научная статья по теме К ВЫБОРУ МОЩНОСТИ ПИТАЕМОЙ ОТ СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ МАРШЕВОЙ ЭЛЕКТРОРАКЕТНОЙ ДВИГАТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКИХ МЕЖПЛАНЕТНЫХ СТАНЦИЙ Энергетика

Текст научной статьи на тему «К ВЫБОРУ МОЩНОСТИ ПИТАЕМОЙ ОТ СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ МАРШЕВОЙ ЭЛЕКТРОРАКЕТНОЙ ДВИГАТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКИХ МЕЖПЛАНЕТНЫХ СТАНЦИЙ»

№ 1

ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА

2013

УДК 629.78:629.7.064

© 2013 г. МАСЛЕННИКОВ А.А.1

К ВЫБОРУ МОЩНОСТИ ПИТАЕМОЙ ОТ СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ МАРШЕВОЙ ЭЛЕКТРОРАКЕТНОЙ ДВИГАТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКИХ МЕЖПЛАНЕТНЫХ СТАНЦИЙ

Рассмотрена возможность использования электроракетной двигательной установки (ЭРДУ), питаемой от солнечных батарей, для доставки автоматических межпланетных станций к комете Чурюмова—Герасименко 67/P и спутнику Марса — Фобосу. Определена требуемая мощность солнечных батарей и ЭРДУ. Показана высокая эффективность использования ЭРДУ, позволяющая значительно увеличить массу научного оборудования и сократить продолжительность его доставки.

Введение. В настоящее время часто применяются электроракетные двигательные установки (ЭРДУ) в качестве маршевых для автоматических межпланетных станций (АМС). Примером такого использования могут служить американские АМС "Deep Space 1" [1] и "Dawn" [2], европейская "Smart 1" [3, 4] и японская "Hayabusa" [5, 6]. Использование маршевой ЭРДУ позволяет существенно уменьшить затраты рабочего тела (топлива) на межпланетные перелеты. Применение маршевой ЭРДУ требует наличия на борту мощного источника электроэнергии, от мощности которого зависят ее возможности, а также позволяет использовать его для питания соответствующего бортового оборудования научного и прикладного назначения в период нахождения КА у объекта исследования. Целью данной статьи является определение уровня мощности ЭРДУ, питаемой от солнечных батарей, который бы позволил решить задачу по доставке АМС "Rosetta" к комете 67Р/Чурюмова—Герасименко, а АМС "Фобос-Грунт" к спутнику Марса — Фобосу.

Проектно-баллистические исследования довыведения исследовательского КА к комете Чурюмова—Герасименко 67/P. 2 марта 2004 г. РН "Ариан-50+" вывела на траекторию отлета от Земли европейскую АМС "Rosetta" [7]. Цель полета этой АМС — изучение кометы 67Р/Чурюмова—Герасименко с выходом на орбиту вокруг нее и посадкой спускаемого аппарата на поверхность. Разработанная по заданию ЕКА фирмой Astri-um АМС имеет стартовую массу 3065 кг, из которых 1650 кг приходится на топливо, что обеспечивает запас характеристической скорости (AFx) 2,2 км/сек. Двигательная установка АМС включает в себя 24 ЖРД тягой по 10 Н. Однако такого запаса A Vx недостаточно, чтобы осуществить прямой полёт к комете с выходом на орбиту вокруг нее. Поэтому предполагается осуществить три гравитационных маневра в поле тяготения Земли и один в поле Марса. В таблице представлена схема полёта АМС [7], из нее видно, что схема полёта АМС к комете является сложной, а продолжительность перелёта составит больше 10 лет.

1ОАО «РКК "ЭНЕРГИЯ"», г. Королёв.

Схема полета АМС "Rosetta"

№ Дата Событие

1 Март 2004 г. Запуск

2 Март 2005 г. 1-й пролёт Земли

3 Февраль 2007 г. Пролет Марса

4 Ноябрь 2007 г. 2-й пролёт Земли

5 Ноябрь 2009 г. 3-й пролёт Земли

6 Май 2011 г. Последняя большая коррекция

7 Июль 2011 г. Временная консервация

8 Январь 2014 г. Расконсервация. Начало сближения с кометой

9 Май 2014 г. Уравнивание скоростей

10 Август 2014 г. Начало совместного полёта и детальной съемки ядра

11 Ноябрь 2014 г. Посадка зонда на ядро

12 Август 2015 г. Прохождение перегелия

13 Декабрь 2015 г. Окончание работы

Причина этого лежит в большой энергоемкости перелета.

Ниже приведены параметры орбиты кометы 67Р/Чурюмова—Герасименко

Расстояние в перигелии, а.е. 1,3

Расстояние в афелии, а.е. 5,72

Эксцентриситет 0,63

Наклонение плоскости орбиты к эклиптике, град 7,1

Аргумент перицентра, град 1,0

Долгота восходящего узла, град 51,0

Сидерический период, лет 6,6

Видно, что перигелий орбиты кометы находится вблизи орбиты Земли, а афелий вблизи орбиты Юпитера. Из-за этого эксцентриситет (е) орбиты достигает 0,63. Прямой и быстрый перелет к комете требует больших затрат AVx. Достижение кометы и выход на её орбиту по прямой схеме перелёта возможен только при использовании ракетного двигателя с большим удельным импульсом. Наиболее подходящими для решения этой задачи являются электроракетные двигатели (ЭРД) — стационарно-плазменный двигатель (СПД), двигатель с анодным слоем (ДАС) и ионный двигатель (ИД), которые могут обеспечить удельный импульс несколько десятков километров в секунду. Ниже рассматривается возможность использования двигательной установки с ЭРД (ЭРДУ), питаемой от солнечных батарей (СБ), для доставки АМС "Rosetta" к комете 67Р/Чурюмова—Герасименко по прямой схеме.

Рассматривалась следующая схема выведения:

1 этап. Старт РН "Ариан-50+" 12.11.2006 г. и вывод АМС на отлётную траекторию от Земли с гиперболическим избытком скорости 3,544 км/сек, вектор которой совпадает с вектором скорости Земли;

2 этап. Первый активный участок траектории АМС продолжительностью 318,1 сут.;

3 этап. Пассивный участок траектории АМС продолжительностью 229 сут.;

4 этап. Второй активный участок траектории АМС продолжительностью 453,8 сут.;

5 этап. Уравнивание скоростей и выход на орбиту вокруг кометы 08.08.2009 г.

При реализации данной схемы выведения продолжительность полёта АМС "Rosetta" составила бы 1001 сут. или всего 2,74 года, что в 3,6 раза меньше чем при использо-

Рис. 1. Схема полёта АМС с ЭРДУ к комете 67Р/Чурюмова—Герасименко: 1 — Солнце; 2 — орбита Меркурия; 3 — орбита Венеры; 4 — орбита Земли; 5 — орбита Марса; 6 — орбита Юпитера; 7 — орбита кометы 67Р/Чурюмова—Герасименко; 8 — старт с Земли 12.11.2006; 9 — первый активный участок траектории АМС длительностью 318 сут.; 10 — пассивный участок траектории длительностью 229 сут.; 11 — второй активный участок траектории длительностью 454 сут.; 12 — выход на орбиту вокруг кометы 08.08.2009

Удельная мощность СБ, Вт/м2

Рис. 2. Зависимость удельной мощности СБ АМС "Rosetta" от расстояния до Солнца

вании традиционных ЖРД. При этом старт можно было бы осуществить на 2,5 года позже, а начать исследования кометы уже в 2010 г.

Схема перелёта представлена на рис. 1.

Удельный импульс ЭРДУ принимался 30 км/сек, а закон изменения удельной мощности СБ от расстояния (см. рис. 2) до Солнца принимался аналогичным закону изменения мощности СБ, установленным в настоящее время на АМС "Rosetta" [7]. Представленная на рис. 2 кривая аппроксимируется выражением:

Njr = 239,088 • R 2>29343, где Жуд — удельная мощность СБ [Вт/м2]; R — расстояние от Солнца [а.е.]

Из этого выражения видно, что на расстоянии 1 а.е. Жуд = 239 Вт/м2 (КПД СБ 17,7%), что при площади СБ АМС 64 м2 [6] дает суммарную мощность 15,3 кВт.

Ниже представлены результаты проектно-баллистических исследований возможности использования ЭРДУ для доставки АМС "Rosetta" к комете 67Р/Чурюмова—Герасименко

Затраты AVx на межпланетный перелет, км/сек 10,453

Суммарная продолжительность межпланетного перелёта, сут. 1001

Стартовая масса АМС, кг 3065

Конечная масса АМС, кг 2163

Масса рабочего тела (ксенона), кг 902

Тяга ЭРДУ*, Н 1,09 Удельный импульс ЭРДУ, км/сек 30

Суммарная продолжительность работы ЭРДУ, ч 18425

Приведенный ресурс ЭРДУ**, ч 6896

Мощность ЭРДУ*, кВт 24,8

Требуемая мощность СБ АМС*, кВт 27,5

* На расстоянии 1 а.е. от Солнца.

** Продолжительность работы ЭРДУ на номинальной мощности.

Как показано в [7] сухая масса АМС "Rosetta" составляет 1415 кг, при использовании ЭРДУ сухая масса составила бы ~2100 кг, т.е. на 685 кг больше. Проведенные проектные оценки показали, что выигрыш в массе полезной нагрузки АМС может составить ~180 кг.

Таким образом, применение ЭРДУ для обеспечения перелета АМС "Rosetta" к комете 67Р/Чурюмова—Герасименко позволило бы сократить продолжительность полета до 2,76 года, стартовать на два с половиной года позже и увеличить массу научной аппаратуры, доставляемой к комете примерно на 180 кг. Наличие на борту мощной СБ позволит повысить пропускную способность линии связи с Землей и эффективность проведения научных экспериментов.

Проектно-баллистические исследования доставки к спутнику Марса — Фобосу АМС типа "Фобос-1рунт" с помощью ЭРДУ

В [8] рассматривается перспективный российский проект по изучению спутника Марса — Фобоса. Предполагалось в октябре 2009 г. запустить к Фобосу с помощью РН "Союз-2" АМС "Фобос-Грунт", предназначенную для посадки на него и доставки с него образцов грунта на Землю. Отличие нового варианта миссии от первоначального [9] заключается в том, что в нём не будет использована ЭРДУ. Разработчики пошли на замену ЭРДУ на двигательную установку (ДУ) на основе традиционных ЖРД для сокращения времени перелета Земля—Марс с 550 до 330 сут. В качестве источника питания для ЭРДУ рассматривалась СБ мощностью 9 кВт у Земли. Преимуществом первоначального варианта является использование ЭРДУ с удельным импульсом, на порядок большим, чем у химической ДУ. Это позволило бы использовать для запуска АМС менее грузоподъемную РН "Союз-ФГ". При применении ЭРДУ мощностью ~9 кВт продолжительность перелёта Земля—Марс составит ~550 сут., что представляется слишком большим. Поэтому, с введением в эксплуатацию более грузоподъемной РН "Союз-2" вариант с использованием химической ДУ представляется более привлекательным. Цель данной статьи — определить требуемый уровень мощности СБ для обеспечения с помощью ЭРДУ продолжительности перелета Земля—Марс 330 сут. для АМС "Фобос-Грунт". В качестве РН рассматривалась РН "Союз-2". При этом принималась следующая схема перелёта к "Фобосу":

Рис. 3. Схема перелёта "Фобос-Грунт" с маршевой ЭРДУ: 1 — Солнце; 2 — орбита Меркурия; 3 — орбита Венеры; 4 — орбита Земли; 5 — орбита Марса; 6 — Земля в момент старта 11.10.2009; 7 — первый активный участок АМС длительностью 55,9 сут.; 8 — пассивный участок траектории длительностью 110,5 сут.; 9 — второй активный участок траектории длительностью 163,6 сут.; 10 — Марс в момент прилёта АМС "Фобос-Грунт" 06.09.2010

1) старт РН "Союз-2" с космодрома "Байконур" и вывод космической головной части (КГЧ) в составе АМС "Фобос-Грунт" + Автономная двигательная установка (АДУ) на опорную орбиту высотой ~200 км;

2) включение АДУ и перевод АМС "Фобос-Грунт" на отлётную от Земли параболическую траекторию;

3) отделение АМС от АДУ, раскрытие СБ и включение ЭРДУ, о

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.

Показать целиком