Инженер Франческо Романо из Штутгартского университета предложил вариант плазменного двигателя для спутников на очень низкой околоземной орбите, который использует не запас ксенона, а разреженный воздух перед аппаратом. Материал Universe Today пересказывает результаты его диссертации и препринта о системе Atmosphere-Breathing Electric Propulsion.
Идея важна для орбит примерно 100-450 км. На такой высоте камеры дистанционного зондирования получают более детальные снимки, связь и радары требуют меньше мощности, а атмосферное сопротивление помогает быстрее уводить неработающие спутники. Проблема в том, что это же сопротивление постоянно тормозит аппарат, поэтому обычному спутнику нужен запас топлива для коррекции орбиты.
В предложенной схеме входное устройство собирает молекулы верхней атмосферы и подает их в радиочастотный геликонный плазменный двигатель. Там газ превращается в плазму, а магнитное поле выбрасывает поток назад и создает тягу. Такая архитектура должна обходиться без отдельного нейтрализатора, потому что из двигателя выходит квазинейтральная струя с положительными и отрицательными ионами.
Отдельная инженерная трудность связана с атомарным кислородом. В верхней атмосфере ультрафиолет разбивает молекулы кислорода, и получившийся газ активно окисляет электроды, сетки и катоды обычных электрореактивных двигателей. Поэтому Романо выбрал бесконтактную радиочастотную схему и проверил несколько вариантов воздухозаборника.
Лучшим в расчетах и испытаниях оказался зеркальный, или specular, воздухозаборник с параболической геометрией и покрытием из графита или диоксида кремния. Он собирал около 94,3 процента частиц кислорода, аргона или азота в стендовом потоке, а при наклоне на 15 градусов эффективность падала только примерно на 8 процентов.
Для самого двигателя использована антенна типа birdcage, похожая на конструкции в МРТ. По данным работы, она передавала в плазму около 99 процентов подведенной радиочастотной мощности. В вакуумной камере двигатель давал устойчивую плазму при мощности 50-60 ватт, что укладывается в возможности обычных солнечных панелей малых аппаратов.
Модели показывают, что такая система могла бы поддерживать спутник на высотах 190-250 км при мощности менее 1,6 киловатта. В качестве примера рассматривался спутник GOCE, которому для полета на низкой орбите требовался ксеноновый ионный двигатель. В перспективе похожий подход может быть интересен и для Марса, где двигатель мог бы использовать углекислый газ атмосферы на низких орбитах.
Пока это лабораторная и расчетная работа, а не готовый летный двигатель. Но она показывает практический путь к спутникам, которые долго работают в VLEO без большого запаса рабочего тела. Для наблюдения Земли, связи и уборки орбитального мусора это может стать заметным инженерным преимуществом.
