
В последние годы активно наращивается число спутников Земли для многочисленных практических применений, в частности телевидения, мобильной связи, дистанционного зондирования Земли для мониторинга состояния полей, лесов и рек (сельхозугодий, пожаров, полезных ископаемых и т.п.) и, разумеется, военно-технической разведки. Рядом стран реализуются планы освоения минеральных ресурсов Луны (например, добыча гелия-3), научных миссий к другим объектам солнечной системы.
За пределами земной атмосферы хорошо себя зарекомендовали ионные двигатели (их часто в СМИ называют плазменными двигателями). Важнейшими их характеристиками двигателей являются высокая газовая и электрическая эффективность, а также ресурсные характеристики. По совокупности указанных параметров ионные двигатели безусловный лидер, поскольку они обладают наибольшим удельным импульсом среди электроракетных двигателей и ресурсом в десятки тысяч часов. О них мы и расскажем в нашем материале.
Конструкция
Принцип работы ионного двигателя основан на преобразовании электрической энергии в направленную кинетическую энергию частиц. Типичный ионный двигатель обладает газоразрядной камерой (ГРК) на основе разряда постоянного тока. Ионизация атомов рабочего тела в таком двигателе осуществляется в ГРК за счет столкновения атомов с электронами, эмитирируемыми катодом и набирающими энергию в постоянном электрическом поле. Для исключения ухода первичных электронов на анод перед ним в ГРК создается продольное магнитное поле.
Все стенки ГРК имеют катодный потенциал, поэтому первичные электроны, прежде чем достигнуть анода, совершают многократные колебания, что повышает эффективность ионизации. Для извлечения ионов из плазмы ГРК и формирования и ускорения ионного пучка используется ионно-оптическая система (ИОС). Она состоит из эмиссионного и ускоряющего электродов. На эмиссионный электрод подается положительный потенциал в несколько киловольт, который определяет энергию ионов пучка, на ускоряющий электрод подается отрицательный потенциал в несколько сотен вольт, необходимый для отсечки электронов из пучковой плазмы. Для того чтобы не допустить заряженные частицы пучковой плазмы к высокопотенциальным поверхностям, ГРК снаружи закрывается тонкостенным корпусом. За срезом двигателя на боковую поверхность корпуса устанавливается катод-нейтрализатор, поставляющий электроны в ионный пучок, что необходимо для нейтрализации объемного заряда. Таким образом, ионы создают тягу, двигаясь из плазмы ГРК сквозь отверстия эмиссионного и ускоряющего электрода и ускоряясь в электрическом поле, приложенном в зазоре между ними.
Конструктивно ионные двигатели близки к ионно-лучевым генераторам в системах напыления покрытий при производстве полупроводниковых устройств. Только в земных условиях требуется сложная и дорогая вакуумная аппаратура, а в космосе вакуум – бесплатный.
Рисунок 1: Схема ионного двигателя

В данной статье нас интересует только патентный аспект.
Большинство патентов кодируется по МПК в раздел F03H «Особые способы и устройства для создания реактивной тяги, не отнесенные к другим подклассам».
Патентный аспект
На портале Google.Patents поиск по запросу Ion thruster показывает более 100 000 документов за период 1935-2025 гг. Лидерами по количеству патентов указаны следующие компании:
-
The Boeing Company — 2,2%;
-
Mitsubishi Electric (三菱電機株式会社) — 2%;
-
CPS Technologies Corp — 1,9%;
-
Ford Global Technologies, Llc — 1,6%.
Как видно, подавляющее количество мировых патентов принадлежит американским компаниям. Что примечательно, на втором месте расположился Boeing. Хотя финансовое положение оставляет желать лучшего, очевидно, что корпорация ведет активные разработки в сфере ионных двигателей. И оснащать ими она будет отнюдь не пассажирские лайнеры.
Примеры патентов:
-
CN111878337A Ion thruster;
-
EP3295545B1 Thruster for low earth orbit;
-
US11230394B2 Staging of ion propulsion thrusters.
Динамика по годам представлена на рис. 2.
Рисунок 2: Динамика мирового патентования изобретений на тему «Ion thruster»

Видно, что пик патентования изобретений был в 2013-2019 гг., затем резко снизился. Объяснить это можно избеганием патентования из соображений коммерческой тайны или же национальной безопасности.
А что в России?
В базе ФИПС в рефератах на изобретения РФ по запросу Ионные двигатели космических аппаратов найдено 24 патента на изобретения, из которых только 6 ед. действующие:
-
№2533378 Ионный двигатель для космического аппарата. АСТРИУМ ГМБХ (DE). Цель - создание конструктивно более простого и недорогого ионного двигателя.
-
№2612308 Ионный двигатель с устройством защиты от дугового разряда в межэлектродном зазоре ионно-оптической системы. ФГУП «Исследовательский центр имени М.В. Келдыша».
-
№2614906 Прямоточный электрореактивный двигатель. Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет). В выходном отверстии прямоточного канала расположена ионно-оптическая система.
-
№2682962 Ионный ракетный двигатель космического аппарата. Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого. Ионно-плазменное электродвигательное реактивное устройство в составе космического аппарата содержит накопитель с рабочим телом в нем, реакторную камеру, подключенную к указанному накопителю, оснащенную электродами для преобразования структуры, ионизации, ускорения и нейтрализации частиц указанного рабочего тела посредством электромагнитного поля.
-
№2695541 Устройство ввода энергии в газоразрядную плазму. АО «Концерн «Созвездие» (Воронеж). Изобретение относится к устройствам высокочастотного возбуждения и поддержания разряда газоразрядной плазмы в ионных источниках, ионных двигателях космических аппаратов с преобразованием энергии источника постоянного напряжения в радиочастотную электромагнитную энергию поля индуктора, взаимодействующего с объемом плазмы через взаимную индуктивность.
-
№2709231 Мембранный ионно-плазменный ракетный двигатель космического аппарата. Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого. Заявляемое устройство содержит газопроницаемую микропористую мембрану, сквозь которую проходит поток нейтральных частиц рабочего тела. Это позволяет производить многоструйную поверхностную заряженную плазму, распределенную вблизи поверхности мембраны, обращенной в область ускорения ионов.

В базе ФИПС числится всего четыре действующих патента на полезные модели:
-
№158824 Устройство для компенсации тепловых расширений разрядной камеры плазменного двигателя. ФГУП «Исследовательский центр имени М.В. Келдыша»;
-
№159636 и №168846 Ионно-плазменный двигатель. Московский авиационный институт;
-
№208147 Ионный микродвигатель. Роскосмос.

Баз данных нет, зато обнаружились пять программ:
-
№2015612646 Расчет эрозионного воздействия плазменных струй электроракетных двигателей на элементы конструкции и оборудование космических аппаратов. Программа предназначена для расчета эрозионного воздействия струй плазмы электроракетных стационарных плазменных двигателей (СПД) на элементы конструкции и оборудование космических аппаратов (КА).
-
№2015612647 Расчет теплового и силового воздействия плазменных струй электроракетных двигателей на элементы конструкции космических аппаратов. Программа предназначена для расчетного определения теплового и силового воздействия от продуктов истечения струй рабочего тела (ионов) стационарных плазменных (электроракетных) двигателей (СПД) на элементы конструкции и оборудование космических аппаратов (КА).
-
№2015617273 Программа для оценки реализуемости замкнутых межпланетных перелётов космических аппаратов с нерегулируемым двигателем малой тяги; №2015617274 Программа для оптимизации прямых гелиоцентрических траекторий космического аппарата с электроракетной двигательной установкой ограниченной тяги с постоянным удельным импульсом (используется высокочастотный ионный двигатель). Правообладателем обеих программ является Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет).
-
№2024690054 Программа для расчета фильтрации в пористой среде ионной жидкости в электрореактивном двигателе. Назначение программы - определение расхода ионной жидкости через пористую среду при заданном распределении напряженности электрического поля через границу. Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет).
Заключение
Наша страна в период СССР была абсолютным мировым лидером в производстве и эксплуатации многочисленных космических устройств с ионными двигателями. С 1990-х вперёд вырвались по некоторым позициям астрогении США и тайконавты Китая. Даже озвученные планы в российской космической области впечатляют. Чего стоит хотя бы разрабатываемый ГК «Росатом» с товарищами космический буксир с ядерной энергетической установкой. В ближайшее время планируется запуск новой ракеты Союз-5, крайне важно для космической пилотируемой программы, новый космический пилотируемый корабль «Орёл» с прицелом на Луну, новая российская орбитальная станция РОС, станция на окололунной орбите Луна-26 и две прилуняемые станции Луна-27а и Луна-27б.
Активно готовится создание российских околоземных многоспутниковых группировок, в том числе совместно с частными компаниями. Предусматривает кратный рост различного рода связных группировок, дистанционного зондирования Земли, низкоорбитальных, геостационарных, высокоэллиптических. Проект, подобный Starlink, у нас реализует «Бюро 1440»; на низких орбитах будут обеспечивать услугами по широкополосному доступу в интернет.
Кроме того, сегодня в мире более 90 стран имеют свои космические агентства. И только три страны имеют полный спектр космических технологий, возможность осуществления разработки и производства ракет-носителей, развитую инфраструктуру запуска, космодромов, пилотируемую программу, научный космос — Россия, Китай и США. Сегодня во всем мире огромный интерес к космосу, к спутникостроению, и в частности в дружественных странах БРИКС. Вспомним недавние успехи той же Индии.
Безусловно, это потребует массового производства ионных двигателей.
Наше исследование доказало, что открытые патенты РФ по ионным двигателям сравнительно немногочисленны, но они существенные.
Автор: kiselevd