Концепция солнечного теплового ракетного двигателя с фазопереходным тепловым аккумулятором и дожиганием водорода фтором

Рассмотрена концепция солнечного теплового ракетного двигателя с фазопереходным тепловым аккумулятором на основе бинарного эвтектического сплава бора и кремния, теплофизические свойства которого позволяют его использовать в равнотемпературной системе солнечный зеркальный концентратор-светоприемник--тепловой аккумулятор. Проанализирована возможность уменьшения массы и габаритных размеров системы солнечный зеркальный концентратор-светоприемник--тепловой аккумулятор при дожигании нагретого в ней водорода фтором, что значительно снижает массовый расход нагреваемого водорода для обеспечения требуемого импульса тяги. Применительно к задаче выведения космического аппарата на геостационарную орбиту приведены массоэнергетические характеристики космического аппарата с солнечным тепловым ракетным двигателем для времени межорбитального перелета от 20 до 90 суток. Приведены математическая модель операции сложной технической системы космический аппарат--солнечный тепловой ракетный двигатель и алгоритм оптимизации релевантных параметров системы концентратор-светоприемник--тепловой аккумулятор с учетом баллистических характеристик многоимпульсной траектории с апсидальными активными сегментами и условий частичного затенения переходных орбит. Показаны рациональные значения коэффициента избытка окислителя в зависимости от времени выведения космического аппарата на геостационарную орбиту. Приведена оценка преимущественного использования космического аппарата с рассмотренным двигателем по отношению к альтернативным средствам межорбитальной транспортировки

Литература

[1] Кудрин О.И. Солнечные высокотемпературные космические энергодвигательные установки. М.: Машиностроение, 1987. 247 с.

[2] Frye P.E., Kennedy F.G. Reusable orbital transfer vehicles (ROTV) applications of an integrated solar upper stage (ISUS) // Journal of Propulsion and Power. 1998. Vol. 14. No. 6. P. 1059–1064. DOI: 10.2514/2.5374

[3] Hawk C.W., Adams A.M. Conceptual design of a solar thermal upper stage (STUS) flight experiment // 31st Joint Propulsion Conf. and Exhibit. 1995. AIAA Paper No. 95-2842. DOI: 10.2514/6.1995-2842

[4] Engberg R.C., Lassiter J.O., McGee J.K. Modal survey test of the SOTV 2×3 meter off-axis inflatable concentrator // 41st Structures, Structural Dynamics, and Materials Conf. and Exhibit. 2000. AIAA Paper No. 00-1639. DOI: 10.2514/6.2000-1639

[5] Leenders H.C.M., Zandbergen B.T.C. Development of a solar thermal thrusters system // 59th IAC Congress. 2008. Paper IAC-08-D1.1.01.

[6] Wassom S.R., Lester D.M., Farmer G., Holmes M. Solar thermal propulsion IHPRPT demonstration program status // 37th Joint Propulsion Conf. and Exhibit. 2001. AIAA Paper No. 2001-3735. DOI: 10.2514/6.2001-3735

[7] Gilpin M.R., Scharfe D.B., Young M.P., Webb R. Experimental investigation of latent heat thermal energy storage for bi-modal solar thermal propulsion // 12th Int. Energy Conversion Engineering Conf. 2014. AIAA Paper No. 2014-3832. DOI: 10.2514/6.2014-3832

[8] Koroteev A.S., et al. Kick stages with solar heat propulsion systems for increase of middle-class Soyuz launchers competitiveness // Proc. of the 6th Int. Symp. on Propulsion for Space Transportation. 2002. Paper No. S36.2.

[9] Федик И.И., Степанов В.С., Якубов В.Я. Аккумуляторы электрической и тепловой энергии на основе фазовых переходов // Сборник научных докладов II Международного совещания по проблемам энергоаккумулирования и экологии в машиностроении, энергетике и на транспорте. М.: ИМАШ РАН, 2001. C. 17–25.

[10] Федик И.И., Попов Е.Б. Двигательно-энергетическая установка на солнечных тепловых аккумуляторах // Сборник научных докладов III Международного совещания по проблемам энергоаккумулирования и экологии в машиностроении, энергетике и на транспорте. М.: ИМАШ РАН, 2002. C. 282–292.

[11] Финогенов С.Л., Коломенцев А.И. Выбор теплоаккумулирующего материала для солнечного теплового ракетного двигателя // Сибирский журнал науки и технологий. 2016. Т. 17. № 1. С. 161–169.

[12] Финогенов С.Л., Коломенцев А.И. Выбор параметров солнечного теплового ракетного двигателя при ограничении на время полета // Вестник МАИ. 2016. Т. 23. № 3. С. 58–68.

[13] Финогенов С.Л., Коломенцев А.И., Кудрин О.И. Использование различных окислителей для дожигания водорода, нагреваемого в ракетном двигателе за счет солнечной энергии // Сибирский журнал науки и технологий. 2015. Т. 16. № 3. С. 680–689.

[14] Финогенов С.Л., Коломенцев А.И., Константинов М.С. Характеристики космического аппарата с солнечным тепловым ракетным двигателем // Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева. 2017. № 2 (73). С. 62–69.

[15] Сафранович В.Ф., Эмдин Л.М. Маршевые двигатели космических аппаратов. Выбор типа и параметров. М.: Машиностроение, 1980. 240 с.

[16] Агульник А.Б. Методология системного анализа авиационных газотурбинных двигателей сложных схем. Автореф. дисc. … д-ра техн. наук. М.: Изд-во МАИ, 2001. 38 с.

[17] Грилихес В.А., Матвеев В.М., Полуэктов В.П. Солнечные высокотемпературные источники тепла для космических аппаратов. М.: Машиностроение, 1975. 248 с.

[18] Левенберг В.Д. Энергетические установки без топлива. Л.: Судостроение, 1987. 104 с.

[19] О возможности создания электроракетной двигательной установки мощностью 10…30 кВт на базе двухрежимного двигателя СПД-140Д / В.Н. Бойкачев, Ю.Г. Гусев, В.С. Жасан, В.П. Ким, М.Б. Мартынов, В.М. Мурашко, И.М. Нестерин, А.В. Пильников, Г.А. Попов // Космическая техника и технологии. 2014. № 1 (4). С. 48–59.

[20] Финогенов C.Л., Коломенцев А.И. Характеристики неравнотемпературных систем концентратор–приемник солнечного теплового ракетного двигателя // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. 2017. № 2. C. 66–83. DOI: 10.18698/0236-3941-2017-2-66-83

[21] Белик А.А., Егоров Ю.Г., Кульков В.М., Обухов В.А. Анализ проектно-баллистических характеристик комбинированной схемы выведения космического аппарата на геостационарную орбиту с использованием ракет-носителей среднего класса // Авиационно-космическая техника и технология. 2011. № 4 (81). С. 17–21.