Роль Московского Авиационного Института в разработках электрических ракетных двигателей

В конце 50-х – начале 60-х годов XX века стала ясной не только целесообразность, но и необходимость для решения ряда практически важных задач использования электрических ракетных двигаталей (ЭРД) на борту космических аппаратов (КА). 14 декабря 1964 года первый в мире ЭРД – импульсный плазменный двигатель (ИПД), разработанный в НИЦ «Курчатовский институт», начал функционировать в космосе в качестве исполнительного органа одной из подсистем управления КА «Зонд-2». В 1972 году на борту КА «Метеор», созданного в ОАО «Корпорация ВНИИЭМ», был установлен ЭРД нового поколения - стационарный плазменный двигатель (СПД), разработанный и созданный в НИЦ «Курчатовский институт» и ОКБ «Факел». 

В Московском авиационном институте в 1962 году была создана специальная кафедра № 208 МАИ «Электроракетные двигатели и энергетические установки». А в 1986 году был создан НИИ ПМЭ МАИ, который с 1987 года стал осуществлять научно-техническое сопровождение работ по плазменным двигателям в ОКБ «Факел».
В основу всех современных СПД положена принципиальная и конструктивная схемы, разработанные в НИЦ «Курчатовский институт» на кафедре 208 МАИ и которая внедрена в ОКБ «Факел». В НИИ ПМЭ МАИ выполнен цикл исследований в обеспечение создания в ОКБ «Факел» СПД нового поколения с повышенными рабочим ресурсом (достигнут ресурс более 9000 часов) и удельным импульсом тяги до 20000…25000 м/с. В настоящее время СПД в качестве корректирующих двигателей функционируют практически на всех российских геостационарных КА.
Двигатели СПД-70 и СПД-100 производства ОКБ «Факел» применяются не только на российских, но и на иностранных КА. Более 100 отечественных и зарубежных КА оснащены СПД, а число поставленных на борт КА СПД превышает 300.

Двигатель СПД-100

Работы МАИ в этой области признаны во всем мире. Уже на протяжении более 15 лет ведутся работы по контрактам с зарубежными фирмами. Важную роль в сохранении технологического приоритета Российской Федерации в области СПД и успешной коммерциализации российских научных разработок в этой области сыграло создание совместного американо-французско-российского предприятия (ISTI), одним из учредителей которого является НИИ ПМЭ МАИ.
Проведенные в НИИ ПМЭ МАИ теоретические, экспериментальные и проектные исследования в области ИПД позволили создать высокоэффективные абляционные ИПД (АИПД) малой мощности 10…100 Вт, которые по своим тягово-энергетическим показателям в 1.5…2 раза превышают аналогичные зарубежные разработки. АИПД нового поколения позволяют повысить срок активного существования малых КА (МКА) с 3-х до 5-7 лет. В настоящее время в рамках Федеральной космической программы Российской Федерации на 2006 – 2015 годы ведутся работы по созданию МКА, предназначенных для решения задач дистанционного зондирования Земли, а также КА «МКА-ФКИ» для исследовательских целей, оснащенных ИПД разработки института. На кафедре 208 МАИ и в НИИ ПМЭ МАИ были осуществлены работы по применению АИПД в качестве источников плазмы для активных космических экспериментов на борту различных метеорологических ракет и космической станции «Мир». На рисунке 2 представлен модельный ряд АИПД, разработанных в НИИ ПМЭ МАИ в последние годы, а на рисунке 3 лабораторная модель АИПД-155.

Модельный ряд ИПД

АИПД-155

Начиная с момента практического использования СПД в космосе, встала серьезная проблема интеграции ЭРД и КА. Под руководством академика Ю.А. Рыжова и профессора М.П. Бургасова в МАИ было сформировано новое направление по взаимодействию струй ЭРД с конструктивными элементами КА, а под руководством профессора Г.Г. Шишкина – направление по электромагнитной совместимости ЭРД с системами КА. Эксперименты по определению характеристик собственного излучения ЭРД до последнего времени проводились при функционировании ЭРД в металлических вакуумных камерах с присущими им недостатками, связанными с отражением электромагнитных волн от их стенок. В настоящее время в НИИ ПМЭ МАИ разработан первый в Российской Федерации экспериментальный комплекс для исследования характеристик собственного излучения ЭРД, основанный на разделении измерительной и вакуумной зон. Для этой цели используется «радиопрозрачная» диэлектрическая вакуумная камера, интегрированная с основной металлической бустерной вакуумной камерой, и размещенная в мобильной безэховой камере. Такая реализация позволяет существенно повысить точность измерения параметров собственного излучения ЭРД в наземных условиях.
Комплексные исследования, выполненные на кафедрах 208 и 601 «Космические системы и ракетостроение» МАИ и в НИИ ПМЭ МАИ в части ЭРД и их применения, внесли важный вклад не только в создание двигателей нового поколения, но и в разработку новых космических систем – электроракетных транспортных модулей (ЭРТМ) для полетов КА в дальний космос и доставки полезных нагрузок на высокоэнергетические орбиты, включая геостационарную орбиту. Массовая и экономическая эффективность таких транспортных систем в 1.5…2 раза выше, чем у существующих средств выведения. В обеспечение этих работ разработаны методы и программное обеспечение для проведения проектно-баллистического анализа эффективности применения солнечных электроракетных двигательных установок в околоземных и межпланетных транспортных задачах ближайшего будущего. В Федеральной космической программе Российской Федерации на 2006-2015 годы выделены средства для проведения ОКР по созданию ЭРТМ с маршевыми двигателями повышенной мощности.
Высокие научные результаты совместной деятельности коллектива НИИ ПМЭ МАИ и кафедры 208 МАИ позволили объединенному коллективу стать победителями двух конкурсов, объявленных по Постановлениям Правительства Российской Федерации от 9 апреля 2010 года № 218 и № 220. В рамках реализации последнего в МАИ была создана Лаборатория «Исследования и разработка космических высокоимпульсных высокочастотных плазмодинамических электроракетных ионных двигателей» под руководством ведущего ученого Хорста Вольфганга Леба, являющегося профессором Первого института физики Гиссенского университета имени Юстуса Либиха. В настоящее время на основании проведенных поисково-прикладных исследований в лаборатории разрабатываются экспериментальные образцы высокочастотных ионных двигателей и технологических источников ионов на их основе.
Следует подчеркнуть, что на всех этапах развития ЭРД в нашей стране кафедры 208, 601 и НИИ ПМЭ МАИ играли и продолжают играть важную роль в формировании технической политики и подготовке кадров высшей квалификации в этой области двигателестроения. В настоящее время в работах по ЭРД и их применению принимают участие большое количество аспирантов, студентов, преподавателей и специалистов факультетов 2, 4, 6 и 9 МАИ.
Успешное выполнение научно-технических программ, разработок, фундаментальных исследований в МАИ обеспечивается за счет высокой квалификации научных кадров, координации проводимых исследований с ведущими предприятиями космической отрасли и РАН.

Гарри ПОПОВ, 
директор НИИ ПМЭ МАИ,
академик РАН