Table of Contents

Переосмысление малого запуска: переход к электрическому движению

В течение десятилетий небольшие спутники и CubeSats создавали дополнительные полезные нагрузки на большие ракеты, ограниченные графиком и орбитой основной миссии. Рост специализированных малых ракет-носителей - ракет, предназначенных для подъема полезных нагрузок в несколько сотен килограммов или менее - открыл новые возможности для гибкого, частого и экономически эффективного развертывания. Тем не менее эти транспортные средства по-прежнему полагаются почти исключительно на химическую тягу как для их ступеней повышения, так и для впрыска на орбиту на верхней ступени. Электрическая тяга, долгое время являющаяся областью глубоководных зондов и спутников удержания станций, теперь переосмысляется для малых ракет-носителей не как замена тяги на первой стадии, а как изменяющая игру технология верхней ступени, которая может резко увеличить производительность и гибкость миссии.

Электрические двигательные установки, такие как ионные двигатели и двигатели с эффектом Холла, работают путем ускорения заряженного топлива (обычно ксенона или криптона) с использованием электрических или магнитных полей. Они предлагают конкретные импульсы (Isp) 1500-5000 секунд по сравнению с 300-450 секундами для химических ракет. Эта эффективность означает, что для данной массы топлива электрический двигатель может доставлять гораздо больший общий импульс - или, наоборот, достигать той же миссии с гораздо меньшим количеством топлива. Для небольших ракет-носителей, где каждый килограмм топлива является драгоценным, интеграция электрической верхней ступени может обеспечить более высокие орбиты, более длительные сроки службы миссии или увеличенную массу полезной нагрузки.

В то время как полностью электрический запуск с земли непрактичен из-за низкого соотношения тяги к весу текущих электрических двигателей, комбинация химически приводимого в движение ускорителя, который поднимает транспортное средство на орбиту, за которой следует электрическая верхняя ступень для орбитальной установки и за ее пределами, представляет собой практическую гибридную архитектуру. Несколько аэрокосмических компаний и исследовательских организаций активно разрабатывают такие системы, нацеленные на небольшие пусковые установки, которые могут доставлять полезные нагрузки на низкую околоземную орбиту (LEO), солнечно-синхронную орбиту (SSO) и даже геостационарную орбиту передачи (GTO) с беспрецедентной эффективностью.

Почему электрическое движение важно для малых ракет-носителей

Разблокировка более высоких орбитах с меньшим количеством пропеллентов

Основным преимуществом электрической силовой установки для малых ракет-носителей является ее исключительная топливная эффективность. Химическая верхняя ступень может использовать несколько сотен килограммов топлива для циркуляции орбиты или повышения высоты. Электрическая верхняя ступень, используя ту же массу топлива, может производить во много раз больше дельта-в, позволяя небольшой пусковой установке достигать более высоких орбит или выполнять многоцелевое развертывание. Например, небольшая ракета, которая может разместить только 100 кг полезной нагрузки на полярную орбиту в 500 км, может с электрической ударной ступенью разместить ту же самую полезную нагрузку на орбиту в 1200 км или доставить несколько меньших спутников на разные высоты.

Эта возможность особенно ценна для малых спутниковых операторов, которые хотят работать на нестандартных орбитах или должны избегать плотности космического мусора на обычных высотах.Электрическая тяга дает им свободу выбора орбит, которые ранее были недоступны для недорогих малых пусковых установок.

Снижение затрат на запуск и упрощенная логистика

Поскольку электрические двигатели используют топливо очень эффективно, масса верхней ступени может быть уменьшена. Это сокращение каскадов вниз к бустеру: меньше топлива в верхней ступени означает, что бустеру нужно меньше тяги и топлива для подъема всего стека, что может снизить производственные затраты и позволить меньшие стартовые площадки. Кроме того, электрические двигательные установки имеют меньше движущихся частей, чем сложные химические двигатели - нет турбонасосов, нет сложных последовательностей зажигания - что может упростить интеграцию и снизить производственные затраты на единицу.

Меньше опасных пропеллентов также сокращают затраты на наземное обслуживание. В то время как на химических верхних ступенях часто используются токсичные гидразиновые или гипергольные смеси, электрические двигатели обычно используют инертные благородные газы, такие как ксенон или криптон. Эти газы нетоксичны, не требуют специальных защитных костюмов для наземных экипажей и могут храниться и загружаться более простым оборудованием. Общая кампания запуска становится быстрее, дешевле и безопаснее.

Экологические и нормативные преимущества

Растущий акцент на устойчивых космических операциях выявил воздействие ракет на окружающую среду. Химические ракеты выделяют водяной пар, углекислый газ, оксиды азота и хлорсодержащие виды, которые могут повредить озоновый слой. Электрическая двигательная установка, напротив, производит минимальные выхлопные газы - в основном быстро движущиеся атомы нейтрального газа и ионы - и инертные пропелленты имеют незначительные атмосферные эффекты. Для регуляторов и операторов стартовых площадок, обеспокоенных выбросами и местным загрязнением, электрические верхние ступени представляют более зеленую альтернативу.

Кроме того, сокращение массы топлива означает уменьшение грузовых автомобилей с опасными материалами, что еще больше снижает общий экологический след кампании запуска.Поскольку правительства налагают более строгие стандарты выбросов на ракеты-носители, электрическая двигательная установка станет все более привлекательным вариантом.

Современные технологии и ключевые разработки

Холл-эффекты для малых верхних стадий

Двигатели с эффектом Холла (HET) являются рабочими лошадками сегодняшнего электрического двигателя. Они компактны, эффективны и имеют летное наследие на десятках космических аппаратов. Для небольших ракет-носителей несколько компаний уменьшают HET до диапазона мощности 100-1000 Вт при сохранении высокого Isp (1500-2000 с). Busek , американская двигательная компания, предлагает двигатели BHT-200 и BHT-600, которые использовались на кубсатах и малых спутниках и в настоящее время оцениваются для ролей на верхней стадии. Exotrail во Франции разработала семейство двигателей с эффектом Холла, включая модель 500 Вт, предназначенную для небольших спутниковых орбитальных передач и деорбитирования. Эти двигатели могут работать на ксеноне или криптоне, с криптоном, предлагающим более низкую стоимость за счет немного более низкой производительности.

Одной из заметных демонстраций была концепция “Small Vehicle with Electric Propulsion” (SVEP), изученная ESA, которая использовала кластер миниатюрных двигателей Холла для поднятия орбиты после сжигания твердотопливного ракетного ускорителя. Хотя эта концепция еще не летала в качестве интегрированной стадии, она стимулировала разработку легких блоков обработки мощности (PPU) и подвесных подруливающих устройств, которые могут обрабатывать высокую дельта-в, необходимую для вставки орбиты.

Gridded Ion Thrusters: Higher Isp для расширенных миссий

Решетки ионных двигателей (GIT) предлагают еще более высокий удельный импульс - до 5000 секунд - но за счет более низкой плотности тяги и повышенной сложности. NEXT NASA и более ранние двигатели NSTAR оказались чрезвычайно надежными в длительных миссиях, таких как Dawn. Для небольших пусковых установок миниатюрные ионные двигатели, такие как ThrustMe NPT30-I2, использовались на CubeSats для поднятия орбиты и контроля положения. Фактически, двигатель на йоде ThrustMe &rsquo был первым ионным двигателем, работающим на йодном топливе, который упрощает хранение (твердый йод при низком давлении) и устраняет необходимость в сложных системах управления газом. Йод также дешевле и плотнее, чем ксенон, главное преимущество для малых пусковых установок с ограниченным объемом.

Двигатель I2T5 производства ThrustMe &rsquo 1,3 мН тяги на 2500 секунд Isp, что делает его пригодным для небольших спутниковых маневров. Однако для роли верхней стадии, требующей десятков или сотен мН, кластеры ионных двигателей или более крупные одиночные блоки будут необходимы. Несколько исследовательских групп разрабатывают много-струйные массивы с общими PPU для снижения массы и стоимости системы.

Альтернативные технологии: пульсированная плазма и электроспрей

За пределами Холла и ионных двигателей, другие концепции электрической тяги исследуются для малых верхних ступеней ракеты-носителя. Импульсные плазменные двигатели (PPT) предлагают простоту и твердое топливо (например, тефлон), но их низкая эффективность и тяга ограничивают их микроспутниковыми приложениями. Электрораспылительные двигатели, которые испускают заряженные капли из жидкого топлива (обычно ионные жидкости), могут достигать высоких Isp и очень точных импульсных битов. Такие компании, как ] Системы акционирования разработали электрораспылительные матрицы для кубсатной тяги, но масштабирование их до уровней мощности, необходимых для верхней ступени (сотни ватт до киловатт) остается сложной задачей.

Другая новая концепция - магнитоплазмадинамический (MPD) тягач, который использует дугу высокого тока для генерации плотной плазмы и высокой плотности тяги. Хотя двигатели MPD изучались в течение десятилетий, их высокие требования к мощности (мегаватты для эффективной работы) делают их непрактичными для небольших пусковых установок сегодня. Однако с достижениями в сверхпроводящих магнитах и силовой электронике миниатюрные двигатели MPD могут стать жизнеспособными в 2030 году.

Интеграция электрического движения в малые конструкции ракет-носителей

Варианты архитектуры: Kick Stage, Tug или Hybrid Upper Stage

Существует несколько способов включения электрической тяги в небольшую пусковую установку. Простейший - это походная ступень - отдельный космический корабль, который отделяется от химического ускорителя и использует электрические двигатели для завершения вставки на орбиту, а затем выполняет дополнительные маневры. Фотон космический корабль является успешным примером ударной ступени, которая может быть оснащена химическим или электрическим вариантом тяги. Фотон с двигателем Кюри (химический), а также изучает версии электрической тяги для лунной миссии КАПСТОН , который использовал химическую сцену удара, но продемонстрировал концепцию выделенного орбитального транспортного средства.

Более комплексный подход заключается в построении всей верхней ступени вокруг электрического кластера двигателей, при этом ускоритель делает начальное восхождение и постановку на суборбитальных скоростях. Электрическая ступень затем поднимает свою собственную орбиту в течение нескольких дней или недель с использованием непрерывной низкой тяги. Эта архитектура позволяет гораздо меньшему ускорителю, потому что верхняя ступень несет гораздо меньше топлива, чем химический эквивалент. Компромисс - это более длительное время транзита для достижения конечной орбиты - часы вместо минут - что может быть приемлемо для спутников, которые не требуют немедленного прибытия на станцию.

Наконец, некоторые концепции предусматривают гибридную верхнюю ступень с небольшим химическим двигателем для быстрого вставки орбиты и электрическим двигателем для поддержания станции или последующих изменений орбиты. Этот двухрежимный подход сочетает в себе скорость химического движения с эффективностью электрического движения, но добавляет массу и сложность.

Управление энергией и теплом

Электрические двигатели требуют значительной электрической мощности - обычно от 1 до 10 кВт для небольшой верхней ступени. Эта мощность может быть получена развертываемыми солнечными батареями, которые должны быть размещены во время подъема и развернуты после разделения ступени. Для небольших ракет-носителей упаковка больших солнечных батарей (часто 10-30 м2) является серьезной проблемой. Гибкие, высокоэффективные солнечные панели, такие как из [FLT: 1]] Высокоэнергетическая технология солнечных элементов Rocket Lab или [FLT: 2] Redwire [FLT: 3] , разрабатываются для этой цели. Батареи могут обеспечить пиковую мощность во время стрельб двигателя, если солнечная энергия недостаточна, но масса батарей должна быть сведена к минимуму.

Управление тепловой энергией одинаково важно. Электрические двигатели вырабатывают отработанное тепло от корпуса PPU и двигателя, а длительные обжига (десятки часов) могут привести к повышению температуры выше пределов компонентов. Радиаторы и тепловые трубы должны быть спроектированы так, чтобы отбрасывать тепло, выдерживая среду запуска. Некоторые конструкции используют само топливо в качестве охлаждающей жидкости, протекая по каналам перед впрыском, чтобы уносить отработанное тепло - метод, уже используемый в некоторых двигателях Холла.

Преодоление вызовов

Ограничения по времени и время на орбите

Наиболее часто упоминаемым недостатком электрической тяги является ее низкая тяга. Типичный двигатель Холла производит несколько сотен миллиневтонов; химический двигатель аналогичного размера производит килоньютоны. Наращивание орбиты с помощью электрической тяги занимает недели или месяцы вместо минут. Для небольших ракет-носителей это означает, что верхняя ступень не может поддерживать чувствительные ко времени миссии, такие как транспорт экипажа или визуализация по требованию. Однако для многих небольших спутниковых операторов приемлема временная шкала - они экономят стоимость и гибкость орбиты по скорости. Для миссий, требующих быстрого реагирования, может использоваться отдельная химическая ступень удара.

Передовые конструкции двигателей повышают уровень тяги. Двигатель NASA-457M N1] Холла продемонстрировал 100 кВт и 5,4 Н тяги, показывая, что масштабирование возможно. Для небольших пусковых установок кластеры от трех до пяти двигателей мощностью 1 кВт могут обеспечить общую тягу, необходимую при избыточности. Продолжающиеся исследования каналов тяги с высокой плотностью мощности, технологий магнитного щита и архитектур прямого привода (исключая отдельные источники питания) будут продолжать увеличивать тягу без пропорционального увеличения массы системы.

Надежность энергосистемы

Длительная электрическая тяга требует высоконадежных энергетических систем. Солнечные батареи должны выдерживать радиационную среду и производить постоянную мощность даже при высоких углах падения. Механизмы развертывания должны работать безупречно после стартовых нагрузок. Неисправность в энергосистеме может затянуть верхнюю ступень на парковочной орбите. Для смягчения этого производители квалифицируют массивы для вибрации и теплового цикла, используя избыточные струны и включив электронику отслеживания пиковой мощности, которая адаптируется к деградации массива.

Другой подход заключается в использовании ядерных источников электроэнергии, таких как радиоизотопные термоэлектрические генераторы (RTG) или малые реакторы деления. Для небольших пусковых установок RTG слишком тяжелы и скудны (ограниченное предложение плутония-238). Килоэнергия , проект НАСА, продемонстрировал реактор деления мощностью 10 кВт, который можно масштабировать для электрической тяги. Однако космические реакторы все еще находятся на расстоянии нескольких лет от полета для коммерческих малых пусковых установок, и нормативные препятствия для ядерных материалов значительны.

Жизнь и эрозия

Электрические двигатели имеют ограниченный срок службы из-за эрозии электродов, стенок канала и сеток. Срок службы двигателей Холла обычно составляет 2000-10000 часов, в зависимости от условий эксплуатации. Для верхней ступени, которая может гореть в течение 10000 часов в течение нескольких месяцев, этого достаточно. Но для миссий, которые требуют многократного перезапуска или очень долгих ожогов, эрозия может стать режимом отказа. Достижения в магнитном экранировании, которое отвлекает ионные удары от керамических стенок канала, резко увеличили срок службы двигателей Холла. Двигатель NASA-300M с магнитным экранированием продемонстрировал более 10000 часов без значительной деградации. Эти технологии адаптируются к меньшим двигателям для небольших ракет-носителей.

Дорога вперед: краткосрочные демонстрации и долгосрочное видение

Предстоящие летные испытания

Несколько небольших компаний-разработчиков ракет-носителей готовятся к полетам на электрических верхних ступенях в ближайшие несколько лет. Rocket Lab объявила о планах по электрической силовой версии своей верхней ступени Photon, хотя конкретные детали остаются в собственности. Astra (теперь вне бизнеса) рассматривала электрические ударные ступени, и Firefly Aerospace работает над MLV (Средний ракетоносец) с криогенной верхней ступенью, но также поддерживает исследования электрической силовой установки для своей ракеты Alpha. Европейские стартапы, такие как Isar Aerospace и HyImpulse изучают гибридные химически-электрические архитектуры для своих небольших пусковых установок.

С исследовательской стороны, проект NASA &rsquo Solar Electric Propulsion (SEP) разрабатывает систему двигателей Холла мощностью 12,5 кВт, которая в конечном итоге может быть адаптирована для верхних ступеней малых ракет-носителей. Технологическая программа Европейского космического агентства включает в себя исследования электрических верхних ступеней с акцентом на йодистое топливо и легкие энергетические системы. Эти летные испытания будут иметь решающее значение для устранения рисков, связанных с длительным повышением орбиты с низкой тягой, и для проверки экономических моделей.

Экономическая жизнеспособность и рыночный подъем

Деловая база для электрического движения в малых ракетах-носителях зависит от снижения общей стоимости за килограмм на орбиту. Маленькая пусковая установка без электрической ступени может стоить 5-10 миллионов долларов за 300 кг для миссии LEO. Добавление электрической верхней ступени увеличивает стоимость разработки и добавляет массу системы питания, но это может позволить доставлять на более высокие орбиты, которые управляют премиальными ценами или позволяют многоцелевые миссии, которые снижают стоимость спутника. Например, запуск созвездия малых спутников 5G на орбиту в 1000 км может быть выполнен с помощью одной пусковой установки с использованием электрической ступени удара, вместо отправки нескольких меньших химических стадий. Экономия затрат может быть существенной.

Аналитики рынка прогнозируют, что спрос на услуги запуска малых спутников вырастет с 2 миллиардов долларов в 2023 году до более 10 миллиардов долларов к 2030 году, что обусловлено широкополосными созвездиями, наблюдением Земли и подключением к IoT. Электрическая тяга станет ключевым фактором для того, чтобы сделать эти созвездия доступными, особенно в связи с тем, что операторы стремятся пополнить спутники при точных орбитальных параметрах. Возможность регулировки орбиты после разделения является основной точкой продажи.

Вывод: гибридное будущее

Электрическая тяга не заменит химические двигатели для небольших ракет-носителей в ближайшее время. Огромная тяга, необходимая для выхода из гравитационной скважины Земли, просто выходит за рамки возможностей нынешних электрических двигателей. Однако для верхней ступени и за ее пределами электрическая тяга предлагает путь к гораздо большей эффективности, более низким затратам и уменьшению воздействия на окружающую среду. Сочетание первой ступени с химическим питанием и верхней ступени с электрическим питанием - иногда называемой гибридной электрической ракетой-носителем &rdquo - представляет собой практический и эволюционный шаг вперед.

По мере того, как технология двигателей созревает, энергетические системы становятся легче, а наследие полетов накапливается, мы можем ожидать, что больше небольших пусковых установок будут принимать электрические верхние ступени. Этот сдвиг демократизирует доступ к более высоким орбитам, обеспечит более устойчивые космические операции и ускорит рост динамичной коммерческой космической экосистемы. Будущее малых космических запусков не является чисто электрическим, но это, безусловно, электрически гибридный, и это имеет все значение.