Впервые в истории цинковый двигатель, функционирующий на эффекте Холла, успешно запустился в космических условиях прямо с первого раза. Установка Starlight от компании Muon подтвердила свою работоспособность с использованием твердого цинка на орбите.
Ирина Медведева
Hydrosat (слева). Испытание горячего запуска двигателя Starlight (справа). Источник: Muon Space
Спутник стал первым аппаратом, который вывел на орбиту двигатель данного типа, где топливом служит твердый цинк. Это предоставляет разработчикам космических систем новый вариант электрического двигательного модуля.
Muon Space завершила проверку установки 1 июля на борту платформы SERT-III, созданной специально для тестирования двигателей. В ходе данной миссии устройство Starlight испытывалось в условиях реального космического пространства.
Работа двигателя прошла успешно уже при первом включении. Данные телеметрии полностью соответствовали результатам, полученным в ходе предварительных лабораторных тестов. Отслеживание орбиты также подтвердило видимое изменение траектории спутника.
Цинк на замену ксенону
Системы на эффекте Холла давно зарекомендовали себя как стандарт для экономичных двигательных установок спутников. Практически все они используют ксенон или криптон, которые нуждаются в хранении под высоким давлением, что увеличивает сложность конструкции.
Starlight использует принципиально другой подход. Здесь применяется твердый цинк, который сохраняет свою стабильность при обычной температуре и не требует баллонов под давлением.
Это способно значительно облегчить процесс сборки спутников и выполнение работ на земле. Помимо этого, цинк является более доступным материалом по сравнению с инертными газами, и его можно получить от большего количества поставщиков.
Данные факторы становятся особенно важными с учетом того, что операторы спутниковых группировок начинают создавать всё более крупные созвездия. Экономия на двигательном оборудовании и топливе может оказаться весомой, если одну и ту же систему использовать на десятках аппаратов.
По утверждению компании Muon, Starlight подходит для корректировки орбиты, поддержания нужной позиции и контролируемого спуска малых и средних спутников.
Эта система также решает давнюю проблему, которая стояла перед создателями электрических двигателей. Владельцам спутников требуются мощные и эффективные двигатели, однако при этом оборудование должно отвечать строгим ограничениям по массе и сложности интеграции.
С экономической точки зрения переход на цинк открывает новые возможности для малых космических компаний, которые ранее не могли позволить себе закупку дорогостоящего ксенона в больших объемах. Доступность материала позволяет снизить стоимость как самого двигателя, так и его заправки, что особенно важно для стартапов, планирующих запуск кубсатов и микроспутников.
Muon уже ведет переговоры с несколькими операторами о предварительных заказах, и, по предварительным оценкам, серийная версия Starlight будет на 20–25% дешевле в производстве по сравнению с традиционными холловскими двигателями той же тяги. Это может стать катализатором для массового развертывания частных созвездий наблюдения Земли, где каждый лишний килограмм и каждый ватт мощности имеют значение.
Не менее важно и то, что успех испытаний на SERT-III подтвердил возможность использования цинка в комбинированных системах, где двигатель работает в паре с химическими разгонными блоками.
Такая гибридная схема позволяет использовать химический импульс для быстрого маневрирования и электрический — для долгого поддержания орбиты, что дает операторам гибкость при планировании миссий.
Платформа SERT-III оказалась настолько удачной, что Muon рассматривает возможность создания еще двух подобных аппаратов, чтобы тестировать не только цинковые, но и другие перспективные виды топлива, например, на основе алюминия или магния.
Это позволит компании оставаться в авангарде разработок и предоставлять клиентам широкий спектр решений под конкретные задачи.
Платформа SERT-III для проверки техники
Muon построила SERT-III именно для того, чтобы детально исследовать работу двигателя в реальных космических условиях. На спутнике разместили сенсоры, которые замеряли рабочие характеристики установки, её влияние на окружающие объекты и количество вещества, оседающего в потоке выхлопа.
Наземные эксперименты уже дали ожидаемые показатели при разных уровнях тяги и рабочих режимах. Орбитальные тесты должны были подтвердить, что аналогичные результаты сохраняются и при отсутствии гравитации.
Это действительно подтвердилось. Компания Muon сообщает, что подача и испарение цинка во время работы двигателя шли стабильно. Анализ траекторных данных показал, что аппарат получил запланированную тягу.
Инженеры также внимательно наблюдали за тем, не оседает ли лишний цинк на корпусе спутника. Датчики на базе термоэлектрических кварцевых микровесов зафиксировали, что отложений около двигателя оказалось меньше, чем предполагали осторожные модели, рассчитанные до запуска.
Этот результат позволяет инженерам лучше понять поведение цинка после его выхода из сопла. Также это поможет уточнить модели распространения выхлопа и загрязнений для будущих аппаратов.
Руководитель Muon Джонни Дайер назвал орбитальный запуск важной вехой для электрических двигателей. По его словам, фирма решила выкупить подразделение Starlight Propulsion, так как цинк мог бы решить постоянные трудности с цепочками поставок для двигателей.
Также благодаря этому тесту удалось не размещать экспериментальное оборудование на основном аппарате заказчика. SERT-III дал инженерам платформу, специально созданную для сбора информации о двигателях, не подвергая риску другие миссии.
Будущие задачи
Теперь Muon намерена использовать данные, собранные в ходе полета, для совершенствования надежности Starlight. Когда система будет запущена в серийное производство, инженеры сосредоточатся на надежности, производственных процессах и контроле выбросов.
Компания ожидает, что двигатели нынешнего поколения будут установлены на аппараты заказчиков к концу 2026 года. Параллельно создается более крупная система второго поколения. Её орбитальные испытания запланированы на первый квартал 2027 года.
Эта версия будет предназначена для более массивных спутников, что позволит расширить применение цинковых двигателей на эффекте Холла за пределы малых аппаратов. Если новые тесты подтвердят ранее полученные результаты, то твердое металлическое топливо может стать реальной заменой для многих коммерческих космических аппаратов.
Однако, прежде чем цинковые двигатели смогут полностью вытеснить ксеноновые аналоги, инженерам предстоит решить ряд технологических задач, связанных с долговременной эксплуатацией. В отличие от инертных газов, которые просто истекают из сопла, твердый цинк требует точного контроля процесса сублимации и ионизации на протяжении тысяч часов работы.
Даже незначительные колебания температуры или неравномерность подачи материала могут привести к снижению эффективности или преждевременному износу катода цинковой батареи. Поэтому следующим этапом станет проведение длительных ресурсных испытаний, имитирующих типичный срок службы спутника на орбите, что позволит выявить деградацию характеристик и скорректировать конструкцию для серийного производства.
Опасения загрязнений
Кроме того, важным аспектом является вопрос утилизации и безопасности при завершении миссии. Ксенон не оставляет следов, тогда как остатки цинка в выхлопе и его осаждение на корпусе могут создавать проблемы для будущих аппаратов, работающих в непосредственной близости.
Хотя данные с SERT-III показали меньшее загрязнение, чем предполагалось, для плотных группировок спутников это может стать критическим фактором. Инженеры Muon уже работают над оптимизацией геометрии сопла и магнитного поля, чтобы минимизировать рассеивание частиц и гарантировать, что двигатель не будет мешать работе соседних узлов, таких как оптические сенсоры или антенны связи.
В то же время нельзя игнорировать и потенциальные риски, связанные с экологическими последствиями использования цинка в верхних слоях атмосферы. Хотя цинк не является токсичным в том же смысле, что и тяжелые металлы, его накопление в ионосфере теоретически может повлиять на химические процессы, происходящие там.
Однако предварительные модели показывают, что концентрация частиц будет ничтожно мала даже при запуске тысяч аппаратов, и современные системы очистки выхлопа на борту уже предусматривают рекуперацию частиц.
Тем не менее, специалисты призывают к осторожности и планируют провести отдельное исследование на орбите, которое оценит долгосрочное воздействие цинковых следов на окружающую среду, прежде чем рекомендовать массовое внедрение технологии для всех типов миссий.