Челябинские ученые разрабатывают водородный двигатель для спутников

Это дешевое, экологически чистое топливо может произвести переворот в ракетостроении, сделать полеты в космос более доступными и безопасными. Но доставлять на орбиту большие «газовые объемы» слишком дорого, это тормозит создание такого двигателя. Аспирант ЮУрГУ Михаил Шалашов придумал, как решить эту проблему: он предлагает получать водород и кислород прямо в космосе с помощью электролиза воды. Проект получил высокую оценку экспертов, на него в 2019 году выделен грант Фонда содействия инновациям «УМНИК». Автор ноу-хау рассказал «ЮП» о возможностях, которые прорывная разработка может дать для освоения космоса.

Водородный проект

— Что даст запуск вашего проекта?

— Если он будет реализован, это может в разы продлить «жизнь» спутников. Дело в том, что многие из них выводятся на орбиту ниже МКС, где еще присутствует остаточная атмосфера. Они тормозятся, постепенно сходят с орбиты и падают на Землю. Этого можно избежать, если оснастить их двигательной установкой, с помощью которой выводить на более высокую орбиту. Мы предлагаем использовать для корректировки «курса» малых космических аппаратов не традиционное токсичное ракетное топливо, а вполне безопасные водород и кислород. Причем исходным «сырьем» для такого экотоплива может служить обычная вода, она же будет и «на выходе», после его сжигания.

— А как ее разделить на нужные газовые компоненты?

— У меня родилась идея использовать давно известный процесс электролиза. На спутнике будет электролизер, разделяющий воду на водород и кислород. Он сможет работать на электричестве, производимом солнечными панелями. Солнечная энергия преобразуется в электрическую, заряжает батареи, которые и будут подпитывать установку. В этом принципиальная новизна нашей разработки.

— Использовать водород в качестве топлива — идея не новая?

— Создать ракетный двигатель, работающий на кислородно-водородном топливе, предлагал еще в 1903 году Константин Циолковский, но долгое время эта идея не получала применения. Как известно, смесь водорода с воздухом может привести к возгоранию и даже взрыву, и сконструировать безопасную установку — сложная техническая задача. Но сегодня она вполне решаема, и на смену традиционным кислородно-керосиновым ракетным двигателям уже приходят кислородно-водородные, более мощные и безопасные.

— Но и у них есть и свои минусы.

— Это так. Поскольку кислородно-водородное топливо втрое легче керосиновой смеси, оно при той же массе требует втрое большего объема. Однако этот недостаток с избытком компенсируется выигрышем в мощности, высоким удельным импульсом. При равной стартовой массе космическая ракета на кислородно-водородном топливе способна вывести на орбиту втрое больший полезный груз, чем на кислородно-керосиновом.


3D-модель спутника с водородным двигателем

«Буран» на водороде

— Есть ли у вашего двигателя аналоги?

— Пока кислородно-водородное топливо в основном используется за рубежом, причем только в верхних ступенях космических ракет, где оно дает наибольший эффект. Примером тому — универсальная ступень «Центавр» ракет семейств «Атлас» и «Титан-3», вторая и третья ступени «Сатурна-5». По этому принципу работают двигатели, разработанные компаниями «Пратт-Уитни», и «Рокетдайн».

Попытка применять кислород и водород в качестве ракетного топлива предпринималась и в советском ракетостроении. Так, такой двигатель разработали в 80-х в НПО «Энергомаш», он успешно прошел испытания и в 1988 году вывел на орбиту корабль многоразового использования «Буран». Но потом из-за нехватки средств эти работы были приостановлены. Они возобновились сравнительно недавно: в ГКНПЦ им. Хруничева изготовили экспериментальные кислородно-водородные разгонные блоки для ракеты-носителя нового поколения «Ангара». Для них разработали два варианта системы поджига топлива — электроплазменную и лазерную, успешно испытанную в 2018 году.

— В чем новизна вашей разработки?

— В отличие от нашего проекта, водород и кислород в зарубежных аналогах обычно применяется для маршевых двигателей, предназначенных для вывода на орбиту с Земли. Для них приходится брать большие запасы жидкого водорода и кислорода, которые мы предлагаем заменить водой, чтобы вырабатывать нужные элементы уже в космосе. Но главная особенность проекта — это идея оборудовать спутники электролизером.

В нашем варианте водородно-кислородными двигателями будут оснащены так называемые кубсаты, или модульные спутники, состоящие из кубиков 10 на 10 см. Они универсальны, их характеристики: размер, масса, сила тяжести — давно известны, как и «поведение» на орбите. У них будут емкости для воды, накопления водорода и кислорода, камера сгорания.

«Печка» для спутника

— Какие могут возникнуть проблемы?

— К примеру, как «научить» электролизер работать в условиях нулевой гравитации. А чтобы дистиллированная вода не замерзала при сверхнизких космических температурах, планируем добавлять к ней специальные присадки.

Кроме того, для получения горючего водорода из воды электролизер будет оснащен протонно-обменной мембраной (такой «молекулярный фильтр» недавно разработали челябинские ученые). Возможно, их будет несколько: в Германии для условий космоса уже придумали двухмембранную технологию: одна — для превращения воды в пар, а другая — для электролиза.

А чтобы не создавать угрозу взрыва, кислород и водород будут храниться в отдельных баках под давлением всего 5 мегапаскалей. Срок их хранения всего несколько дней, газы быстро «пойдут в печку». Причем никакой газовой турбины, кислород и водород будут работать «по схеме вытеснения» и смешиваться в заданных объемах. Эта система проста, надежна в эксплуатации и безопасна.

— Какие перспективы открывает ваша разработка? И когда планируете ее запустить в серию?

— Сейчас мы прорабатываем вопрос проектирования электролизера как основной части двигательной установки, проводим научные изыскания, подбираем материалы. Через полгода планируем перейти к изготовлению макета, который можно будет испытать на стенде. Проведем анализ проделанной работы, просчитаем более компактные габариты устройства для установки на спутник. А через полтора-два года планируем и запатентовать нашу разработку.

К слову, к ней уже проявляют интерес в НИИ машиностроения города Нижняя Салда, который, как и наш вуз, вошел в космическую составляющую масштабного проекта создания научно-образовательного центра мирового уровня. А после обучения в аспирантуре я бы хотел продолжить спутниковую разработку в кластере космических индустриальных технологий инновационного центра «Сколково».