Применение мощных энергодвигательных систем для выполнения транспортных задач в космосе

Язык труда и переводы:
УДК:
629.785:620.9:621.039
Дата публикации:
18 ноября 2021, 17:08
Категория:
Секция 04. Космическая энергетика и космические электроракетные двигательные системы – актуальные проблемы создания и обеспечения качества, высокие технологии
Авторы
Солодухин Александр Евгеньевич
АО ГНЦ «Центр Келдыша»; МГТУ им. Н.Э. Баумана
Архангельский Николай Иванович
АО ГНЦ «Центр Келдыша»
Захаренков Леонид Эдуардович
АО ГНЦ «Центр Келдыша»; МГТУ им. Н.Э. Баумана
Каревский Андрей Владимирович
АО ГНЦ «Центр Келдыша»
Кувшинова Екатерина Юрьевна
АО ГНЦ «Центр Келдыша»
Музыченко Евгений Игоревич
АО ГНЦ «Центр Келдыша»
Семенкин Александр Вениаминович
АО ГНЦ «Центр Келдыша»; МГТУ им. Н.Э. Баумана
Синицын Алексей Андреевич
АО ГНЦ «Центр Келдыша»
Аннотация:
Рассмотрено применение космических аппаратов с мощными энергодвигательными установками для выполнения различных задач в космическом пространстве. Проанализированы характеристики мощных энергодвигательных установок перспективных космических аппаратов. Рассмотрены основные составляющие мощных энергодвигательных установок, варианты их построения и компоновочные решения. Проведен анализ эффективности применения ядерных энергодвигательных установок применительно к транспортным задачам по сравнению с традиционными химическими двигательными установками.
Ключевые слова:
космический аппарат, энергодвигательная установка, ядерная энергоустановка, электроракетный двигатель
Основной текст труда

Решение перспективных задач в области изучения и использования космического пространства требует качественного повышения уровня энергодвигательного обеспечения космических аппаратов (КА). Для выполнения перспективных задач в ближнем и дальнем космосе предложено применять принципиально новое транспортное средство — космический буксир с мощной (уровня сотни киловатт — мегаватты) энергодвигательной установкой [1, 2] на базе ядерной энергоустановки (ЯЭУ) и многодвигательной электроракетной двигательной установкой (ЭРДУ), включающей маршевые электроракетные двигатели (ЭРД) и вспомогательные двигатели для ориентации КА.

Уровень мощности определяет возможности по электропитанию ЭРДУ, а также целевой полезной нагрузки (ПН), что, в свою очередь, во многом обуславливает функциональные возможности КА. Применение электроракетных двигателей, обладающих высоким удельным импульсом и ресурсом, способно обеспечить срок активного существования (САС) КА до нескольких десятков лет.

Ядерные энергоустановки характеризуются существенно большей компактностью, чем солнечные энергоустановки, независимостью генерируемой мощности от расстояния до Солнца, условий освещенности, повышенной радиационной стойкостью. Применение ЭРД для таких задач, как выведение КА на орбиту, удержание КА на орбите, межпланетных перелетов и миссий в дальнем космосе, обеспечивает существенную экономию массы используемого топлива по сравнению с традиционными жидкостными ракетными двигателями благодаря высокому удельному импульсу тяги ЭРД. Использование ядерной энергетики в космическом пространстве рассматривается в тех случаях, когда ее применение либо безальтернативно (например, полеты в дальние области солнечной системы), либо обеспечивает значительное улучшение технических, эксплуатационных характеристик и функциональных (целевых) возможностей космических средств различного назначения, включая их экономические показатели [3].

Разработка проектов, в которых предусматривается использование космических транспортных средств на базе мощных энергодвигательных установок (ЭДУ), в том числе с ядерными источниками энергии, ведутся с самых первых этапов практического освоения космического пространства. В настоящее время в мире наблюдается рост числа таких проектов [1], активный интерес к которым обуславливается возрастающими технологическими и конструктивными возможностями по созданию основных составных частей мощной ЭДУ.

В качестве одного из перспективных вариантов реализации рассматриваются ЭДУ, включающие в свой состав источник тепловой энергии в виде ядерного реактора, систему преобразования тепловой энергии в электрическую в замкнутом газотурбинном цикле (цикле Брайтона) и ЭРД [4].

Основным элементом газотурбинной системы преобразования энергии (СПЭ) является турбокомпрессор-генератор (ТКГ) — агрегат, объединяющий в единой конструкции:

  • турбину, обеспечивающую преобразование тепловой энергии рабочего тела (инертный газ или смесь инертных газов), нагретого до высокой температуры в источнике тепла (ядерном реакторе), в механическую энергию вращающегося ротора;
  • компрессор, обеспечивающий циркуляцию газообразного рабочего тела по замкнутому контуру с требуемым перепадом давления;
  • генератор, обеспечивающий преобразование избыточной механической мощности на валу ТКГ в электрическую энергию переменного тока.

В теплообменнике-холодильнике тепло, неиспользованное в цикле преобразования энергии, передается от газообразного рабочего тела к теплоносителю системы отвода тепла, и далее сбрасывается холодильником-излучателем в окружающее космическое пространство. Теплообменник-рекуператор обеспечивает повышение КПД преобразования энергии в замкнутом цикле в результате передачи (рекуперации) тепла от рабочего тела, идущего с выхода турбины на вход в теплообменник-холодильник, к рабочему телу, идущему с выхода компрессора на вход в ядерный реактор.

Электрическая энергия переменного тока, вырабатываемая СПЭ, с помощью аппаратуры системы преобразования и распределения электроэнергии (СПРЭЭ) трансформируется в электроэнергию постоянного тока требуемых номиналов напряжений, которая используется для обеспечения работы ЭРД.

Таким образом, в исследовании рассмотрены основные составляющие мощных энергодвигательных установок, а также различные варианты их построения и компоновочные решения. Проведен анализ эффективности применения ядерных ЭДУ применительно к транспортным задачам доставки полезных грузов к Луне, Марсу и Европе (спутнику Юпитера) по сравнению с КА на базе жидкостных ракетных двигателей (ЖРД). Показано, что мощные ЭДУ могут обладать существенным преимуществом перед традиционным химическими двигательными установками на базе ЖРД, и их применение является актуальным для выполнения транспортных задач в ближнем и дальнем космосе.

Литература
  1. Коротеев А.С., Ошев Ю.А., Попов С.А., Каревский А.В., Солодухин А.Е., Захаренков Л.Э., Семёнкин А.В. Ядерная энергодвигательная установка космического аппарата // Известия РАН. Энергетика. 2015. № 5. С. 45–59.
  2. Zakharenkov L.E., Semenkin A.V., Solodukhin A.E. Concept of electric propulsion realization for high power space tug // Progress in Propulsion Physics. 2016. Vol. 8. Pp. 165–180. DOI: 10.1051/eucass/201608165
  3. Акимов В.Н., Захаренков Л.Э., Каревский А.В., Кувшинова Е.Ю., Семёнкин А.В., Солодухин А.Е. Особенности построения и возможные применения мощных ядерных энергодвигательных установок перспективных космических аппаратов // Инженерный журнал: наука и инновации. 2019. № 6. DOI: 10.18698/2308-6033-2019-6-1889
  4. Koroteev A.S., Karevskiy A.V., Lovtsov A.S., Selivanov M.Yu., Semenkin A.V., Solodukhin A.E., Zakharenkov L.E. Study of operation of power and propulsion system based on closed brayton cycle power conversion unit and electric propulsion // Proceedings of 36th International Electric Propulsion Conference, IEPC-2019-A187. Austria, September 15–20, 2019.
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.