№ 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.