Топливозаправщик для спутников с ионными двигателями испытали в Самаре

Топливозаправщик для отечественных космических спутников, оснащенных ионными двигателями, разработали и испытали в лаборатории криогенной техники Самарского университета им. Королёва. 

Такие двигатели используют на малых космических аппаратах для корректировки или изменения орбиты, для управления ориентацией и положением в пространстве. Установку, заправляющую спутники ксеноном, разработали совместно с научно-производственным центром «Самара» по заказу Ракетно-космического центра «Прогресс». Работы по ее созданию начались осенью 2022 года, сообщила пресс-служба университета.

Разработка самарских ученых позволит упростить и удешевить процесс заправки шар-баллонов — топливных баков космических аппаратов, а также обеспечит более высокий уровень чистоты закачиваемого ксенона.  Она сможет точно определять, сколько космического топлива уже закачано. Ученые уверены, что «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», — рассказал руководитель проекта профессор Дмитрий Угланов, ведущий научный сотрудник Научно-образовательного центра газодинамических исследований (НОЦ ГДИ) Самарского университета имени Королёва.

По его словам, установка позволяет заправлять шар-баллон, не снимая его со спутника. Это упрощает и ускоряет в десятки раз процесс заправки, благодаря чему  удастся снизить затраты материальных средств и времени.

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, то масса закачиваемого ксенона будет измерена неточно. Стоит только перекачать лишнего ксенона или, наоборот, недокачать, это обязательно отразится на работе 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, объясняют разработчики.

Дмитрий Угланов отметил, что в разработанной установке применено особое конструктивное решение, позволяющее измерять массу закачиваемого ксенона непосредственно во время прохождения газа в основном тракте системы установки заправки. Это достигается 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», — подчеркнул руководитель проекта.

Процесс заправки проходит так: 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. Потом внутренний тракт установки заполняется ксеноном, проверяется уровень чистоты ксенона, и 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», — сказал Сергей Корнеев, младший научный сотрудник НОЦ ГДИ.

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.

«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», — резюмировал Дмитрий Угланов.