Самарские ученые разработали эффективную систему заправки рабочего тела для спутников с ионными двигателями

Ученые лаборатории криогенной техники Самарского университета им. Королёва разработали и испытали топливозаправщик для отечественных космических спутников, оснащенных ионными двигателями. Такие двигатели используются на малых космических аппаратах для корректировки или изменения орбиты, для управления ориентацией и положением в пространстве. Установка, заправляющая спутники ксеноном, разработана совместно с научно-производственным центром "Самара" по заказу Ракетно-космического центра "Прогресс". Работы по ее созданию велись с осени 2022 года.

Самарская разработка позволит упростить и удешевить процесс заправки так называемых шар-баллонов - топливных баков космических аппаратов, а также обеспечит более высокий уровень чистоты закачиваемого ксенона и сможет в процессе заправки точно определять, сколько космического топлива уже закачано. В целом, данная "ксенон-заправка" поможет сократить сроки изготовления и передачи заказчикам готовых спутников.

"Разработанная установка обеспечит заправку космических аппаратов на заключительном этапе их производства в РКЦ "Прогресс" и позволит упростить технологический процесс изготовления спутников. Сейчас в отечественной космической отрасли в основном применяются заправочные агрегаты, которые требуют снятия шар-баллонов с космического аппарата перед заправкой. Баллоны демонтируются с уже собранных и прошедших испытания спутников, транспортируются в стороннюю организацию, отвечающую за заправку ксеноном, а затем возвращаются заправленными на предприятие и вновь устанавливаются на космический аппарат. Наша же установка позволяет заправлять шар-баллон, не снимая его со спутника. Это упрощает и ускоряет в десятки раз процесс заправки, то есть тем самым будут снижены затраты материальных средств и времени, а также общие сроки сдачи космического аппарата заказчику", - рассказал руководитель проекта профессор Дмитрий Угланов, ведущий научный сотрудник Научно-образовательного центра газодинамических исследований (НОЦ ГДИ) Самарского университета им. Королёва.

При заправке традиционным способом шар-баллон снимают со спутника прежде всего для точной дозировки закачиваемого ксенона - во время заправки демонтированный "ксенон-бак" стоит на весах с высокой точностью измерения, определяющих массу газа. Если шар-баллон не снимать и взвешивать на весах целиком весь космический аппарат (а некоторые спутники весят сотни килограммов), то масса закачиваемого ксенона будет измерена неточно - это примерно как, взвешивая мешок картошки, пытаться одновременно отмерить на тех же весах несколько граммов пряностей. А космос неточностей не терпит - стоит только перекачать лишнего ксенона или, наоборот, недокачать, это обязательно отразится на дальнейшей судьбе спутника: малейший перевес или недовес сместит центр масс космического аппарата, что повлияет как на процесс запуска на орбиту, так и на поведение спутника в процессе эксплуатации. Кроме того, недостаточно заправленный шар-баллон не позволит ионному двигателю полностью отработать на орбите поставленные задачи - просто ксенона не хватит.

По словам Дмитрия Угланова, в установке, разработанной в Самарском университете, применено особое конструктивное решение, позволяющее измерять массу закачиваемого ксенона непосредственно во время прохождения газа в основном тракте системы установки заправки за счет измерительной платформы и использования специально разработанной эмпирической методики определения массы поступающего ксенона в шар-баллон с использованием измерительного комплекса, включающего датчики давления и температуры.

"При проектировании установки заправки ксенона было разработано и запатентовано конструктивное решение с использованием мембранного компрессора, являющегося "сердцем" всей установки. Мембранный компрессор снижает время заправки и обеспечивает контроль массы и высокий уровень чистоты закачиваемого ксенона", - отметил руководитель проекта.

Сам процесс заправки проходит следующим образом: установка через гибкий трубопровод стыкуется с заправляемым спутником. Внутренние полости установки продуваются инертным газом, очищая их от воздуха и других примесей, после чего внутри установки создается вакуум. Далее внутренний тракт установки заполняется ксеноном, проверяется уровень чистоты ксенона, затем газ начинает поступать в шар-баллон спутника. За один цикл установка способна перекачать до 50 кг ксенона вне зависимости от количества заправляемых баллонов. Температура ксенона на выходе из установки не должна превышать 40 °С, поэтому после прохождения мембранного компрессора газ охлаждают. При достижении заданной массы топлива процесс заправки останавливается и вновь берутся пробы на чистоту - уже из заполненного шар-баллона. 

"Конструкция установки позволяет перекачивать ксенон особой чистоты - 99,9999%. Высокий уровень чистоты ксенона очень важен для стабильной и качественной работы ионных двигателей - различные примеси других газов, например, кислорода, аргона, криптона, значительно снижают рабочие характеристики и ресурс двигателей такого типа, двигатель даже может выйти из строя", - подчеркнул Сергей Корнеев, младший научный сотрудник НОЦ ГДИ.

По словам разработчиков, созданная установка может заправлять ксеноном самые различные российские спутники, но ее концепция предусматривает возможность заправки любых космических аппаратов, использующих в качестве рабочего тела ксенон или другие инертные газы, поэтому в будущем такую установку вполне можно будет применять и для заправки космических кораблей с плазменными двигателями. 

Подобные установки для заправки ксеноном разработаны и за рубежом, их используют и в НАСА, и в Европейском космическом агентстве, но, как отмечают самарские ученые, у зарубежных установок несколько другая конструкция, основанная на ином принципе работы, более сложном и энергоемком, а также требующем больше затрат времени на заправку. Так что можно сказать, что самарская установка уникальна и на международном уровне.

"Установка успешно прошла заводские испытания, в ходе которых отрабатывались самые разные режимы и ситуации, как штатные, так и нештатные. Испытания показали соответствие установки всем требуемым рабочим параметрам. В настоящее время установка передается в РКЦ "Прогресс" для проведения автономных испытаний. Ожидается, что штатные заправки космических аппаратов с помощью нашей установки могут начаться с августа-сентября этого года", - подытожил Дмитрий Угланов.

Справочно

Автономные испытания - испытания полностью смонтированного, укомплектованного и отлаженного оборудования, проводимые на месте его будущей эксплуатации.

Фото: Олеся Орина