№ 1
ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА
2009
УДК 629.78.064.018:621.039
© 2009 г. ЛОПОТА В.А., МАСЛЕННИКОВ A.A., СИНЯВСКИЙ В.В.
СИСТЕМА ЯДЕРНЫХ ЭЛЕКТРОРАКЕТНЫХ ТРАНСПОРТНЫХ АППАРАТОВ ДЛЯ УДАЛЕНИЯ С ГЕОСТАЦИОНАРНОЙ ОРБИТЫ ПАССИВНЫХ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
Рассмотрено использование трех модификаций многоразового межорбитального буксира (ММБ) на основе единой ядерной электроракетной двигательной установки, включающей термоэмиссионную ядерную энергоустановку (ЯЭУ) электрической мощностью 150 кВт, электроракетную двигательную установку (ЭРДУ) и соответствующие системы сопряжения, для очистки геостационарной орбиты (ГСО) от отработавших космических аппаратов (КА) средней массой 2500 кг. Первая модификация ММБ эксплуатируется на ГСО и собирает в грузовую платформу (ГП) пассивные КА, вторая - доставляет на ГСО "пустые" ГП, третья - опускает загруженную 8 КА ГП на орбиту 800 км, с которой разгонный блок на основе ЖРД затапливает ее в океане.
Для ряда транспортных задач в околоземном космосе по комплексу факторов определенные преимущества имеет многоразовый межорбитальный буксир (ММБ) на основе ядерной электроракетной двигательной установки (ЯЭРДУ), включающей ядерную энергоустановку (ЯЭУ), электроракетную двигательную установку (ЭРДУ) и соответствующие системы сопряжения [1-4].
Одной из задач, где эффективно могут быть использованы ММБ с ЯЭРДУ, является создание космических межорбитальных транспортных средств для обеспечения очистки космического пространства от отработавших космических аппаратов (КА), разгонных блоков (РБ) и других относительно крупных объектов так называемого "космического мусора", представляющих при столкновении опасность для автоматических и особенно пилотируемых КА и орбитальных станций. Необходимость очистки космоса от антропогенного "мусора" непрерывно возрастает в связи с удорожанием автоматических КА и планируемым в связи с промышленным освоением космоса, в т.ч. Луны, существенным увеличением количества пилотируемых полетов [4].
Очистка околоземного космоса от отработавших КА и других крупных объектов является энергоемкой задачей и может быть осуществлена специальными транспортными аппаратами, имеющими большой запас характеристической скорости. Эта задача может решаться с использованием различных двигательных установок, однако использование ММБ на основе ЯЭРДУ позволит при одном пуске ракеты-носителя (РН) существенно увеличить количество и суммарную массу удаляемых крупных объектов "космического мусора".
В настоящей работе рассмотрены принципиально новые и наиболее эффективные транспортные средства для сбора и удаления с геостационарной орбиты (ГСО) различных объектов, рассмотрена возможность построения и исследована эффективность применения нескольких модификаций специализированных ММБ, построенных на базе унифицированной космической платформы на основе ЯЭРДУ, разрабатываемой в РКК "Энергия" [5, 6].
Постановка задачи очистки космоса от крупных объектов
В околоземном космосе с каждым годом увеличивается число КА различного назначения. По мере истечения ресурса КА, в результате нештатного функционирования и аварий, последние переходят из разряда активных (функционирующих) в разряд неработающих (пассивных), т.е. фактически "космического мусора" антропогенного происхождения. С течением времени может происходить их разрушение на большое количество более мелких объектов в результате самопроизвольного разрушения и за счет столкновений друг с другом. Увеличение числа более мелких, но опасных объектов, приводит к увеличению вероятности их столкновения друг с другом и с более крупными объектами, в т.ч. и с активными КА. Со временем число опасных КА может привести к ситуации, при которой вероятность столкновения с активными КА может стать неизбежной на сравнительно малом промежутке времени. Это может затруднить, и если не предпринимать никаких действий, то сделать почти невозможным дальнейшее освоение и использование околоземного космического пространства из-за большого риска выхода из строя запускаемых КА, орбитальных или посещаемых станций. Следует отметить, что естественное очищение околоземного пространства возможно только на орбитах высотой менее 1000 км за счет торможения в остаточной атмосфере Земли. Однако на высотах более 500 км время естественного очищения может составлять десятки и даже сотни лет, поэтому для своевременной очистки необходимо применять принудительные методы.
Возможны два варианта очистки околоземного космоса от крупных объектов -временный и кардинальный. Временный вариант заключается в том, что пассивные КА переводятся с очищаемой часто используемой орбиты на не используемую или мало используемую. Однако этот метод не предотвращает столкновений между КА или их самопроизвольного разрушения с течением времени, что приведет к засорению новых орбит и возможной миграции осколков на часто используемые орбиты. Кроме этого, при пролете КА через эти орбиты также может произойти столкновение.
Кардинальный метод заключается в том, что пассивные КА и их осколки с помощью специального маневрирующего космического тральщика собираются и накапливаются на специальной грузовой платформе (ГП) и затем затапливаются в заданных районах мирового океана [7]. В данной статье рассматривается один из возможных вариантов кардинального метода очистки ГСО от пассивных КА.
Оценка обстановки на геостационарной орбите
На рис. 1 и 2 приведены распределения нахождения КА на ГСО. При этом для отделения работающих КА от не работающих учитывались только те, у которых наклонение больше 0,1°. Таких КА на 23.01.2007 насчитывается 635. Эти КА занимают орбиты с радиусом а от 41800 до 43000 км (высота орбиты от 35429 до 36629 км), наклонение их орбит достигает 17°, а эксцентриситет, в основном, не превышает 0,01. Большинство орбит КА имеют значения долготы восходящего узла от 0° до 100° и от 320° до 360°.
Выполненный анализ показал, что характерный средний размер пассивных КА составляет 2-3 м, среднее значение массы - 2500 кг. Эти принятые в дальнейших проектных исследованиях значения габаритов и массы пассивных КА позволили определить и число отработавших КА, которые могут быть размещены на ГП, именно восемь пассивных КА с приведенными выше усредненными параметрами.
О целесообразности создания системы из трех модификаций ММБ на основе единой ЯЭРДУ для очистке ГСО от пассивных КА
Особенностью использования ЯЭРДУ является необходимость первого запуска ЯЭУ на так называемой "радиационно-безопасной орбите" (РБО), где время суще-
Рис. 1. Проекции распределения орбит КА для ГСО на координатные плоскости "большая полуось - наклонение - эксцентриситет"
Рис. 2. Проекции распределения орбит КА для ГСО на координатные плоскости "эксцентриситет - наклонение - долгота восходящего угла"
ствования достаточно для спада накопившейся радиоактивности реактора. Это время зависит от характеристик КА или ММБ, типа и срока работы ЯЭУ. Считается, что высота РБО должна быть не менее 800 км, время существования на ней ~300 лет.
Было принято, что для случаев, когда подъем орбиты от 200 до 800 км, требует применения РБ с заправкой топлива не более 2800 кг, в качестве которого рассматривался РБ "АДУ-1Ф". В остальных случаях рассматривался РБ типа "Фрегат". Маршевый ЖРД у этих РБ имеет удельный импульс 3260 м/с и тягу 19600 Н.
Анализ эффективности использования ММБ на основе ЯЭРДУ для очистки ГСО показал, что для кардинального решения проблемы по очистке ГСО от пассивных КА не эффективно использование одного типа-размера ММБ, поэтому предлагаются три модификации МБ:
ММБ первой модификации эксплуатируется на ГСО и предназначен для сбора пассивных КА. Такой МБ оснащен оборудованием для обнаружения, захвата, установки и крепления пассивного КА в состыкованной с ММБ грузовой платформе. Имеются устройства для стыковки "пустой" ГП, расстыковки загруженной ГП и приема новой "пустой" ГП. Фактически это КА-тральщик.
ММБ второй модификации будет обеспечивать доставку на ГСО новых (незагруженных) ГП. Фактически это околоземный многоразовый межорбитальный буксир, специализированный для периодической доставки на ГСО серийного груза (ГП), отстыковки его и порожнего возвращения на стартовую орбиту (800 км) за новым грузом.
ММБ третьей модификации будет понижать высоту перицентра ГП с собранными пассивными КА до 800 км. Фактически это ММБ, аналогичный второму, только у него рейс с грузом с ГСО на орбиту 800 км и порожний с этой орбиты на ГСО.
Возможно (и может оказаться экономически целесообразным) совместить в одном ММБ второй и третий тип, однако в настоящей работе этот вариант, требующий экономических оценок, не рассматривается.
Для унификации было предложено все три ММБ оснастить одной и той же ЯЭРДУ с ЯЭУ электрической мощностью 150 кВт. Кроме того, с РБО, которая принята высотой в 800 км, каждый ММБ достигает ГСО своим ходом (с помощью ЭРДУ, питаемой от ЯЭУ).
Выбор космической ядерно-энергетической установки
Выбор и обоснование технических решений и проектных характеристик космической ЯЭУ для электроракетного ММБ как перспективного и высокоэффективного транспортного средства проводился с учетом следующих требований:
- ограниченным значениям массы и габаритов ЯЭУ с тем, чтобы для вывода КА можно было использовать РН размерности типа "Протон" ("Протон-М", "Ангара-5");
- возможности создания ЯЭУ с использованием в основном разработанных технологий, имеющихся конструкционных и других материалов и существующих (с возможной модернизацией) производственно-технологических и экспериментально-испытательных баз;
- возможности проведения ядерно-энергетических испытаний ЯЭУ в штатной компоновке в существующем здании для ядерно-энергетических испытаний космических ЯЭУ в ГНЦ РФ ФЭИ;
- возможности проектирования и начала отработки (вплоть до полномасштабного модуля ЯЭУ) без привязки к ММБ или к УКП с конкретными функциональными модулями;
- достаточной степени резервирования и надежному доказательству возможности обеспечения проектного ресурса;
- ограниченным срокам и стоимости создания и отработки ЯЭУ.
В результате анализа возможных уровне
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.