№ 3
ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА
2008
УДК 629.7.036.8
© 2008 г. АКИМОВ В.Н., КОНЮХОВ В. Г., КОРОТЕЕВ A.A.
ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ КОСМИЧЕСКИХ МНОГОРЕЖИМНЫХ ЯДЕРНЫХ ЭНЕРГОДВИГАТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК С МАШИННЫМ ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ ЭНЕРГИИ
Рассматриваются схема многорежимной ядерной энергодвигательной установки с машинным преобразованием энергии, возможные циклограммы режимов работы и эффективность ее применения при решении перспективных космических задач. Оптимальное сочетание в ядерной энергодвигательной установке режимов работы ядерного ракетного двигателя и электроракетных двигателей позволяет обеспечить высокий уровень полезной нагрузки при существенном сокращении продолжительности выведения космических аппаратов на высокие рабочие орбиты.
Успехи в освоении космического пространства, достижения в создании двигательных и энергетических установок, обеспечивших эти успехи, в частности, ядерных энергетических установок, анализ тенденций и перспектив развития космической техники позволяют из большого числа задач по исследованию и использованию космического пространства выделить перспективные, решение которых реально возможно на базе совершенствования созданных опытных конструкций, реализованных рабочих процессов и разработанных технологий перспективных двигательных и энергетических установок.
В ближнем космосе на энергоемких околоземных орбитах одной из принципиальных и приоритетных задач является создание систем всепогодного круглосуточного оперативного высокодетального радиолокационного наблюдения обширных районов земной поверхности и обеспечения специальной связи. Для решения этих задач космические аппараты (КА) на геостационарной и геосинхронной орбитах должны иметь массу до 10 т и более и располагать на борту десятками и сотнями киловатт электрической мощности.
Глобальная космическая задача - получение достаточной базы данных для построения модели происхождения и эволюции Солнечной системы. Эти данные будут способствовать построению надежной геохимической модели Земли и, соответственно, модели глобальных геологических процессов. Такая модель Земли необходима для разработки эффективной стратегии поисков и освоения новых ресурсов жизнеобеспечения человека. Понимание механизма процессов, происходивших в период формирования Солнечной системы, возможно даст реликтовое вещество, собранное из различных ее областей.
Решение этих и целого ряда других задач (изучение Луны, Марса и др.) возможно при использовании на борту КА энергодвигательных установок с электрической мощностью десятки киловатт-десятки мегаватт и с тягой в режиме работы теплового двигателя единицы-сотни килоньютонов с удельным импульсом тяги ~10 км/с [1]. Такие характеристики имеют ядерные энергодвигательные установки (ЯЭДУ), обеспечивающие за счет одного источника энергии на основе реактора деления как транспортировку КА, так и энергоснабжение его целевых и служебных систем.
Контур режима ядерного двигателя
Рис. 1. Структурная схема многорежимной ЯЭДУ с машинным преобразованием энергии
В настоящее время разрабатывается ЯЭДУ двух типов:
- ядерная энергетическая установка (ЯЭУ) с электроракетной двигательной установкой (ЭРДУ);
- ЯЭДУ, обеспечивающая режим ядерного ракетного двигателя (ЯРД) и выработку электрической энергии.
В ЯЭДУ для получения электроэнергии могут использоваться статические (термоэлектрические, термоэмиссионные) и динамические (по циклам Брайтона, Ренкина, Стирлинга) преобразователи энергии.
Главным достоинством ЯЭДУ на базе ЯРД является малая продолжительность транспортных операций за счет высокой тяги в двигательном режиме, в результате чего, например, время доставки КА на геостационарную орбиту (ГСО) составляет несколько суток. Такие ЯЭДУ обеспечивают и минимальную продолжительность межпланетных полетов, что важно для пилотируемых экспедиций.
Потенциальные возможности ЯЭДУ с машинным преобразованием энергии позволяют на базе одного типа и размерности реактора построение:
- однорежимного ЯРД;
- однорежимной ЯЭУ;
- двухрежимной ЯЭДУ: выработка электрической энергии и тяги, создаваемой электрическими движителями;
- многорежимной ЯЭДУ (режим ЯРД, режим работы электрических движителей, режим одновременной выработки электроэнергии и режимов работы электрических движителей и ЯРД).
В зависимости от энергетических потребностей для выполнения задачи на основе базовой установки с выбранным типом и размером реактора возможно построение связок из двух и более установок:
- связка ЯРД;
- связка ЯРД и ЭРДУ;
- связка ЯРД и ЯЭУ.
Связка базовых установок - модульное построение силовой установки упрощает наземную отработку на заданную надежность и обеспечивает большую надежность при эксплуатации. При аварийных ситуациях на единичном модуле связки возможна локализация аварии в этом модуле (вплоть до возможного отстрела аварийного модуля) и либо форсирование режима на остальных модулях, либо работа на номинальном режиме с увеличением общей продолжительности.
На рис. 1 приведена структурная схема многорежимной ЯЭДУ с машинным преобразованием энергии, которая содержит ядерный реактор 1, сопло 2, бак с жидким во-
дopoдoм 3, систему нoдaчи жидкoгo вoдopoдa с тypбoнaсoсным aгpeгaтoм (THA) 4 с клананами, тpyбoнpoвoдaми и т.н., элeктpичeский гeнepaтop 5, элeктpичeский rerapa-тop 5' с нpивoдoм oт тypбины 4', зaмкнyтый кoнтyp, в (»став кoтopoгo вxoдят: тeнлo-oбмeнник-peкyнepaтop б; тypбoкoмнpeссop-гeнepaтop, либo тypбoнaсoс-гeнepaтop 7; xoлoдильник S; xoлoдильник-излyчaтeль (ХИ) 9 и нагас ID paбoчeгo тeлa кoнтypa ХИ; систeмa yнpaвлeния, нpeoбpaзoвaния и paснpeдeлeния элeктpичeскoй энepгии II; элeк-тpичeскиe движитeли I2, система нoдaчи с нaсoсoм I3 и бак I4 paбoчeгo тeлa для элeк-тpичeскиx движитeлeй; I5 - 6opTOBbie систeмы KA.
ЯЭДУ, вынoлнeннaя нo дaннoй сxeмe [2], мoжeт oбeснeчивaть peaлизaцию слeдyю-щих peжимoв paбoты:
- peжим тeнлoвoгo двигателя - peжим ЯРД, кoгдa вoдopoд нaгpeвaeтся в peaктope дo тeмнepaтyp ~3000 K и истeкaeт из ганла, сoздaвaя тягу (oт eдиниц дo сoтeн килo-ньютoнoв, yдeльнaя тяга ~10 км/с); на этом peжимe элeктpичeскaя энepгия выpaбaты-BaeTCfl гeнepaтopoм с нpивoдoм oт вала тypбoнaсoснoгo aгpeгaтa (THA), либo oт авто-нoмнoй тypбины, на кoтopyю вoдopoд нoдaeтся из мaгистpaли нoдвoдa вoдopoдa к THA, нpи этом элeктpopaкeтныe двигaтeли мoгyт сoздaвaть тягу для yнpaвлeния уг-лoвым и тpaeктopным движeниeм KA;
- энepгeтичeский peжим, кoгдa элeктpичeскaя энepгия выpaбaтывaeтся в замкну-тoм кoнтype системы с машинным нpeoбpaзoвaниeм тeнлoвoй энepгии в элeктpичe-скую и нoдaeтся для нитания бopтoвыx систeм KA (элeктpичeскaя мoщнoсть: дeсятки килoвaтт - мeгaвaтты);
- peжим paбoты элeктpopaкeтныx двигaтeлeй с выpaбoткoй элeктpичeскoй энep-гии в зaмкнyтoм кoнтype (элeктpичeскaя мoщнoсть: дeсятки килoвaтт-мeгaвaтты, yдeльный имнульс тяги 20 км/с и бoлee);
- двигaтeльнo-энepгeтичeский peжим, oбeснeчивaющий элeктpичeскoй энepгиeй, нoстyнaющeй с гeнepaтopa замкнутого ^m^pa, oднoвpeмeннo бopтoвыe систeмы KA, цeлeвyю aннapaтypy и элeктpopaкeтныe двигатели.
Peaлизaцию нoслeдниx тpex peжимoв (peжим мaлoй тяги и энepгeтичeский peжим) мoгyт oбeснeчить энepгoдвигaтeльныe yстaнoвки дpyгиx тинoв на oснoвe ядepнoгo источника энepгии (с тepмoэмиссиoнным или тepмoэлeктpичeским нpeoбpaзoвaниeм энepгии), либo на oœoBe сoлнeчнoгo истoчникa энepгии (с фoтoэлeктpичeскими npe-oбpaзoвaтeлями или системы с машинным нpeoбpaзoвaниeм). Пepвый peжим (peжим ЯРД), кoтopый oбeснeчивaeт вышкий ypoвeнь тяги и, сooтвeтствeннo, yскopeнныe мeжopбитaльныe нepeлeты, мoжeт быть peaлизoвaн тoлькo в ЯЭДУ oнисaннoй Bb^e сxeмы с машинным нpeoбpaзoвaниeм энepгии.
Лyчшиe мaссoгaбapитныe xapaктepистики ЯЭДУ мoгyт быть нoлyчeны нpи иснoль-зoвaнии в кaчeствe xoлoдильникa-излyчaтeля систeм на oœoBe нoтoкoв мoнoдиснepс-ных катель (кaнeльный xoлoдильник-излyчaтeль (KXИ)) [3].
Для мнoгopeжимнoй yстaнoвки извeстнa нpoблeмa замыкания ^m^pa на энepгeти-чeскoм peжимe. Aнaлиз вoзмoжныx peшeний вынoлнeн в [1]. K настояшрму вpeмeни нpoвeдeн бoльшoй кoмнлeкс paсчeтныx исслeдoвaний, кoнстpyктopскиx paзpaбoтoк и экснepимeнтaльныx исслeдoвaний, нaнpaвлeнныx на сoздaниe oднoй из вoзмoжныx кoнстpyкций - гepмeтичнoгo зaниpaющeгo yстpoйствa сoнлa [4], в peзyльтaтe тото-pыx нoкaзaнa peaльнoсть сoздaния кoнстpyкции с нeoбxoдимыми свoйствaми. Peшeниe нpoблeмы знaчитeльнo yнpoщaeтся нpи oднopaзoвoм иснoльзoвaнии зaниpaющeгo yстpoйствa. Haнpимep, oтpaбaтывaeтся peжим ЯРД, зaтeм yстaнoвкa paбoтaeт тольго в энepгeтичeскoм peжимe. Пpи бoльшиx мoщнoстяx и мoдyльнoм нoстpoeнии ЯЭДУ с иснoльзoвaниeм связoк на oœoBe oднoгo тинopaзмepa peaктopa вoзмoжнo функцто-нaльнoe paздeлeниe peaктopoв нo peaлизyeмым peжимaм ЯЭДУ, и тoгдa нpoблeмы нepexoдa с peжимa ЯРД на peжим ЯЭУ нe сyщeствyeт.
В нpoвeдeнныx paнee исслeдoвaнияx paссмaтpивaлaсь циклoгpaммa paбoты ЯЭДУ на бaзe ЯРД, ^и кoтopoй дoстaвкa KA на paбoчyю opбитy oсyщeствлялaсь нoлнoстью нpи paбoтe ЯЭДУ в peжимe ЯРД. ^и этoм выpaбaтывaeмaя энepгeтичeским тошу-poм ЯЭДУ элeктpoэнepгия иснoльзyeтся на paбoчeй opбитe для нитания цeлeвыx и
служебных систем КА. Однако меньший по сравнению с ЭРДУ удельный импульс тяги ЯРД может приводить к снижению массы доставляемого на рабочую орбиту КА по сравнению с вариантом использования ЯЭДУ в виде комбинации ЯЭУ с ЭРДУ. Вместе с тем, возможна организация питания электроэнергией маршевой ЭРДУ от ЯЭДУ на базе ЯРД на заключительном этапе выведения КА на рабочую орбиту. Такая комбинированная схема выведения должна обеспечить сокращение времени доставки КА на рабочую орбиту по сравнению с вариантом использования для этой цели только ЭРДУ и в то же время увеличение массы доставляемого КА по сравнению с вариантом использования только ЯРД. Для реализации такой оптимальной схемы межорбитальных перелетов была предложена многорежимная ЯЭДУ, структурная схема которой приведена выше.
Далее в качестве примеров представлено описание двух возможных циклограмм работы ЯЭДУ.
При обеспечении ускоренного вывода заданной полезной нагрузки с опорной орбиты на геостационарную с учетом ограничений по объему под обтекателем ракеты-носите
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.