Document 4234896
advertisement
Образец ОПТИМИЗАЦИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МОЩНОСТИ ТЕРМОЭМИССИОННОЙ ЯЭУ В СОСТАВЕ МЕЖОРБИТАЛЬНОГО БУКСИРА ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ СРЕДСТВ ВЫВЕДЕНИЯ И ДОПУСТИМОГО ВРЕМЕНИ ТРАНСПОРТИРОВКИ Косенко А. Б. Применение межорбитальных буксиров на базе ядерной энергетической установки (ЯЭУ) и электроракетных двигательных установок (ЭРДУ) для довыведения космических аппаратов (КА) на энергоемкие орбиты (в том числе геостационарную) позволяет выводить в 2÷3 раза большие по массе КА. Анализ литературных источников [1; 2], в которых содержится массовые характеристики ЯЭУ первого поколения («Топаз»), а также проектные оценки параметров ЯЭУ второго и третьего поколений, позволили получить сводные данные по массовым характеристикам ЯЭУ в широком диапазоне электрической мощности, которые аппроксимированы гиперболической удельной массы были в виде зависимости ЯЭУ от ее мощности (рис. 1). Рис. 1. Зависимость удельной массы ЯЭУ от мощности. Для оптимизации электрической воспользуемся определения приближенного значения относительной массы мощности выражением полезной для нагрузки, полученным в [3]: V Х ЭДУ N ЭДУ m ПН I 1 (1 k СН ) (1 e ЭРДУ ) m0 m0 (1 k СН ) где mпн – масса полезной нагрузки; m0 – стартовая масса платформы; эду – удельная масса энергодвигательной установки, включающей в себя ЯЭУ и ЭРД; Nэу – мощность энергоустановки (в данном случае ЯЭУ); kсн – коэффициент затрат мощности ЯЭУ на собственные нужды; kсхп – коэффициент, описывающий массовое соотношение системы 1 хранения и подачи рабочего тела и общей массы космической платформы; Vх – затраты характеристической скорости; Iэрду – удельный импульс ЭРДУ. Для выведения межорбитального буксира с блоком полезной нагрузки в составе космической головной части на опорную орбиту рассматривается возможность использования РН тяжелого класса «Протон» и «Протон-М», а также в перспективе РН «Ангара». На радиационно-безопасную орбиту с высотой не менее 800 км, на которой производится включение ЯЭУ, буксир с КА выводится с помощью разгонного блока «Фрегат». Радиационно-безопасная орбита (РБО) – это круговая орбита ядерного реактора, входящего в состав ЯЭУ орбитального буксира. В результате обработки исходных данных (параметры орбит, массовые и мощностные характеристики ЯЭУ и ЭРДУ) построена зависимость относительной массы полезной нагрузки мощности ЯЭУ значений орбитального на для ГСО различных стартовой буксира от массы с КА в интервале 15÷21 тонна с шагом 2 тонны при времени перелета 270 суток (рис. 2). Аналогичные зависимости были получены для значений времени перелета 300, 330 и 360 суток. Рис. 2. Зависимость относительной массы полезной Видно, что при нагрузки от мощности ЯЭУ при времени перелета 270 определенном значении мощности суток. ЯЭУ относительная масса полезной нагрузки принимает максимальное значение. Наличие максимума при изменении мощности ЯЭУ объясняется следующим образом. Наращивание мощности ЯЭУ вызывает увеличение удельного импульса ЭРДУ, при этом количество рабочего тела в ЭРДУ, необходимое для перелета на целевую орбиту, снижается. Однако с ростом мощности растет масса ЯЭУ. До тех пор, пока темп уменьшения массы рабочего тела превышает темп роста массы ЯЭУ, наблюдается увеличение относительной массы полезной нагрузки. Но как только приращение массы, связанное с увеличением мощности ЯЭУ, начинает происходить быстрее, чем падает масса затрачиваемого на перелет рабочего тела, доля полезного груза в общей массе буксира начинает сокращаться. 2 Для различных значений времени перелета и стартовой массы орбитального буксира с КА на РБО было определено оптимальное значение мощности ЯЭУ. Показано, что при использовании тяжелых РН класса «Протон» при допустимом времени перелета 270 ÷ 360 суток, оптимальные значения мощности ЯЭУ лежат в диапазоне 170 ÷ 320 кВт. При этом масса полезной нагрузки, выводимой на ГСО, составит 7,0 ÷ 12,5 тонн, что в 2÷4 раза превышает предел по массе выводимой на ГСО современными средствами выведения. С увеличением допустимого времени транспортировки нижний уровень мощности, требуемый для выведения той же массы полезного груза, снижается. Следует также отметить, что оптимум достаточно пологий, и без существенного снижения массы полезного груза диапазон требуемой массы ЯЭУ буксира может быть снижен до 100 ÷ 200 кВт. Литература 1. Синявский В. В. Метод и средства экспериментальных исследований и реакторных испытаний термоэмиссионных сборок. – М.: Энергоатомиздат, 2000, - 375 с. 2. Васильковский В.С., Андреев П.В., Зарицкий Г.А. и др. Проблемы космической энергетики и роль ядерных космических установок в их решении // Международная конференция «Ядерная энергетика в космосе – 2005». Сборник докладов в 3-х томах. М.: Изд. НИКИЭТ. – 2005. Т.1. С. 20-26. 3. Евдокимов Р. А., Синявский В. В., Соколов Б. А. О выборе удельного импульса электроракетной двигательной установки и влияние его величины на эффективность выполнения транспортных операций в космосе // Международная конференция «Ядерная энергетика в космосе – 2005». Сборник докладов в 3-х томах. М.: Изд. НИКИЭТ. – 2005. Т.2. с. 198-206. 3
