Известия РАН. Энергетика, 2022, № 1, стр. 3-12

ВВЕДЕНИЕ

Использование в космосе ядерно-энергетических установок (ЯЭУ) как источников электроэнергии возможно по трем направлениям:

– в качестве бортового источника электроэнергии функциональной аппаратуры энергоемких космических аппаратов (КА);

– для электропитания электроракетных двигательных установок (ЭРДУ) космических транспортных аппаратов, называемых также межорбитальными буксирами (МБ);

– для обеспечения решения обеих перечисленных выше задач – транспортировки КА на энергоемкие рабочие орбиты и последующее длительное электропитание аппаратуры КА. Такие установки на основе двухрежимной ЯЭУ и ЭРДУ принято называть транспортно-энергетическими модулями (ТЭМ).

Применительно к использованию по первому направлению в нашей стране были разработаны космические ЯЭУ первого поколения: длительно и успешно эксплуатировавшаяся в космосе в составе разведывательных КА УС-А [1, 2] термоэлектрическая ЯЭУ “Бук” электрической мощностью 2.3 кВт [3], испытанная в космосе в составе КА “Плазма-А” [4] термоэмиссионная ЯЭУ “Топаз” полезной электрической мощностью 6 кВт [5], предназначенная для электропитания геостационарного КА непосредственного телевещания, и прошедшая наземные испытания термоэмиссионная ЯЭУ “Енисей” (“Топаз-2”) [6]. Для применения по первому направлению могут быть использованы и разрабатываемые по технологии “Топаз” ЯЭУ второго поколения с термоэмиссионным реактором-преобразователем (ТРП) электрической мощностью в несколько десятков киловатт [7]. К этому направлению могут быть отнесены и проекты лунных [8] и напланетных атомных электростанций мощностью в десятки и сотни киловатт [9].

Применительно ко второму направлению использования ЯЭУ рассматривается применение ядерных электроракетных транспортных аппаратов (ЭРТА) в качестве межорбитальных околоземных и многоразовых лунных буксиров [10–12]. Показана высокая эффективность ЭРТА на основе ЯЭУ с ТРП электрической мощностью в сотни и тысячи киловатт относительно традиционных средств космической транспортировки (разгонных блоков на основе жидкостных ракетных двигателей) [13].

Использование ЯЭУ в составе ТЭМ в современных условиях рассматривается как одна из первоочередных задач [14, 15]. Применительно к решению этой задачи в работах [10, 15] приведены характеристики разработанных проектов двухрежимных ЯЭУ на основе ТРП по технологии “Топаз” электрической мощностью до 50 кВт в режиме длительного до 6 лет электропитания функциональной аппаратуры КА с возможностью в течение до года работать в форсированном по электрической мощности примерно в 2 раза режиме для питания ЭРДУ. Предложены и другие варианты создания двухрежимных ЯЭУ на основе ТРП [16, 17].

Уровень электрической мощности транспортного и энергетического режимов ЯЭУ ТЭМ обычно различаются в 2–3 раза [18], в результате чего применительно к задаче питания аппаратуры КА масса ЯЭУ является переразмеренной. Поэтому мероприятия, направленные на снижение мощности транспортного режима при сохранении требований пониженной мощности и заданного ресурса энергетического режима, могут привести к снижению массы и стоимости ЯЭУ.

В настоящей работе выполнены исследования по влиянию типа и характеристик электроракетных двигателей (ЭРД) и ЭРДУ в целом на требуемую мощность транспортного режима и возможности за счет их целесообразного выбора понизить максимальный уровень мощности двухрежимной ЯЭУ.

УКРУПНЕННАЯ ЭНЕРГОМАССОВАЯ МОДЕЛЬ ТРАНСПОРТНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО МОДУЛЯ

Примем следующую массовую модель ТЭМ КА, транспортирующего полезную нагрузку. В состав ТЭМ входит ЯЭУ на основе ТРП, система преобразования тока (СПТ), конструкция (связывает все агрегаты), бортовая кабельная сеть (БКС) и ЭРДУ, которая включает блок ЭРД и систему хранения и подачи рабочего тела (СХПТР), заправленную рабочим телом.

В этом случае массовое уравнение ТЭМ КА запишется в виде

В (1) введены следующие модельные зависимости составляющих масс ТЭМ КА.

ЯЭУ на основе ТРП

где γ_ЯЭУ – удельная масса ЯЭУ, [кг/кВт]; N_ЯЭУ – ее электрическая мощность.

Системы преобразования тока – СПТ

где γ_СПТ – удельная масса СПТ; N_СПТ – электрическая мощность СПТ, связанная с электрической мощностью ЯЭУ соотношением где η_СПТ – КПД БКС на участках ТРП – СПТ и СПТ – ЭРДУ.

Блока ЭРД (включая блок питания и управления):

где γ_ЭРД – удельная масса блока ЭРД; N_ЭРД – электрическая мощность блока ЭРД, определяемая как

Бортовой кабельной сети

где γ_БКС – удельная масса кабельной сети.

СХПРТ как доли φ (φ = 0.1–0.3 [19, 20]) от массы рабочего тела М_рт

Конструкции КА

где α_кон. – массовая доля конструкции, связанная с ЯЭУ и блоком ЭРД; α_кон.1 – массовая доля конструкции, связанная с массой и объемом РТ в СХПРТ.

В результате получим следующее массовое уравнение КА

Массу рабочего тела можно определить по формуле Мещерского [19, 20]

где ΔV_КА – характеристическая скорость перелета; I_уд – скорость истечения рабочего тела из ЭРД.

Вместе с тем масса рабочего тела, электрическая мощность ЭРД и скорость истечения связаны соотношением

где t_p – время работы ЭРДУ; m – расход рабочего тела.

Таким образом, можно связать электрическую мощность ЯЭУ с массой рабочего тела на перелет

В результате масса ТЭМ КА запишется в виде

или:

В свою очередь удельная масса ЯЭУ по данным [13] зависит от ее электрической мощности N_ЯЭУ по формуле

Причем в вышеприведенной формуле электрическую мощность N_ЯЭУ подставляем в (Вт).

Таким образом, выражение (14) примет вид

Следовательно, сравнение вариантов можно провести по функционалу (16), используя величины N_ЯЭУ и I_уд. Первый параметр функционала влияет на массу энергоисточника и преобразователя энергии, а второй – на массу запасенного рабочего тела. Величина скорости истечения из ЭРДУ и требуемая электрическая мощность рассчитывались для каждого из вариантов. Используя эти условия, оценим величину электрической и тепловой мощности ЯЭУ, необходимую для совершения транспортной операции КА.

Сравнение вариантов ТЭМ по массе проведем при следующих условиях:

– одинаковая сила тяги ЭРД Р_т;

– одинаковые характеристики агрегатов ТЭМ в обоих вариантах – удельная бортовой кабельной сети (γ_БКС) и системы преобразования тока (γ_СПТ);

– одинаковые массовые доли конструкции КА для его ТЭМ (α_кон., α_кон.1);

– одинаковые КПД агрегатов ТЭМ – η_СПТ, η_БКС;

– одинаковое время перелета – t_p.

С целью поиска минимума массы М_ТЭМ проведено исследование выражения (16) для вариантов:

– ТЭМ с ТРП и блок ЭРД на базе электростатических стационарных плазменных двигателей (СПД);

– ТЭМ с ТРП и ЭДПТ (ЭРД с дополнительным подводом тепла [22]).

Величина КПД современных ЭРДУ с электростатическими двигателями [23–25 ] составляет η_ЭРД = 0.5–0.6, массовый коэффициент СХПРТ для ксенона ${{{{\varphi }}}_{{{\text{СХПРТ}}.~Хе}}}$ = 0.3. Воспользуемся наиболее передовыми результатами разработки электростатических двигателей в РФ [25 ] . Авторы приводят линейку разработанных моделей двигателей СПД и ионных двигателей (ИД). В ИЦ им. М.В. Келдыша разработан эскизный проект двигателя ИД-МВ, который планируется использовать в качестве основы при создании ЭРДУ мегаваттного класса. Двигатель будет иметь номинальную мощность 32 кВт при тяге 725 мН и скорости истечения до 70 км/с [25 ] .

Мощность струи N_струи рабочего тела из ЭРД связана с его электрической мощностью соотношением

Выходная электрическая мощность ТРП (необходимая для перелета) определится с учетом КПД передающих агрегатов как

КПД БКС в квадрате, так как два участка шин в ТЭМ: ТРП – СПТ и СПТ – ЭРДУ.

Таким образом, массовое уравнение ТЭМ запишется как

Для расчетного сравнения введем общие одинаковые данные для обоих вариантов построения ТЭМ: Р_т = 1 Н; η_СПТ = 0.95; η_БКС = 0.98; t_p = 180 сут; α_кон. = 0.1; α_кон.1 = 0.1; γ_БКС = 0.001 кг/кВт; γ_ЭРД = 0.001 кг/кВт; γ_СПТ = 0.002 кг/кВт.

Величина скорости истечения из ЭРД электростатического типа лежит в диапазоне 15–40 км/с, что характерно для современных серийных двигателей типа СПД или ионных двигателей [23].

РЕЗУЛЬТАТЫ МАССОВОГО АНАЛИЗА ВАРИАНТОВ ТЭМ (ЯЭУ С ЭРД ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ТИПА НА КСЕНОНЕ И ЯЭУ С ЭДПТ НА АММИАКЕ)

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработана укрупненная массовая модель КА для транспортировки полезных нагрузок на орбиты для ТЭМ на основе термоэмиссионной ТРП ЯЭУ и ЭРД (в двух вариантах построения – на электростатических двигателях типа СПД, работающих на ксеноне, и на электротермических двигателях с дополнительным подводом тепла – ЭДПТ, работающих на аммиаке).

2. Проведено сравнение массовых характеристик двух вариантов использования ЭРД в ТЭМ для задачи межорбитальной транспортировки при равных: тяге ЭРД и времени перелета (тяга задана 1 Н).

3. Показано, что вариант использования ЭРД на основе ЭДПТ с аммиаком в качестве рабочего тела позволяет использовать в ТЭМ ЯЭУ меньшей мощности, что улучшает массогабаритные характеристики КА.

4. Анализ полученных результатов показывает, что целесообразно в комплексе оптимизировать массу всех агрегатов ТЭМ с учетом типа ЭРД и рабочего тела.

5. Вариант КА с ТЭМ (ЯЭУ на основе ТРП первого–второго поколения по технологии “Топаз” электрической мощностью 15–20 кВт и ЭДПТ на аммиаке) по массогабаритным характеристикам может выводится с помощью РН среднего класса типа “Союз-2” на опорные радиационно-безопасные орбиты, с которых будет осуществляться транспортировка с помощью ТЭМ на более высокие рабочие орбиты.