В мечтах о Марсе: Гарри Попов и его электрические ракетные двигатели

3 октября в возрасте 90 лет умер академик Гарри Попов, руководивший созданием электрических ракетных двигателей (ЭРД). Этими силовыми установками оснащены Международная космическая станция (МКС) и современные спутники, а в будущем с их помощью человечество будет летать на Марс. Что выдающийся ученый рассказывал о технологии, которой посвятил всю жизнь, – в материале «Ведомостей».

Профессиональная династия

Гарри Попов родился 18 декабря 1934 г. в Москве. Необычным именем он обязан спору родителей. Отец и мать, убежденные коммунисты, никак не могли договориться – назвать сына Владимиром в честь Ленина или Виктором в честь победы революции. В этот момент в гости зашла знакомая, посмотрела на перебранку и в шутку предложила третий вариант: Гарри. Родители онемели. «Разве вы не знаете, что одного из руководителей компартии Великобритании зовут Гарри Поллит?» – объяснила приятельница.

Проблем из-за «буржуйского» имени у Попова не было, рассказывал он порталу «Научная Россия», хотя одно время академик очень хотел его сменить. Особенно перед рождением собственных детей, когда представлял их отчество. Но так и не решился: отпрысков зовут Антонина Гарриевна и Алексей Гарриевич.

Отец Попова был одним из первых выпускников Московского авиационного института (МАИ), затем работал в Центральном институте моторостроения и в Академии Жуковского. «Его выбор оказал влияние на меня. Я стал продолжателем династии», – рассказывал Попов-младший, который после окончания школы в 1953 г. поступил в МАИ. Для этого ему пришлось выдержать конкурс в семь человек на место.

В 1950-е гг. наука всерьез заинтересовалась ЭРД. В МАИ ими занимался профессор Александр Квасников. «Легендарная личность, – восторженно рассказывал о нем Попов газете «Военно-промышленный курьер». – В Первую мировую [Квасников], будучи одним из лучших летчиков российской армии, впервые на самолете использовал пороховую ракету, сжег ею немецкий наблюдательный аэростат <...> Впоследствии Квасников стал одним из известнейших в СССР специалистов в области ракетных двигателей».

В 1959 г. Попов защитил дипломную работу по ЭРД в МАИ и устроился инженером в Центральный институт авиационного машиностроения. Через год с ним связался Квасников и переманил на свою кафедру авиадвигателей. В 1962 г. для разработки ЭРД была создана новая кафедра – № 208. Затем группа ученых во главе с Квасниковым и Поповым пролоббировала создание отдельного научно-исследовательского института. Так в 1987 г. возник НИИ прикладной электродинамики МАИ, директором которого стал Попов. Уже в следующем веке он был переименован в НИИ прикладной механики и электродинамики МАИ.

Попов возглавлял НИИ вплоть до 2024 г., а затем работал первым замдиректора. Также до последних дней он был профессором кафедры № 208.

Где применяют ЭРД

С Земли ракета взлетает на химических двигателях – жидкостных или твердотопливных. Внутри камеры сгорает топливо, образуются раскаленные газы, под огромным давлением они вырываются через сопло. В ЭРД топливо не сжигается. В первых двигателях с помощью электричества нагревалось рабочее тело (газ), который расширялся и истекал через сопло: принцип очень похож на обычные двигатели. В современных ЭРД рабочее тело превращается в плазму (смесь заряженных частиц), которая разгоняется электрическим или магнитным полем и с огромной скоростью вылетает наружу.

«Если такой двигатель включить на Земле, то вы не заметите даже, что он работает. Мощность – 4,5 кВт, тяга – меньше 30 г», – объяснял Попов газете «Военно-промышленный курьер». Есть шутка, что человек дует на блюдце с горячим чаем сильнее, чем ЭРД. «На поверхности Земли [такая маленькая тяга] ничего не значит, но на орбите это уже сила», – продолжал Попов. ЭРД используются только в вакууме, где нет сопротивления воздуха и не так чувствуется гравитация планеты.

Для сравнения: скорость истечения, с которой вещество вырывается из сопла химического жидкостного двигателя, достигает около 3,5 км/с, приводил пример Попов. Тяга исчисляется тоннами, поэтому силовая установка способна быстро разогнать, повернуть и затормозить космический аппарат. Но такие двигатели «прожорливы»: топливо быстро расходуется.

ЭРД невозможно сделать столь же мощными – их тяга исчисляется в граммах. Но скорость истечения может достигать 50 км/с. Благодаря этому ЭРД нужно несравненно меньше топлива, чем химическому двигателю, чтобы разогнать космический аппарат до одинаковой скорости. Конечно, из-за маленькой мощности это займет немало времени. Там, где химический двигатель справится за секунды и минуты, у ЭРД уйдут дни и месяцы.

«При помощи жидкостных ракетных двигателей ракета выводится в космос. А что дальше? – риторически вопрошал Попов в лекции на YouTube-канале «Роскосмоса» в 2016 г. – Для выведения на орбиту ЭРД непригодны. А вот для коррекции на орбите – да. Они так и называются – «двигатели космических аппаратов». Ими оснащено около 40% всех аппаратов». Достаточно сказать, что ЭРД стоят на Starlink Илона Маска.

Еще одно перспективное направление – длительные космические перелеты. Российские, американские, японские миссии на Луну и в дальний космос уже применяют эти двигатели, рассказывал Попов: «В ближайшей перспективе зайдет речь о доставке больших объемов грузов на Луну и на Марс, если подразумевается их колонизация. В этих проектах электроракетные двигатели будут использоваться как маршевые». Так экипаж сможет взять с собой больше полезной нагрузки, чем с химическими двигателями.

Удачная ошибка

Еще в 1911 г. Константин Циолковский писал, что у химических двигателей есть ограничения и будущее за ЭРД, хотя напрямую этого термина не употреблял: в те годы его просто не было, рассказывал Попов в лекции «Роскосмоса». Первые в мире стендовые испытания ЭРД были осуществлены в СССР в 1929 г. Валентином Глушко – это был электротермический двигатель. «Долгое время ЭРД занимались больше на бумаге. Но после Второй мировой войны <...> ими начали заниматься серьезно, – продолжал Попов. – Наша страна была первой, которая осуществила запуск ЭРД в космос». В 1964 г. этот тип двигателей отвечал за ориентацию солнечных батарей аппарата «Зонд-2».

«Пионерами современных электроракетных двигателей стали физики Курчатовского института, – признавал Попов. – Почему они? Потому что физика [работы ЭРД] во многом сходна с процессами разделения изотопов». Над созданием новых двигателей обычно сообща трудилось несколько организаций. Например, Курчатовский институт, конструкторское бюро «Факел»… «А между ними, физиками и конструкторами, поставили МАИ <...>, где работали и продолжают работать инженеры-физики», – шутил Попов в интервью порталу «Научная Россия». 

«В 2021 г. нам присудили правительственную премию им. Гагарина за то, что мы в содружестве с [производителем спутников] АО ИСС и ОКБ «Факел» при помощи стационарных ЭРД решили баллистическую задачу: значительное увеличение массы объектов, доставляемых на рабочие орбиты» – продолжал он. Большую роль сыграла банальная ошибка в техническом задании: спутники «Экспресс-АМ5» и «Экспресс-АМ6» по недосмотру получились тяжелее, чем нужно. В результате их оказалось невозможно вывести на геостационарную орбиту с помощью жидкотопливных двигателей.

Тогда конструкторы предложили решение: химический двигатель выводит спутник на опорную орбиту, а ЭРД дотягивает его до геостационарной. Схема увеличивала массу спутника всего на 110 кг, что укладывалось в нормативы. 26 декабря 2013 г. «Экспресс-АМ5» стартовал с Земли. ЭРД потребовалось два месяца, чтобы миссия завершилась успехом.

Этот опыт оказался крайне важен для российской космонавтики, объяснял Попов. Космодромы РФ расположены севернее, чем у многих космических держав. Из-за этого российские ракеты могут вывести на орбиту меньше полезной нагрузки, чем аналоги конкурентов, стартующие ближе к экватору. Обычно «Протон» несет спутники общей массой до 3,2 т. Применение двух типов двигателей позволило вывести на 25% больше полезной нагрузки.

«Это не предел. Можно увеличить эту цифру на 100%, то есть в два раза! – уверял Попов на портале «Научная Россия». – При этом двигатель ЭРД, который довыводит такую нагрузку, имеет совсем небольшую массу. По сравнению с ракетой-носителем стоимость ЭРД очень мала. Экономический эффект значителен и может стать еще больше».

Маленькому спутнику – маленький двигатель

Современные технологии позволяют делать космические аппараты совсем миниатюрными. Например, в 2023 г. на орбиту был выведен турецкий Istanbul – куб со стороной 5 см, чуть больше кубика Рубика. Весит он менее 250 г, но вполне способен обеспечить передачу данных для интернета вещей. «На фоне эпохи малых космических аппаратов увеличивается потребность в летных двигателях малых размеров и электрической мощности», – объяснял Попов. Его НИИ занимался разными типами ЭРД: холловскими, абляционными, ионными и, с недавних пор, – коллоидными. Они отличаются друг от друга не только физическими процессами, но и областями применения.

Созданные при руководстве Попова ЭРД работали на станции «Мир» и МКС. «Наша страна действительно стала первой в мире по развитию [стационарных плазменных двигателей – СПД], – рассказывал он порталу «Научная Россия». – К сожалению, у нас одно время стали считать, будто СПД лучше других типов ЭРД. Это неправильно: для разных задач нужны разные двигатели. Но поддержка в основном была связана с СПД, по которым Запад существенно отстал от нас. Однако их фирмы продолжали делать ионные двигатели, и по этим двигателям мы отстали от Запада». 

Чтобы не проиграть гонку, НИИ Попова, по его словам, сконцентрировался на ионных двигателях малой мощности, а Исследовательский центр им. Келдыша – средней и относительно большой мощности. За ЭРД будущее, был уверен Попов. У них есть множество применений и помимо коррекции орбиты или доставки грузов колонистам на Луне и Марсе. Например, на ЭРД будут летать космические мусорщики, собирающие вокруг Земли техногенные обломки, уверял Попов. «Мы остаемся космической державой, – говорил он. – Есть потери. Мы в чем-то потеряли дальний космос, но правильно делаем, что ставим себе приоритетом лунную и марсианскую программы».