Ракетные двигатели АО «ОКБ «Факел» для космических аппаратов - опыт лётного применения и новые разработки

В 1960 г. под руководством выдающегося инженера, учёного, пионера освоения космического пространства Сергея

Павловича Королёва был сформулирован проект по межпланетным космическим полётам с использованием электро-ракетных двигателей (ЭРД), в т. ч. и по пилотируемому полёту к Марсу.

Предприятию «Калининградское отделение лаборатории двигателей Академии наук СССР» — будущему АО «ОКБ «Факел» — была поручена часть задач в рамках подготовки марсианской программы, одной из которых стала разработка магнитоплазменных ракетных двигателей большой мощности [1]. В 1963 г. калининградское предприятие приступило к разработке импульсных плазменных двигателей, изначально предназначавшихся для автоматических межпланетных космических аппаратов (КА) для полёта к Марсу и Венере [2]. В то же время на предприятии началась разработка электродугового двигателя, использовавшего в качестве рабочего тела (РТ) литий [3].

В начале 1970-х гг., из-за неготовности бортовой энергетической установки, работы по магнитоплазменным, импульсным плазменным и электро-дуговым двигателям стали сворачиваться, а им на смену пришли принципиально новые ионные двигатели и стационарные плазменные двигатели (СПД), которые были доведены до уровня, обеспечивающего космическое применение. Опытная эксплуатация первого двигателя этого типа — СПД-60 — впервые в мире была успешно проведена в составе электроракетной двигательной установки (ЭРДУ) ЭОЛ-1 на КА «Метеор» в 1971–1972 гг. [2, 4]. После начала практического применения СПД в составе советских КА на предприятии были созданы научно-конструкторские подразделения и производственноиспытательная база. Само предприятие, на котором к тому времени были сконцентрированы основные работы по различным типам ракетных двигателей для КА, преобразовали в АО «ОКБ «Факел».

Основной продукцией АО «ОКБ «Факел» являются ЭРД (а именно: СПД и электротермокаталитические двигатели — ЭТКД), системы хранения и подачи РТ и двигательные установки (ДУ) на их основе.

По состоянию на 22.03.2023 г. в космосе эксплуатировались 676 КА с продукцией АО «ОКБ «Факел», при этом 99 КА были созданы российской космической промышленностью, а 577 КА – международными партнёрами.

Стационарные плазменные двигатели

В последующее время в АО «ОКБ «Факел» был создан параметрический ряд СПД — СПД-50, СПД-50М ( SPT -50 M ), СПД-70, СПД-100B ( SPT -100 B ), СПД-100ВМ, СПД-100Д, СПД-140 ( SPT -140) и СПД-140Д ( SPT -140 D ), — способный решить широкий диапазон возможных полётных задач. История лётного применения этих двигателей представлена в табл. 1.

Таблица 1

Лётная история стационарных плазменных двигателей разработки АО «ОКБ «Факел»

Наименование	Количество двигателей с лётной историей	Начало лётной истории
СПД-50	26	1977 г.
СПД-50М	514	2019 г.
СПД-70	144	1984 г.
СПД-100	516	1994 г.
СПД-140	85	2017 г.

Следует обратить внимание на то, что создание СПД является актуальной задачей как для России (решением которой совместно с АО «ОКБ «Факел» занимаются ГНЦ «Центр Келдыша» и НИИ ПМЭ МАИ), так и для США, Франции, Италии, Израиля и многих других стран, исследующих и осваивающих космическое пространство.

Двигатели СПД-50 и СПД-50М

26 двигателей СПД-50 применялись на российских КА, начиная с 1977 г. С целью повышения тяговых, удельных, ресурсных и прочностных характеристик конструкции СПД-50 были выполнены работы по его модернизации, в результате чего создан двигатель СПД-50М ( SPT -50 M ). 514 двигателей SPT -50 M , внешний вид которых представлен на рис. 1, с 2019 г. летают в составе изображённого на рис. 2 КА OneWeb ( Airbus OneWeb Satellites , США) [5]. Темп поставки SPT -50 M для КА OneWeb составил 25 двигателей в месяц. В табл. 2 представлены основные параметры двигателей СПД-50 и СПД-50М ( SPT -50 M ).

Рис. 1. Двигатель СПД-50М (SPT-50M): а — внешний вид двигателя; б — испытания двигателя в вакуумной камере (фотографии из архива АО «ОКБ «Факел»)

а)

б)

Рис. 2. Космический аппарат (КА) OneWeb (Airbus OneWeb Satellites, США) с двигателем SPT-50M: а — внешний вид КА с установленным двигателем (в центре); б — иллюстрация КА с работающим двигателем [6]

Основные параметры СПД-50 и СПД-50М/ SPT- 50 M

Таблица 2

Наименование параметра	СПД-50	СПД-50М/ SPT- 50 M
Тяга, мН	14,0	14,8	18,0
Удельный импульс тяги, м/с (с)	8 437 (860)	9 123 (930)	11 772 (1 200)
Мощность разряда, Вт	220		300
Напряжение разряда, В	180		300
Ток разряда, А	1,2		1,0
КПД, %	27	31	40
Суммарный импульс тяги (прогнозируемый), МН ⋅ с	> 0,06 (> 0,12)	> 0,17 (> 0,26)	> 0,20 (> 0,32)
Время безотказной работы (прогнозируемое), ч	> 1 217 (> 2 500)	> 3 200 (> 5 000)
Количество включений	> 3 000	> 11 000
Масса, кг	1,23	1,32

Двигатель СПД-70и тяговый модуль на базе СПД-70

Основным ЭРД для работы в диапазоне мощностей разряда до 1 000 Вт является представленный на рис. 3 СПД-70. Начиная с 1984 г., 144 таких двигателя были установлены на российские КА.

а)

б)

Рис. 3. Двигатель СПД-70: а — внешний вид двигателя; б — внешний вид тягового модуля на базе СПД-70 (фотографии из архива АО «ОКБ «Факел»)

В ноябре 2023 г. исполнилось 20 лет успешной эксплуатации разработанного РКК «Энергия» геостационарного космического аппарата «Ямал-202», для которого в АО «ОКБ «Факел» был создан тяговый модуль на базе двигателя СПД-70 [7]. В настоящее время этот тяговый модуль используется на КА EgyptSat-A (рис. 4), а его аналоги применялись на КА «Ямал-100», «Эксп-ресс-МД1», «Экспресс-МД2», KazSat -1 и KazSat -2.

Рис. 4. Внешний вид космического аппарата EgyptSat-A (РКК «Энергия») с функционирующими тяговыми модулями на базе СПД-70 [8]

Основные параметры тягового модуля на базе двигателя СПД-70:

рабочее тело                       ксенон;

тяга                              39,2 мН;

удельный импульс тяги энергопотребление напряжение разряда ток разряда

КПД

14 420 м/с (1470 с);

675 Вт;

300 В;

2,23 А;

43%;

суммарный импульс тяги:

– полученный              > 0,49 МН·с;

– прогнозируемый          > 0,83 МН·с;

время безотказной работы:

– полученное                 > 3 100 ч;

– прогнозируемое              > 5 270 ч;

количество включений              3 000;

масса                                  2,7 кг.

Двигатели СПД-100В и СПД-100ВМ

АО «ОКБ «Факел» является разработчиком одного из лучших плазменных ЭРД в своём классе по комплексу тяговых параметров и надёжности, подтверждённой статистикой лётного применения, — СПД-100В ( SPT -100 B ). С целью улучшения тяговых параметров СПД-100В при сохранении габаритных размеров и присоединительного интерфейса была выполнена модернизация конструкции, в результате которой был создан двигатель СПД-100ВМ. Внешний вид двигателей СПД-100В и СПД-100ВМ и фотографии с их испытаний представлены на рис. 5, а их основные параметры сведены в табл. 3.

Начиная с 1994 г., 324 двигателя СПД-100 были установлены на российские КА. В 1992 г. началось сотрудничество АО «ОКБ «Факел» с международными партнёрами. Первым заказчиком стала компания Space Systems/Loral (в настоящее время — Maxar, США), для которой, после проведения квалификационных испытаний, начались поставки двигателей SPT-100B [9]. В 2009 г. состоялась первая поставка двигателей СПД-100 для компании Airbus Defense and Space (Франция). В 2014 г. были поставлены блоки коррекции на основе двигателей SPT-100B для КА «Амос-6» компании Israel Aerospace Industries (Израиль). В 2019 г. поставлены двигатели для компании OHB (Швеция). В 2022 г. двигатели SPT-100B были поставлены компании CAST (Китай). За весь период сотрудничества международным партнёрам были поставлены более 250 двигателей типа СПД-100.

а)

б)

в)

Рис. 5. Внешний вид (а) и испытания двигателей СПД-100В (б) и СПД-100ВМ (в) в вакуумной камере (фотографии из архива АО «ОКБ «Факел»)

Таблица 3

Основные параметры двигателей СПД-100В и СПД-100ВМ

Параметр	СПД-100В	СПД-100ВМ
Тяга, мН	83	90
Удельный импульс тяги, м/с (с)	15 107 (1 540)	15 696 (1 600)
Мощность разряда, Вт	1 350
Напряжение разряда, В	300
Ток разряда, А	4,5
КПД, %	45	52
Прогнозируемый суммарный импульс тяги, МН·с	> 2,6	> 4,5
Прогнозируемое время безотказной работы, ч	> 9 000	> 15 000
Количество включений	> 8 800	> 13 000
Масса, кг	3,5	4,2

Двигатели СПД-140

На основе опыта разработки двигателей параметрического ряда в АО «ОКБ «Факел» были созданы и квалифицированы несколько вариантов конструкции многорежимного двигателя повышенной мощности СПД-140 / SPT -140 (основные отличия вариантов заключаются в реализации электрического и пневматического интерфейсов в соответствии с требованиями заказчиков), представленного на рис. 6–8. В табл. 4 сведены основные параметры двигателя СПД-140Д.

Двигатели СПД-140 решают не только задачи коррекции положения КА, но и задачи довыведения КА с опорной орбиты на рабочую, что реализовано в космических полётах как отечественных КА разработки АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М.Ф. Решетнёва» (АО «РЕШЕТНЁВ») [10], так и зарубежных КА разработки Thales Alenia Space (Франция) [13], Airbus Defense and Space (Франция) [14] и Maxar (США) [15].

Поставки двигателя SPT-140 для компании Maxar (США) начались в 2016 г. Кроме того, в 2016 г. начались поставки двигателей в составе двигательных блоков различной конфигурации для компании Airbus Defense and Space (Франция) [16] и поставка двигателей для компании Thales Alenia Space (Франция). В 2022 г. двигатели были поставлены компаниям Mitsubishi Electric Corporation (Япония) и CAST (Китай).

а)

б)

Рис. 6. Двигатели довыведения космических аппаратов «Экспресс-АМУ3» и «Экспресс-АМУ7» (АО «РЕШЕТНЁВ») на геостационарную орбиту: а — внешний вид двигателя СПД-140Д (в центре) и двух двигателей СПД-100В; б — одновременная работа трёх двигателей довыведения при испытаниях в вакуумной камере [10]

Рис. 7. Внешний вид космического аппарата Eutelsat 10B (Thales Alenia Space, Франция) с двигательными блоками на базе двигателей SPT-140D [11]

Рис. 8. Космический аппарат Eutelsat HOTBIRD 13F (Airbus Defense and Space, Франция) с двигательными блоками на базе двигателей SPT-140D перед отделением от ракеты-носителя [12]

Таблица 4

Основные параметры двигателей СПД-140Д

Параметр	Значение
Рабочее тело	Ксенон		Криптон
Тяга, мН	271	174	232	169
Удельный импульс тяги, м/с (с)	18344 (1870)	18246 (1860)	18884 (1925)	19522 (1990)
Мощность разряда, Вт	4500	3000	4500	3000
Напряжение разряда, В	300	375	300	375
Время безотказной работы, ч	> 19000
Количество включений	> 9 000
Масса, кг	8,5

Примечание .   Приведены основные параметры

СПД-140Д после проведения 19 000 ч наработки.

История лётного применения двигателей СПД-140 на КА в настоящее время включает в себя 85 двигателей на 21 КА. С помощью этих двигателей на геостационарную орбиту были выведены КА массой 2,0…6,5 т с длительностью трансфера 2,5…6 мес. При этом максимальная продолжительность непрерывной работы составила 936 ч. Для трансфера используется одновременная работа до трёх двигателей СПД-140 при мощности 4,5 кВт на каждый двигатель в режиме максимальной тяги. В иностранных КА после довыведения двигатели переводятся манипуляторами в положение коррекции и продолжают свою работу в режимах максимального удельного импульса, экономя РТ. Одним типом двигателя решаются две задачи: довыведение КА и коррекция орбиты. Кроме того, в иностранных

КА была реализована концепция полностью электрического КА без применения двигателей, использующих запасённую в монотопливе (или в компонентах топлива) химическую энергию — Full Electric Propulsion.

Необходимо также отметить, что возможность работы двигателя SPT -140 в широком диапазоне мощности разряда (от 0,8 до 5,0 кВт) будет использована в проекте NASA по исследованию астероида Психея [17]. Миссия планируется к запуску в 2023 г.

При квалификации двигателя СПД-140 на четырёх образцах для разных заказчиков был достигнут ресурс 4 500, 10 000, 15 000 и 19 000 ч с максимальным количеством включений 20 000, что позволило подтвердить высокую надёжность двигателя и отказаться от резервного катода для зарубежных заказчиков.

Электротермокаталитические двигатели

Не менее ответственной и успешной сферой деятельности АО «ОКБ «Факел» является разработка и производство ЭТКД, использующих в качестве РТ монотопливо — гидразин. Основными преимуществами этих ЭТКД являются низкое энергопотребление и малые массогабаритные характеристики при высоких ресурсных характеристиках и надёжности. Они применяются на КА разработки РКК «Энергия», АО «РЕШЕТНЁВ» (в т. ч. на КА «Глонасс»), АО «НПО Лавочкина», АО «Корпорация «ВНИИЭМ» и АО «РКЦ «Прогресс».

В табл. 5 сведены основные параметры разработанных ЭТКД, а на рис. 9 представлен их внешний вид. История лётного применения ЭТКД представлена в табл. 6.

Таблица 5

Основные параметры электротермокаталитических двигателей разработки АО «ОКБ «Факел»

Параметр	К50-10.1	К50-10.5	ТК500М	ТК500МД
Рабочее тело	Гидразин
Давление рабочего тела на входе, кПа	883…206
Тяга, Н	0,55…0,10		5,9…1,0
Удельный импульс тяги в непрерывных режимах, м/с (с)	2 119…2 021 (216…206)		2 158…2 099 (220…214)	2 207…2 031 (225…207)
Удельный импульс тяги в импульсных режимах, м/с (с)	1 962…1 727 (200…176)		2 060…1 668 (210…170)	—
Энергопотребление в режиме подготовки и постоянной готовности, Вт	3,3…4,5	3,3…3,9	10…14	14
Энергопотребление в режиме форсированной подготовки, Вт	27,0…37,0	24,4…37,5	—
Ресурс по количеству рабочего тела, кг	50	35	150	25
Ресурс по количеству включений	130 000	150 000	40 000	50
Масса, кг	0,46	0,2	0,44

а)                               б)                               в)                          г)

Рис. 9. Внешний вид электротермокаталитических двигателей разработки АО «ОКБ «Факел»: а — К50-10.1;

б — К50-10.5; в — ТК500М; г — ТК500МД (фотографии из архива АО «ОКБ «Факел»)

Перспективные разработки

Плазменные ЭРД для малых КА формата CubeSat

В связи с заинтересованностью миро- вого рынка в наличии систем управления движением для малых КА, в АО «ОКБ «Факел» ведутся работы по созданию моделей плазменного двигателя сверхмалой мощности (менее 100 Вт) [18]. В ходе этих работ проведены исследования особенностей рабочих процессов ионизации РТ и ускорения ионов в малоизученных условиях сверхмалой геометрии систем ЭРД и сверхмалой мощности разряда [19, 20]. Внешний вид экспериментальной лабораторной модели ускорителя плазмы сверхмалой мощности У-М1 — прототипа моделей плазменного двигателя для малых КА формата CubeSat — представлен на рис. 11, а его основные параметры приведены в табл. 7.

Кроме того, в рамках решения актуальной задачи по созданию плазменных ЭРД для малых КА в АО «ОКБ «Факел» проводятся работы по созданию двигателя Д-18 мощностью до 100 Вт, выполненного по схеме двигателя с анодным слоем (ДАС)

Рис. 11. Внешний вид экспериментального ускорителя плазмы У-М1 (фотография из архива АО «ОКБ «Факел»)

и характеризующегося простотой конструкции и технологичностью изготовления [21]. Внешний вид модели ДАС мощностью до 100 Вт представлен на рис. 12, а его основные параметры приведены в табл. 8 [22]. На рис. 12 также представлен внешний вид макета ЭРДУ на базе данного двигателя.

Таблица 7

Основные параметры экспериментального ускорителя плазмы У-М1

Режим работы по мощности разряда	22,5 Вт (0,150 А/150 В)	25,0 Вт (0,147 А/170 В)	27,0 Вт (0,135 А/200 В)
Тяга, мН	0,76	0,78	0,77
Анодный удельный импульс тяги, м/с (с)	4 089 (417)	4 581 (467)	5 132 (523)
Анодный расход ксенона, мг/с	0,19	0,17	0,15

а)

б)

Рис. 12. Двигатель с анодным слоем мощностью до 100 Вт: а — внешний вид модели двигателя; б — внешний вид макета электроракетной двигательной установки (фотографии из архива АО «ОКБ «Факел»)

Основные параметры двигателя с анодным слоем мощностью до 100 Вт

Таблица 8

Режим работы по мощности разряда	Тяга, мН	Анодный удельный импульс тяги, м/с (с)	Анодный расход ксенона, мг/с	Анодный КПД, %
63,5 Вт (0,423 А/150 В)	2,8	6 936 (707)	0,41	15,6
80,1 Вт (0,534 А/150 В)	3,5	6 916 (705)	0,51	15,2
91,8 Вт (0,612 А/150 В)	4,0	7 456 (760)	0,54	16,3

Автоэмиссионная ДУ для малых КА формата CubeSat

С целью создания ЭРДУ для малых КА формата CubeSat , обладающей минимально возможными массогабаритными характеристиками (до 0,6 кг и до 0,5 U ), в АО «ОКБ «Факел» проводятся работы по созданию автоэмиссионной ДУ, базирующейся на принципе ионизации жидкого металла под действием электрического поля с последующим ускорением ионов.

Основные проектные параметры прототипа автоэмиссионной ДУ:

рабочее тело индий; тяга 0,01…0,50 мН; удельный импульс тяги 19 620…58 860 м/с

(2 000…6 000 с); энергопотребление не более 50 Вт; масса не более 0,6 кг; габаритные размеры не более 100×100×65 мм.

Моноблочные ЭРДУ на базе СПД-50 / СПД-50М

Одной из актуальных задач, стоящих перед АО «ОКБ «Факел», является создание нескольких конструктивных вариантов моноблочных ЭРДУ мощностью 300…900 Вт на базе плазменных двигателей СПД-50/СПД-50М. На рис. 13 представлен внешний вид макета одного из конструктивных вариантов моноблочной ЭРДУ на базе двигателя СПД-50/СПД-50М с применением системы питания и управления, созданной АО «Российские космические системы» в рамках проекта «ИБИС».

Двигатель СПД-70М

В настоящее время АО «ОКБ «Факел» проводит модернизацию двигателя СПД-70, обусловленную расширением круга задач, которые могут быть решены с использованием ЭРД средней и малой мощности в составе двигательных установок КА [23, 24]. Основные направления модернизации включают в себя обеспечение работоспособности модернизированного двигателя СПД-70М в диапазоне мощностей разряда 500…1 200 Вт с более высокими параметрами, чем у прототипов, и достижение суммарного импульса тяги не менее 1,0 МН∙с, а также оптимизацию конструкции двигателя с целью повышения её технологичности и снижения стоимости изготовления [25].

Одной из задач отработки конструкции двигателя СПД-70М была проверка возможности работы на криптоне, так как изначально двигатель разрабатывался для работы на ксеноне.

Рис. 13. Внешний вид макета одного из вариантов моноблочной электроракетной двигательной установки на базе двигателя СПД-50 / СПД-50М (фотография из архива АО «ОКБ «Факел»)

С учётом явного интереса к использованию криптона в качестве РТ, основной объём отработки в настоящее время ведётся на криптоне. Основные параметры модели двигателя СПД-70М (рис. 14) представлены в табл. 9.

Двигатель СПД-100Д

С целью увеличения тяговых параметров и обеспечения функционирования двигателя СПД-100В в нескольких режимах работы, в т. ч. с высоким удельным импульсом, был разработан двигатель СПД-100Д (рис. 15), основные параметры которого представлены в табл. 10.

а)

б)

в)

Рис. 14. Внешний вид модели двигателя СПД-70М (а) и её испытания в вакуумной камере при работе на ксеноне (б) и криптоне (в) (фотографии из архива АО «ОКБ «Факел»)

Таблица 9

Основные параметры двигателя СПД-70М

Параметр	Значение
Рабочее тело	Ксенон		Криптон
Тяга, мН	40	52	38
Удельный импульс тяги, м/с (с)	14 715 (1 500)	14 910 (1 520)	13 540 (1 380)
Мощность разряда, Вт	660	900
Напряжение разряда, В	300
Прогнозируемое время безотказной работы, ч	> 11 000	> 9 000	> 7 000
Количество включений	11 000
Масса, кг	2,35

Рис. 15. Внешний вид двигателя СПД-100Д (фотография из архива АО «ОКБ «Факел»)

Таблица 10

Основные параметры двигателя СПД-100Д

Параметр	Значение
Тяга, мН	133	84
Удельный импульс тяги, м/с (с)	19 227 (1 960)	25 800 (2 630)
Мощность разряда, Вт	2 300
Напряжение разряда, В	400	810
Анодный КПД, %	62,0	52,9
Прогнозируемое время безотказной работы, ч	> 5 000
Прогнозируемое количество включений	> 5 000
Масса, кг	≤ 5,7

Двигатель СПД-140М

АО «ОКБ «Факел» выполняет работы по созданию модернизированного плазменного двигателя повышенной мощности СПД-140М, направленные на увеличение тяговых параметров и ресурсных характеристик при сохранении габаритных параметров двигателей СПД-140. Кроме того, планируется отработка функционирования модернизированного двигателя на альтернативном РТ.

На рис. 16 представлен внешний вид лабораторной модели модернизированного двигателя СПД-140М, а в табл. 11 приведены её основные параметры при работе на ксеноне.

б)

Рис. 16. Внешний вид лабораторной модели двигателя СПД-140М (а) и её испытания в вакуумной камере (б) (фотографии из архива АО «ОКБ «Факел»)

а)

Таблица 11

Основные параметры лабораторной модели СПД-140М

Параметр	Значение
Тяга, мН	290…320	350
Удельный импульс тяги, м/с (с)	18 150 (1 850)	26 487 (2 700)
Мощность разряда, Вт	4 500…5 000	6 000…8 000
КПД, %	≥ 60
Время безотказной работы (прогнозируемое), ч	> 25 000
Масса, кг	≤ 8,1

Двигатель СПД-230

К числу перспективных плазменных ЭРД разработки АО «ОКБ «Факел» относится двигатель повышенной мощности СПД-230, который в настоящее время обладает статусом квалификационной модели.

Двигатель СПД-230 может быть востребован в будущих проектах по освоению Луны. Например, ЭРДУ увеличенной мощности на базе двигателя СПД-230 будут способны выполнить довыведение модулей пилотируемой орбитальной лунной станции с низкой околоземной орбиты на орбиту Луны, после чего выполнять задачи по коррекции параметров окололунной орбиты станции [26].

Основные параметры двигателя СПД-230:

тяга                          ≤ 1 017 мН;

удельный импульс тяги       ≤ 32 274 м/с

(≤ 3 290 с);

мощность разряда            ≤ 20 000 Вт;

напряжение разряда              ≤ 800 В;

ток разряда                       ≤ 50 А;

прогнозируемое время безотказной работы масса

> 10 000 ч; 25 кг.

Ионный двигатель со струнной ионно-оптической системой

К числу наиболее эффективных типов ЭРД, кроме плазменных (электромагнитных) двигателей, относятся также ионные (электростатические) ЭРД, основным преимуществом которых является возможность реализации более высоких скоростей истечения потока частиц (в сравнении с плазменными ЭРД) при высоких значениях тягового КПД.

С целью создания ЭРД с повышенными значениями удельного импульса тяги и КПД, в АО «ОКБ «Факел» были возобновлены работы по отработке модели ионного двигателя со струнной ионно-оптической системой (ИОС), обладающего тягой ~50 мН, удельным импульсом тяги до 39 240 м/с (4 000 с) и значением КПД до 80%.

Внешний вид ЭРДУ, созданной в АО «ОКБ «Факел» на базе модели ионного двигателя со струнной ИОС, представлен на рис. 17.

Рис. 17. Внешний вид электроракетной двигательной установки на базе ионного двигателя со струнной ионно-оптической системой (фотография из архива АО «ОКБ «Факел»)

Двигатель БПРД

Развитие космической отрасли XXI века в значительной степени будет определяться прогрессом в усовершенствовании плазменных двигателей. Значительное расширение диапазона рабочих параметров и эффективности плазменных ЭРД может быть достигнуто при использовании без-электродного нагрева плазмы электромагнитными волнами с последующим истечением потока ускоренных частиц плазмы [27].

Реализовать рассматриваемый способ подвода энергии к РТ возможно при использовании принципиальной схемы безэлектродного плазменного ракетного двигателя (БПРД), участие в создании которого относится к числу перспективных работ АО «ОКБ «Факел».

Применение БПРД позволит снизить временные затраты на выполнение как транспортных задач по доставке тяжёлых КА на геостационарную орбиту, так и полётов к Луне и небесным телам Солнечной системы в рамках проектов по исследованию и освоению космического пространства.

Работы по созданию БПРД, обладающего энергопотреблением до 150 кВт и использующего в качестве РТ аргон, ведутся под научным руководством НИЦ «Курчатовский институт».

Интегрированные двигательные блоки ITU100 и ITU140

АО «ОКБ «Факел», в сотрудничестве со швейцарской компанией RUAG , является разработчиком механизмов ориентации двигателей — интегрированных двигательных блоков ITU100 и ITU140 (рис. 18). Данные блоки позволяют осуществлять управление вектором тяги двигателей СПД-100 и СПД-140, не меняя при этом ориентацию КА относительно его центра масс, повышая возможности аппарата при выполнении орбитальных манёвров [28].

а)

б)

Рис. 18. Интегрированные двигательные блоки ITU, разработанные АО «ОКБ «Факел» в кооперации с компанией RUAG: а — ITU100; б — ITU140 (фотографии из архива АО «ОКБ «Факел»)

Жидкостный ракетный двигатель малой тяги на продуктах электролиза воды

В АО «ОКБ «Факел» возобновлена свёрнутая в 1990-х гг. отработка элементов ДУ с энергопотреблением менее 100 Вт на базе высокоэффективных двухкомпонентных жидкостных ракетных двигателей малой тяги (ЖРД МТ) с тягой порядка 1 Н, использующих топливную пару «газообразный кислород + газообразный водород», полученную путём электролиза воды.

К основным преимуществам ЖРД МТ на продуктах электролиза воды относятся повышенный удельный импульс (~2 940 м/с), безопасность для окружающей среды, низкая стоимость и доступность РТ. Стоит обратить внимание на наличие залежей водяного льда на Луне и Марсе, что определяет перспективность применения ЖРД МТ на продуктах электролиза воды в проектах по исследованию и освоению ближайших к Земле небесных тел Солнечной системы.

Внешний вид разработанного ранее в АО «ОКБ «Факел» макета ЖРД МТ на топливной паре «кислород + водород» представлен на рис. 19.

Рис. 19. Внешний вид макета жидкостного ракетного двигателя малой тяги на продуктах электролиза воды (фотография из архива АО «ОКБ «Факел»)

Двигательная установка «Марафон IoT»

Двигательная установка «Марафон IoT» на базе ЭТКД, разрабатываемая АО «ОКБ «Факел» для применения в составе космических аппаратов АО «РЕШЕТНЁВ», предназначена для многократного создания импульса тяги с целью обеспечения коррекции орбиты КА при выполнении манёвров приведения, удержания, уклонения от столкновения и увода.

Основные параметры ДУ «Марафон IoT »:

рабочее тело                    гидразин;

удельный импульс тяги в непрерывных режимах        не менее 2 060 м/с (210 с);

суммарный импульс тяги           не менее 8 000 Н·с;

масса без РТ                не более 4,1 кг;

габаритные размеры 470×260×260 мм.

Газовая двигательная установка ГДУ

В рамках выполнения работ с «Фондом содействия инновациям» в АО «ОКБ «Факел» была разработана газовая двигательная установка (ГДУ), построенная на базе электронагревного газового двигателя и предназначен- ная для выполнения задач по коррекции орбиты малых КА формата CubeSat [29].

Внешний вид ГДУ представлен на рис. 20. Опытный образец был установлен на малый КА формата CubeSat «Геоскан-Эдельвейс», который был выведен на орбиту 09.08.2022 г. [30]. Первые включения ГДУ в составе КА «Геоскан-Эдельвейс» успешно выполнены в 2023 г.

Основные параметры газовой двига- тельной установки: рабочее тело тяга удельный импульс тяги в непрерывных режимах без включения нагревателя удельный импульс тяги в непрерывных режимах с включением нагревателя энергопотребление максимальное давление хранения РТ в баллонах масса габаритные размеры азот;

96,5…51,9 мН;

≥ 687 м/с (≥ 70 с);

≤ 1 177 м/с (≤ 120 с); не более 9,0 Вт;

39,2 МПа; не более 1,1 кг;

не более 163×95×95 мм.

а)

б)

Рис. 20. Газовая двигательная установка: а — внешний вид двигательной установки (фотография из архива АО «ОКБ «Факел»); б — иллюстрация малого космического аппарата формата CubeSat 3U с двигательной установкой [31]

Малогабаритный блок подачи и распределения рабочего тела на основе принципа управления регулированием по датчику

С учётом созданного задела по клапанам, обладающим высокими подтверждёнными ресурсными характеристиками, АО «ОКБ «Факел» ведёт проектирование нового малогабаритного блока подачи и распределения РТ, основанного на принципе управления регулированием по датчику (БПРРТ УРД), предназначенного для подачи требуемого количества РТ и его распределения между трактом анодного блока СПД и трактом катода-компенсатора в соотношении, необходимом для работы плазменного двигателя.

Основным преимуществом БПРРТ УРД является снижение трудоёмкости и времени изготовления в связи с уменьшением количества элементов, входящих в состав системы. Кроме того, БПРРТ УРД будет способен обеспечивать более широкий диапазон регулирования расхода РТ (как следствие — диапазон регулирования тока разряда плазменного ЭРД) при массе блока, уменьшенной до 1 кг. В связи с этим АО «ОКБ «Факел» рассматривает возможность применения малогабаритного БПРРТ УРД в проектах новых конкурентоспособных ЭРДУ малой, средней и повышенной мощности.

Основные параметры малогабаритного

БПРРТ УРД: рабочее тело давление РТ на входе в БПРРТ УРД обеспечиваемый расход РТ в анодный блок обеспечиваемый расход РТ в катод-компенсатор масса без съёмных элементов габаритные размеры без съёмных элементов криптон, ксенон;

18,6…0,3 МПа;

2…20 мг/с;

0,15…1,20 мг/с;

≤ 1 кг;

214×160×54 мм.

Заключение

Эффективное и надёжное управление орбитальным движением является ключевой составляющей процесса освоения околоземного космического пространства и небесных тел Солнечной системы.

История лётного применения на КА ракетных двигателей, созданных в АО «ОКБ «Факел», насчитывает более 1 280 СПД и более 3930 ЭТКД. Двигатели предприятия входят в состав более 60% космических аппаратов России, а в мировом масштабе — в более 10% от общего числа КА.

Перспективные идеи, воплощаемые в настоящее время в жизнь инженерами и специалистами АО «ОКБ «Факел», станут новым поколением инструментов, предназначенных для выполнения самой сложной задачи в истории человечества — покорения космоса.