В статье, опубликованной в Acta Astronautica, команда ученых под руководством аспиранта Брайана Клайна описала преимущества многорежимного двигателя, который сочетает химический и электрический режимы на одном топливе. Этот подход позволяет увеличить эффективность использования ресурса и упростить контроль траектории аппарата. В отличие от других гибридных систем, где применяются разные виды топлива, многорежимный двигатель использует только один монопропеллент, что снижает сложность конструкции и затраты на запуск.

Система многорежимного двигателя работает на одном химическом топливе, например, гидразине или ASCENT, и включает как химические двигатели для быстрых импульсов, так и электроспрей-двигатели, создающие тонкие струи заряженных частиц. Последние используют ионизацию жидкости и ускоряют капли в электрическом поле, что позволяет выполнять точные коррекции курса. Электроспрей-технология была успешно опробована Европейским космическим агентством на аппарате LISA Pathfinder, где она помогала снизить возмущения, вызванные силами извне.

Многорежимный двигатель обеспечивает гибкость, так как позволяет аппарату переходить с одного режима на другой в зависимости от задач. Например, мощный химический режим ускоряет полет к объекту, тогда как электрический режим обеспечивает более точные маневры для выхода на орбиту.

По словам Клайна, такая адаптивность экономит топливо и снижает время достижения цели, особенно когда необходимо перемещаться между орбитами или удерживать аппарат в стабильном положении.

Исследование Клайна и его команды — первое в своем роде, оценивающее практическое применение многорежимной системы для экспедиций NASA на Луну с использованием малых спутников CubeSat. В отличие от традиционных двигателей, этот метод позволяет экономить вес и объем благодаря использованию единственного топлива.

Многорежимные двигатели также упрощают конструкцию аппаратов, что делает их более удобными для запуска, особенно для миссий с ограниченным бюджетом и сложными требованиями.

Для оптимального выбора режима команда разработала специальный алгоритм, который автоматически переключает двигатель между высоко- и низкоэнергетическими режимами, обеспечивая минимальный расход топлива и более короткие траектории. Этот алгоритм использует метод вариационного исчисления и гарантирует, что аппарат будет достигать локально оптимального решения для различных траекторий, от путешествия к Луне до выхода на геостационарную орбиту.

Проект находится под руководством профессора Джошуа Рови и проводится в рамках инициативы NASA — Space and Technology Research Institute, где работают над созданием передовых систем, таких как многорежимная. Основной акцент делается на диагностике и фундаментальных исследованиях, что позволяет применять эти наработки не только в лаборатории, но и в реальных экспедициях к Луне и за её пределы.

«Эта технология меняет подход к межпланетным перелетам, обеспечивая возможности для новых экспедиций, которых раньше было трудно достичь,» — отмечает Клайн. — «Мы разрабатываем инструменты, которые позволяют превратить лабораторные тесты в реальный вклад для космического сообщества, добавляя больше гибкости и функциональности к уже существующим концепциям космических аппаратов.»