернет. Второй путь – работать на спутниках, которые летают на средних и низких орбитах. Они более эффективны, но двигаются довольно быстро, поэтому диаграммы, направляемые на космический аппарат, должны управляться. Для этого мы делаем фазированные антенные решётки, которые позволяют управлять диаграммой направленности. Вторая задача – сделать так, чтобы лучей, направляемых на спутник, было много, и они успевали каждый раз подключаться к следующему космическому аппарату. Поэтому мы разрабатываем систему, которая позволяет бесшовно переключаться между спутниками без фактической потери связи для пользователя. Такой алгоритм называется «“мягким” хэндовером», – сказал главный научный сотрудник, заведующий лабораторией радиофотоники МФТИ Дмитрий Филонов.

Для обеспечения непрерывности связи при выходе спутника из зоны видимости команда МФТИ разрабатывает систему «“мягкого” хэндовера». Она обеспечит бесшовное переключение между спутниками, минимизируя временные потери связи. Это достигается за счет использования нескольких лучей, заранее наводящихся на различные спутники или различные лучи одного спутника, что гарантирует стабильное подключение.

Основная часть научно-конструкторских работ, а также ряд испытаний будут проходить в специально созданной для этих целей на территории МФТИ безэховой камере в Ku- и Ka- частотных диапазонах. Это позволяет ученым работать в условиях, максимально приближенных к реальным.

«Учитывая планы государственных и коммерческих структур по запуску спутниковых группировок на негеостационарных орбитах, задача по разработке данного терминала крайне актуальна. МФТИ работает на опережение, и мы уже сегодня, до запуска систем, готовим заделы для формирования рынка абонентских терминалов. Нашим партнером в этом проекте выступает АО «Спутниковая система «Гонец» – оператор спутниковой связи госкорпорации «Роскосмос»», – сказал руководитель работ, директор научно-технического центра телекоммуникаций МФТИ Александр Афонин.

Работа по проекту ведется в рамках Постановления Правительства Российской Федерации от 18.04.2016 № 317 «О реализации Национальной технологической инициативы».