Выбор орбиты для спутника всегда связан с компромиссами. У очень низкой околоземной орбиты (VLEO) высотой от 100 до 450 километров есть заметные плюсы: камеры дистанционного зондирования дают более качественные снимки, аппаратуре связи и радарам требуется меньше энергии, а атмосферное торможение само убирает отслужившие спутники. Однако есть и цена: из-за трения о воздух любому аппарату на такой орбите приходится почти постоянно работать двигателем, чтобы удержаться на высоте, а для этого нужны запасы топлива — как правило, дорогих газов вроде ксенона. В рамках работы над диссертацией в Штутгартском университете, доступной на arXiv, Франческо Романо решил эту проблему, предложив использовать для плазменного двигателя те самые молекулы воздуха, которые создают трение, чтобы спутник мог находиться на VLEO неограниченно долго.
Его решение относится к классу систем атмосферно-дыхательного электроракетного движения (ABEP). Они забирают разреженный воздух перед аппаратом — в некоторых случаях ракетой — и направляют его в электрический двигатель, где молекулы превращаются в плазму, а затем выбрасываются из сопла, создавая тягу. В теории это объясняется просто, но на практике возникает ряд сложных технических задач.
Первая из них — атомарный кислород. В верхних слоях атмосферы ультрафиолетовое излучение расщепляет O2 на агрессивную одноатомную форму газа, которым мы все дышим. Атомарный кислород известен своими окислительными свойствами: он разъедает металлические электроды, ускоряющие сетки и даже катоды, применяемые в стандартных холловских двигателях и других типах ионных двигателей. Особенно важно то, что атомарный кислород разрушает катоды «электронной пушки», которая нейтрализует заряд аппарата, чтобы тот не начал притягивать выброшенные заряженные частицы обратно и не сводил тягу к нулю. Без этой функции вся ионная двигательная установка перестаёт работать.
Ещё одна сложность при создании двигателей для VLEO — изменчивость самой атмосферы. Она меняется в зависимости от смены дня и ночи, широты и даже солнечной активности. Обеспечить непрерывную работу двигателя во всех этих условиях до сих пор было трудно. Чтобы решить эти проблемы, Романо разработал бесконтактный радиочастотный (RF) плазменный двигатель на геликоновой волне без нейтрализатора и дополнил его оптимизированной системой забора атмосферного воздуха.
Сначала он испытал три варианта воздухозаборника. Первый, «улучшенная воронка», работал как молекулярная ловушка для частиц, которые находятся так далеко друг от друга, что не сталкиваются. Второй, «диффузный заборник», представлял собой компактную гексагональную конструкцию из титанового сплава с покрытием. Третий, «зеркальный заборник», был параболическим зеркалом с покрытием из графита или диоксида кремния, которое направляло частицы прямо в двигатель. Победителем и по эффективности сбора, и по чувствительности к выравниванию стал зеркальный вариант: он улавливал около 94,3% частиц воздуха (в аэродинамической трубе использовались атомарный кислород, аргон или азот), а при наклоне на 15 градусов эффективность падала лишь на 8%.
При создании двигателя Романо вдохновлялся медицинским оборудованием. Применив антенну типа «птичья клетка», похожую на используемые в МРТ, он добился того, что 99% подводимой электрической мощности попадало в двигатель — чрезвычайно высокий показатель по сравнению со стандартными проволочными катушками, которые теряют часть мощности из-за собственного реактивного сопротивления. Соленоид вокруг двигателя создаёт магнитное поле, выталкивающее плазму назад в виде квазинейтральной струи: наружу выводятся и положительные, и отрицательные ионы, поэтому нейтрализатор не нужен. Испытания в вакуумной камере, где специально воспроизводилась концентрация трёх основных газов, характерная для VLEO, подтвердили надёжность системы: двигатель создавал устойчивые потоки плазмы при радиочастотной мощности всего 50–60 Вт, что вполне по силам обычным космическим солнечным панелям.
После экспериментальной проверки Романо применил модели двигательной установки к реальным сценариям. Среди них — спутник GOCE, который был запущен на VLEO с ксеноновым ионным двигателем и в итоге исчерпал топливо. По расчётам диссертации, новый двигатель мог бы работать неограниченно долго на высотах от 190 до 250 километров, потребляя менее 1,6 кВт — это по-прежнему укладывается в возможности стандартных солнечных панелей. Но сфера применения не ограничивается Землёй: атмосфера Марса состоит в основном из CO2, и, согласно работе, двигатель мог бы поддерживать аппарат над Красной планетой на высоте 120–160 километров, то есть значительно ближе, чем существующие орбитальные спутники. Гарантий, что этот двигатель когда-либо выйдет за пределы лаборатории, нет, однако идея интересна, и при снижении рисков и подтверждении работоспособности в реальной миссии у неё есть немало коммерческих перспектив. Неясно, планирует ли доктор Романо развивать это направление, но проделанная им работа как минимум показывает, что у конструкции есть потенциал.