CC BY
115
Секция «Проектирование и производство летательньк аппаратов»
УДК 629.78
И. И. Соловьёв Научный руководитель - М. Д. Евтифьев Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОПРОСА ПРИМЕНЕНИЯ КОСМИЧЕСКИХ РАЗГОННЫХ БЛОКОВ С ДВИГАТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКОЙ РАБОТАЮЩЕЙ НА КОМПОНЕНТАХ ТОПЛИВА: ОКИСЛИТЕЛЬ - ЖИДКИЙ КИСЛОРОД, ГОРЮЧЕЕ - СЖИЖЕННЫЙ ПРИРОДНЫЙ ГАЗ
По открытым материалам производится анализ космических разгонных блоков всех стран, выводящих на геостационарную орбиту космические аппараты, а так же приводится результат исследования возможности применения для этих целей разгонных блоков с двигательной установкой, работающей на жидком кислороде и сжиженном природном газе. Из сравнения технических характеристик существующих различных блоков с предполагаемым блоком, делается вывод о реальности этого варианта.
В настоящее время существует множество разгонных блоков (РБ), работающих на различных компонентах топлива. Среди всех используемых наиболее распространены следующие топливные пары - «азотный тетроксид (АТ) + несимметричный демитилгид-разин (НДМГ)», «жидкий кислород + керосин», «жидкий кислород + жидкий водород». Эти пары топ-лив имеют недостатки, которых нет у сжиженного природного газа (СПГ) в связи с этим есть потребность в рассмотрении вопроса об использовании пары «жидкий кислород + СПГ» в ракетно-космической технике и в частности на разгонных блоках.
В результате рассмотрения физико-химических свойств топлив был сделан вывод, что СПГ может использоваться в качестве ракетного топлива для жидкостного ракетного двигателя (ЖРД) РБ. По энергетическим показателям в частности, по удельной тяге топливная пара «кислород + СПГ» обеспечивает существенно лучшую удельную тягу, чем «кислород + керосин» и «АТ+НДМГ», но меньшую чем «кислород + водород». Плотность СПГ почти в 6 раз больше плотности водорода, но меньше чем у НДМГ в 1,88 раз и меньше чем у керосина в 1,95 раз. При этом стоимость у СПГ ниже стоимости керосина [1].
Кроме того, СПГ является экологически чистым компонентом и имеет неограниченную сырьевую базу. Охлаждающая способность сжиженного природного газа почти в 3 раза лучше охлаждающей способности керосина и НДМГ. На основании этих преимуществ упрощается отработка ЖРД с СПГ.
Для отработки ЖРД на топливной паре кислород -СПГ имеется производственная и экспериментальная база. Технология изготовления ЖРД с СПГ ничем не отличается от технологии изготовления ЖРД на кислороде-керосине, не требуется никакого специального оборудования. Квалификация кадров производственников и технологов изготовителей ЖРД на кислороде-керосине соответствуют требованиям изготовления ЖРД на кислороде - СПГ. При этом требования при изготовлении ЖРД на кислороде - СПГ могут быть менее строгими из-за менее напряженных параметров двигателя [1].
Из предложения создания РБ, использующего СПГ видно, что его применение обеспечит нашей стране целый ряд преимуществ по выведению полезных грузов на геостационарную орбиту.
Был произведен анализ эксплуатируемых в настоящее время разгонных блоков [2; 3]. В результате было отмечено, что по основным энергетическим характеристикам РБ с СПГ выглядит более привлекательным, чем РБ с НДМГ и с керосином, но уступает РБ с жидким водородом по удельному импульсу [2; 3]. Однако стоимость производства жидкого водорода намного выше, чем СПГ. Так же был произведен выбор ЖРД с СПГ создаваемых в отечественных конструкторских бюро (КБ) в частности КБ «Химавтомати-ка». По результатам этого выбора произведен сравнительный технический анализ выбранного ЖРД с наиболее часто применяемыми на разгонных блоках ЖРД и были построены диаграммы. Одна из таких диаграмм приведена на рисунке (удельный импульс соответствующей двигательной установки).
Сравнение удельных импульсов, существующих ДУ РБ с ДУ, предлагаемого РБ, работающего на СПГ
Далее были проанализированы РБ с двигателями, которые рассматривались в диаграммах. Из этого анализа делается вывод, что предлагаемый РБ на СПГ может конкурировать по энергетическим показателям с ныне существующими разгонными блоками на компонентах АТ+НДМГ, кислород + керосин и кислород + водород и выполнять те же функции. При этом выведение космических аппаратов на ГСО с помощью предлагаемого РБ будет гораздо выгодней с экономической точки зрения, потому что имеется огромный запас СПГ на Земле, а стоимость этого компонента ниже чем у ныне находящихся в эксплуатации.
Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2014. Технические науки
Известно, что получение жидкого водорода требует большой энергии, керосин, используемый на сегодняшний день, является смешением композиций, которые добываются из нескольких скважин, а СПГ добывают из скважин и делают жидким. При чем эксплуатация СПГ не будет такой опасной как НДМГ.
Библиографические ссылки
1. Химмотология ракетных и реактивных топлив / А. А. Братков, Е. П. Серегин, А. Ф. Гуренков и др. / под ред. А. А. Браткова. М. : Химия, 1987. 304 с.
2. Современные отечественные ракеты-носители. Ракетно-космическая техника : учеб. пособие / М. Д. Ев-тифьев, Л. А. Ковригин, В. В. Кольга, Л. Н. Лебедева, В. В. Филатов; СибГАУ. Красноярск, 2005. 144 с.
3. Современные ракеты-носители зарубежных стран. Ракетно-космическая техника : учеб. пособие / М. Д. Евтифьев, Л. А. Ковригин, В. В. Кольга, Л. Н. Лебедева, В. В. Филатов; СибГАУ. Красноярск, 2010. 276 с.
© Соловьёв И. И., 2014
УДК 629.78
В. В. Тимофеев Научный руководитель - М. Д. Евтифьев Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОПРОСА РАЗРАБОТКИ КОСМИЧЕСКОГО МУСОРЩИКА НА БАЗЕ ЭКСПЛУАТИРУЕМЫХ ОТЕЧЕСТВЕННЫХ РАЗГОННЫХ БЛОКОВ
По открытым материалам производится анализ загрязнения околоземного космического пространства мусором и возможностей разработки космического мусорщика на базе отечественных разгонных блоков.
Космическим мусором (КМ) являются искусственные объекты и их фрагменты в космосе, которые уже неисправны, не функционируют и никогда более не смогут служить никаким полезным целям [1].
За последние 57 лет на разные орбиты вокруг земли было выведено огромное число разных космических объектов (КО), в результате этого образовалось большое количество КМ, который оказывает существенное влияние на безопасность вновь запускаемых КО и находящихся в эксплуатации космических аппаратов (КА), поэтому очистка космического пространства в настоящее время является актуальной темой.
В общем, на орбитах вокруг Земли вращаются: около 22 % объектов, которые прекратили свое функционирование (отработанные КА), 17 % - отработанные верхние ступени и разгонные блоки ракет-носителей (РН) и около 55 % - отходы, технологические элементы, сопутствующие запускам, и обломки взрывов и фрагментации. С каждым годом эта статистика меняется [1].
Отработавшие КА и РН, особенно на высоких орбитах, сильно увеличивают долгосрочный потенциал будущих столкновений, поэтому с ними надо бороться в первую очередь.
Необходимость мер по уменьшению интенсивности техногенного засорения космоса становится понятной при рассмотрении возможных сценариев освоения космического пространства в будущем. Существуют оценки, так называемый «каскадный эффект», который в среднесрочной перспективе может возникнуть от взаимного столкновения объектов и частиц КМ. Самыми проблемными являются низкие околоземных орбиты (НОО) и геостационарные орбиты (ГСО). Ученые предполагают, что после 2055 г. процесс саморазмножения остатков космической деятельности человечества станет серьёзной проблемой [1].
Для решения проблемы мусора предлагаются проекты КА для сбора мусора на всех орбитах. В данном докладе рассматривается направление по разработке сборщика мусора на ГСО, где в основном работают КА связи, являющиеся востребованными и имеющими большие массогабаритные параметры. На этой орбите представляют наибольшую опасность большие объекты, к которым относятся отработавшие КА и разгонные блоки (РБ). Они являются основной причиной наиболее увеличивающей число КМ при их деградации.
В качестве наиболее простой и надежной основы для космического сборщика мусора (КСМ) на ГСО можно предложить эксплуатируемые отечественные РБ, которые имеют существенные положительные преимущества перед другими вариантами (например: разработка специального КА-мусорщика и т. д.): отработаны, обладают большой надежностью, не требуют значительных изменений в конструкциях, меньшие временные и финансовые затраты на разработку и введения в эксплуатацию.
Наиболее важными параметрами при выборе РБ являются: количество включений двигательной установки (ДУ), ресурс ДУ, суммарный импульс ДУ, время функционирования, запас топлива.
Из экономических, политических и стратегических соображений были выбраны российские РБ [2].
По диаграммам (см. рисунок) видно, что наибольшее число включений маршевой ДУ у РБ «Икара» на втором месте РБ «Фрегат».
Но для космического мусорщика по ряду технических параметров больше подходит РБ «Фрегат» так как потенциально может функционировать 48 ч, компактно скомпонован под головным обтекателем, что позволяет легко увеличить запас топлива (дополнительные топливные баки) и установить устройство сбора мусора.
