CC BY
117УДК 629.78.064.036:621.039:620.9
ПЕРСПЕКТИВЫ И ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ КОСМИЧЕСКИХ ЯДЕРНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК И ЯДЕРНЫХ ЭЛЕКТРОРАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК
© 2013 г. Легостаев В.П., Лопота В.А., Синявский В.В.
ОАО «Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева» (РКК «Энергия») Ул. Ленина, 4А, г. Королев, Московская область, Россия, 141070, e-mail: post@rsce.ru
Приведены результаты выполненных РКК «Энергия» концептуально-проектных исследований по возможным областям и эффективности использования космических средств на базе ядерных источников электроэнергии мощностью сотни и тысячи киловатт и электроракетных двигательных установок. Рассмотрены космические аппараты и комплексы: связи и наблюдения, для очистки космоса от техногенного засорения, защиты Земли от астероидной опасности; планетные электростанции; многоразовые буксиры в программе освоения Луны и обеспечения полета на Марс.
Ключевые слова: ядерно-энергетическая установка, электроракетная двигательная установка, космический аппарат связи, астероидная опасность, планетная электростанция, многоразовый буксир, освоение Луны, полет на Марс.
PROSPECTS FOR AND EFFICIENCY IN APPLICATION OF SPACE NUCLEAR POWER PLANTS AND NUCLEAR ELECTROROCKET
PROPULSION SYSTEMS Legostaev V.P., Lopota V.A., Sinyavsky V.V.
S.P. Korolev Rocket and Space ^rporation Energia (RSC Energia) 4A Lenin Street, Korolev, Moscow region, 141070, Russia, e-mail: post@rsce.ru
Presented are the results of RSC Energia — made conceptual design studies on potential applications and efficient use of space systems based upon nuclear electric power sources of hundreds and thousands of kilowatts and electrorocket propulsion systems. Examined are spacecraft and communication and observation systems; systems of debris removal from space, Earth protection against asteroid hazards; planetary power stations; reusable transfer vehicles under the program of Moon exploration and Martian mission.
Key words: nuclear power plant, electrorocket propulsion system, communication spacecraft, asteroid hazard, planetary power station, reusable transfer vehicle, Moon exploration, Martian mission.
ЛЕГОСТАЕВ Виктор Павлович — первый заместитель генерального конструктора по научной работе РКК «Энергия», академик РАН, e-mail: viktor.legostaev@rsce.ru
LEGOSTAEV Viktor Pavlovich — First Deputy General Designer in charge of research work at RSC Energia, RAS academician
ЛЕГОСТАЕВ В.П.
ЛОПОТА Виталий Александрович — президент, генеральный конструктор РКК «Энергия», член-корреспондент РАН, e-mail: vitaly.lopota@rsce.ru
LOPOTA Vitaly Alexandrovich — RSC Energia President, General Designer, RAS corresponding member
ЛОПОТА В.А.
СИНЯВСКИЙ Виктор Васильевич — научный консультант РКК «Энергия», дтн, профессор, e-mail: viktor.sinyavsky@rsce.ru
SINYAVSKY Viktor Vasilievich — Scientific Advisor to RSC Energia, Doctor of Science (Engineering), Professor
СИНЯВСКИЙ В.В.
Одной из возможностей для России укрепить позиции на быстрорастущем высокотехнологичном рынке космических услуг является использование космической ядерной энергетики и электроракетных двигательных установок (ЭРДУ).
Наша страна была и остается мировым лидером в области космической ядерной энергетики. Специалисты ряда предприятий ракетно-космической и атомной отраслей имеют опыт создания, запуска в космос, обеспечения эксплуатации в космосе и вывода из эксплуатации космических аппаратов (КА) с ядерным источником электроэнергии, соблюдения ядерной и радиационной безопасности на всем жизненном цикле ядерно-энергетических установок (ЯЭУ) с прямым преобразованием тепловой энергии в электрическую.
В 1970-1988 годах запускались в космос и успешно эксплуатировались КА наблюдения «УС-А» с термоэлектрической ЯЭУ «Бук» электрической мощностью до 3 кВт [1]. В 1987-1988 годах два КА «Плазма-А» с термоэмиссионной ЯЭУ «Топаз» мощностью 5 кВт [1, 2] прошли летно-космические испытания, во время которых впервые было осуществлено питание электроракетных двигателей (ЭРД) от ядерного источника энергии. Выполнен комплекс наземных ядерно-энергетических испытаний термоэмиссионной ЯЭУ «Енисей» мощностью 5 кВт [3]. На основе этих технологий разработаны проекты термоэмиссионных ЯЭУ мощностью 25...100 кВт [4].
РКК «Энергия» с кооперацией в 70-80-е годы прошлого столетия создан большой научно-технический задел по ядерной электроракетной двигательной установке (ЯЭРДУ) с термоэмиссионной ЯЭУ мощностью несколько сотен киловатт [5] и ЭРД единичной мощностью десятки и сотни киловатт [6] для межорбитального буксира (МБ) «Геркулес» [7]. Один из вариантов такого МБ представлен на рис. 1.
Рис. 1. Многоразовый межорбитальный буксир (ММБ) для доставки грузов на геостационарную орбиту (ГСО), орбиты Луны и Марса: 1 — термоэмиссионная ЯЭУ мощностью от 150 кВт до 1 МВт; 2 — ферменная конструкция раздвижения ЯЭУ и ЭРДУ; 3 — приборный отсек; 4 — антенна системы связи; 5 — контейнер с полезным грузом (ПГ); 6 — электроракетная двигательная установка на основе ЭРД мощностью 25...50 кВт
Проектные параметры МБ «Геркулес»:
• полезная электрическая мощность ЯЭУ — 550 кВт;
• удельный импульс ЭРДУ — 30 км/с;
• тяга ЭРДУ — 26 Н;
• ресурс ЯЭУ и ЭРДУ — 16 000 ч;
• рабочее тело ЭРДУ — ксенон;
• масса (сухая) буксира — 14,5...15,7 т, в том числе ЯЭУ — 6,9 т.
В октябре 2009 года на заседании Комиссии при Президенте РФ по модернизации и технологическому развитию экономики России был официально утвержден новый российский проект «Создание транспортно-энергетичес-кого модуля на основе ядерной энергодвигательной установки мегаваттного класса». Головными разработчиками являются: реакторной установки — ОАО «НИКИЭТ»; ЯЭУ с газотурбинной схемой преобразования энергии, ЭРДУ на основе ионных ЭРД и ЯЭРДУ в целом — ГНЦ «Исследовательский центр им. М.В. Келдыша», который является также ответственной организацией по программе разработки транспортно-энергетического модуля (ТЭМ) в целом (рис. 2). РКК «Энергия» в качестве генерального конструктора ТЭМ должна разработать автоматический КА с этим ТЭМ.
Рис. 2. Транспортно-энергетический модуль мегаватт-ной мощности на основе ЯЭУ с газотурбинной установкой:
1 — реакторная установка; 2 — капельный холодильник-излучатель; 3 — приборно-агрегатный отсек; 4 — блок электроракетных двигателей; 5 — контейнер с ПГ
Предполагаемые характеристики газотурбинной ЯЭРДУ следующие [8]. В качестве реактора используется газоохлаждаемый реактор на быстрых нейтронах, температура рабочего тела (смесь Не-Хе) перед турбиной 1 500 К, КПД преобразования тепловой энергии в электрическую 35%, тип холодильника-излучателя — капельный. Масса энергоблока (реактор, радиационная защита и система преобразования, но без холодильника-излучателя) — 6 800 кг.
Космические ЯЭУ или ЯЭУ совместно с ЭРДУ могут быть использованы:
• в качестве источников электроэнергии для энергоемких КА и комплексов;
• в составе перспективных космических транспортных средств, в том числе многоразовых, на основе ЭРДУ, питаемых от бортовой ЯЭУ;
• для решения первых двух задач в ТЭМ по обеспечению электроракетной доставки тяжелых КА на рабочие орбиты и последующее длительное энергоснабжение их функциональной аппаратуры.
Перечень задач определяет диапазон электрических мощностей ЯЭУ, требуемый ресурс, а также в ряде случаев накладывает ограничение на удельную массу установки (отношение массы ЯЭУ к ее электрической мощности). Помимо указанных параметров, в связи с ограничениями, накладываемыми технологической базой, существующими и разрабатываемыми ракетами-носителями (РН), динамикой КА, наземной испытательной базой, требованиями безопасности, экономическими факторами и др., при выборе облика ЯЭУ и ЯЭРДУ должен учитываться целый комплекс характеристик: удельная масса, габариты, ресурс, надежность, степень технической готовности, стоимость и сроки разработки, потенциал развития, возможность повторного запуска и регулирования мощности, параметры тока, совместимость ЯЭУ с различными типами ЭРД и др.
В статье рассмотрены результаты проектных и концептуальных разработок РКК «Энергия» по возможности использования ЯЭУ и ЯЭРДУ субмегаваттного и мегаваттного классов в перспективных КА и комплексах нового поколения, способных более эффективно решить широкий спектр энергоемких задач в освоении околоземного космоса и межпланетных миссиях.
Тяжелые телекоммуникационные аппараты глобальной космической связи
РКК «Энергия» были выполнены исследования и проектные разработки системы глобальной космической связи экономически конкурентоспособной с дешевой сотовой связью, что предполагалось достичь переносом «телефонной станции» с Земли в космос [9]. Целесообразность разработки была вызвана также такими обстоятельствами, как практически полное заполнение ГСО работающими и пассивными КА, исчерпание частотного ресурса, положительный опыт создания и коммерческого использования информационных геостационарных КА серии «Ямал», при создании платформы которых новые технические решения составили 95%, что и позволило таким КА стать конкурентоспособными на мировом рынке космических услуг [10]. С учетом быстрого морального старения функциональной аппаратуры таких КА для обеспечения конкурентоспособности на мировом рынке телекоммуникационных услуг предполагалась
замена модулей с технологическим связным оборудованием или всего КА примерно каждые семь лет. Это требование позволяло ввести этап-ность создания системы из 3-4 тяжелых многофункциональных КА на ГСО с увеличением потребляемой ими электрической мощности. Были спроектированы КА на основе солнечных батарей мощностью 30...80 кВт. На следующем этапе в качестве источника электроэнергии планировалось использовать космическую двухре-жимную термоэмиссионную ЯЭУ мощностью 400 кВт с ресурсом до одного года в транспортном режиме (для доставки базового модуля на ГСО) и 150.180 кВт в режиме длительного функционирования (не менее 10-15 лет) для электроснабжения аппаратуры информационного КА суммарной массой на ГСО до 20 т.
Мировой рынок коммерческих телекоммуникационных космических услуг в 2010 году оценивался примерно в 300 миллиардов долларов, причем доля России в коммерческих услугах составляла около 0,5%. Создание рассматриваемой глобальной системы с использованием ЯЭУ могло бы существенно увеличить эту долю.
Высокоорбитальный КА для круглосуточного всепогодного наблюдения Земли
Ядерная энергетика может позволить обеспечить всепогодное круглосуточное оперативное высокодетальное радиолокационное наблюдение обширных районов земной поверхности, в том числе и в коммерческих целях [11]. Несомненно, область применения радиолокационных методов зондирования в ближайшей перспективе будет неуклонно расширяться, что обусловлено их уникальными свойствами:
• независимостью наблюдения от погодных условий и освещения;
• сверхчувствительностью к неровностям поверхности (рельефу местности, конфигурации растительного покрова, океаническим волнам и т.п.);
• чувствительностью к содержанию воды в земном покрове (сельскохозяйственных культурах, почве, снегах и т.п.);
• возможностью подповерхностного зондирования (поиска линз подземных вод, обнаружения очагов подземных пожаров, определения профилей влажности почв и т.п.).
Основным достоинством радиолокационных методов является независимость наблюдения от метеоусловий и освещенности, которая важна для различных оперативных целей. Поэтому первое применение ЯЭУ было в составе советского низколетящего радиолокационного КА «УС-А» морской разведки с термоэлектрической ЯЭУ «Бук», которые с 1970 по 1988 годы
запускались с космодрома Байконур на орбиты, близкие к круговым, наклонением 65° и высотой 250.370 км [12]. Запуски таких КА решили чрезвычайно важную в то время стратегическую задачу — обеспечили контроль за кораблями и авианесущими флотилиями в акватории Мирового океана.
Ряд социально-экономических, научных и коммерческих задач могут быть решены только с помощью оперативного получения информации, и внедрение радиолокационных систем может стать единственно приемлемым их решением [11].
Разработка радиолокаторов с синтезированной апертурой позволяет получать радиолокационные изображения с высоким разрешением при использовании антенн относительно небольших размеров. С помощью космических средств это может обеспечить решение следующих задач:
• наблюдение районов для контроля строительства сооружений, состояния транспортных магистралей, перемещения техники и т.п.;
• наблюдение за надводной обстановкой в морских акваториях, в районах портов, включая зоны морского пиратства, обнаружение и распознавание надводных кораблей, в том числе для выявления и документирования морского браконьерства;
• оперативное картографирование труднодоступных районов, уточнение и обновление топографических карт.
Среди научных, социально-экономических и коммерческих задач, эффективно решаемых применением радиолокаторов с синтезированной апертурой, можно выделить:
• картографирование районов в интересах геологии, экологии, сельского и лесного хозяйств, землепользования, архитектуры, дорожного строительства;
• наблюдение районов стихийных бедствий, экологических катастроф, террористических актов;
• контроль ледовой обстановки в интересах судовождения;
• исследование океанических процессов, влияющих на жизнедеятельность человека (приливы, штормовые нагоны, загрязнения и т.п.);
• контроль зон рыболовства;
• контроль состояния оросительных каналов, нефте- и газопроводов, линий электропередач с целью выявления мест аварий и повреждений, несанкционированного подключения.
Платформа с ЯЭУ электрической мощностью 50.500 кВт в составе высокоорбитального многофункционального КА с мощным радиолокатором на борту сможет помочь в решении этих задач.
Очистка геостационарной орбиты от отработавших КА и других объектов
Использование многоразового межорбитального буксира может быть решением проблемы очистки космоса, прежде всего ГСО, от отработавших пассивных К А [13]. Учитывая дефицитность и дороговизну (20-50 миллионов долларов) точек, где могут быть расположены новые телекоммуникационные КА, очистка ГСО от отработавших КА представляется выгодной коммерческой задачей.
На основе флота из двух десятков ММБ электрической мощностью 150...200 кВт трех модификаций может быть создана система очистки ГСО от отработавших КА и других крупных объектов космического «мусора», которых сейчас насчитывается более 1 200. Эти объекты в подавляющем большинстве занимают орбиты высотой 35 430.36 630 км. Характерный размер пассивных КА составляет 2.3 м, а среднее значение массы — 2,5 т.
Наличие универсального энергодвигательного «шасси» и возможность «навесить» на него различное оборудование позволяют говорить о возможности создания на основе ММБ целой серии КА транспортного и транспортно-энергетического назначений. На базе ММБ первой модификации можно создать:
• космический заправщик для заправки рабочим телом (например, ксеноном) ЭРДУ поддержания орбиты тяжелых информационных КА для увеличения ресурса их работы;
• космический ремонтник для доставки и последующей замены вышедших из строя или морально устаревших функциональных модулей дорогих информационных КА;
• космический монтажник для построения тяжелых КА из доставляемых на ГСО служебных и функциональных модулей с последующей их сборкой;
• транспортное средство для перемещения КА из одной точки ГСО в другую.
ММБ второй модификации может быть использован как электроракетный буксир для доставки КА или других полезных грузов в принципе на любые орбиты и для транспортировки КА с одной орбиты на другую.
Третья модификация ММБ может быть использована для снятия с орбиты, например ГСО, аварийного дорогого или уникального КА и доставки его на орбиту, например близкую к орбите МКС, с целью выяснения причин неработоспособности, ремонта и последующего возвращения на рабочую орбиту. Близкой к этой задаче является необходимость снятия КА с орбиты после выработки ресурса или прекращения его функционирования по другим причинам.
Очистка околоземного космоса от мелкого «мусора»
В начале первого десятилетия настоящего века РКК «Энергия» предложена концепция очистки космоса от мелкого «мусора» размером 0,1. 10 мм с помощью маневрирующего КА с ЯЭРДУ мощностью 150 кВт и питаемой от нее лазерной системы, обеспечивающей дистанционную передачу энергии испаряемой частице на расстояние до 10 км [14]. В состав КА входит ЯЭУ электрической мощностью 150 кВт и ресурсом до 10 лет; ЭРДУ на основе ЭРД единичной мощностью 25.50 кВт для обеспечения барражирования КА в диапазоне высот 800. 2 000 км; радиолокатор миллиметрового диапазона для первичного обнаружения микрочастиц на дальности до 100 км и их классификации; лазерный локатор для точного наведения выходящего луча силового лазера; силовой лазер на парах металлов с КПД до 30% и повышенной температурой отвода непре-образованного тепла; система управления с системой наведения (рис. 3). При дальности 3 км возможно обеспечение плотности мощности на поверхности частицы 1012 Вт/см2. При этом для испарения алюминиевой частицы диаметром 3 мм потребуется полная энергия, равная 1,5-105 Дж.
В 1 1
-
/
т / С
6
Рис. 3. Схема маневрирующего КА с лазерной системой для очистки космоса на высотах 800...2 000 км от мелкого «мусора»: А — ЯЭУ; В - силовой лазер; С — блок управления и энергоснабжения силовых систем; Б — ЭРДУ; Е — блок систем управления КА и наведения; 1 — термоэмиссионный реактор; 2 — холодильник-излучатель ЯЭУ; 3 — термостат резонатора; 4 — резонатор; 5 — выводящая оптическая система; 6 — выходящий луч; 7 — антенна радара
Для полной очистки космоса от мелких частиц на высотах 800.2 000 км потребуется несколько таких КА с суммарным временем функционирования до 10 лет.
Рассматриваемая задача не может быть решена при отсутствии мощного источника электроэнергии на борту. Поэтому использование ЯЭУ для двух целей: питания энергоемкой аппаратуры КА и мощной ЭРДУ — делает такую систему высокоэффективной.
Эффективность работы КА может быть повышена при использовании накопителей электроэнергии.
С целью повышения КПД и снижения массы и габаритов системы была рассмотрена возможность использования для этой цели термоэмиссионной ЯЭУ, в которую встроены лазерные (с ядерной накачкой) кюветы с рабочим телом СО2-М2-Не.
Космическое захоронение особо опасных радиоактивных отходов
Космическое захоронение особо опасных радиоактивных отходов (ООО) наземной атомной энергетики и атомной промышленности (мировой объем составляет примерно 20 т/год) рассматривалось в связи с тем, что отсутствует простое решение проблемы их изоляции на Земле. Космическое захоронение представляет собой вывод специального контейнера с ООО на выбранную траекторию за пределами сферы тяготения нашей планеты, например, гелиоцентрическую орбиту радиусом 1,05 а.е.
В середине 90-х годов РКК «Энергия» были проработаны различные схемы космического захоронения и соответствующие космические комплексы [15]. Показано, что ЯЭРДУ по сравнению с разгонным блоком (РБ) на основе жидкостного ракетного двигателя (ЖРД) обладает большей эффективностью из-за снижения не менее чем в два раза числа пусков РН для доставки одного и того же полезного груза на заданную орбиту. Дополнительным преимуществом применения ЯЭРДУ является исключение возврата контейнера с ООО на Землю из-за ошибочного импульса двигателя большой тяги, а также возможность электропитания системы обеспечения теплового режима контейнера с ООО, которые имеют высокое значение тепловыделения.
ЯЭРДУ в системе защиты Земли от астероидно-кометной опасности
Выполненные РКК «Энергия» в конце 90-х годов прошлого века проектные исследования показали, что в создании системы защиты Земли
от столкновений с опасными космическими объектами (астероидами и ядрами комет) рассматриваемые ЯЭУ и ЯЭРДУ могут быть использованы для решения следующих задач.
1. Создание системы мониторинга траекторий астероидов и комет, пересекающих орбиту Земли, путем расстановки специальных КА на этой орбите, оснащенных оптической и радиолокационной аппаратурой для обнаружения опасных объектов, вычисления параметров их траекторий и первичного исследования их характеристик. Система может быть создана на основе ЯЭРДУ с двухрежим-ной термоэмиссионной ЯЭУ мощностью от 150 кВт в транспортном режиме и питанием аппаратуры КА мощностью 20 кВт, причем ее ресурс должен быть не менее 10 лет.
2. Испытание средств воздействия (взрыв термоядерного устройства) на выбранном в качестве испытательного полигона безопасном астероиде. Мощность ЯЭРДУ для доставки испытательного устройства к астероиду-полигону зависит от массы доставляемого полезного груза. Однако учитывая отсутствие ограничения времени доставки, ЯЭРДУ мощностью 150.500 кВт может обеспечить доставку к астероиду экспериментального взрывного устройства и последующую трансляцию результатов на Землю.
3. Доставка штатных средств воздействия (перехватчика суммарной массой 15...50 т) к приближающемуся к Земле опасному объекту. Потребуется ЯЭРДУ мощностью 1...10 МВт для доставки к опасному астероиду термоядерного заряда, поверхностный взрыв которого за счет реактивной струи материала астероида сможет отклонить его от опасной траектории (рис. 4).
Рис. 4. Схема изменения орбиты опасного астероида за счет взрыва термоядерного устройства на его поверхности:
1 — астероид до воздействия; 2 — космический перехватчик; 3 — термоядерный взрыв; 4 — траектория астероида к Земле до воздействия; 5 — Земля; 6 — астероид после воздействия; 7 — траектория астероида после воздействия
Доставка исследовательского оборудования в дальний космос
Доставка научного оборудования к космическим объектам (дальним планетам, периодическим кометам, астероидам) может осуществляться с использованием космических ступеней на основе ЖРД. Применение ЯЭРДУ в составе исследовательского КА целесообразно, когда ставится задача выхода на орбиту спутника небесного тела, прямого контакта с небесным телом, отбора проб веществ и прочих исследований, требующих увеличения массы исследовательского комплекса, включения в него посадочной и взлетной ступеней и т.д.
Важным преимуществом использования ЯЭРДУ в составе исследовательского КА является расширение «окна старта» (вследствие управляемой скорости истечения рабочего тела), что упрощает планирование и снижает цену проекта.
Исследования, выполненные РКК «Энергия» [16], показали, что ЯЭРДУ мощностью 150 кВт и ресурсом до трех лет является перспективным средством доставки КА в пояс астероидов. В то же время доставка исследовательского КА на орбиты дальних планет Солнечной системы требует увеличения ресурса такой ЯЭРДУ до 5-7 лет. Показано, что космический комплекс с ЯЭРДУ мощностью порядка 1 МВт в составе исследовательского КА позволит обеспечить ускоренную доставку КА за 5-7 лет на орбиты искусственных спутников наиболее удаленных планет, планетоходов на поверхность естественных спутников этих планет и доставку на Землю грунта с комет, астероидов, Меркурия и спутников Юпитера и Сатурна.
Многоразовый буксир для обеспечения больших грузопотоков в космосе
Одним из важнейших способов повышения эффективности транспортных операций в космосе является многоразовое использование элементов транспортной системы. ЯЭРДУ мощностью не менее 500 кВт позволяет создать ММБ и тем самым значительно повысить эффективность многозвенной космической транспортной системы. Особенно эффективна такая система в программе обеспечения больших годовых грузопотоков [17]. Примером может стать программа освоения Луны с созданием и обслуживанием постоянно наращиваемой обитаемой базы и экспериментальных технологических и производственных комплексов [18].
По проектным проработкам РКК «Энергия» при строительстве базы на поверхность
Луны должны доставляться модули массой порядка 10 т, а, соответственно, на орбиту Луны — до 30 т. Суммарный грузопоток с Земли на орбиту Луны при строительстве обитаемой лунной базы и посещаемой лунной орбитальной станции оценивается в 700-800 т, а годовой грузопоток для обеспечения функционирования и развития базы — 400-500 т [18]. Однако из-за достаточно длительного времени транспортировки и, соответственно, значительного времени нахождения полезного груза в радиационных поясах Земли не все грузы могут быть доставлены с использованием ММБ с ЯЭРДУ. Поэтому грузопоток, который может быть обеспечен ММБ на основе ЯЭРДУ, оценивается в 100-300 т/год.
Наша страна в настоящее время занимает около 40% мирового рынка коммерческих транспортных услуг по обеспечению запусков КА. Новые технологии, в том числе основанные на использовании ЯЭУ и ЭРДУ, могут позволить снизить удельную стоимость космической транспортировки, увеличить в несколько раз массу доставляемых неделимых грузов и сохранить мировое лидерство в обеспечении коммерческих пусковых услуг.
Существенное влияние на техническую эффективность оказывает стартовая масса ММБ на радиационно-безопасной орбите (РБО), т.е. фактически грузоподъемность используемых РН. В табл. 1 приведены оптимальные параметры ММБ в широком диапазоне стартовых масс комплекса (ММБ + контейнер с ПГ). Из данных табл. 1 видно, что одним из путей повышения эффективности ММБ с ЯЭРДУ является увеличение стартовой массы до предельной грузоподъемности РН для доставки грузовых модулей на РБО. Так, на примере обеспечения грузопотока между орбитами Земли и Луны в 100 т/год показано, что при двухпусковой схеме развертывания ММБ с использованием различных РН (существующих и перспективных) оптимальным будет ММБ с ЯЭУ электрической мощностью 0,8.1,7 МВт и ЭРДУ с удельным импульсом 42.61 км/с. При этом оптимальная продолжительность рейса составит 6-9 месяцев (в зависимости от типа РН) [19].
Высокую эффективность космической транспортной системы с использованием ММБ на основе ЯЭРДУ демонстрирует сравнение эффективностей ММБ и буксиров на основе различных разгонных блоков с ЖРД (ДМ-3, «Бриз-М», кислородно-водородный РБ). Показано преимущество ММБ на основе ЯЭРДУ как в возможности доставки «неделимого» груза массой в 2-3 раза большей, чем на установке с ЖРД, так и по количеству пусков РН (сокращение в 4-7 раз).
Таблица 1
Оптимальные значения основных параметров ММБ
при различной стартовой массе ММБ на РБО высотой 800 км
Оптимальные параметры ММБ Стартовая масса, т
20 30 40 50 60
Электрическая мощность ЯЭУ, кВт 520 830 1 070 1 280 1 610
Удельный импульс, км/с 65,3 53,8 47,6 47 44,3
Тяга ЭРДУ, Н 9 18 27 32 43
Масса ЯЭУ, т 7,3 9 10,2 11,2 12,8
Масса ЭРДУ, т 0,9 1,5 2,1 2,5 3,2
Масса системы отведения ЯЭУ, т 0,9 1,3 1,8 2,1 2,8
Масса рабочего тела, т 4,7 8,2 11,7 14,4 18,2
Продолжительность рейса, сут 325 239 211 211 189
Количество рейсов 6 8 9 9 10
Масса ПГ за рейс, т 5,2 9,1 13,3 18,8 22
Суммарная масса ПГ, т 31 72,6 119,8 169 219,9
Масса модуля с ЯЭУ, т 8,9 11 12,6 14 16,3
Масса модуля с ЭРДУ и ПГ, т 11,1 19 27,4 36 43,7
Экономическая эффективность использования ММБ с ЯЭРДУ
В качестве критерия экономической эффективности межорбитальной транспортной системы целесообразно использовать значение удельной стоимости транспортировки единицы массы ПГ с поверхности Земли на целевую орбиту. РКК «Энергия» была разработана экономико-математическая модель для оценки экономической эффективности ММБ [20], учитывающая основные составляющие затрат в транспортной системе: на создание и выведение на орбиту (с помощью РН и РБ) модулей ММБ, на закупку рабочего тела ЭРДУ, эксплуатационные затраты, а также расходы на проведение НИОКР и возможные капитальные затраты. Стоимостные показатели зависят от оптимальных параметров ММБ, т.е. предполагается, что максимальная эффективность с экономической точки зрения обеспечивается достижением оптимальных технических характеристик. Учитывается влияние фактора времени на значение удельной стоимости транспортировки.
С использованием этой модели была исследована сравнительная экономическая эффективность применения ММБ на основе ЯЭРДУ мощностью порядка 1 МВт и одноразового буксира с РБ на основе перспективных ЖРД в программе обеспечения доставки с Земли на орбиту Луны высотой 100 км полезного груза суммарной массой 100 т/год. При использовании одной и той же РН грузоподъемностью, равной грузоподъемности РН «Протон-М», и двухпусковой схемы построения транспортной системы удельная стоимость доставки единицы массы ПГ с помощью ММБ на основе ЯЭРДУ будет в три раза ниже, чем при использовании одноразовых буксиров на основе РБ с ЖРД типа ДМ-3 [20].
Лунные и планетные электростанции
С уверенностью можно говорить, что наступит и эра освоения Солнечной системы: первой будет Луна, а затем, возможно, Марс. Ученые и специалисты понимают необходимость их изучения и освоения, создания автоматических и обитаемых баз с необходимой инфраструктурой, энергокомплексов, добывающих, перерабатывающих и других производств, орбитальных станций, космопортов [18].
Освоение Луны и планет невозможно без создания нового поколения космической энергетики. Использование для планетных электростанций традиционно применяемых в КА солнечных батарей затруднено условиями их эксплуатации, так как на Луне 14 земных суток - день и 14 суток - ночь, поэтому потребуются достаточно тяжелые накопители электроэнергии (на основе аккумуляторных батарей или электрохимических накопителей), доставка которых сложна и затратна.
На поверхности Марса плотность солнечного излучения более чем в два раза ниже, чем в околоземном космосе, а также наблюдаются мощные пылевые бури.
Поэтому ключевой энергетической технологией при освоении Солнечной системы будет ядерная энергетика. Одним из направлений этой технологии будет создание лунной и планетных атомных электростанций (АЭС) [21], а в более отдаленной перспективе - и атомных теплоэлектростанций для добывающих и перерабатывающих комплексов [22]. С.П. Королев и В.П. Глушко в предложениях по созданию обитаемой лунной базы подчеркивали необходимость создания АЭС электрической мощностью в сотни киловатт [18].
Учитывая отсутствие на Луне атмосферы, в качестве лунной АЭС можно использовать космическую ЯЭУ мощностью от 150 кВт [21], аналогичную ЯЭУ для МБ «Геркулес» [5, 7] (рис. 5). Предположительные параметры такой АЭС мощностью 150.500 кВт следующие: масса — 7.11 т; общая высота -7.10 м; ресурс — 10.15 лет; радиационная биологическая защита — грунтовый вал средней толщиной 3 м и суммарной массой 200...300 т.
Выполненное сравнение лунных электростанций мощностью 150 кВт на основе предложенной АЭС и на основе солнечных батарей с электрохимическим накопителем электроэнергии показало, что для создания лунной солнечной электростанции потребуется освоить площадь 2 900 м2, в то время как для АЭС — всего лишь 25 м2. Кроме того, стоимость доставки АЭС с Земли будет в 5-10 раз меньше стоимости доставки оборудования для солнечной электростанции [18].
Рис. 5. Общий вид лунной АЭС на основе космической термоэмиссионной ЯЭУ разработки РКК «Энергия»: 1 — термоэмиссионный реактор-преобразователь в предохранительном кожухе; 2 — теневая радиационная защита оборудования ЯЭУ; 3 — опорное кольцо; 4 — отражающие панели; 5 — холодильник-излучатель на основе тепловых труб; 6 — вал радиационной защиты из лунного грунта
Космические энергокомплексы с дистанционной передачей энергии
Одним из перспективных направлений космического применения ЯЭУ является создание системы с дистанционной передачей электроэнергии, вырабатываемой ЯЭУ, с помощью электромагнитного излучения, прежде всего лазерного, потребителям энергии на достаточном безопасном расстоянии [23].
Основными причинами, которыми может быть обусловлена целесообразность использования принципов беспроводной передачи электроэнергии в той или иной энергетической
космической системе (несмотря на неизбежные потери электрической мощности в канале передачи), являются следующие:
• невозможность либо нецелесообразность использования ядерной или солнечной энергетической установки большой мощности в составе КА из-за особенностей его целевого назначения и/или условий функционирования при большой требуемой мощности системы электропитания;
• необходимость энергоснабжения нескольких пространственно разделенных потребителей от одной космической энергостанции;
• неприемлемо высокая удельная масса и/или относительно небольшой ресурс эксплуатации энергетической установки, приводящие к целесообразности разделения источника энергии и потребителя;
• возможность повышения эффективности КА за счет покрытия пиковых электропотреблений посредством беспроводной передачи энергии без увеличения проектной мощности автономных энергоустановок КА.
Потребителями дистанционно-передаваемой энергии могут быть различные космические средства.
Для перспективных энергоемких исследовательских, сборочно-монтажных и других орбитальных станций использование энергетических модулей с бортовой ЯЭУ позволит практически полностью отказаться от крупногабаритных панелей солнечных батарей, громоздких и массивных электрических аккумуляторов. Низкий уровень микрогравитации технологических энергоемких КА может быть обеспечен за счет передачи энергии от находящейся поблизости (но механически не связанной с КА) энергетической станции. Система из 3-4 космических энергомодулей (орбитальных атомных электростанций) может быть использована для перевода КА с низкой опорной орбиты на геостационарную и другие энергоемкие орбиты за счет передачи по лазерному лучу энергии на борт КА с электроракетными двигателями. Энергетические модули с бортовой ЯЭУ на орбите вокруг Луны могут обеспечить питание по сфокусированному сверхвысокочастотному или лазерному лучу лунной базы. Подобная схема энергоснабжения может быть реализована в будущем и для марсианской базы.
Концепция РКК «Энергия» экспедиции на Марс начала 2000-х годов
В нашей стране работы над полетом человека на Марс идут уже более 50 лет [24]. За это время концептуальные проекты прошли большую эволюцию, причем многие технические решения отрабатывались при полетах орбитальных
станций, пилотируемых и грузовых кораблей. Без непосредственного участия человека невозможны многие исследования, развитие околоземной инфраструктуры, будущее освоение ближнего космоса, Луны и Марса. Пилотируемые комплексы и автоматические аппараты составляют единый инструмент исследования космоса, они дополняют и обогащают друг друга.
Уникальный опыт РКК «Энергия» в области пилотируемой космонавтики позволил разработать концепцию пилотируемой экспедиции на Марс.
Межпланетный экспедиционный комплекс (МЭК) состоит из орбитальной части — межпланетного орбитального корабля с энергодвигательным комплексом и взлетно-посадочного комплекса, выполняющего доставку части экипажа на поверхность Марса и обратно на околомарсианскую орбиту.
Двигательная установка (ДУ) для межпланетного перелета - одно из принципиальных решений, от которого зависят как конструкция МЭК, так и сценарий полета. Рассматривалось несколько вариантов ДУ и их сочетаний, однако основными следует признать три класса двигателей: жидкостные ракетные, ядерные ракетные и электроракетные двигатели.
Как и на ранних этапах работ по марсианской экспедиции, была подтверждена целесообразность и эффективность использования ЭРДУ для межпланетных перелетов, обеспечивающих минимальную начальную массу МЭК, а также высокую надежность и низкую стоимость экспедиции. В качестве источника электроэнергии для ЭРДУ рассматривались два типа энергетических установок: ядерная и солнечная.
Основные характеристики МЭК с ЯЭРДУ (рис. 6):
• стартовая масса МЭК — до 500 т;
• масса взлетно-посадочного комплекса — до 40 т;
• тяга электрореактивных двигателей межпланетного перелета — 480 Н;
• удельная тяга электроракетных двигателей — 50.90 км/с;
• мощность энергопитания ядерной энергоустановки — 24 МВт;
• экипаж межпланетного комплекса — 4-6 чел.;
• экипаж взлетно-посадочного комплекса — 2-3 чел.;
• общее время полета на Марс и обратно — около 2,5 лет;
• время работы экипажа на поверхности — 15-30 сут.
Рис. 6. Общий вид МЭК с ЯЭРДУ: 1 — корабль доставки и возвращения экипажа; 2 — взлетно-посадочный комплекс; 3 — стыковочные агрегаты; 4 — складской модуль; 5— межпланетный корабль; 6 — энергодвигательный комплекс
Обеспечение доставки на орбиту Марса неделимых грузов большой массы для разделенной схемы экспедиции
Второй из возможных вариантов схемы экспедиции на Марс предполагает, что на поверхности Марса заранее создается база с соответствующей инфраструктурой, а лишь потом осуществляется пилотируемая экспедиция с высадкой космонавтов на подготовленную базу. Этот вариант предполагает доставку беспилотными транспортными кораблями больших масс полезного груза, в том числе неделимого, с тем чтобы минимизировать робототехнические операции на поверхности Марса при создании инфраструктуры марсианской обитаемой базы.
РКК «Энергия» была исследована задача обеспечения больших грузопотоков с орбиты Земли на орбиту Марса с использованием для межорбитальной перевозки одноразовых МБ с ЯЭРДУ электрической мощностью 500 кВт и более и ресурсом до трех лет [25]. Особенностью данной транспортной операции, в отличие от пилотируемой экспедиции, является то обстоятельство, что нет жестких ограничений времени транспортировки груза, поэтому как параметры ЯЭРДУ, так и параметры собственно транспортной операции могут быть оптимизированы, исходя из разных критериев качества, одним из которых может быть минимизация мощности ЯЭРДУ для заданной массы неделимого ПГ.
Было показано, что применительно к доставке на орбиту Марса неделимого груза массой 20 т эффективно использование одноразового МБ типа «Геркулес» мощностью 500 кВт [5]. Транспортный комплекс на околоземной орбите высотой 800 км может быть сформирован тремя пусками РН класса «Протон» или одним пуском РН класса «Энергия».
Оптимальные параметры энергодвигательной системы для транспортировки к Марсу ПГ массой 20 т (при начальном ускорении 0,3 мм/с2) приведены в табл. 2.
Для транспортировки неделимых полезных грузов массой 100...200 т могут быть
использованы ЯЭУ с минимальным значением электрической мощности 1,6...3,1 МВт и ресурсом до двух лет. В табл. 3 приведены сравнительные характеристики транспортных кораблей на основе ЯЭРДУ и ЖРД для доставки на орбиту Марса неделимых грузов большой массы.
Таблица 2
Оптимальные параметры МБ для доставки к Марсу ПГ массой 20 т
Используемые РН Мощность ЯЭУ, кВт Удельный импульс ЭРДУ, км/с Начальная масса, т Масса ЯЭУ, т Масса рабочего тела, т Время полета, сут
Три пуска РН грузоподъемностью до 25 т 500 40 53,7 12,7 19,0 690
Один пуск РН грузоподъемностью 100 т 500 20 66,4 12,7 31,7 612
Таблица 3
Сравнительные характеристики одноразовых транспортных кораблей на основе ЖРД и ЯЭРДУ
Масса ПГ на орбите Марса, т Тип ДУ Начальная масса, т (на низкой околоземной орбите) Время полета, сут Мощность ЯЭУ, кВт Отношение начальных масс МБ на основе ЖРД и ЯЭРДУ
20 ЖРД 416 270 — —
20 ЯЭРДУ 54 690 500 7,7:1
20 ЯЭРДУ 97 352 4 120 4,3:1
100 ЖРД 2 080 270 — —
100 ЯЭРДУ 283 360 15 300 7,35:1
100 ЯЭРДУ 496 287 10 200 4,2:1
200 ЖРД 4 160 270 — —
200 ЯЭРДУ 492 360 26 500 8,45:1
200 ЯЭРДУ 707 317 17 600 5,9:1
Заключение
Статья обобщает результаты многолетних работ РКК «Энергия» по ряду фундаментальных вопросов освоения ближнего и дальнего космоса. Показано, что индустриализация работ в космосе, энергообеспечение, а также решение ряда других актуальных космических задач требуют создания мощных ядерных энергоустановок и электроракетных двигателей.
Рассмотренные энергетические и двигательные установки могут способствовать решению экологических проблем Земли, полету человека к Марсу, созданию системы беспроводной передачи энергии в космосе, реализации с повышенной безопасностью космического захоронения особо опасных радиоактивных отходов наземной атомной энергетики, созданию обитаемой лунной базы и началу промышленного освоения Луны, обеспечению защиты Земли от асте-роидно-кометной опасности.
Совокупность исследованных проблем может стать основой для развертывания комплекса проектно-конструкторских и экспериментальных работ по перспективным направлениям космической деятельности.
Список литературы
1. Грязное Г.М. Космическая атомная энергетика и новые технологии (Записки директора). М.: ФГУП «ЦНИИатоминформ», 2007.
2. Пупко В.Я. История работ по летательным аппаратам на ядерной энергии для космических и авиационных установок в ГНЦ РФ ФЭИ. 2-е изд. Обнинск: ФЭИ, 2002.
3. Кухаркин Н.Е., Пономарев-Степной Н.Н., Усов ВА. Космическая ядерная энергетика (ядерные реакторы с термоэлектрическим и термоэмиссионным преобразованием — «Ромашка» и «Енисей»). М.: Энергоатомиздат, 2008.
4. Васильковский В.С., Андреев П.В., Зариц-кий ГА., Пономарев-Степной Н.Н. и др. Проблемы
космической энергетики и роль ЯЭУ в их решении// Ядерная энергетика в космосе. Сб. докл. в 3-х томах. Т. 1. М.: Изд-во НИКИЭТ, 2005. С. 20-25.
5. Синявский В.В. О работах РКК «Энергия» имени С.П. Королева в области создания ядерно-энергетических установок и ядерных электроракетных двигательных установок большой мощности // Ракетно-космическая техника. Труды РКК «Энергия» им. С.П. Королева. Сер. 12. Вып. 1-2. Королев, 2007. С. 8-19.
6. Агеев В.П., Островский В.Г. Магнитоплаз-модинамический двигатель большой мощности непрерывного действия на литии // Известия РАН. Энергетика. 2007. № 3. С. 82-95.
7. Легостаев В.П., Лопота В.А., Синявский В.В., Тугаенко В.Ю. Перспективные космические аппараты и комплексы на базе ядерной энергетики. Состояние разработки и экспериментальной отработки элементов, агрегатов и модулей термоэмиссионной ЯЭУ мощностью 500 кВт для межорбитального буксира «Геркулес» // Тезисы докладов научных чтений, посвященных 90-летию со дня рождения Ю.А. Мозжорина (г. Королев М. О., 23-24 ноября 2010 г.). Королев: ЦНИИмаш. С. 4-6.
8. Коротеев А.С. Новый этап в использовании атомной энергии в космосе // Атомная энергия. 2010. Т. 108. Вып. 3. С. 135-138.
9. РКК «Энергия» им. С.П. Королева в первом десятилетии XXI века. М.: РКК «Энергия», 2011.
10. Семенов Ю.П. Новые российские технологии в ракетно-космической технике последних лет // Вестник РАН. 2000. Т. 70. № 8. С. 696-709.
11. Лукьященко В.И., Лисовой В.Т., Бачма-нов М.М. Проблемы и перспективы использования космических ядерных энергоустановок в составе высокоорбитальных космических аппаратов радиолокационного зондирования Земли и околоземного пространства // Ядерная энергетика в космосе. Сб. докл. в 3-х томах. Т. 1. М.: Изд-во НИКИЭТ, 2005. С. 139-143.
12. Полетаев Б.И., Лянной Е.Г., Романов А.В., Павлов А.Ю. Работы КБ «Арсенал» по созданию космических аппаратов с ядерными энергетическими установками // Ядерная энергетика в космосе. Сб. докл. в 3-х томах. Т. 1. М.: Изд-во НИКИЭТ, 2005. С. 247-249.
13. Лопота ВА., Масленников АА., Синявский В.В. Система ядерных электроракетных транспортных аппаратов для удаления с геостационарной орбиты пассивных космических аппаратов // Известия РАН. Энергетика. 2009. № 1. С. 3-12.
14. Синявский В.В. Маневрирующий космический аппарат с мощным бортовым импульсным лазером для очистки околоземного пространства от техногенного засорения // Известия РАН. Энергетика. 2007. № 3. С. 102-105.
15. Семенов Ю.П., Филин В.М., Соколов Б.А., КлиппаВ.П.,ЛакеевВ.Н,РоговА.В,СинявскийВ.В, Юдицкий В.Д. О космическом захоронении особо опасных радиоактивных отходов атомной энергетики // Известия РАН. Энергетика. 2003. № 3. С. 6-14.
16. Синявский В.В., Юдицкий ВД. Проблемные вопросы экспедиции к лунам Юпитера при использовании ядерного электроракетного двигателя // Ядерная энергетика в космосе. Сб. докл. в 3-х томах. Т. 1. М.: Изд-во НИКИЭТ, 2005. С. 150-154.
17. Грибков А.С, Евдокимов РА, Легостаев В.П., Лопота В.А., Максимов ВА, Островский В.Г., Синявский В.В., Тугаенко В.Ю. Электроракетный транспортный аппарат для обеспечения больших грузопотоков в космосе // Известия РАН. Энергетика. 2009. № 2. С. 101-111.
18. Луна — шаг к технологиям освоения Солнечной системы / Под научной редакцией В.П. Легостаева и В.А. Лопоты. М: РКК «Энергия», 2011.
19. Косенко А.Б., Синявский В.В. Оптимизация параметров многоразового межорбитального буксира с ядерной электроракетной двигательной установкой // Известия РАН. Энергетика. 2009. № 3. С. 140-152.
20. Косенко А.Б., Синявский В.В. Оценка удельной стоимости доставки полезного груза с поверхности Земли на орбиту назначения транспортной системой с многоразовым электроракетным буксиром // Известия РАН. Энергетика. 2011. № 3. С. 53-64.
21. Бранец В.Н., Грибков А.С., Синявский В.В. и др. Атомная электростанция лунной базы // Ракетно-космическая техника. Труды РКК «Энергия» им. С.П. Королева. Сер. 12. Вып. 1-2. Королев, 2007. С. 23-31.
22. Грибков А.С, Евдокимов Р.А., Синявский В.В. Лунный добывающе-перерабатываю-щий комплекс // Энергия: экономика, техника, экология. 2011. № 10. С. 68-74.
23. Грибков А.С., Евдокимов Р.А., Синявский В.В., Соколов Б.А., Тугаенко В.Ю. Перспективы использования беспроводной передачи электрической энергии в космических транспортных системах // Известия РАН. Энергетика. 2009. № 2. С. 118-123.
24. Пилотируемая экспедиция на Марс / Под ред. А.С. Коротеева. М.: Российская академия космонавтики имени К.Э. Циолковского, 2006.
25. Синявский В.В., Юдицкий ВД. Сравнительный анализ вариантов энергодвигательного обеспечения грузовых перевозок с орбиты Земли на орбиту Марса для последующей пилотируемой экспедиции на Марс // Ракетно-космическая техника. Труды РКК «Энергия» им. С.П. Королева. Сер. 12. Вып. 3. Королев, 2009. С. 17-38. Статья поступила в редакцию 22.03.2013 г.
