Неядерный межорбитальный буксир с водородным теплообменным двигателем малой тяги
Описание работы неядерного межорбитального буксира с теплообменным двигателем малой тяги, использующим водород в качестве рабочего тела
Работа системы, образованной межорбитальным буксиром и спутниковой группировкой из сети орбитальных заправочных станций (ОЗС), которые описаны в [1; 2] может быть существенно упрощена, если для перехода с НОО на ГСО использовать спиралевидную траекторию подъема.
В этом случае при старте с НОО высотой 200 км на ГСО буксир доложен набрать характеристическую скорость равную 4718 м/с. Эта скорость находится как разность между скоростью буксира на ГСО (3070 м/с) и скоростью на НОО (7788 м/с).
Требуемая характеристическая скорость буксира приблизительно на 800 м/с отличается от характеристической скорости бустера, который выходит на ГСО по эллиптической траектории за счет разгонных импульсов в перигее и апогее. Это превышение не существенно влияет на грузоподъемность буксира, так как импульс его термического водородного двигателя находится в диапазоне 8500-12000 м/с.
Незначительное снижение массы полезной нагрузки компенсируется устранением проблемы синхронизации положения промежуточных заправочных станций. При выборе спиральной траектории движения буксира станции могут размещаться на круговых орбитах на любых высотах и в любых точках орбит. При размещении системы ОЗС в экваториальной плоскости устраняется проблема прецессии орбит.
В этом варианте буксир движется на ГСО от станции к станции, которые расположены на его спиралевидном пути. На каждой из станции, с которой он стыкуется, производят автоматическую перезарядку запаса химического топлива нагревательных элементов двигателя. Взамен израсходованного топливно-термического заряда в бустер помещают новую порцию, которая была ранее изъята из предыдущего буксира и регенерирована на ОЗС за счет энергии, вырабатываемой солнечными батареями.
Ниже приводится таблица расчета доли полезного груза от стартовой массы буксира на НОО.
Таблица 1
W (м/с)
8500
10000
12000
V (м/с)
4720
4720
4720
ln (М1/М2)
0,5553
0,4720
0,3933
М1/М2
1,7425
1,6032
1,4819
M1
100,0
100,0
100,0
M2
57,4
62,4
67,5
Мт
42,6
37,6
32,5
Мк
12,0
12,0
12,0
Мпг
45,4
50,4
55,5
W - скорость истечения рабочего тела; V - характеристическая скорость буксира; М1- стартовая масса буксира на НОО; М2 - конечная масса на ГСО; Мт - масса рабочего тела (водорода); Мк - масса конструкции буксира; Мпг - масса полезного груза, доставляемого на ГСО.
Итак, в среднем доля полезного груза составляет 50 процентов стартовой массы буксира, что в 2-2,5 раза больше доли полезного груза, который доставляется на ГСО в настоящее время разгонными блоками с обычными химическими ракетными двигателями.
Данные в таблице 1 справедливы для одноразового буксира. Вместе с тем, в случае незначительного уменьшения доли полезного груза, в целях размещения на борту дополнительного запаса рабочего тела, необходимого для спуска с ГСО на НОО, буксир может использоваться многократно. В таблице 2 приведены данные для случая челночных полетов буксира.
Таблица 2
W (м/с)
8500
10000
12000
V (м/с)
4720
4720
4720
Ln(М1/М2)
0,5553
0,4720
0,3933
М1/М2
1,7425
1,6032
1,4819
M1
100,0
100,0
100,0
M2
57,4
62,4
67,5
Мт-вверх
42,6
37,6
32,5
Мт-вниз
8,9
7,3
5,8
Мк
12,0
12,0
12,0
Мпг
36,5
43,1
49,7
Мт-вверх - масса запаса рабочего тела для перехода с НОО на ГСО; Мт-вниз - масса запаса рабочего тела для спуска с ГСО на НОО.
Таким образом, многоразовый буксир обеспечивает так же достаточно высокую долю полезной нагрузки - 40-50 процентов стартовой массы на НОО. Дополнительный экономический эффект здесь перекрывает незначительное сокращение массы, поскольку ожидаемый ресурс буксира может достигать 25 полетов, хотя полезный эффект будет наблюдаться при ресурсе в 5-10 рейсов на ГСО и обратно.
Количество ОЗС может находиться в пределах 5-20 штук. При этом, не зависимо от количества станций, общая их мощность и приблизительно их суммарная масса константны. Электрическая мощность ОЗС определяется массой вещества термических зарядов, которые необходимо регенерировать. Эта величина определяется количеством запусков КА на ГСО. Если в течение одного года на ГСО выводится 24 КА, каждый массой 1 тонна, то на НОО стартовая масса буксира равна в среднем 2,3 тонны, а масса рабочего тела 1,45 тонн при скорости истечения 10000 м/с. Такие параметры работы требуют выработки топливных зарядов из отработанных каждые две недели с затратой энергии равной 1450 кг Х 108 м2/с2 (кпд регенерирующего оборудования принимается равным 0,5). С учетом кпд двигателей равном 0,75 потребное количество энергии составит 1,93·1011 Дж. При 24 запусках в год электрическая мощность перерабатывающего оборудования всех ОЗС не превысит 0,15 МВт. Стоимость фотоэлектрических преобразователей такой мощности равна 44 млн. долл. (300 тыс. долл./кВт), а масса - не более 1500 кг (10 кг/кВт). С учетом перерабатывающего оборудования суммарная масса ОЗС может быть в диапазоне 3-10 тонн.
Затраты на R&D по теплообменному двигателю, с учетом имеющихся заделов в СССР и США второй половины прошлого века, могут быть оценены в 100-200 тыс. долларов. Время завершения работ и перехода к фазе испытаний на орбите может составлять 2-3 года.
Источники
[1] Новые транспортные технологии для промышленного освоения ГСО и Луны.
А.О.Майборода. Доклад на XL Гагаринских чтениях.
http://technic.itizdat.ru/docs/MAO/FIL13633704120N729435001/
[2] 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/
[3] 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
UPD.
Количество ОЗС может составить 10 штук при сообщении буксиру средней характеристической скорости равной 435 м/с за счет одной заправки топливом термических элементов двигателя. Если буксир стартует с орбиты высотой 200 км за счет первичного запаса топлива, то первая ОЗС, с которой он должен произвести стыковку и осуществить перезарядку термических элементов, будет находиться на высоте 1000 км.
Соответственно, вероятная масса каждой станции находится в пределах от 0,3 до 1 тонны. На свои рабочие орбиты станции переводятся с НОО при помощи собственного электроракетного двигателя.
Время перелета буксира с опорной орбиты на геостационарную не обязательно должно совпадать со временем регенерации термических зарядов и в зависимости от мощности теплообменного двигателя может составлять от одних суток до недели (оптимальное время - 5 суток).