«ОКБ «Факел»: полувековой опыт разработки летных электрореактивных двигателей для космических аппаратов»

Федеральное государственное унитарное предприятие «Опытное конструкторское бюро "Факел" (далее по тексту ОКБ «Факел») является одним из ведущих мировых лидеров в разработке и изготовлении стационарных плазменных двигателей (СПД) и двигательных установок (ДУ) малой тяги на их основе, ведущим российским предприятием по разработке и изготовлению термокаталитических (гидразиновых) двигателей (ТКД) и ДУ на их основе, а также плазменных источников наземного и космического применения.

 1

КДУ «Эол -1» с СПД

ОКБ "Факел" было основано в 1955 как "Двигательная Лаборатория" Российской Академии Наук, в 1962 предприятию был присвоен статус ОКБ.

К настоящему времени на орбиту запущено 303 космических аппарата (КА) с продукцией ОКБ «Факел». Двигателями ОКБ оснащены более 50 % КА в России, а их доля в мировом рынке составляет более 10 %. При этом прослеживается устойчивая тенденция к увеличению.

Продукция предприятия не уступает по характеристикам отечественным и зарубежным аналогам и находится на уровне лучших мировых разработок.

Сегодня ОКБ «Факел» тесно сотрудничает со многими российскими предприятиями ОАО «ИСС», РКК «Энергия», ГКНПЦ «Хруничев», НПП “ВНИИЭМ”, а также с зарубежными компаниями: Airbus D&S, TAS, OHB, IAI, RUAG и Space Systems Loral. По последним данным, примерно 40 % КА Space Systems Loral используют двигатели Факела.

Разработка, испытания и производство стационарных плазменных двигателей (СПД) впервые были начаты в ОКБ "Факел" в конце 60-х годов прошлого века. Опытная эксплуатация первого двигателя этого типа – двигателя СПД-60 – успешно проведена в составе ЭРДУ ЭОЛ-1 на КА "Метеор" в 1971 г.. Этот двигатель при мощности разряда ~ 400 Вт имел относительно невысокие характеристики, эффективность его работы составляла ~ 30 %. В результате дальнейших исследований физических и рабочих процессов СПД было достигнуто существенное повышение тяговых, удельных и ресурсных характеристик. На сегодняшний момент в ОКБ разработан параметрический ряд СПД до 25 кВт. Они признаются в мире лучшими двигателями своего класса, активно применяются в составе российских и зарубежных КА и являются высокоэффективными и надежными изделиями космической техники.

На начало 2019 года в летной эксплуатации находилось 615 СПД ОКБ «Факел», из них:

типа СПД-50, СПД-60 – 24;

типа СПД-70                 – 132;

типа СПД-100               – 436;

типа СПД-140               – 23.

В настоящее время СПД применяются не только в системах ориентации и коррекции положения орбитальных группировок КА, наблюдается существенный рост использования СПД и для довыведения КА с опорной на рабочие орбиты.

2 

Летное подтверждение схемы довыведения спутника с применением ЭРДУ ОКБ «Факел» впервые было получено в ходе реализации пусковой компании спутника «Экспресс-АМ5». Фаза довыведения продолжительностью 72 суток была совмещена с маневром приведения в заданную орбитальную позицию. В качестве ЭРДУ довыведения был использован блок коррекции с двигателями СПД-100, входящий в штатный комплект системы коррекции (СК), стандартно предназначенной для выполнения маневров перевода вдоль орбиты и коррекций удержания орбитальной позиции в течении срока активного существования (САС).

Стоит отметить, что двигатель СПД-100 является одним из лучших двигателей своего класса по комплексу выходных характеристик, надежности и степени летной отработки. Он квалифицирован и под российских, и под зарубежных заказчиков. Запуск первого КА с такими двигателями состоялся в 1994 году. С 1995 г. он успешно используется в системах коррекции серии российских связных геостационарных КА, а с 2003 года двигатель применяется в составе зарубежных геостационарных КА типа Inmarsat, Intelsat-X, IPSTAR-II, Telstar-8 и других. По данным Space Systems Loral суммарная наработка двигателей SPT-100 на КА Space Systems Loral уже превысила 100 000 часов.

3 

Дальнейшим развитием идеи довыведения в ОКБ стала разработка несколько модификаций двигателей повышенной мощности до 6 кВт типоразмера СПД-140 с тягой, превышающей в три разу тягу СПД-100 при примерно том же удельном импульсе. В настоящее время квалификация двигателей для летных испытаний под требования российских заказчиков завершена,  для зарубежных заказчиков двигатели уже поставляются. Ресурсная наработка СПД-140Д составила примерно 18500 часов – рекорд для двигателей ОКБ. В 2018 году СПД-140Д впервые был использован как для перевода космического аппарата с переходной орбиты на геостационарную, так и для удержания в точке стояния на геостационарной орибите, в составе телекоммуникационного спутника Eutelsat 172B. По сообщениям прессы Eutelsat 172B с двигателями ОКБ побил последний рекорд по самому быстрому довыведению. С момента запуска до достижения геостационарной орбиты прошло всего 4 месяца. Топлива при выводе было использовано в 6 раз меньше, чем для спутников с химическими двигателями. Eutelsat 172B – это первый европейский спутник с полностью электрической двигательной установкой. Тенденция применения СПД такой мощности как на зарубежных, так и на отечественных КА в дальнейшем, скорее всего, будет проявляться более значительно. Полностью электрические КА займут основную долю мирового космического рынка.

4 

С целью оптимизации двигательных установок путем решения задач коррекции и трансферных задач одним двигателем в ОКБ "Факел" в сотрудничестве с RUAG (Швейцария) разработаны интегрированные двигательные блоки ITU-100 и ITU-140 (Integrated Thruster Unit), предназначенные для создания требуемых управляющих тяговых усилий в процессе формирования рабочей орбиты КА и последующего ее поддержания в требуемых пределах в процессе эксплуатации КА в космических условиях. ITU-100 и ITU-140 являются готовым и перспективным решением интегрирования двигательных систем на базе двигателей СПД‑140 и СПД-100 и механизма ориентации двигателей (МОД). ITU-100 и ITU -140 успешно прошли квалификационные испытания.

Постоянное расширение областей применения СПД в системах ориентации и стабилизации КА, в транспортных задачах и осуществлении других маневров КА в космосе приводит к необходимости создания СПД с повышенными тяговыми, удельными и ресурсными характеристиками в сочетании с уменьшенными массогабаритными при оптимизации производственного цикла изготовления, в том числе большими партиями в ограниченные сроки. В связи с этим в ОКБ "Факел" ведутся работы по модернизации уже существующих двигателей (СПД-50, СПД-70, СПД-100В и СПД-140) и созданию новых, направленные на решение следующих основных задач:

а) обеспечение повышенных тяговых и удельных параметров двигателей и возможности эффективного функционирования в нескольких режимах путем оптимизации параметров и топологии магнитного поля;

б) повышение ресурсных характеристик (до 15000 часов и более) при стабильности тяговых параметров в процессе длительной работы;

в) уменьшение расходимости плазменной струи;

г) повышение прочностных характеристик;

д) внедрение в конструкцию двигателей результатов новых разработок,  конструкционных материалов и комплектующих (эмиттеры, керамика, провода), повышение технологичности конструкций с целью снижения трудозатрат и стоимости изделий;

е) возможность работы на альтернативных рабочих телах (криптон, йод и др.).

5

Модернизированные двигатели СПД-50М ОКБ «Факел» уже поставляет для КА в рамках международного космического проекта «One Web», в котором планируется создание крупной орбитальной группировки (700 аппаратов), расположенной на низкой околоземной орбите и обеспечивающей покрытие всей поверхности Земли спутниковым интернетом. Прототип этого двигателя, разработанный еще в 70-е годы, квалифицированный под требования российского заказчика, СПД-50 до сих пор успешно применяется в составе ЭРДУ на КА дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ). Выполненная модернизация позволила повысить на ~ 5 % тягу двигателя, на 8 % удельный импульс и как минимум в 2 раза его ресурсные характеристики.

Говоря о работе ОКБ по направлению ДЗЗ, хочется также подчеркнуть, что успешное использование космической информации зависит не только от источников ее получения, но и от создания и развития наземной инфраструктуры для получения, обработки, хранения и использования космической информации и информационной продукции созданной на ее основе. В целях развития Единой территориально распределённой информационной системы дистанционного зондирования Земли из космоса (ЕТРИС ДЗЗ) на базе наземного комплекса приема, обработки и распространения НКПОР-Р/З, размещённого на территории ФГУП «ОКБ «Факел», в  2015 году был сформирован Западный региональный центр приёма, обработки и распространения космической информации дистанционного зондирования Земли Роскосмоса (ЗРЦ ДЗЗ). На сегодняшний день функционирование ЗРЦ ДЗЗ осуществляются в рамках договоров с АО «Российские космические системы».

СПД также являются перспективными и для осуществления межпланетных перелетов и миссий по исследованию дальнего космоса. Но сравнительно малая тяга таких двигателей требует применения и компоновки нескольких двигателей на космическом аппарате для обеспечения приращения скорости аппарата, что, в свою очередь, потребует большой бортовой электроэнергии. Сегодня широко развивается идея применения космического буксира, который позволит перемещать полезную нагрузку в заданную точку. Такой буксир также сможет использоваться и для трансфера тяжелых КА на геостационарную орбиту, а также и для доставки исследовательских стаций к планетам и, возможно, в будущем для осуществления пилотируемых миссий. Разрабатываемые различными зарубежными компаниями космические буксиры проектируются из расчета использования энергии более 50 кВт. Для этого потребуется и мощная двигательная установка, обладающая высокой эффективностью и надежностью.

Сейчас в ОКБ "Факел" ведутся работы по созданию стационарного плазменного двигателя повышенной мощности типа СПД-230, способного функционировать в диапазоне мощности от 10 до 25 кВт.

Рассматриваются возможности создания и электроракетных двигателей мощности 100 кВт и более альтернативных конструктивных схем.

С увеличением срока активного существования современных КА и необходимостью транспортных задач дальнего космоса актуальным становится поиск альтернативных рабочих тел, стоимость которых значительно ниже стоимости используемого на данный момент ксенона. В связи с этим, с 2018 года ОКБ «Факел» активно проводит исследовательские испытания СПД различных типоразмеров на криптоне. Кроме того ОКБ участвует в работах РКК «Энергия» по отработке СПД на йоде. Близкие к ксенону значения таких параметров йода, как атомная масса и потенциал ионизации, позволяет использовать штатную конструкцию СПД с незначительными изменениями. В будущем планируется провести космический эксперимент под названием «Островский», в рамках которого будут проведены летные испытания на йоде экспериментальной ЭРДУ на базе СПД на ТГК «Прогресс».

В 2018 году начаты и исследования возможности создания СПД сверх малой мощности для космических аппаратов нано-класса формата Cubesat и экспериментальной установки для их отработки в условиях космического пространства.

Стоит отметить, что ОКБ «Факел» также занимается поставкой систем ориентации и коррекции для космических аппаратов на базе ТКД. Первые ТКД ОКБ «Факел» были применены в лётной эксплуатации, начиная с 80-х гг. прошлого века. С тех пор в системах двигательных установок на космических аппаратах отечественного и зарубежного производства было запущено более 3590 двигателей. Особенностью ТКД на гидразине разработки ОКБ «Факел» является эксплуатация двигателей в диапазоне более низких давлений по сравнению с зарубежными аналогами: входное давление находится в диапазоне от 1000 до 168 кПа. Минимальная номинальная тяга двигателей составляет 0,05 Н. Все двигатели интегрированы в двигательные блоки. В настоящее время ОКБ «Факел» ведёт работы по расширению линейки ТКД и модернизации существующих двигателей. Имеющийся научный задел позволяет производить и новые высокоэффективные модели ТКД с номинальной тягой от 0,01 до 50 Н.  Кроме того мировой тенденцией развития ТКД является уход от традиционных высокотоксичных компонентов к так называемым «зеленым» топливам, являющимся веществами с существенно меньшим классом экологической опасности. Учитывая данную тенденцию, а также в целях расширения номенклатуры продукции, в ФГУП «ОКБ «Факел» ведутся работы по проектированию и последующему расширению номенклатуры двигателей на «зеленом» топливе.

На сегодняшний день на предприятии работает около 1000 человек.

Предприятие размещается на 3-х площадках.

Общая площадь помещений – 57 тыс. м2.

6

Анализ внутренней среды предприятия показывает, что количество и квалификация персонала, уровень оснащения производства, испытательной базы и развития технологии изготовления продукции на текущий момент позволяет выполнять договорные обязательства перед потребителями.

ОКБ «Факел» имеет уникальную и унифицированную базу для проведения полномасштабных исследований, разработки, изготовления, испытаний и эксплуатации ЭРД и ТКД и двигательных установок на их основе.

На предприятии разработана, внедрена и действует система менеджмента качества (СМК), распространяющаяся на проектирование, разработку, модернизацию, ремонт, испытания, техническое сопровождение в эксплуатации ЭРД и ТКД малой тяги, их составных частей, двигательных блоков и двигательных установок и комплектующих для космических аппаратов военного, научного и социально-экономического назначения. В 2001 г. СМК прошла сертификацию на соответствие требованиям международных стандартов ISO 9000. Действие сертификатов соответствия и заключений подтверждается ежегодными аудитами и периодическими ресертификациями. Также на всем протяжении функционирования СМК предприятия многократно подвергалась и подвергается аудитам зарубежных и российских потребителей.

7

В настоящий момент производственный и испытательный комплексы предприятия укомплектованы технологическим и уникальным стендовым оборудованием для выполнения всех видов работ по созданию и серийному изготовлению СПД и ТКД и ДУ на их основе. Уже в ближайшем будущем планируется непрерывный выпуск партий по 33 СПД в месяц.

Основное технологическое оборудование ОКБ включает 474 единицы, это испытательное, металлообрабатывающее, сварочное, термическое оборудование и прочее (гальваника, лакокраска, деревообработка). Парк оборудования ОКБ «Факел» формировался исходя из требований обеспечения на предприятии всего комплекса разнообразных технологических операций, поддерживается в удовлетворительном состоянии и обеспечивает выполнение паспортных технологических операций в полном объёме.

Предприятие обладает многообразием специфических для ЭРДУ технологических процессов, что обусловлено разнообразием применяемых материалов и миниатюрностью деталей:

  • механическая обработка миниатюрных деталей из труднообрабатываемых материалов (керамики, тугоплавкие металлы и сплавы);
  • высокотемпературная вакуумная пайка металлокерамических соединений и капиллярных трубок;
  • электронно-лучевая, лазерная и диффузионная сварка тугоплавких металлов и сплавов;
  • нанесение защитных керамических покрытий методом плазменного напыления;
  • склеивание высокотемпературных узлов СПД, включая создание рецептуры клея;
  • высокоточная электроэрозионная прошивка малых отверстий;
  • магнитно-импульсная штамповка;
  • подготовка поверхностей и обеспечение чистоты рабочих поверхностей трактов подачи рабочего тела;
  • регулировка и контроль угловых и линейных положений двигателей и ДУ;
  • климатические, механические, тепловакуумные и огневые испытания двигателей и ДУ.

Значительное количество технологий защищено патентами (термообработка магнитомягких сплавов, специальные покрытия и клеи, обеспечивающие эксплуатацию изделий в условиях открытого космоса).

Постоянно ведутся работы и по усовершенствованию применяемых технологий и внедрению новых с целью снижения затрат на производство изделий и трудоемкость, сокращения цикла изготовления деталей, сборочных единиц и двигательных установок в целом при обеспечении более высокой надежности и качества продукции и обеспечения полной технологической независимости производства (в т.ч. импортозамещение).

В перспективе планируется модернизация производственной, технологической и испытательной баз ОКБ «Факел» с целью дальнейшего развития предприятия и разработки актуальной высокоэффективной космической техники, космических материалов и технологий.