Спутник с «воздушным дыханием» сможет работать на сверхнизкой орбите

Испанская компания Kreios Space разрабатывает необычную двигательную систему для спутников, работающих на очень низкой околоземной орбите (VLEO). Вместо хранения большого запаса топлива аппарат будет захватывать разреженные газы из верхних слоёв атмосферы, преобразовывать их в плазму и использовать для создания тяги.

Первую демонстрацию технологии в космосе компания планирует провести в 2028 году. Для миссии будет использована микроспутниковая платформа Kongsberg NanoAvionics, на которую установят воздушно-дыхательную электрическую двигательную установку.

Спутник будет использовать атмосферу как рабочее тело

На высотах порядка 100–400 км атмосфера Земли уже чрезвычайно разрежена, однако её сопротивление всё ещё оказывает существенное влияние на космические аппараты. Чем ниже находится спутник, тем быстрее он теряет орбитальную энергию и высоту.

Обычному спутнику для компенсации аэродинамического торможения приходится расходовать бортовое топливо. Для длительной работы на VLEO это становится серьёзным ограничением: запас топлива увеличивает массу аппарата и стоимость его выведения.

Система Kreios Space должна решить эту проблему за счёт использования самой атмосферы. Спутник захватывает молекулы преимущественно кислорода и азота, поступающие в воздухозаборник, после чего газ сжимается, нагревается и ионизируется. Получившаяся плазма ускоряется электрическим полем и выбрасывается назад, создавая тягу.

Таким образом, двигатель практически не требует традиционного запаса рабочего тела: источником массы для создания тяги служит окружающая спутник атмосфера.

Почему нужна именно VLEO

Очень низкие орбиты дают спутникам ряд преимуществ. При меньшем расстоянии до поверхности можно получать изображения Земли более высокого пространственного разрешения, повышать эффективность радиосвязи и уменьшать требования к размерам некоторых элементов космической аппаратуры.

Однако эти преимущества сопровождаются значительным атмосферным сопротивлением. Поэтому основная задача технологии Kreios заключается не столько в достижении низкой орбиты, сколько в возможности длительно поддерживать её без постоянного расходования бортового топлива.

В 2021 году компания испытала прототип установки в лабораторных условиях. Предстоящая миссия должна впервые проверить работу системы непосредственно в космической среде.

Помимо демонстрации двигательной установки, спутник будет проводить измерения параметров окружающей среды и получать изображения поверхности Земли с разрешением менее метра в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах (VNIR).

Технология может изменить архитектуру спутников VLEO

Если технология подтвердит заявленные характеристики, воздушно-дыхательные двигатели могут сделать VLEO более привлекательным для коммерческих спутниковых систем. Аппарат сможет компенсировать атмосферное торможение, не увеличивая существенно массу за счёт запасов рабочего тела.

Дополнительным преимуществом VLEO является относительно низкая плотность космического мусора по сравнению с более загруженными участками низкой околоземной орбиты. При этом близость к Земле позволяет потенциально повысить качество наблюдения и эффективность некоторых коммуникационных систем.

Проблема заключается в том, что на таких высотах плотность атмосферы настолько мала, что для создания необходимой тяги требуется захватывать значительные объёмы газа. Поэтому эффективность воздухозаборника и электрической двигательной установки становится критически важной.

Интерес к VLEO растёт и в других странах. Китай уже сформировал национальный отраслевой альянс, ориентированный на развитие технологий устойчивой работы спутников на сверхнизких орбитах.

Если демонстрация Kreios Space в 2028 году окажется успешной, «воздушное дыхание» может стать одним из ключевых способов продления срока службы спутников на высотах, где обычная космическая техника сталкивается с сильным атмосферным торможением.