Голос науки: магистрант МИФИ Ярослав Леонов о спектрометре для плазменных ракетных двигателей

Развитием космических технологий в МИФИ занимаются не только состоявшиеся ученые, но и студенты. Среди них – учащийся первого курса магистратуры Института лазерных и плазменных технологий (направление «Управляемый термоядерный синтез и физика плазмы») Ярослав Леонов. Ярослава с детства интересовало все, что связано с космосом. И вот однажды, из бритвенных лезвий и дифракционной решётки, талантливый молодой ученый смастерил… спектрометр для высокоскоростной диагностической системы плазмы на выходе из абляционного импульса плазменного двигателя VERA.

– Ярослав, как началось ваше сотрудничество с лабораторией плазменных ракетных двигателей?

– Я со второго курса бакалавриата участвовал в проекте «Лаплазиан», который организует специализированную научную подготовку для студентов Института ЛаПлаз, знакомит с исследовательскими лабораториями и научными группами нашего вуза. На одной из встреч я побывал в лаборатории плазменных ракетных двигателей. И так как я с малых лет интересовался всем, что связано с космосом, стал сотрудничать с этой лабораторией. И уже на третьем-четвёртом курсе я занимался разработкой аппарата-спектрометра для высокоскоростной диагностической системы плазмы на выходе из абляционного импульса плазменного двигателя VERA.

– Для чего нужен такой прибор и какие исследования можно проводить с его помощью?

– Спектрометр нужен для определения параметров плазмы на выходе из двигателя, точнее – для измерения электронной температуры. Это позволяет понимать, какие процессы происходят в плазме, что, в свою очередь, может использоваться для повышения эффективности самого двигателя.

– А подходящих спектрометров не было?

– Для измерения спектра двигателя уже существовали готовые приборы. Однако их временное разрешение было крайне низким, что не позволяло получать достаточно полную информацию. У нас уже имелась высокоскоростная камера, позволяющая снимать со скоростью до 10 миллисекунд на один кадр. Существующие же спектрометры снимали с частотой гораздо меньшей. Так как длительность импульса двигателя всего 100 миллисекунд, они не позволяли детально измерить параметры и отследить их динамику. Нельзя было понять, как изменяется температура плазмы.

Поэтому нужна была диспергирующая система, которая раскладывала бы существующий свет на спектры. В плазменном двигателе VERA в основном светится водород. По серии Бальмера можно определять температуру плазмы в малой области, а при должной доработке аппарата можно определять также и концентрацию водорода.

– И вам удалось это сделать?

– Да, в рамках бакалаврской работы я сделал определение электронной температуры плазмы на выходе из сопла двигателя с высоким временным разрешением. Сейчас, в магистерской работе, я занимаюсь исследованием распределения этих параметров по сечению.

– Трудно было смастерить прибор «в металле»?

– Нет, это оказалось достаточно простой задачей. Спектрометр был реализован чуть ли не из подручных средств. В первой итерации я использовал… два бритвенных лезвия и дифракционную решётку. Увидел, что прибор позволяет хорошо измерять некоторые параметры, но понял, что в дальнейшем система требует доработки. Я добавил конденсорную и коллиматорную линзы, которые собирают приходящий от плазмы свет. Щель вырезает тонкий слой из этого света, и он с помощью коллиматорной линзы идёт параллельным пучком вдоль оптической оси на дифракционную решётку. С дифракционной решётки попадает на высокоскоростную камеру. Снимки детектируются высокоскоростной видеокамерой и записываются на компьютер. Затем я анализирую снимки на собственноручно разработанном программном комплексе.

– Как вы думаете, такой прибор может быть использован за пределами вашего проекта?

– Конечно. Спектрометр годится для высокоскоростной диагностики плазмы с большими концентрациями и относительно высокими температурами. Его можно использовать, например, на токамаке «МИФИСТ», а также на установках других институтов и научных центров.

– Какие у вас дальнейшие научные планы? Чем собираетесь заняться в ближайшем будущем?

– Я планирую доработать спектрометр, чтобы это была полноценная конструкция. Думаю, у него хороший экспортный потенциал. Я видел за рубежом подобные конструкции, но все они очень дорогие – сотни миллионов рублей!

– Вы также работает в нашей университетской компании «СТАР»?

– После того, как я провёл несколько лет в лаборатории Игоря Егорова, я познакомился с Евгением Степиным и заинтересовался (и с научной, и с бизнесовой точки зрения) коммерциализированными разработками, которыми он занимается. Евгений Викторович пригласил меня в свою в компанию «СТАР» (Спутниковые Технологии и Астроразработки). В должности инженера я занимаюсь там по совместительству своей научной работой. Я также взаимодействую со школьниками и студентами, пытаюсь заинтересовать их космической тематикой, а еще – организую студенческие команды для конкурсов, в которых мы участвуем.

– Чем могут заниматься школьники в космических проектах МИФИ?

– К нам приходят ребята из разных школ Москвы. Особенно мы рады тем школьникам, которые уже специализируются на чём-то, как, например, учащиеся из классов микроэлектроники школы №17. С ними мы очень активно сотрудничаем. Бывают у нас и ребята из Предуниверситария МИФИ. Что они делают? То, что им интересно. Это может быть разработка электроники для двигателя или создание стенда для испытаний двигателя в вакуумной камере. Школьники развивают свои компетенции, а заодно делают что-то полезное для науки.

– Это как занятия в инженерном кружке?

– Вроде того. Раз в несколько недель школьники приезжают группой, работают здесь, после чего получают некоторое конкретное задание в рамках большой задачи, которая была им поставлена на учебный год. В свободное время они тоже работают над определенными этапами проекта. Поэтому в школе или дома у ребят должны быть для этого какие-то условия, приборы, хотя бы паяльники. Ученики школы №17 в этом смысле в выигрышном положении – у них есть не только паяльники, а целые паяльные станции и даже станки для работы по дереву и металлу.

– Вы упомянули, что участвуете в различных конкурсах. Были какие-нибудь победы в последнее время?

– Да, студенты МИФИ стали победителями Международного чемпионата высокотехнологичных профессий «Хайтек: навыки будущего», одного из крупнейших мероприятий в сфере передовых технологий и инженерных компетенций. Конкурс объединил более 1000 конкурсантов и экспертов из 15 стран, 100 ведущих мировых технологических компаний. Мифисты выступили очень достойно, показали прекрасные результаты.

Подробнее о плазменных двигателях и спутниках МИФИ можно почитать здесь.