Что такое низкий космос, и почему именно эта область так важна
Низким космосом в мире принято называть высоты до 2 тыс. км над Землей. Их большая часть давно и хорошо освоена, даже перегружена. В низком космосе становится тесно. Проблему усугубляют и растущие объемы космического мусора. Наш проект сфокусирован на более узком диапазоне низкого космоса — 150−200 км.
Эти высоты называют по-разному. В последнее время закрепилось название сверхнизкие орбиты. Во избежание недопонимания, мы чаще оперируем выражением «низкий космос 150-200 км». Отметим, что эти высоты так еще никто и не освоил, потому как не смогли обеспечить длительное пребывание спутников.
Проблема — наличие остаточной атмосферы, которая постоянно тормозит спутник, который в свою очередь снижает высоту. Без работающего двигателя коррекции орбиты спутник достаточно быстро «упадет». Существующие двигатели коррекции орбиты задачу длительного удержания спутника на орбитах 150-200 км не решают. Они работают на взятом с Земли «топливе». На высотах 150-200 км им придется постоянно работать для поддержания орбиты, они быстро израсходуют весь запас «топлива» и также «упадут».
То есть проблему покорения высот 150−200 км можно решить, создав специализированную эффективную двигательную установку, в основе которой будет электрореактивный двигатель коррекции орбиты, «топливом» для которого будут являться остаточные газы верхней атмосферы. Такие двигатели чаще называют атмосферными ионными или прямоточными электрореактивными. Ряд ученых в разных странах занимаются созданием таких двигателей, но действенного результата пока никто не показал.
Наш коллектив также занимается данной тематикой и нам удалось создать прототип такого атмосферного ионного двигателя, который демонстрирует свою работоспособность в лабораторных условиях, приближенных к орбитальному полету на высотах 150−200 км. При этом наиболее эффективными для нашего технического решения мы считаем еще более узкий диапазон высот —180−200 км. Именно здесь находится тот самый баланс: частицы остаточной атмосферы еще присутствуют в достаточном количестве, чтобы использовать их в качестве топлива для наших двигателей, но сопротивление остаточной атмосферой уже минимальное.
Чем привлекательны высоты 150−200 км
Чем ближе к Земле, тем эффективнее может быть организована работа различной полезной нагрузки спутника. Например, время отклика спутника с Землей становится критически важным для управления беспилотной техникой и не только дронами, но и беспилотными автомобилями или строительными и дорожными машинами, которые появятся в недалеком будущем. Не все задачи по управлению такой техникой могут быть решены только бортовыми системами, некоторые важные задачи придется решать со спутника-низколета, что гораздо дешевле строительства и обслуживания наземной инфраструктуры. Например, точная навигация автомобиля — здесь задержка сигнала может стать роковой.
На высоте 180−200 км можно обеспечить и точную навигацию на Северном морском пути без дополнительных наземных станций. При этом спутник-низколет будет работать в единой системе с навигационными спутниками, повышая точность навигации на приполярных территориях.
С высот 180−200 км может быть решена задача организации прямой связи со спутником без наземной инфраструктуры, т. е. связи «смартфон-спутник-смартфон», что актуально для отдаленных районов Крайнего Севера, для малонаселенных территорий, где создание наземной инфраструктуры связи и ее обслуживание весьма проблематично. С этой высоты можно решить еще множество задач, которые не получится реализовать с более высоких орбит — либо эти решения будут не эффективны.
Революционные физические принципы в основе проекта
Мы используем принципиально новый подход — созданные нами нестационарные открытые электромагнитные ловушки. Это совокупность электромагнитных катушек определенной конструкции, которые создают особую конфигурацию электромагнитных полей, эффективно ионизирующие газы остаточной атмосферы, захватывающие их и передающие на электростатический ускоритель. Именно проблему эффективной ионизации необходимо решить при создании атмосферного ионного двигателя.
Большинство разработчиков пытаются решать задачу ионизации созданием механических воздухозаборных устройств — по сути это объемные накопители остаточного газа с лабиринтами ходов. Эксперименты с ними показывают не самые лучшие результаты. Пока разработчикам таких устройств не удалось достичь приемлемого уровня ионизации остаточного атмосферного газа, хотя работы в данном направлении проводятся уже не одно десятилетие. Некоторые отказались от данной технической идеи, другие продолжают ее реализовывать. Время покажет, может ли такая задумка воплотиться в жизнь и насколько эффективно.
Мы пошли другим путем: ионизация забортного остаточного атмосферного газа и захват уже ионизированной компоненты электромагнитным полем. При таком подходе создаваемое при захвате сопротивление значительно ниже чем при контакте механических воздухозаборных устройств с «частицами» набегающего потока. Наша система создает плазменное образование за пределами спутника — спереди и с боков.
При этом ионизируется остаточный газ снаружи корпуса спутника и с боков спутника. И уже предварительно ионизированный газ захватывается электромагнитным полем все тех же открытых нестационарных электромагнитных ловушек и направляется на ускоритель двигателя, где ионам придается импульс и создается тяга.
Созданные нами открытые нестационарные электромагнитные ловушки это не какое-то фантастическое изобретение. Все мы знаем про природное явление — северное сияние. Здесь природа сама порождает явление ионизации. Радиационные пояса Земли концентрируют и длительно удерживают заряженные ионы при низкой плотности среды,но в магнитном поле большого размера. Т.е. оно происходит исключительно на огромных площадях, что несоизмеримо с размерами двигателя спутника.
Кроме этого, в Советском Союзе еще с 1960-х годов проводили эксперименты по созданию разрядов на высотах 130−150 км (генерации искусственного полярного сияния) и для этого использовали специальные двухметровые кольцевые устройства на штангах. 130−150 км мы не рассматриваем для решения задачи длительного удержания спутника, да и габариты разрядных устройств большие, свыше двух метров.
Поэтому, используя принципы такого природного явления и достижения советских экспериментов, мы поставили задачу создать ионный двигатель для высот 150−200 км и с небольшими габаритами. И у нас это получилось. То, что наш прототип двигателя способен зажигать и удерживать плазму в вакууме подтверждено экспериментально. Мы доказали возможность стабильно зажигать и удерживать плазму нашим прототипом двигателя при вакууме эквивалентном высоте 220 км и извлекать тягу.
Энергоснабжение: эффективность через простоту
В наших экспериментах, приближенных к орбитальному полету, энергопотребление прототипа двигателя составляет менее 100 Вт на зажигание, удержание плазмы и на работу ускорителя. Т. е. энергообеспечение спутника может быть обеспечено обычными солнечными панелями. В настоящее время мы приступили к компоновке системы бортового питания. Подобрать солнечные панели и скомпоновать систему бортового питания это стандартная конструкторская задача, а не фундаментальная проблема. Она решаема.
Да, Солнце на этих высотах не постоянное, поэтому система бортового питания предусматривает встроенный аккумулятор. Это небольшое устройство, современные пауэрбанки размером с мобильный телефон легко справятся с нашим потреблением в часы работы без Солнца.
Искусственный интеллект и автономное управление
Элементы ИИ в нашем проекте не просто возможны — они необходимы. Мы планируем, чтобы группировка наших малых дешевых спутников работала в единой системе с крупными спутниками на более высоких орбитах. Наши аппараты станут их «щупальцами» и «пальцами», выполняя операции, которые большие спутники решают неэффективно или вообще не могут решить.
Для этого предстоит решить задачу построения современной системы управления спутниками-низколетами, в основе которой будут заложены элементы искусственного интеллекта. К решению данной задачи мы приступим после того, как будет доработан прототип двигателя и выполнена компоновка спутника. Кроме этого, и при создании полезных нагрузок все чаще используют элементы искусственного интеллекта. Автономное управление уже частично реализовано, но для его доработки еще предстоит пройти продолжительный путь.
Как низкий космос изменит жизнь обычных людей
Прежде всего это обеспечение связью малонаселенных территорий, где сотовые компании не строят базовые станции из-за экономической нецелесообразности. Более точная навигация в районе Северного морского пути снизит издержки на транспортную логистику через него. Теоретически это должно повлиять на ценообразование перевозимого товара.
Важным направлением станет контроль локализации последствий чрезвычайных ситуаций, предупреждение лесных пожаров, удаленный контроль строительства важных государственных и муниципальных объектов, контроль сельскохозяйственных угодий, паспортизация и обновление данных по лесным массивам и многое другое.
Государство и частный бизнес: необходимость перемен
Проблема взаимодействия российской государственной космической отрасли с частными космическими компаниями существует. К сожалению, государственная корпорация одновременно является и регулятором, и участником бизнеса. В корпорации есть акционерные общества, уставная цель которых — извлечение прибыли. Это не ФГУПы (федеральное государственное унитарное предприятие — прим.). Когда у тебя есть рычаги административного управления, ты неизбежно будешь защищать свой бизнес. Предприятия корпорации унаследовали мощнейший задел от Советского Союза, но он исчерпан.
Перемены назрели, в первую очередь, в подходах к внедрению инноваций. А в этом предприятия с государственным участием не самые эффективные. Другое дело частные компании — они идут другим путем. Если крупным компаниям при разработках и внедрении технологических решений проще ссылаться на ГОСТ, как правило, прошлых лет, которые зачастую уже потеряли свою актуальность, но действуют, то частники про них даже не знают. И работа спорится. Это оправдано, когда дело не затрагивает безопасность труда и не просматривается нанесение ущерба третьим лицам.
Поэтому государственно-частное партнерство — хороший способ развития отечественной космической отрасли. К сожалению, механизмы его реализации и мотивация руководителей предприятий государственных корпораций по взаимодействию с частными компаниями, а также механизмы защиты частных космических компаний требуют перезагрузки.
Космический туризм: реальность или фантазия
Особенного смысла в космическом туризме на высотах 150−200 км нет. Зачем, если есть более высокие орбиты и пребывание на них более дешевое и, вероятно, более эмоциональное?
Системы жизнеобеспечения человека очень энергозатратны, а у нас на высотах до 200 км не так много энергетики. Какие особые ощущения получит турист на 150−200 км по сравнению с 350 км? Никаких. Это как довезти грибника в пустыню за грибами — может, кто-то и заплатит, но правильнее привезти его в нормальный грибной лес. Если кто-то найдется и компенсирует затраты на «тихую охоту» в пустыне — почему нет, но я не вижу в этом перспективы. Наши высоты — для решения земных задач, а не космических развлечений.
Проекты будущего
Я не представляю строительство воздушных городов на высотах 150−200 км. Повторюсь, эти высоты — для обеспечения земных потребностей, а не космических. Их сила в том, что они очень близки к Земле, но при этом находятся в космосе.
Возможно они могут стать звеном в передаче энергии на расстояние без проводов. Например, лазерный луч, который будет создаваться на спутниках с более высоких орбит — где много энергии — сможет использоваться для подзарядки дронов. Наши спутники-низколеты будут принимать эту энергию и перенаправлять сфокусированный поток на приемное устройство дрона, преобразуя энергию в электрический ток. Возможно, так как сфокусировать и удержать луч на точке с больших расстояний крайне сложная задача. При таком решении возможна и подзарядка аккумулятора нашего спутника.
Кстати, такое решение можно реализовывать уже сейчас — передача энергии лазером не такая далекая перспектива, для ее реализации все есть в России, и ее может осуществить наша команда инженеров.
Узнайте больше о космических запусках разных стран в специальном проекте Наука Mail.