Известия РАН. Энергетика, 2021, № 2, стр. 65-74

ВВЕДЕНИЕ

В результате увеличения потребной мощности и массы перспективных космических аппаратов (КА), функционирующих на ГСО, геопереходных (ГПО) орбит, орбит для полетов к Луне и Марсу и других энергоемких орбитах, необходимо значительно увеличить эффективность средств межорбитальной транспортировки, осуществляющих выведение КА на энергоемкие рабочие орбиты с опорной орбиты.

В связи с развитием Интернета, мобильной связи, средств позиционирования, мировой рынок космических услуг за последние 10 лет вырос в пять раз и сегодня превышает 500 млрд $ в год [1]. Общая масса спутников, доставленных на ГСО приблизительно равна 8000 т, в количестве более 1000 штук (США – 578; КНР – 181; Россия – 140; прочие – 522), из них работает менее 500 штук.

Лунные программы СССР и США потребовали 76 пусков на лунную орбиту до 1998 года. Из них в США – 40, СССР – 32, прочие – 4. Общая масса этих КА на низкой опорной орбите (НОО) была 553.7 тонны. В дальний космос с 1958 г. по 2019 г. запущено 244 аппарата. Как видно, потребность в РБ в мире имеется и постоянно возрастает.

Одной из прорывных технологий, предусмотренных стратегией развития космической деятельности России до 2030 года и на дальнейшую перспективу, является разработка космических ядерных энергоустановок и их ключевых элементов. К этому направлению относится создание ЯРД и РБ на их основе [2].

В Советском Союзе по инициативе И.В. Курчатова и С.П. Королёва осуществлялась отработка реакторных узлов ЯРД: ТВС, отражателя, замедлителя, органов регулирования и др. Были разработаны проекты ЯРД мощностью 200 МВт и тягой до 4 тонн (рис. 1) и более. Полученные результаты позволили оценить эффективность применения ЯРД с РТ – водородом, в том числе и по сравнению с самыми перспективными ЖРД на кислородно-водородном рабочем теле.

Целесообразность дальнейшей разработки ЯРД требует создания методики выбора наиболее эффективного варианта для первоочередного создания и внедрения конкретного варианта.

В качестве показателя эффективности могут быть рассмотрены следующие параметры:

– удельная тяга РБ, т.е. отношение тяги к его массе (кг/кг);

– капитальные затраты на создание РБ с ЯРД (млн $);

– удельный импульс ЯРД (с).

Наиболее информативным и комплексным будет критерий удельной стоимости доставки ПГ на заданную орбиту ($/кг). Этот критерий ориентирован не только на разработчика и изготовителя, но и на конечного потребителя услуг РБ. Этот критерий дает основание судить о том, выгодно или нет применять РБ с ЯРД по сравнению с традиционными РБ на ЖРД, и какого типа ЯРД будет выгоднее. Критерий удельной стоимости включает в себя и техническую и экономическую составляющую эффективности в применении к конкретным задачам освоения космоса.

В данной статье проведена оценка экономической эффективности транспортной системы, использующей в качестве двигательной установки ядерный ракетный двигатель. Проведена оценка удельной стоимости доставки единицы массы ПГ с поверхности Земли через радиационно-безопасную орбиту (РБО) на целевую орбиту (ГСО). В качестве основы была выбрана методика РКК “Энергия”, изложенная в [3].

СОСТАВ И СХЕМА РАЗВЕРТЫВАНИЯ ТРАНСПОРТНОЙ СИСТЕМЫ

В состав космической транспортной системы входят одноразовые тяжелые ракеты-носители, одноразовые разгонные блоки для перевода составляющих с НОО на стартовую РБО высотой около 800 км и РБ на основе ЯРД. В статье рассмотрено два типа ЯРД в зависимости от применяемого РТ, водород и вода, и от продолжительности работы – одноразовые и многоразовые.

Транспортный комплекс представляет собой КА, который на орбите собирается из двух модулей – энергетического (ЭМ) и грузового (ГМ).

В состав ЭМ входят:

– ЯРД, включающий ядерный реактор, систему управления реактором, систему многократного запуска, систему охлаждения реактора;

– приборно-агрегатный отсек (ПАО), где размещаются следующие служебные системы: электроника систем управления движением и навигации, аппаратура и агрегаты системы стыковки, система управления бортовым комплексом, система радиосвязи, телеметрии и т.д.;

– стыковочный узел, необходимый для стыковки модулей на околоземной орбите.

ГМ включает:

– грузовой контейнер с ПГ, представляющий собой отдельный отсек, предназначенный для размещения и транспортировки ПГ, а также отсек для хранения и перевозки РТ на РБО;

– узел разделения ПГ и РБ с ЯРД.

Первым пуском РН выводится на НОО энергетический модуль. Затем он доставляется с помощью РБ на РБО, где проводится отделение РБ от ЭМ. ЭМ функционирует на орбите автономно до стыковки с ГМ.

Вторым пуском грузовые модули с ПГ и с РТ доставляются на РБО посредством тяжелой РН. На РБО производится стыковка модулей, тестирование всех систем, запуск ЯРД, и осуществляется перелет с РБО на ГСО. Здесь ГМ, содержащий ПГ, отделяется от ЭМ, который возвращается обратно на РБО за очередным ГМ с ПГ. Количество перелетов определяется ресурсом ЯРД. Последний рейс осуществляется только в одну сторону, т.е. на целевую орбиту, после чего РБ с ЯРД уводится на орбиту захоронения. В расчетах должен быть учтен дополнительный запас РТ на увод РБ на орбиту захоронения по истечении ресурса ЯРД.

ОЦЕНОЧНАЯ МОДЕЛЬ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЗАТРАТ НА ДОСТАВКУ ПГ НА ГСО

Полные финансовые затраты, связанные с изготовлением, подготовкой к старту и доставкой ПГ на целевую орбиту с помощью транспортной системы с использованием РБ с ЯРД могут быть представлены в виде

где $C_{{{\text{изг}}}}^{{{\text{эм}}}}$ – стоимость изготовления ЭМ; $C_{{{\text{изг}}}}^{{{\text{гм}}}}$ – стоимость изготовления ГМ; $C_{{\text{д}}}^{{{\text{эм}}}}$ и $C_{{\text{д}}}^{{{\text{гм}}}}$ – стоимости доставки ЭМ и ГМ соответственно на РБО; $C_{{{\text{упр}}}}^{{{\text{рб}}}}$ – затраты на управление полетом и контроль РБ с ЯРД; ${{C}^{{\text{т}}}}$ – стоимость топлива; $n$ – количество рейсов, выполняемых за срок эксплуатации РБ с ЯРД.

В выражении (1) не учитываются затраты на разработку и испытания (НИОКР), капитальные затраты на создание необходимой инфраструктуры производственных и исследовательских комплексов, а также не учитывается стоимость ПГ.

Стоимость доставки ГМ на РБО, затраты на управление РБ в полете и стоимость РТ выражаются через удельные стоимости и технические характеристики РБ с ЯРД:

где $C_{{\text{д}}}^{{{\text{рн}}}}$ – удельная стоимость выведения ПГ на РБО (зависит от типа РН); $\overline {C_{{{\text{упр}}}}^{{{\text{рб}}}}} $ – удельная стоимость услуг по управлению и контролю РБ с ЯРД в полете; $\overline {{{C}^{{\text{т}}}}} $ – удельная стоимость РТ; ${{m}_{{{\text{гм}}}}}$, ${{m}_{{{\text{эм}}}}}$, ${{m}_{{\text{т}}}}$ – массы ГМ, ЭМ, РТ соответственно; ${{t}_{{{\text{рб}}}}}$ – ресурс РБ в годах.

Удельная стоимость доставки единицы массы ПГ с поверхности Земли на орбиту назначения за весь срок эксплуатации РБ с ЯРД, определяется следующим выражением:

Масса ЭМ, исходя из массы аналога 11Б-91 и вспомогательного оборудования [2], не превысит 3.4 тонн (для ЯРД на воде), поэтому выведение ЭМ на РБО возможно с помощью РН грузоподъемностью класса “Союз”, стоимость запуска которой составляет ~48.5 млн $ [4]. Выведение ГМ осуществляется с помощью РН класса “Ангара-А5”, стоимость запуска которой составляет ~140 млн $ [4]. Для ЯРД на водороде выведение ЭМ и ГМ осуществляется одним пуском РН класса “Ангара-А5”. Стоимости пусков указанных классов РН известны, поэтому в расчетах может использоваться не удельный показатель $C_{{\text{д}}}^{{{\text{рн}}}}$, а полная стоимость пуска РН (вне зависимости от массы выводимого груза). В данной работе для конкретизации расчетов принято, что грузоподъемность РН на РБО составляет 85% от грузоподъемности на НОО [3], а подготовка и запуск ЭМ и ГМ осуществляется с космодрома “Восточный”.

Принятые технические и стоимостные параметры для РБ с ЯРД на водороде типа 11Б-91, РБ с ЯРД на воде (неоптимизированный прототип) представлены в табл. 1 и 2.

Стоимость изготовления ЭМ $C_{{{\text{изг}}}}^{{{\text{эм}}}}$ принята 90 млн $, как в работе [5], согласно проекту № 335 МНТЦ [6]. Удельная стоимость выведения ГМ на РБО рассчитана согласно эмпирической формуле (8), полученной в работе [3].

С помощью описанной модели выполнен анализ удельной стоимости доставки ПГ с Земли на ГСО без учета капитальных затрат и затрат на НИОКР по ЭМ на текущий момент времени. Эти затраты учитывались в стоимости самого ЯРД (с учетом амортизационных отчислений) при расчетах.

В таблице 3 представлены результаты, полученные для одноразового РБ с ЯРД на водороде и воде при принятых исходных данных (табл. 1 и 2) в сравнении с РБ типа “Бриз-М”.

Из приведенных результатов следует, что применение РБ с ЯРД позволяет увеличить массу ПГ при выведении на ГСО в сравнении с РБ на ЖРД. Удельная стоимость доставки ПГ для РБ с ЯРД на водороде примерно в 2 раза меньше, чем у РБ с ЖРД. Несмотря на бо́льшую массу, доставляемого ПГ РБ с ЯРД на воде (5921 кг) по сравнению с РБ на ЖРД (4600 кг), удельная стоимость доставки его больше, в связи с большой стоимостью изготовления ЭМ.

На рисунке 2 показана зависимость удельной стоимости доставки ПГ от стоимости ЭМ для одноразовых РБ с ЯРД на воде и на водороде в сравнении с удельной стоимостью выведения для ЖРД с РБ типа “Бриз-М”.

Как видно, если стоимость одноразового ЯРД на воде будет меньше ~55 млн $, то он станет экономически выгоднее, чем РБ с ЖРД. Одноразовый ЯРД на водороде, даже при достаточно больших стоимостях ЭМ, остается экономически выгоднее РБ на основе ЖРД. Поэтому дальнейшие расчеты в основном проводились для ЯРД на воде с целью определения его параметров, при которых он стал бы экономически выгоднее РБ с ЖРД.

На рисунке 3 представлена зависимость удельной стоимости выведения ПГ от количества рейсов для многоразового РБ с ЯРД на воде, при всех принятых исходных данных из табл. 1 и 2, но при различных стоимостях ЭМ. Для сравнения различных ЯРДов на этом же рисунке (кривая 6), представлен многоразовый ЯРД с водородом при стоимости ЭМ 90 млн $.

Многоразовый РБ с ЯРД на воде становится экономически выгоднее одноразового РБ с ЯРД на воде после совершения определенного количества рейсов в зависимости от стоимости ЭМ. Чем меньше стоимость ЭМ, тем меньше количество рейсов необходимо совершить, чтобы многоразовый РБ стал выгоднее одноразового. Однако выгоды по сравнению с ЖРД не удается добиться даже при устремлении количества рейсов к бесконечности. Это объясняется тем, что масса ПГ доставляемого многоразовым РБ с ЯРД на воде равна 2.728 т, что в 2.2 раза меньше массы ПГ доставляемого тем же одноразовым ЯРДом. Объясняется это тем, что требуется запас топлива на возврат (с ГСО на РБО). Поэтому затраты на выведение и прочие расходы растут быстрее, чем увеличивается суммарная масса ПГ, доставляемого на ГСО многоразовым РБ с ЯРД на воде. Что касается многоразового ЯРД с водородом, то его удельная стоимость, после совершения 5 рейсов, уменьшается в 2 раза по сравнению с таким же одноразовым ЯРДом, а затем практически остается неизменной при увеличении количества рейсов.

Одним из параметров, который весьма влияет на массу доставляемого ПГ и, следовательно, на удельную стоимость доставки ПГ, является масса ЭМ. На рисунке 4 показана зависимость удельной стоимости доставки ПГ от массы ЭМ для одноразового РБ с ЯРД на воде. Как видно, уменьшение сухой массы ЯРД до 1 т или, что тоже самое, массы ЭМ до 2.4 т, не делает одноразовый РБ с ЯРД на воде экономически выгоднее РБ с ЖРД.

Иначе дело обстоит с многоразовым РБ с ЯРД на воде. На рисунке 5 представлена зависимость удельной стоимости доставки ПГ от количества рейсов при всех принятых данных из табл. 1 и 2, но при различных массах ЭМ.

Если сухая масса ЯРД составит ~1.5 т (соответственно масса ЭМ ~2.9 т), то многоразовый РБ станет экономически выгоднее РБ с ЖРД после осуществления определенного числа рейсов (чем меньше масса ЯРД, тем меньшее количество рейсов необходимо для достижения той же стоимости, что и у ЖРД).

Для одноразового ЯРД с водородом снижение массы ЭМ на 1 т приводит всего лишь к уменьшению удельной стоимости доставки ПГ с 18 280 $/кг до 16 500 $/кг (рис. 6).

Незначительное снижение удельной стоимости доставки ПГ при уменьшении массы ЭМ наблюдается и для многоразового ЯРД с водородом (рис. 7). Увеличение количества рейсов приводит к наибольшему снижению удельной стоимости.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

С помощью представленной в статье методики были оценены затраты на доставку ПГ на ГСО различными транспортными системами с различными параметрами для одноразового и многоразового РБ с ЯРД.

Из полученных результатов следует, что применение одноразовых РБ с ЯРД позволяет увеличить массу ПГ при выведении на ГСО в сравнении с РБ на ЖРД. По сравнению с применяемыми РБ на основе ЖРД, одноразовый РБ с ЯРД на водороде позволяет снизить удельную стоимость доставки ПГ почти в 2 раза практически при любой стоимости ЯРД. Использование многоразового ЯРД с водородом позволит еще в 2 раза снизить удельную стоимость при совершении не менее 5 рейсов.

Одноразовый РБ с ЯРД на воде по сравнению с РБ на основе ЖРД, становится выгодным при стоимости ЭМ менее 55 млн $. Масса многоразового ЯРД имеет решающее значение для его экономической эффективности. Поэтому для достижения экономической выгоды РБ с ЯРД на воде по сравнению с РБ на основе ЖРД необходимо снизить стоимость изготовления ЭМ для одноразовых РБ или уменьшить массу ЭМ (массу ЯРД) для многоразовых РБ.