ДВИГАТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ: СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ

АННОТАЦИЯ

В статье рассматриваются основные типы химических двигательных установок (ХДУ), применяемых в российской космонавтике: жидкостные ракетные двигатели, однокомпонентные двигатели на гидразине и твердотопливные двигатели малой тяги. Описаны конструктивные особенности, эксплуатационные характеристики и области применения данных систем на отечественных космических аппаратах. Особое внимание уделено задачам модернизации и импортозамещения в контексте реализации национального проекта «Космос», включая разработку экологически безопасных «зелёных» топлив и унифицированных модульных решений. Подчёркивается стратегическая важность обеспечения технологического суверенитета в создании двигательных установок для будущих космических миссий.

ABSTRACT

The article examines the main types of chemical propulsion systems used in Russian astronautics: liquid-propellant rocket engines, monopropellant hydrazine thrusters, and small solid-fuel rocket motors. The design features, operational characteristics, and application areas of these systems on domestic spacecraft are described. Particular attention is paid to modernization and import substitution tasks within the framework of the national “Space” project, including the development of environmentally safe “green” propellants and standardized modular solutions. The strategic importance of ensuring technological sovereignty in propulsion system development for future space missions is emphasized.

Ключевые слова: двигательные установки, химические ракетные двигатели, жидкостные ракетные двигатели, однокомпонентные двигатели, гидразин, самовоспламеняющееся топливо, импортозамещение, национальный проект «Космос», зелёное топливо, технологический суверенитет

Keywords: propulsion systems, chemical rocket engines, liquid-propellant rocket engines, monopropellant thrusters, hydrazine, hypergolic propellants, import substitution, “Space” national project, green propellant, technological sovereignty

Введение

Российская Федерация последовательно реализует национальный проект «Космос», утверждённый в рамках стратегии научно-технологического развития страны [1]. Цель проекта — обеспечение технологического суверенитета, укрепление позиций России как ведущей космической державы и создание условий для устойчивого развития отечественной космонавтики. Всего в рамках нацпроекта за десять лет планируется запустить 1118 космических аппаратов (КА) дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ), связи и ретрансляции, из которых 190 КА (110 связи и ретрансляции и 80 ДЗЗ) за бюджетные средства и 928 (732 связи и 196 ДЗЗ) за внебюджетное финансирование. Одним из ключевых направлений национального проекта является модернизация и развитие ракетно-космической отрасли, включая создание новых и совершенствование существующих двигательных установок (ДУ) космических аппаратов (КА). Двигательная установка определяет возможности аппарата по маневрированию, коррекции орбиты, поддержанию ориентации и выполнению основных полетных задач. В условиях импортозамещения и стремления к автономии в космической деятельности особую актуальность приобретает развитие отечественных решений в области химических двигательных систем, которые на протяжении десятилетий остаются основой орбитальной и межпланетной навигации. В настоящей статье рассматриваются основные типы химических ДУ, применяемых в российской космонавтике, их конструктивные особенности, эксплуатационные характеристики и перспективы развития в контексте современных требований национального проекта.

Классификация и применение химических двигательных установок в российской космонавтике

Химические двигательные установки (ХДУ) занимают доминирующее положение в арсенале средств орбитального маневрирования и управления ориентацией российских космических аппаратов. Их принцип действия основан на преобразовании химической энергии компонентов топлива в кинетическую энергию продуктов сгорания, истекающих из сопла двигателя. В отечественной практике ХДУ подразделяются на следующие основные типы: жидкостные ракетные двигатели (ЖРД), однокомпонентные двигатели и твердотопливные двигатели малой тяги (для специфических задач) [2]. Гибридные двигатели в российской космонавтике пока не получили широкого применения и находятся на стадии научно-исследовательских работ.

Наиболее распространённой и отработанной технологией являются жидкостные ракетные двигатели малой и средней тяги, используемые в составе двигательных установок орбитального маневрирования и систем управления ориентацией (СУО). В качестве компонентов топлива в российских ЖРД традиционно применяются самовоспламеняющиеся пары: несимметричный диметилгидразин (НДМГ, топливо) и азотный тетраоксид (АТ, окислитель). Преимущество этой пары заключается в её способности к самовоспламенению при контакте, что обеспечивает высокую надёжность запуска без необходимости в сложных системах зажигания. Такие двигатели используются, например, на космических аппаратах семейства «Электро-Л», «Арктика» [3] (рис.1), а также на транспортных пилотируемых кораблях «Союз» и грузовых «Прогресс» [5, 7].

Рисунок 1. Геостационарный гидрометеорологический космический аппарат "Электро-Л" №4

Однокомпонентные двигатели также широко применяются в российской практике, особенно в составе СУО малых и средних КА. Основным рабочим телом в таких системах является гидразин (ГГ), который разлагается при прохождении через катализаторную загрузку, нагреваясь до высоких температур и создавая реактивную тягу. Однокомпонентные двигатели отличаются простотой конструкции, высокой надёжностью и возможностью многократного включения. Они обеспечивают точное управление угловыми скоростями и положением аппарата в пространстве. Такие двигатели устанавливаются на большинстве спутников связи и навигации, включая аппараты ГЛОНАСС и «Ямал» [6, 8].

Твердотопливные двигатели малой тяги в российской космонавтике используются преимущественно для выполнения разовых операций, таких как отделение ступеней, раскрытие конструкций или коррекция орбиты на начальном этапе полёта. Их применение ограничено из-за невозможности регулирования тяги и многократного включения, однако они ценятся за высокую надёжность и простоту эксплуатации в автономных системах [9].

Конструктивные особенности и эксплуатационные характеристики отечественных ДУ

Конструкция российских химических ДУ разрабатывается с учётом требований максимальной надёжности, длительного срока активного существования и устойчивости к внешним воздействиям. ЖРД малой тяги, применяемые в СУО, как правило, имеют центробежные форсунки и камеру сгорания с радиационным охлаждением. Такая схема обеспечивает стабильное горение и высокий ресурс работы. Например, двигатели 11Д428АФ-16 (рис.2), используемые на КА «Союз», обеспечивают тягу до 137 Н и имеют ресурс более 300 000 включений [2].

Рисунок 2. Ракетный двигатель малой тяги 11Д428АФ-16

Однокомпонентные двигатели, такие как К50-10.1 или ТК500МД [4], характеризуются компактными габаритами, мало массой и низким энергопотреблением. Они оснащаются электромагнитными клапанами с высоким быстродействием, что позволяет формировать короткие импульсы тяги длительностью от нескольких миллисекунд. Удельный импульс таких двигателей составляет 220–230 с, что является достаточным для выполнения задач по стабилизации и ориентации [6, 8].

Рисунок 3. Внешний вид однокомпонентных двигателей малой тяги, а - 50-10.1; б - К50-10.5; в - ТК500М; г - ТК500МД

Рисунок 4. Двухкомпонентные жидкостные ракетные двигатели малой тяги: 1 - С5.142; 2 - С5.145; 3 - С5.144; 4 - С5.146, 5 - С5.146

Важной особенностью отечественных ДУ является их адаптация к условиям длительного хранения и эксплуатации в составе аппаратов с увеличенным сроком активного существования (до 10–15 лет). Для этого применяются специальные материалы, устойчивые к коррозии под действием компонентов топлива, а также герметичные системы подачи и заправки, исключающие попадание влаги и загрязнений.

Перспективы развития и задачи в рамках национального проекта «Космос»

В условиях реализации национального проекта «Космос» перед отечественной двигателестроительной отраслью стоят задачи по созданию новых поколений ДУ, соответствующих современным требованиям по массогабаритным характеристикам, эффективности и экологической безопасности. Современные требования к химическим двигательным установкам (ДУ) космических аппаратов, сформулированные в нормативных документах Роскосмоса и технических заданиях на разработку перспективных КА, охватывают комплекс показателей, обеспечивающих эффективность, надёжность и экологическую безопасность. Ключевые параметры включают: удельный импульс не менее 225 с для однокомпонентных и 300 с — для двухкомпонентных жидкостных двигателей; минимальную длительность импульса тяги не более 10 мс для обеспечения высокой точности ориентации; ресурс работы — свыше 100 000 включений для двигателей систем управления и гарантированное активное существование не менее 10–15 лет в составе аппарата. Массогабаритные характеристики также строго регламентируются: масса ДУ тягой 200–500 Н не должна превышать 2,5–4 кг, а для микродвигателей тягой до 1 Н — менее 300 г. Особое внимание уделяется экологической безопасности: с 2025 года планируется поэтапный отказ от токсичных компонентов (гидразин, НДМГ/АТ) в пользу нетоксичных («зелёных») монотоплив на новых космических аппаратов. Кроме того, ДУ должны быть совместимы с автоматизированными системами заправки, встроенной диагностикой и унифицированными интерфейсами для серийного производства.

Одним из приоритетных направлений является разработка «зелёных» топлив [10, 11, 12], альтернативных токсичному гидразину и самовоспламеняющимся парам.

Ведутся исследования по применению перекиси водорода высокой концентрации (ПВК) и других нетоксичных компонентов, что позволит снизить риски при наземной эксплуатации и упростить логистику заправки КА [10]. В настоящее время в США успешно проведены испытания космического аппарата GPIM (The Green Propellant Infusion Mission)(рис.3). В качестве топлива использовался нитрат гидроксиламмония [NH3OH]⁺[NO3]^-[13].

Рисунок 5. Космический аппарат GIMP

Отработка и внедрение «зеленых» топлив требует проведение исследований для подтверждения стойкости применяемых в настоящее время материалов и покрытий в ракетно-космической промышленности. Разработка новых и адаптация применяемых агрегатов автоматики [14].

Также активно развиваются технологии повышения точности управления и снижения минимальной длительности импульса тяги, что особенно актуально для малых спутников и аппаратов дистанционного зондирования Земли. Ведутся работы по созданию унифицированных модульных ДУ, способных применяться на различных типах КА, что повысит серийность производства и снизит стоимость изделий.

Особое внимание уделяется вопросам импортозамещения элементной базы — клапанов, датчиков давления, материалов катализаторов и уплотнений. Создание полностью отечественной кооперации по производству ДУ является стратегической задачей, обеспечивающей технологическую независимость отрасли.

Заключение

Химические двигательные установки [15] остаются неотъемлемой частью российских космических аппаратов, обеспечивая их маневренность, стабильность и выполнение полетных задач. Благодаря многолетнему опыту разработки и эксплуатации, отечественные ДУ отличаются высокой надёжностью и адаптированы к условиям длительных космических миссий. В рамках национального проекта «Космос» ведётся целенаправленная работа по модернизации существующих и созданию перспективных систем, отвечающих вызовам современности: повышению эффективности, экологической безопасности и технологической автономии. Успешная реализация этих задач позволит сохранить и укрепить позиции России в глобальной космической отрасли и обеспечить выполнение стратегических целей в области освоения космического пространства.

Список литературы:

1. Приказ Минфина России от 10.06.2025 N 70н "Об утверждении кодов (перечней кодов) бюджетной классификации Российской Федерации на 2026 год (на 2026 год и на плановый период 2027 и 2028 годов)"– URL: https://minfin.gov.ru/common/upload/library/2025/07/main/10.06.2025_N_70n.pdf
2. Топлива химических ракетных двигателей: учеб. пособие /В.С. Егорычев, В.С. Кондрусев. – Самара: Изд-во Самар. гос. аэрокосм. ун-та, 2007. – 72 с.: ил.
3. Новая высокоэллиптическая гидрометеорологическая космическая система "АРКТИКА-М" / В. В. Хартов, М. Б. Мартынов, В. Е. Бабышкин [и др.] // Вестник НПО им. С.А. Лавочкина. – 2014. – № 3(24). – С. 104-108. – EDN STQXET.
4. Ракетные двигатели АО «ОКБ «Факел» для космических аппаратов - опыт лётного применения и новые разработки / Г. В. Абраменков, Н. М. Вертаков, П. А. Дронов [и др.] // Космическая техника и технологии. – 2023. – № 4(43). – С. 36-55. – EDN CCTTMW
5. Космонавтика. Энциклопедия / под ре. В.П. Глушко. М. : Советская энциклопедия, 1985. 528 с.
6. Системы управления космическими аппаратами: учеб. пособие / А.А. Лебедев М-во высш. и сред.-спец. образования СССР. Моск. авиац. ин-т им. С. Орджоникидзе. — Москва : Б. и., 1977. — 81 с. ил.; 21.
7. Двигательные установки космических аппаратов: Учебное пособие / П. М. Бечаснов. – Москва: Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2025. – 120 с. – ISBN 978-5-7038-6440-1. – EDN ONWRPZ.
8. Системный анализ миссий малоразмерных космических аппаратов: учебное пособие / И.В. Белоконов, Д.П. Аваряскин, Е.В. Баринова [и др.]. – Самара: Издательство Самарского университета, 2022. – 112 с.
9. Конструкция и проектирование ракетных двигателей твердого топлива: Учебник для машиностроительных вузов./ Фахрутдинов И.Х., Котельников А.В. – М. : Машиностроение, 1987. – 328 с.: ил.
10. Двигательные установки космических аппаратов: [учеб-метод. материалы к изучению дисциплины для ...27.04.03.06 Основы проектирования космических аппаратов] / В. Е. Чеботарев; Сиб. федерал. ун-т, Ин-т космических и информационных технологий. - Красноярск: СФУ, 2018. - Б. ц. - Текст: электронный.
11. Методика оценки новых "зеленых" топлив для ракетных и реактивных двигателей / М. В. Масюков, Д. А. Наумов, В. В. Тимченко, Е. Ю. Журкина // Четвертый междисциплинарный научный форум с международным участием "новые материалы и перспективные технологии", Москва, 27–30 ноября 2018 года. Том III. – Москва: ООО «Буки Веди», 2018. – С. 474-478. – EDN QZEAHU.
12. Современные направления развития двигателей для космических аппаратов класса "КУБСАТ" / А. Г. Клименко, А. С. Кудинов, В. В. Ольховская [и др.] // Космонавтика и ракетостроение. – 2019. – № 1(106). – С. 92-100. – EDN YYYXVZ.
13. «Green propulsion trends and perspectives» http://www.aerospace.org/crosslinkmag/summer2011/green-propulsion-trends-and-perspectives/
14. Гоза, Д. А. Выбор конструкционных материалов для термокаталитического двигателя малой тяги на экологически чистом монотопливе / Д. А. Гоза, А. Н. Нестеренко, А. В. Румянцев // Вестник Балтийского федерального университета им. И. Канта. Серия: Физико-математические и технические науки. – 2016. – № 1. – С. 59-65. – EDN VWPEGB.
15. Рыжков В.В., Сулинов А.В. Двигательные установки и ракетные двигатели малой тяги на различных физических принципах для систем управления малых и сверхмалых космических аппаратов // Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение. 2018. Т. 17, № 4. С. 115-128. DOI: 10.18287/2541-7533-2018-17-4-115-128