Пояснительная записка к проекту РБ с теплообменным РД и химическим источником тепла
Пояснительная записка
к проекту межорбитального разгонного блока с теплообменным ракетным двигателем, в котором в качестве рабочего тела используется водород и применяется химический источник тепла (для нагрева водорода) на основе топливных смесей,
дающих твердые окислы
1. Аналогами предлагаемого типа разгонного блока (РБ) являются ядерные бустеры или разгонные блоки, в которых в качестве рабочего тела используется водород с удельным импульсом 8000-9000 м/с и, в некоторых вариантах с радиационной теплопередачей, с удельным импульсом 12000-15000 м/с. В таких РБ доля полезного груза может достигать 40-50%. Источник нагрева водорода имеет относительно малую массу и практически неограниченный запас энергии, передаваемой рабочему телу посредством нагрева. По известным причинам, ядерные РБ не используются в космонавтике.
2. Прототипом предлагаемого РБ нового типа являются РБ «Центра Келдыша», в двигателях которых также в качестве рабочего тела используется водород с удельным импульсом порядка 8000 м/с. Нагрев водорода осуществляется уже не ядерным реактором, а теплообменником в виде теплового аккумулятора из графита. Аккумулятор тепла нагревается электрическим током от солнечных батарей (но может использоваться прямой нагрев от солнечного концентратора).
Если бы для нагрева всего выбрасываемого водорода использовалась заранее запасенная энергия, то масса теплоаккумулятора превысила бы массу водорода. Считаем: кинетическая энергия 1 кг водорода при скорости 8000 м/с равна 32 МДж/кг. А теплоёмкость графитового аккумулятора тепла, если верить справочникам, дающим 700 Дж/(кг*К), будет равна 1,4 МДж/кг при 2000 К. С учетом КПД равном 80% аккумулятор должен иметь запас тепла величиной 40 МДж, что бы сообщить 1 кг водорода энергию в 32 МДж. Итого, масса теплоаккумулятора должна быть 28,6 кг что бы получить реактивную струю из 1 кг водорода при скорости струи в 8000 м/с.
Из этого ясно, что ракетный двигатель, использующий в качестве рабочего тела водород, нагреваемый в тепловом аккумуляторе, не может процесс разгона осуществлять за один акт. Такие двигатели должны работать прерывисто, поэтапно наращивая скорость РБ. Тогда их масса будет небольшой. Например, при массе теплоаккумулятора равной 2,86 кг, тот же 1 кг водорода будет выброшен из двигателя десятью порциями. В перерывах между работой двигателя аккумуляторы заново заряжаются. Для того, что бы масса аккумулятора снизилась хотя бы до массы запаса водорода на борту РБ, требуется увеличить число включений двигателя до 29 раз. Но это недостаточно для вывода полезного груза, например на ГСО (требующего характеристическую скорость около 4000 м/с). Требуется увеличить число включений до 58 раз. В этом случае масса теплоаккумулятора составит 19,7% от стартовой массы РБ, масса водорода 39,3%, и при 10% массы конструкции РБ масса полезной нагрузки будет равна 31%, что очень хорошо.
А вот плохо здесь то, что вместо двух пусков двигателя, один раз в перигее и другой раз в апогее, для вывода на ГСО требуется 58 включений. Точно не известно, сколько включений делается на РБ Центра Келдыша, но из их материалов следует, что запуск может длиться до 10 суток. Это тоже не плохо по сравнению с солнечным или электроядерным буксиром с ЭРД, который месяцами будет взбираться на ГСО. Однако, есть и лучшие решения.
3. Предлагаемый вариант РБ - это проект Майбороды А.О., доложенный на 40-х Гагаринских чтениях в 2013 году. Он имеет несколько версий, но все они имеют общее основное отличие от РБ «Центра Келдыша». В РБ Майбороды для нагрева водорода вместо теплового аккумулятора используется химический теплогенератор. Преимущество налицо: заряд графитового теплоаккумулятора не превышает 1,4 МДж/кг при температуре не выше 2000 К, тогда как химический источник тепла может иметь емкость до 24,4 МДж/кг, в случае использования топлива на основе бериллия и кислорода при большей температурой нагрева. Эффективность бериллий-кислородного источника тепла в 17,4 раз выше графитового. Благодаря этому, РБ, с химическим источником тепла может иметь полезную нагрузку почти 50% вместо теоретически возможной нагрузки в 31% РБ от Центра Келдыша, т.к. масса источника тепла сокращается до 1% от стартовой массы РБ.
Однако, здесь есть проблема в виде дополнительной массы устройства на борту РБ, которое необходимо для регенерации термического заряда: разложения оксида бериллия на бериллий и кислород. Данные по массе и габаритам устройства могут быть получены в «КБ им. В.П. Бармина», которое имеет опыт разработки космических систем разложения окислов на кислород и металлы.
Вместе с тем, эта проблема решается более простым способом. Решение состоит в том, что разложение сгоревшего топлива на исходные компоненты производится вне РБ, на борту орбитальных станций. Для того, что бы бустер в процессе разгона мог посещать эти станции и перезаряжать теплообменник, станции должны обращаться в одной плоскости, иметь одинаковый перигей (или почти равный) при разных апогеях, и самое главное, периоды их обращений должны быть синхронизированы, т.е. должны быть кратны периоду обращения, например, первой станции. В этом случае станции регулярно встречаются друг с другом в перигее, что позволяет РБ совершать перелёт от одной станции к другой. Без синхронизации невозможно организовать перелеты РБ между станциями.
В варианте с 58 включениями двигателя в перигее и апогее при выходе на ГСО потребуется сеть из 58 станций. Это не очень удобно по ряду причин, но благодаря высокой энергоемкости химического источника тепла можно поднять массу теплогенератора до 10% стартовой массы РБ и тогда потребуется не более 6 станций перезарядки (с попутным сокращением сроков разгона), а это уже удобная величина - спутниковые группировки обычно имеют большее количество аппаратов.
РБ Майбороды имеют и другие особенности, которые выгодно отличают их от РБ с графитовыми теплообменниками. В частности, здесь обеспечивается более высокая температура источника тепла - в вариантах с ацетилендинитрилом возможно получение температуры около 5500 К. Это позволяет получать более высокие удельные импульсы - в диапазоне от 10 до 12 км/с. Возможны так же и большие скорости истечения: ~15 км/с за счет атомарного водорода, возникающего при высокотемпературном нагреве.
В варианте транспортировки только одного сырья в виде соединений бериллия, бора, алюминия, кремния и лития с кислородом, фтором, хлором или водородом, доставляемого на ГСО, лунную и/или астероидные базы, что необходимо на стадии развертывания, масса груза может достигать 65% стартовой массы РБ. Разлагая эти соединения на металлы, кислород и прочие элементы, можно получать конструкционные материалы, необходимые для строительства базы, водородно-кислородное топливо (до 70% от массы сырья), химикаты для запуска процесса производства ракетного топлива из реголита.
Всё это делает разгонные блоки нового типа эффективным средством доставки КА на ГСО, Луну, астероиды и, конечно же, любимый всеми Марс.
Справочные материалы
Прототип РБ Майбороды - "Разгонные блоки на основе солнечной энергодвигательной установки (СЭДУ)" ГНЦ ФГУП "Центр Келдыша".
http://www.kerc.msk.ru/ipg/development/solar/sol_eng.shtml
Новые транспортные технологии для промышленного освоения ГСО и Луны. А.О.Майборода. Доклад на XL Гагаринских чтениях.
http://technic.itizdat.ru/docs/MAO/FIL13633704120N729435001/
Новые транспортные технологии для промышленного освоения ГСО и Луны. А.О.Майборода. 40-е Гагаринские Чтения. Слайды к докладу
http://technic.itizdat.ru/docs/MAO/FIL13632941550N386893001/
