Тенденции развития энергодвигательных систем космических аппаратов различного назначения

Современные космические аппараты существенно различаются по целевому назначению, приоритетным требованиям к их созданию и эксплуатации:

• появился обширный класс космических аппаратов, объединяемых в крупномасштабные спутниковые группировки: Starlink, OneWeb, Сфера; GPS, Глонасс, Iridium и др.;
• значительно возросло использование космических аппаратов (КА) класса Cubsat;
• сохранилась и упрочилась необходимость использования средних и тяжелых энерговооруженных КА для обеспечения дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ);
• постоянно растет потребность в высокорбитальных КА связи и ретрансляции;
• развиваются услуги по обслуживанию и дозаправке тяжелых КА, очистке наиболее востребованных орбит от отработавших КА и космического мусора;
• сформированы и реализуются планы создания новых пилотируемых околоземных орбитальных станций и станций на окололунной орбите.

Поэтому и в энергодвигательных системах КА также наметились существенные различия в направлениях развития.

В работе проведен анализ требований, предъявляемых к энергодвигательным системам космических аппаратов, по нескольким критериям:

• выполнение технической задачи исходя из назначения КА;
• обеспечения требуемого объема и темпа производства;
• доступности материалов, комплектующих и используемого рабочего вещества двигательных установок (ДУ).

Приведено описание перспективных технических решений энергодвигательных систем КА на основе:

• солнечной энергетики с использованием арсенид-галлиевых и кремниевых фотоэлектрических преобразователей (ФЭП), в том числе гибких солнечных батарей (СБ);
• ядерных энергодвигательных установок [1];

Рассмотрены возможности и перспективы использования двигателей и двигательных установок различных типов:

• химических и газовых двигателей;
• импульсных электрических и лазерных электроракетных двигателей (ЭРД);
• ионных, холловских и магнитоплазменных ЭРД, использующих различные рабочие вещества;
• электростатических (коллоидных и на основе полевой эмиссии ионов) ЭРД.

Приведены предпочтительные технические решения реализации энергодвигательной системы для каждого класса КА (группировки КА) [2–4].

Показано, что ограниченные объемы производства ксенона, используемого в ДУ современных тяжелых спутников-ретрансляторов, как для многоспутниковых группировок, так и для уникальных миссий по исследованию дальнего космоса, ведут к необходимости перехода на альтернативные рабочие вещества — криптон и другие инертные газы, конденсирующиеся вещества, в том числе, сложномолекулярные (в перспективе).

Обеспечение тяжелых и межорбитальных буксиров солнечными батареями требует перехода либо к гибким СБ с большой плотностью мощности под обтекателем, либо развития технологий роботизированной сборки крупногабаритных СБ на орбите с использованием робототехники.

Расширение объемов применения и, соответственно, темпа производства ФЭП и аккумуляторных батарей для коммерческих КА влечет за собой целесообразность перехода на изделия, первоначально не предназначенные для космического применения. Показано, что такой переход влечет за собой снижение удельной мощности СБ и энергоемкости аккумуляторных батарей примерно в два раза, однако позволяет многократно снизить стоимость изделий и обеспечить высокий темп производства. При этом увеличение массы КА не приводит к неприемлемому ухудшению его массогабаритных параметров в целом.

Показано, что совместная оптимизация системы электропитания и электроракетной двигательной установки дает возможность повышения характеристик и возможностей КА в целом.

Приведено описание перспективных технических решений по энергодвигательным системам КА различного класса и назначения. Приведены предпочтительные технические решения реализации энергодвигательной системы для каждого класса КА (группировки КА). Показано, что совместная оптимизация системы электропитания и электроракетной двигательной установки дает возможность повышения характеристик и возможностей КА в целом.