XII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Проект развития космической транспортной сети
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
ВВЕДЕНИЕ
В последние годы повысился интерес к созданию в космосе крупногабаритных конструкций, размещенных на высоких орбитах, различных станций, размещённых на объектах ближнего и дальнего космоса, таких как Луна, Марс, спутники Юпитера и Сатурна и т.д... Реализуемость этих проектов в значительной степени зависит от эффективности космической транспортной системы (КТС), доставляющей элементы конструкции, научные лаборатории, полезные ископаемые, топливо и т.д. на орбиту функционирования или на станции, расположенных на объектах ближнего и дальнего космоса.
Среди вариантов транспортных космических аппаратов, предлагаемых для этих целей, особый интерес представляет космические аппараты с электрическим ракетным двигателем или, как их часто называют, космический аппарат с двигателями малой тяги. В данной работе предлагается рассмотреть возможность построения космической транспортной сети на космических кораблях с двигателями малой тяги.
Удельный импульс электроракетного двигателя (1500-4000с) существенно выше по сравнению с жидкостным ракетным двигателем (250-320с) и даже ядерным ракетным двигателем (800-900с). Уровень перегрузок, имеющих место при работе таких двигательных установок, не превышает 10-3(10-4), что соответственно снижает уровень эксплуатационных нагрузок на транспортируемую конструкцию. Принципиальным недостатком этих транспортных аппаратов является большая длительность перелета. Продолжительность полета влияет также и на массовые характеристики основных систем аппарата, в связи, с чем при выборе схемных решений таких аппаратов большое значение имеет время перелета.
Транспортные аппараты с электроракетными двигателями требуют использования энергоустановок, обеспечивающих значительную электрическую мощность (200-500 кВт). В настоящее время существуют два
способа получения электроэнергии на борту космического аппарата: ядерные энергоустановки (ЯЭУ) и фотоэлектрические преобразователи,объединенные в солнечные батареи (СБ). Однако для получения большой мощности СБ должны иметь большую площадь: для 100 кВт она составит от 400 до 1000м2. Разработка энергодвигательного комплекса на основе электрореактивных двигателей в сочетании с мощными ядерными энергоустановками позволит не только значительно снизить массу космического модуля, иметь мощный автономный бортовой источник энергии, но и станет серьезным фактором научно-технического прогресса в области космической техники.
ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ ПРОЕКТОВ
В настоящее время существует значительное количество подобных проектов, рассмотрим некоторые из них.
Проект РКК «Энергия» - межорбитальный буксир на базе ядерной энергоустановки (ЯЭУ) с электроракетной двигательной установкой (ЭРДУ) представлен на рисунке 1 [1].
1 - ядерная энергетическая установка, 2- электроракетная двигательная установка, 3 - антенна системы связи, 4 - приборный отсек, 5 - ферменная конструкция
Рисунок 1 – Межорбитальный буксир с ЯЭУ и ЭРДУ
В составе ЯЭУ, прежде всего, должен быть ядерный реактор космического исполнения и система преобразования тепловой энергии, выделяющейся при ядерном делении, в электрическую.
При выборе основных элементов этом необходимо руководствоваться требованиями безопасности космических ЯЭУ для Земли. Ядерные энергоустановки должны функционировать на таких околоземных орбитах, для которых время баллистического существования гарантированно больше времени естественного спада накопленной радиоактивности отработанного ядерного топлива до безопасного уровня. Этому требованию отвечают орбиты высотой не менее 800...1500 км, располагающиеся выше внешней границы нижнего радиационного пояса Земли.
В этом случае транспортный модуль-буксир с ЯЭУ и ЭРДУ будет курсировать между орбитой его базирования и целевыми высокими орбитами, а на орбиту базирования грузы будут доставляться с Земли средствами, работающими на ракетном топливе.
Срок эксплуатаций космических ЯЭУ должен составлять 10-15 лет. Для этого необходимо правильно выбрать тип системы преобразования тепловой энергии реактора ЯЭУ в электрическую. В настоящее время существуют турбомашинные и термоэмиссионные системы преобразования энергии [1].
В зависимости от мощности ЯЭУ масса буксира может составлять 7...40 т. Предполагаемый срок эксплуатации – 10-15 лет. Мощность ЯЭУ космического исполнения - от нескольких сотен кВт до 6 МВт. Выведение на околоземную орбиту и начало летных испытаний запланированы на 2020 г.
При создании такого буксира Россия могла бы удвоить объемы поступающих средств в секторе пусковых и транспортных космических услуг, увеличив свою долю на мировом космическом рынке до 60 % от годового финансового объема этого сектора (более 2 млрд долл.).
В другом, информационном, секторе космического рынка технологии ядерной энергетики не менее перспективны. Известно, что на геостационарной орбите работают сотни спутников связи, и при этом дрейфуют более 600 неуправляемых и вышедших из строя КА, которые становятся помехой и угрозой для работающих КА. Один из радикальных путей устранения данной проблемы - переход на использование тяжелых КА-станций (это позволит уменьшить число объектов на орбите) [2].
Центр Келдыша занимается разработкой многоразового межорбитального буксира. Вариант компоновки представлен на рисунках 2-3 [3].
|
1-ЯЭУ в развернутом положении, 2-модуль ЭРД, 3- полезная нагрузка, |
|
|
|
4- панели холодильника излучателя в развернутом положении |
Рисунок 2 – Вариант компоновки ЯЭДУ в составе многоразового межорбитального буксира с панельным холодильником-излучателем
1-ЯЭУ в развернутом положении, 2-модуль ЭРД, 3- полезная нагрузка, 4- капельный холодильник-излучатель
Рисунок 3 – Вариант компоновки ЯЭРДУ в составе многоразового межорбитального буксира с капельным холодильником-излучателем
CВЕДЕНИЯ О ЯЭУ
В области создания электроядерных двигателей и энергетических установок основные направления исследований - после начальной фазы поисковых работ - были сосредоточены на разработке установок с турбомашинным и непосредственным, главным образом термоэлектрическим и термоэмиссионным, преобразованием ядерной энергии в электрическую.
По первой из этих схем уже в 60-е годы были обоснованы и разработаны проекты энергоустановок с турбогенераторными преобразователями мощностью до 300 кВт с удельной массой около 15 кг/кВт. По второй схеме разработаны, реализованы, и длительное время эксплуатировались в космосе высокоэффективные энергоустановки с замкнутым контуром теплоносителя мощностью несколько киловатт [3].
Большими потенциальными возможностями обладает ЯЭРДУ на базе компактного ядерного реактора на быстрых нейтронах с замкнутым турбомашинным циклом преобразования тепловой энергии в электрическую, с низкотемпературным холодильником-излучателем капельного типа и криогенным электрогенератором. Такая ЯЭРДУ может обеспечить высокий КПД преобразования (около 50 %) и высокое массовое совершенство (2 ... 2,5 кг/ кВт), что позволит применить в составе транспортного комплекса энергоустановку мощностью до 50 МВт и ЭРД с удельным импульсом 20000 ... * 80000 м/с [4].
Отдельный комплекс исследований представляет собой развернутые работы по созданию энергодвигательного модуля на основе мощной ядерной электрореактивной установки с термоэмиссионным преобразователем (НПО "Энергия" и др.). В основе схемы такой установки - термоэмиссионный реактор-генератор на быстрых нейтронах и высокоэффективные электроплазменные движители непрерывного действия с жидкометаллическим рабочим телом [3].
Плюсом термоэмиссионного преобразования является отсутствие подвижных узлов, обладает меньшей поверхностью холодильника-излучателя, при этом к минусам отнесем принципиально маленькие зазоры в конструкции, которые необходимы для преобразования тепловой энергии в электрическую, при выходе на высокие температуры и большие размерности увеличивают возможность коробления. В результате уровень мощности приходится искусственно ограничивать единицами или десятками киловатт. Но научно- технический задел здесь недостаточен. Поэтому существует интерес к турбомашинному преобразованию. В космосе оно практически не использовалось. Считалось что главная трудность здесь связана с обеспечением большого ресурса вращающихся систем. Сейчас достигнут большой прогресс в области подшипников на электромагнитном и газовом подвесе. В частности, в земных условиях такие системы работают с ресурсом шесть-восемь лет. С учетом прогресса с учетом в углерод-углеродных композитных материалах, можно предположить, что сбои, связанные с касанием статора и ротора подшипников (что опасно для металлов) не несут большой опасности [5].
ОПИСАНИЕ ТРАНСПОРТНОГО КОСМИЧЕСКОГО КОРОБЛЯ Облик МТА складывается из требований и характеристик отдельных блоков, из которых состоит аппарат.
Укрупненная модель МТА состоит из следующих основных элементов (рисунок 4):
- Ядерная энергоустановка для выработки электрической энергии;
- Ферменная конструкция; - Блоки ЭРДУ;
- Система хранения и подачи рабочего тела.
Рисунок 4 – Модель транспортного космического корабля рассмотрим более подробно каждый основной элемент МТА.
Ядерная энергоустановка
В составе ЯЭУ, прежде всего, должен быть ядерный реактор космического исполнения и система преобразования тепловой энергии, выделяющейся при ядерном делении, в электрическую.
Ферменная конструкция
Плотность потока нейтронов и γ-квантов на поверхности реактора составляет 1014-1015нейтр/(см2×с) и 1018-109МэВ/(см2×с),соответственно, это на много порядков превосходит допустимый уровень для аппаратуры космического аппарата. Снижение удельных потоков нейтронов и γ-квантов до допустимых достигается размещением между реактором и космического аппарата радиационной защиты материалов, поглощающих нейтроны и γ-кванты. Так как космическая среда практически не рассеивает нейтроны и γ-излучение достаточно применение теневой защиты. Она создает зону с пониженным уровнем реакторных излучений лишь в ограниченном пространстве. Для эффективного использования теневой защиты необходимо расположить ЯЭУ на значительном удалении от полезной нагрузки (порядка 40-50 м [6]).
Блок ЭРДУ
Для решения рассматриваемых задач доставки полезного груза с орбиты Земли на геостационарную орбиту наиболее подходят холловские электроракетные двигатели типа СПД (стационарный плазменный двигатель). В нашей стране наибольший практический опыт использования ЭРДУ накоплен в области СПД, которые могут эффективно использоваться в диапазоне требуемого Iудот 15 до 30 км/с [6].
Использование ЭРДУ в качестве маршевой двигательной установки требует наличия длительных участков ее функционирования. При этом ориентация вектора тяги в пространстве должна изменяться в соответствии с заданным законом управления, который определяется заданием отклонения вектора тяги по углам тангажа и рыскания.
Конкретную модель двигателей и их количества, требуемого для совершения перелета МТА с ПН на ГСО подберем, произведя расчет основных проектных характеристик МТА в следующей главе.
Система хранения и подачи рабочего тела
Система хранения и подачи ксенона ЭРДУ МТА построена на основе существующих в настоящее время компонентов, производимых ОКБ "Факел" [6]:
- блок хранения ксенона (БХК);
- блок подачи ксенона (БПК);
- блок газораспределения (БГР).
Число БХК (баков с системой распределения) может меняться. Схема хранения и подачи рабочего тела МТА имеет существенное отличие от традиционных схем ЭРДУ. При буксировании объектов по возможности целесообразно производить питание ЭРДУ от баков, расположенных в составе буксируемого объекта (при их наличии).
Это позволит минимизировать число сеансов дозаправки собственных баков, экономя ресурс системы и снижая потери. Поэтому при наличии на борту буксируемого объекта БХК питание ЭРДУ МТА может переключится на него. Помимо возможности питания из внешних баков система также должна обладать возможностью восполнения бортового запаса рабочего тела, для чего в ее состав должна быть включена специальная аппаратура дозаправки на орбите. Система дозаправки рабочего тела на орбите предназначена для восполнения бортового запаса рабочего тела ЭРДУ (ксенон) посредством его перекачки из баков, размещенных на буксируемом объекте [6].
КОСМИЧЕСКАЯ ТРАНСПОРТНАЯ СИСТЕМА
Космическая транспортная сеть строиться из нескольких блоков (рисунок 5). Доставка грузов от пункта отправки до пункта доставки происходит в несколько этапов. Из пункта отправки до транспортного космического корабля, грузы необходимо доставлять, используя систему выведения груза на близкую орбиту (например, околоземную, если груз отправляется от Земли). Система выведения может представлять из себя либо ракету-носитель, либо космический лифт, так же, как и система спуска. Далее на околоземной орбите происходит передача груза от системы выведения к транспортному космическому кораблю, для последующей транспортировки.
Рисунок 5 – Схема космической транспортной системы
Использование двигателей малой тяги увеличивает сроки доставки грузов поэтому использование данного типа кораблей возможно только при построении системы (не один корабль). Система из 5-10 кораблей сможет обеспечивать эффективную и бесперебойную поставку грузов.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В данной работе рассмотрена возможность построения космической транспортной сети на кораблях с двигателями малой тяги. Построение транспортной сети в солнечной системе и за ее приделами приведет человечество к новой ступени научно-технического прогресса и превратит человека в мульти планетарный вид.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1 Лопота, В.А. Космическая миссия поколений XXI века [Текст] / B.А. Лопота // Полет. – 2010. – №7. – С. 3-12.
2 Коротеев, А.С. Ядерный космос России [Текст] / АС. Коротеев // Новости космонавтики. -2010. -Т. 20. -№2(325). -С. 44-47.
3 Демянко, Ю.Г. Начальные этапы работ в СССР по энергодвигательному обеспечению пилотируемой марсианской экспедиции [Текст] / Ю.Г. Демянко // Ракето- космическая техника. Сборник статей: Ракетные двигатели и энергетические установки / ЦНТИ «Поиск», 1992. – С. 7-13.
4 Акимов, В.Н. Варианты и проблемы энергодвигательного обеспечения пилотируемого марсианского экспедиционного комплекса [Текст] / Л.А. Горшков, А.А. Нестеренко // Ракето- космическая техника. Сборник статей: Ракетные двигатели и энергетические установки / ЦНТИ «Поиск», 1992. – С. 14-24.
5 Куландин, А.А. Основы теории, конструкции и эксплуатации космических ЯЭУ [Текст] / А.А. Куландин, С.В. Тимашев, В.Д. Атамасов – Л.: Энергоатомиздат, 1987. -328 с.
6 Легостаев, В.П. Луна – шаг к технологиям освоения Солнечной системы [Текст] / В.П. Легостаев, В.А. Лопота. – М.: РКК «Энергия», 2011. – С. 451-543.