БИМОДАЛЬНЫЕ ЯДЕРНЫЕ ЭНЕРГОДВИГАТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ
В последние годы в России и за рубежом проявляется интерес ко второму типу ТЭМ - на основе бимодальных ЯЭДУ. В таких установках в одном реакторном блоке обеспечивается режим работы теплового ракетного двигателя с водородом в качестве рабочего тела и режим работы ЯЭУ для питания целевой и служебной аппаратуры КА. В последнее время разработан ряд концепций бимодальных ЯЭДУ [58], которые можно классифицировать исходя из:
· типа используемого ядерного реактора;
· способа преобразования тепловой энергии в электрическую;
· наличия или отсутствия системы дожигания рабочего тела.
В РНЦ «Курчатовский институт», ЦКБ Машиностроения и НИИ НПО «Луч» разработана концепция ЯЭДУ на основе модернизации термоэмиссионного реактора-преобразователя ЯЭУ «Енисей» на тепловых нейтронах, допускающего продувку водорода через топливный сердечник с нагревом его до температуры 2100 К (в дальнейшем изложении такая ЯЭДУ обозначена как ЯЭДУ-1).
В НИКИЭТ разработана концепция ЯЭДУ, в которой применены технические решения, характерные для твердофазных реакторов ЯРД с уровнем нагрева рабочего тела (водорода) до 2800 К и более. Используется реактор на быстрых нейтронах с литиевым контуром охлаждения. Проработаны варианты ЯЭДУ с термоэмиссионным и турбомашинным способами преобразования тепловой энергии в электрическую в энергетическом режиме (соответственно ЯЭДУ-2 и ЯЭДУ-3).
Концепция газотурбинной ЯЭДУ с газоохлаждаемым ядерным реактором и дожиганием водорода с кислородом (ЯЭДУ-4) проработана в НИИ энергетического машиностроения МГТУ им. Н.Э.Баумана.
В табл.4. приведены основные технические характеристики перечисленных типов бимодальных ЯЭДУ, имеющих одинаковый уровень полезной электрической мощности 10кВтЭл при функционировании КА на рабочей орбите.
Таблица 4
Сравнительные характеристики различных бимодальных ЯЭДУ
Параметр | ЯЭДУ-1 | ЯЭДУ-2 | ЯЭДУ-3 | ЯЭДУ-4 |
Тепловая мощность, кВт: | ||||
на режиме ЯРД | ||||
на энергетическом режиме | ||||
Температура нагрева водорода, К | ~ 2100 | |||
Отношение расхода кислорода к расходу водорода | 0-2.3 | |||
Тяга на режиме ЯРД, Н | 28-72 | |||
Удельный импульс тяги ЯРД, м/с | 7750-5910 | |||
Ресурс работы: | ||||
на режиме ЯРД, ч | ~ 170 | |||
на энергетическом режиме, лет | 7…10 | до 10 | до 10 | до 10 |
Масса установки (без запаса рабочего тела и топливного бака), кг |
Ниже, в табл.5., приведены результаты сравнительного анализа баллистической эффективности применения рассматриваемых вариантов бимодальных ЯЭДУ в составе транспортно-энергетических модулей при выведении КА с опорной орбиты на ГСО применительно к ракетам-носителям (РН) различной грузоподъемности: «Русь», «Зенит-М» и «Ангара» (масса полезного груза, выводимого на низкую опорную орбиту, 7.8, 15, 25 тонн соответственно). В качестве критериев эффективности использовались масса полезного груза (mпг) на ГСО (без массы ТЭМ) и время выведения (tв). При этом учитывались конкретные габаритные ограничения, связанные с размещением КА с ТЭМ под головными обтекателями РН, и ограничения по минимально допустимой высоте включения в работу ЯЭДУ. В этой же таблице приведены значения mпг и tв для традиционных разгонных блоков с перспективными ЖРД и традиционными СЭС на основе планарных солнечных батарей, а также для ТЭМ с двухрежимной ЯЭУ и ЭРДУ. При этом в разгонном блоке (РБ) РН типа «Русь» используются ЖРД на компонентах керосин-кислород, а в РБ РН «Зенит-M» и «Ангара» -кислородо-водородные ЖРД. Место старта РН – космодром Плесецк.
Масса полезного груза в таблице соответствует массе КА на ГСО за вычетом массы ТЭМ с ЯЭДУ или массы СЭС при использовании РБ с ЖРД. Приведенные в таблице данные показывают, что с увеличением грузоподъемности РН баллистическая эффективность рассматриваемых типов бимодальных ЯЭДУ возрастает, и при начальной массе орбитального комплекса (КА+ТЭМ) на опорной орбите 25 т (РН «Ангара») масса КА, выводимого на ГСО с использованием ЯЭДУ-2 и ЯЭДУ-3 в течение 8.5 суток, примерно равна массе КА, выводимой с использованием ЯЭРДУ в течение года.
Таблица 5
Сравнительный анализ баллистической эффективности различных бимодальных ЯЭДУ
Тип установки | Ракета-носитель | |||||||||
«Русь» | «Зенит-М» | «Ангара» | ||||||||
mпг, кг | tв, сут | Nэл, кВт | mпг, кг | tв, сут | Nэл, кВт | mпг, кг | tв, сут | Nэл, кВт | ||
Бимодальные | ЯЭДУ-1 | 8.0 | 22.5 | 42.1 | ||||||
ЯЭДУ-2 | 1.6 | 4.7 | 8.3 | |||||||
ЯЭДУ-3 | 1.1 | 4.2 | 8.4 | |||||||
ЯЭДУ-4 | ||||||||||
Двухрежимная ЯЭУ+ЭРДУ | 10*) 35**) | 25*) 68**) | 50*) 100**) | |||||||
РБ с ЖРД | < 0 | 2.7 | 2.7 | 2.7 |
*) Располагаемая электрическая мощность на рабочей орбите.
**) Электрическая мощность, потребляемая ЭРДУ.
При этом масса КА, выводимых на ГСО с использованием бимодальных ЯЭДУ, почти в два раза больше, чем масса КА, выводимого разгонным блоком с перспективным кислородо-водородным ЖРД. При начальной массе орбитального комплекса 7.8 т (РН «Русь») наиболее эффективна из рассмотренных вариантов бимодальная установка ЯЭДУ-4 с дожиганием водорода с кислородом. В данном случае mпг~1300 кг, а время выведения 35 суток.
Таким образом, рациональной областью применения в околоземном космическом пространстве бимодальных ЯЭДУ, в которых используются технические решения, свойственные ЯРД с твердофазными реакторами, является создание на их базе транспортно-энергетических модулей тяжелых орбитальных средств, предназначенных для выведения на энергоемкие рабочие орбиты и электроснабжения этих средств в течение всего срока активного функционирования.
ПРИЛОЖЕНИЯ
В них приведен дополнительный информационный материал, способствующий лучшему пониманию и усвоению настоящего лекционного курса.
Приложение 1
СОВЕТСКИЕ КОСМИЧЕСКИЕ АППАРАТЫ С ЯЭУ, ЛЕТАВШИЕ В КОСМОСЕ [7]
№ | КА (ЯЭУ) | Дата запуска | Отработанный ресурс |
Космос-367 (БУК) | 03.10.70 | 1 виток | |
Космос-402 (БУК) | 01.04.71 | 2 витка | |
Космос-469 (БУК) | 25.12.71 | 9 дней | |
Космос-516 (БУК) | 21.08.72 | 32 дня | |
Космос-626 (БУК) | 27.12.73 | 45 дней | |
Космос-651 (БУК) | 15.05.74 | 71 день | |
Космос-654 (БУК) | 17.05.74 | 74 дня | |
Космос-723 (БУК) | 02.04.75 | 43 дня | |
Космос-724 (БУК) | 07.04.75 | 65 дней | |
Космос-785 (БУК) | 12.12.75 | 3 витка | |
Космос-860 (БУК) | 17.10.76 | 24 дня | |
Космос-861 (БУК) | 21.10.76 | 60 дней | |
Космос-952 (БУК) | 16.09.77 | 21 день | |
Космос-954 (БУК) | 18.09.77 | 43 дня | |
Космос-1176 (БУК) | 29.04.80 | 134 дня | |
Космос-1249 (БУК) | 05.03.81 | 105 дней | |
Космос-1266 (БУК) | 21.04.81 | 8 дней | |
Космос-1299 (БУК) | 24.08.81 | 12 дней | |
Космос-1365 (БУК) | 14.05.82 | 135 дней | |
Космос-1372 (БУК) | 01.06.82 | 70 дней | |
Космос-1402 (БУК) | 30.08.82 | 120 дней | |
Космос-1412 (БУК) | 02.10.82 | 39 дней | |
Космос-1579 (БУК) | 29.06.84 | 90 дней | |
Космос-1607 (БУК) | 31.10.84 | 93 дня | |
Космос-1670 (БУК) | 01.08.85 | 83 дня | |
Космос-1677 (БУК) | 23.08.85 | 60 дней | |
Космос-1736 (БУК) | 21.03.86 | 92 дня | |
Космос-1771 (БУК) | 20.08.86 | 56 дней | |
Космос-1818 (ТОПАЗ) | 02.02.87 | 142 дня | |
Космос-1860 (БУК) | 18.06.87 | 40 дней | |
Космос-1867 (ТОПАЗ) | 10.07.87 | 342 дня | |
Космос-1900 (БУК) | 12.12.87 | 124 дня | |
Космос-1932 (БУК) | 14.03.88 | 66 дней | |
Космос-1933 (БУК) | 15.03.88 | 60 дней |
Приложение 2
Дата добавления: 2016-02-02; просмотров: 1760;