«Земля и Вселенная» 2005 №6, с. 57-60

14 декабря 2004 г. исполнилось 40 лет с начала использования в космосе электрических ракетных двигателей (ЭРД). В ходе полета АМС "Зонд-2" удалось успешно провести испытания плазменных двигателей. Реликвия отечественной космонавтики — первый в мире ЭРД — хранится в Государственном музее истории космонавтики им. К.Э. Циолковского (г. Калуга). Приоритет СССР в данной области признан всеми мировыми космическими державами. ЭРД различных типов и назначения разработаны также в США, Франции, Германии, Великобритании, Италии, Китае и Японии. В XXI в. предполагается интенсивно применять ЭРД для решения многообразных задач космонавтики.

Известны три основных этапа в истории ракетных двигателей: на твердом топливе (Китай, 1232 г.), на жидком топливе (США, 16 марта 1926 г.) и электрические (СССР, 14 декабря 1964 г.). Выдающийся вклад в создание ЭРД внесли академики И.В. Курчатов, М.В. Келдыш, С.П. Королев, Л.А. Арцимович, А.П. Александров, М.Д. Миллионщиков, Б.Е. Черток, Б.В. Раушенбах и В.П. Легостаев. Такого класса двигатели разработаны Отделом плазменных исследований Института атомной энергии им. И.В. Курчатова (руководитель — Л.А. Арцимович) совместно с ОКБ-1 (ныне РКК "Энергия") под руководством С.П. Королева.

Первым в мире идею ЭРД высказал в 1903 г. К.Э. Циолковский: "Может быть, с помощью электричества можно будет со временем придавать громадную скорость выбрасываемым из реактивного прибора частицам... Это обеспечило бы такую скорость реактивного прибора, при которой достижение ближайшей звезды сократится до 10-40 лет..." ("Вестник воздухоплавания", 1912). В нашей стране не только впервые сформулирована идея ЭРД, но и проведены пионерские экспериментальные работы. В Газодинамической лаборатории (г. Ленинград) в 1929-1933 гг. будущий академик В.П. Глушко сконструировал экспериментальный ЭРД (электротермический). Немецкий пионер космонавтики Г. Оберт в книге "Путь в мировое пространство" (1923) целую главу посвятил ЭРД, подтвердив, что с помощью электрореактивных двигателей можно разогнать космический корабль до больших скоростей.

Профессор М.К. Романовский (заместитель по науке академика Л.А. Арцимовича) вспоминал, как вскоре после запуска первого ИСЗ, в октябре 1957 г., С.П. Королев обратился к И.В. Курчатову с предложением начать в Институте атомной энергии (ИАЭ) исследования с целью создания ЭРД различных типов, мощности и назначения. В 1960 г., уже после безвременной кончины И.В. Курчатова, вышли два секретных постановления Военно-промышленной комиссии Совета министров СССР. Они обязывали ИАЭ приступить к широкомасштабной разработке ЭРД. Это поручили отделу Л.А. Арцимовича, так как в 1956-1957 гг. Лев Андреевич предложил и экспериментально обосновал электродинамический метод ускорения плазмы. Всестороннюю поддержку развитию этих работ оказывали Главный теоретик космонавтики М.В. Келдыш, Главный конструктор С.П. Королев, вице-президент АН СССР и председатель комиссии Академии наук по ЭРД М.Д. Миллионщиков. Новое направление в космическом двигателестроении получило организационно-финансовую основу. Созданием стендового оборудования, изготовлением летных образцов и испытаниями двигателей занимались ИАЭ и ОКБ-1.

Исследования в области ЭРД развернулись в ИАЭ по всем возможным направлениям. Благоприятные условия для создания такого класса двигателей в нашей стране быстро принесли свои плоды. Первыми в мире в космос запущены советские импульсные плазменные ЭРД (1964), а затем были проведены космические испытания ионных (1966) и стационарных плазменных двигателей (1972).

Электрический ракетный двигатель, входящий в систему ориентации АМС "Зонд-2". Испытания плазменных двигателей прошли на Земле в 1962 г., в космосе — 14 декабря 1964 г.

Особое место в истории создания плазменных ЭРД принадлежит академику Б.В. Раушенбаху (Земля и Вселенная, 2001, № 5). В 1959 г. его отдел в НИИ-1 (ныне Исследовательский центр им. М.В. Келдыша) приступил к исследованию проблемы использования ЭРД малой тяги с энергопитанием от солнечных батарей в системах ориентации и стабилизации космических аппаратов и доказал их перспективность. В теоретических работах сотрудников отдела были обоснованы и сформулированы требования к плазменной системе ориентации, которую предлагалось испытать при полетах АМС серии "Зонд" и "Марс-Венера" в 1962-1966 гг. В середине 1960 г. по инициативе Б.В. Раушенбаха образована межведомственная исследовательская группа из сотрудников его отдела, а также отдела Л.А. Арцимовича. В их задачу входило конструирование исполнительных органов системы ориентации КА массой около 1 т на основе импульсных плазменных двигателей. Шла напряженная работа над плазменными ЭРД, которые могли бы функционировать в космосе. ЭРД должны были удовлетворять многим требованиям -высокая надежность, простота конструкции, малый вес, устойчивость к воздействию факторов космического полета, требуемый импульс реактивной силы при достаточно малом потреблении электрической энергии конденсатора, отсутствие радиопомех и других вредных воздействий плазменной струи на элементы конструкции и аппаратуру КА.

В течение первых двух лет исследования шли по схеме: конструкция модели ЭРД — исследование — анализ результатов — разочарование и крушение надежд. Но очередное разочарование только увеличивало наше упорство в достижении необходимых параметров ЭРД. В результате интенсивных поисков к середине 1962 г. удалось убедительно доказать, что наиболее эффективное решение проблемы — импульсный плазменный двигатель (ИПД) эрозионного типа. В таких ИПД плазма образуется вследствие "эрозии" (точнее, абляции) диэлектрика в импульсном разряде большой мощности (10-200 МВт) длительностью несколько микросекунд. Наиболее подходящим диэлектриком для работы двигателя оказался фторопласт-4 (тефлон). Первые успешные ресурсные испытания абляционного электромагнитного ИПД с тефлоном проводились в течение 20 сут (с 27 марта по 16 апреля 1962 г.) в непрерывном режиме, когда при средней потребляемой мощности 1 кВт (импульсная — 200 МВт) получили электрическую тягу 1 г! Таким образом, при электромагнитном способе ускорения плазмы тяга приблизилась к 1 кВт/г. Задача создания надежных и простых ЭРД была успешно решена. Однако для первых испытаний в космосе требовалась большая электрическая тяга при меньших затратах мощности, то есть снижение энергетической "цены" тяги в четыре (!) раза, до 250 Вт на 1 г тяги.

Снова начались исследования и горячие обсуждения их результатов. В конце 1962 г. наконец-то изготовили электротермический абляционный ИПД, удовлетворявший требованиям ОКБ-1. После испытания моделей двигателей создали прототип летного варианта ИПД, его характеристики: 1 млн. импульсов, энергопотребление — 50 Вт, тяга — 0.2 г, импульсная мощность 10 МВт. В дальнейшем по заказу академика М.Ф. Решетнева (Земля и Вселенная, 2005, № 1) разработали ИПД с существенно уменьшенной "ценой" тяги — 85 Вт на 1 г — для геостационарных спутников связи. Принцип абляционных ИПД защищен в конце 1962 г. авторским свидетельством (авторы — A.M. Андрианов, Л.А. Пец,

Две пары импульсных плазменных двигателей на крутильном маятнике, прошедших наземные испытания в барокамере. Март 1963 г.

А.И. Симонов и В.А. Храбров). В итоге изготовили прототип рабочего образца плазменной системы стабилизации, установленной на борту межпланетной станции. Система включала шесть сопел двигателей, конденсаторы, преобразователь напряжения, программно-коммутирующее устройство, высоковольтные герморазъемы и другое оборудование.

Л.А. Арцимович предложил С.П. Королеву перейти к совместным опытно-конструкторским работам по созданию летного образца ИПД системы ориентации и стабилизации. В результате их соглашения была образована межведомственная комиссия из представителей Министерства обороны, Госкомитета по оборонной технике и Госкомитета по атомной энергии для ознакомления с состоянием исследований. В марте 1963 г. комиссии продемонстрировали динамические характеристики двух пар ИПД на крутильном маятнике в барокамере Отдела плазменных исследований (руководитель Л.А. Арцимович), в результате члены межведомственной комиссии подписали документ о полной готовности к испытаниям в космосе ЭРД. Комиссия рекомендовала форсировать работы, чтобы создать двигатели, используемые в системе ориентации АМС серии "Марс-Венера" и "Зонд".

Первый запуск космического аппарата с ЭРД наметили на ноябрь 1963 г. Несмотря на занятость, С.П. Королев взял эти работы под личный контроль. Система плазменной ориентации станции массой 28.5 кг с использованием ЭРД в качестве исполнительных органов содержала шесть сопел ИПД. Первый запуск, 11 ноября 1963 г., межпланетной станции универсального типа "Марс — Венера" с ЭРД закончился аварией (Земля и Вселенная, 1999, № 6). Невзирая на горечь неудачи, работу по подготовке запусков АМС с ЭРД продолжали с удвоенной энергией. По указанию С.П. Королева одновременно готовили к экспериментам три комплекта плазменных ЭРД! 30 ноября 1964 г. успешно стартовала в сторону Марса АМС "Зонд-2", руководил запуском С.П. Королев. Одна из панелей солнечных батарей, к сожалению, не раскрылась, поэтому энергоснабжение систем оказалось вдвое меньшим. 14 декабря 1964 г. на расстоянии 5.37 млн. км от Земли были включены плазменные двигатели. Систему ориентации "Зонда-2" (газодинамические двигатели) временно не использовали, включив плазменную систему ориентации с ЭРД. В течение 70 мин шесть плазменных двигателей поддерживали ориентацию станции в пространстве так, чтобы плоскость панели солнечных батарей была перпендикулярна направлению солнечных лучей. Плазменные сгустки работающих двигателей при температуре около 3 х 10⁴ К истекали со скоростью до 16 км/с. Плазма начала свою работу в космосе!

19 декабря 1964 г. из сообщения ТАСС мир узнал о рождении нового направления космической техники — электрических ракетных двигателей. Имена И.В. Курчатова, С.П. Королева, Л.А. Арцимовича, А.П. Александрова, Б.В. Раушенбаха, Б.Е. Чертока и других участников этого выдающегося события тогда не афишировались. Но появилась статья одного из наших учителей — М.Д. Миллионщикова, который по достоинству оценил испытание двигателя и предсказал важность использования ЭРД в будущих межпланетных полетах. Значение первого испытания ЭРД в космосе отметили в газетных статьях С.П. Королев, М.В. Келдыш, Ю.А. Гагарин, Г.С Титов и другие.

АМС "Зонд-2". В специальном герметическом отсеке на днище спускаемого аппарата установили блок из шести ЭРД. Ноябрь 1964 г.

На базе ОКБ им. Б.С. Стечкина (г. Калининград) организовали ОКБ "Факел", где продолжилось совершенствование ЭРД различных типов и назначения. Первой разработкой коллектива ОКБ "Факел" стала плазменная система стабилизации и ориентации для КА военного назначения серии "Глобус" (ИСЗ "Горизонт"), близкая к ИПД "Зонд-2". В 1972 г. состоялась первая коррекция орбиты ИСЗ серии "Метеор" с помощью стационарного плазменного двигателя этого предприятия. Двигатель разработали А.И. Морозов и Г.Я. Щепкин под руководством Л.А. Арцимовича. С 1982 г. на геостационарных спутниках связи "Луч" используются ЭРД СПД-70, а с 1994 г. — СПД-100 на спутниках связи "Галс" и "Экспресс". В 1968 г. абляционные ИПД успешно испытаны в США (начиная с ИСЗ "LES-6"), а позднее и в других странах.

Импульсные плазменные двигатели используются и в качестве инжекторов мощных пучков плазмы при активном зондировании ионосферы Земли. Под руководством члена-корреспондента РАН Г.А. Попова и кандидата технических наук Н.Н. Антропова создана серия летных образцов абляционных ИПД с лучшими в мире для данного класса ЭРД характеристиками. Эти двигатели планируется установить на универсальную космическую платформу "Вулкан" (запуск в 2006 г.) для стабилизации и коррекции орбиты. В XXI в. область применения ЭРД будет все более увеличиваться по мере миниатюризации космических аппаратов.

Авторы выражают глубокую благодарность сотрудникам Архива РАН за активное содействие в работе над рукописями К.Э. Циолковского.