Выбор транспортно-энергетического модуля с учетом параметров термоэмиссионной ядерно-энергетической установки и электроракетных двигателей для космического аппарата

Язык труда и переводы:
УДК:
519.242
Дата публикации:
03 декабря 2021, 16:14
Категория:
Секция 04. Космическая энергетика и космические электроракетные двигательные системы – актуальные проблемы создания и обеспечения качества, высокие технологии
Авторы
Аннотация:
Уровни электрической мощности транспортного и энергетического режимов ядерно-энергетической установки транспортно-энергетического модуля обычно различаются в 2–3 раза, поэтому уменьшение мощности транспортного режима может привести к снижению массы и стоимости ядерной энергетической установки, при этом возрастет масса полезной нагрузки космического аппарата. В работе исследовано влияние типа и характеристик электроракетных двигателей на требуемую мощность транспортного режима, также возможности за счет их целесообразного выбора понизить максимальный уровень мощности двухрежимной ядерно-энергетической установки транспортно-энергетического модуля.
Ключевые слова:
транспортно-энергетический модуль, электроракетный двигатель с дополнительным подводом тепла, ядерная энергетическая установка, термоэмиссионный реактор-преобразователь, электроракетный двигатель, стационарный плазменный двигатель
Основной текст труда

Рассмотрена укрупненная массовая модель транспортно-энергетического модуля (ТЭМ) космического аппарата (КА), транспортирующего полезную нагрузку. В состав ТЭМ входит ядерная энергетическая установка (ЯЭУ) на основе термоэмиссионного реактора-преобразователя (ТРП), система преобразования тока (СПТ), конструкция, бортовая кабельная сеть (БКС) и термоэмиссионная ядерно-энергетическая установка (ЭРДУ), которая включает блок ЭРД и систему хранения и подачи рабочего тела (СХПТР), заправленную рабочим телом.

В этом случае массовое уравнение ТЭМ КА запишется в виде

\mathrm {M} _{\text{Тэм }}=\mathrm {M} _{\text{яэу }}+\mathrm {M} _{\text{СПТ }}+\mathrm {M} _{\text{ЭРд }}+\mathrm {M} _{\text{Бкс }}+\mathrm {M} _{\text{СхпРТ }}+\mathrm {M} _{\text{рт }}+\mathrm {M} _{\text{кон}}.                                               (1)

С использованием привязки элементов ТЭМ к их электрической мощности с учетом [1–3] получено выражение для массы ТЭМ. Рассмотрены ТЭМ с ЭРДУ на основе СПД [4] и ТЭМ с ЭРДУ на основе ЭДПТ — электроракетного двигателя с дополнительным подводом тепла [5]. Сравнение вариантов ТЭМ по массе проведено при следующих условиях:

  • одинаковая сила тяги ЭРД РТ;
  • одинаковые характеристики агрегатов ТЭМ в обоих вариантах — удельная масса БКС (γБКС) СПТ (γСПТ);
  • одинаковые массовые доли конструкции КА для его ТЭМ (αкон, αкон 1);
  • одинаковые КПД агрегатов ТЭМ (СПТ и БКС) ηСПТ, ηБКС;
  • одинаковое время работы ЭРДУ (перелета) tp.

Сравнение вариантов проведено по параметрам: электрической мощности ТРП NЯЭУ и скорости истечения рабочего тела из ЭРД  Iуд. Первый параметр влияет на массу ТРП и СПТ, а второй на массу запасенного рабочего тела.  Величина скорости истечения из ЭРДУ и требуемая электрическая мощность рассчитывались для каждого из вариантов.

Для варианта ТЭМ с СПД получено следующее выражение:

\mathrm {M} _{\text{Тэм }}=\left[{\frac {\left(1+\alpha _{\text{кон }}\right)\left({\frac {51,43}{0,00001N_{\text{Яэу }}+0,35}}+4,85\right)}{1000}}+\gamma _{\text{СПт }}\eta _{\text{БкС }}+\gamma _{\text{эрд }}\eta _{\text{Бкс }}^{2}\eta _{\text{СПт }}+\gamma _{\text{БкС }}\right]\times

 

\times {\frac {\mathrm {P} _{\mathrm {T} }\mathrm {I} _{\text{уд }}}{\eta _{\text{эРд }}\eta _{\text{Бкс }}^{2}\eta _{\text{спт }}}}+\left(1+\varphi _{\text{СХПРТ.Хе }}+\alpha _{{\text{кон }}1}\right){\frac {\mathrm {P} _{\mathrm {T} }}{\mathrm {I} _{\text{уд }}}}\mathrm {t} _{\mathrm {p} },                                           (2)

где массовая доля СХПРТ (рабочее тело ксенон) φСХПРТ.Хе = 0,3 [4] от массы рабочего тела Мрт.

Оптимальное значение скорости истечения из ЭРД электростатического типа в зависимости от мощности, как показали данные [4], составляет 15...40 км/с. Для расчетов задана величина КПД ЭРД электростатического типа порядка ηЭРД = 0,55 [4], что соответствует реальным конструкциям СПД, использующихся в составе КА.

Расчет (2) показал, масса ТЭМ меняется в пределах 4300...5500 кг, а электрическая мощность от 40 до 80 кВт, то есть транспортировка может быть осуществлена ТЭМ с ТРП второго поколения на быстрых нейтронах и раскладываемым холодильником-излучателем.

На основе расчетов получено, что массовая доля ЯЭУ в составе ТЭМ достигает 58 — 73 %. Масса запаса рабочего тела в СХПРТ для режима тяги в 1Н составляет от 550 до 1050 кг.  Отметим, что СХПРТ на ксеноне работает при давлениях 10-15 МПа, что требует применения баков из композитных материалов, усиленных титановыми сплавами. При этом плотность ксенона в заправленной СХПРТ составляет 103 кг/м3, то есть объем СХПРТ будет от 0,5 до 1 м3, что создаст дополнительные сложности при ее проектировании и создании. Ксенон, который используется в СПД, имеет значительную стоимость по сравнению с рабочими телами, используемыми ЭРД с тепловым ускорением потока.

В ЭДПТ мощность на создание тяги будет меньше в силу специфики рабочего процесса (нагрев и тепловое ускорение потока), однако и величина скорости истечения также будет меньше. В данном варианте запас рабочего тела (аммиака) будет больше, однако оно может храниться в СХПРТ в сжиженном виде, что снижает ее массу за счет использования тонкостенных баков. Для ЭДПТ при расчете скорости истечения и тяги использовалось соотношение [5]:

I_{\text{уд.ЭдПТ }}={\sqrt {\left[{\frac {2k}{k-1}}{\frac {RT_{1}}{\mu _{\text{рт }}}}+{\frac {N_{\text{Яэу }}\eta _{\text{СПТ }}\eta _{\text{эдпТ }}}{m}}\right]\left(1-\pi ^{-{\frac {k-1}{k}}}\right)}},                                                 (3)

где k — показатель адиабаты, R — универсальная газовая постоянная, Т1 — температура рабочего тела в камере ЭДПТ, μрт — молярная масса рабочего тела (в качестве рабочего тела используем аммиак), \pi  — степень расширения в сопле ЭДПТ (для расчетов принято значение степени расширения сопла  \pi  = 500), m — расход рабочего тела, КПД ЭДПТ ηЭДПТ принимал значения 0,6; 0,7; 0,8.

Масса ТЭМ в варианте с ТРП и ЭДПТ записана как

M_{\text{Тэм }}=N_{\text{Яэу }}\left[\left(1+\alpha _{\text{кон}}\right)\left({\frac {51,43}{0,00001N_{\text{яэу }}+0,35}}+4,85\right)/1000+\gamma _{\text{спт }}\eta _{\text{БКС }}+\right.

\left.\gamma _{\text{эрд }}\eta _{\text{Бкс }}^{2}\eta _{\text{спT }}+\gamma _{\text{БКС }}\right]+\left(1+\varphi _{{\text{СХІРТ.NH }}_{3}}+\alpha _{\text{кон 1 }}\right)mt_{\mathrm {p} }.                                    (4)

Доля φСХПРТ.NH3 = 0,1.

Расчеты по (4) с учетом (3) дали следующие результаты.

Мощность электрическая ТЭМ, позволяющая совершить транспортную операцию, составляет 10...40 кВт. Масса ТЭМ 4000...4900 кг, что делает такой вариант привлекательным с точки зрения использования РН «Союз-2» как средства выведения на опорную орбиту. Масса энергоустановки составляет от 27 до 63 % от массы ТЭМ. Следует отметить, что варианты ТРП с мощностью до 15...20 кВт могут использовать технологии ЯЭУ первого поколения «Топаз» с более совершенным рабочим процессом (требуемый КПД ЯЭУ 10...12 %). При этом, ТЭМ может быть исполнен с жестким холодильником-излучателем и иметь размеры аналогичные ЯЭУ «Топаз».

 

Литература
  1. Андреев П.В., Жаботинский Е.Е., Никонов А.М. Перспективы использования термоэмиссионных ЯЭУ для межорбитальных перелетов космических аппаратов в околоземном пространстве // Атомная энергия. 1992. Т. 73, № 5. С. 346–350.
  2. Грязнов Г.М. Космическая атомная энергетика и новые технологии (записки директора). М.: ФГУП «ЦНИИатоминформ», 2007. 136 с.
  3. Косенко А.Б., Синявский В.В. Технико-экономическая эффективность использования многоразового межорбитального буксира на основе ядерной электроракетной двигательной установки для обеспечения больших грузопотоков при освоении Луны // Космическая техника и технологии. 2013. № 2. С. 72–84.
  4. Горшков О.А., Муравлев В.А., Шагайда А.А. Холловские и ионные плазменные двигатели для космических аппаратов / под ред. А.С. Коротеева. М.: Машиностроение, 2008. 280 с.
  5. Онуфриев В.В., Сидняев Н.И., Говор С.А., Синявский В.В., Геча В.Я., Макриденко Л.А., Ягодников Д.А. Об энергетической эффективности электротермического двигателя с дополнительным подводом тепла для малого космического аппарата // Известия РАН. Сер. Энергетика. 2018. № 5. С. 92–100.
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.