Путешествие в космос - Авиационно-космические системы США - Разработка перспективных технологий (Часть 7)

Разработка перспективных технологий (Часть 7)

Другим вариантом повышения эффективности операций межорбитальной транспортировки грузов считается использование двигательных установок с внешними источниками энергии, например Солнца. Удельный импульс гелиотермических двигателей примерно вдвое превышает показатели традиционных ЖРД (800 с против 450 с), что дает возможность на 55— 70% увеличить энергетические характеристики ТКС. Так, например, если верхняя ступень с обычным химическим ракетным двигателем при стартовой массе 11,3 т обеспечивает доставку с низкой на стационарную орбиту спутника массой 1,9 т, то гелиотермический разгонный блок массой 8,3 т позволит выводить на эту же орбиту грузы массой до 3 т.

Наиболее крупным проектом в данной области является программа SOTV («Solar Orbit Transfer Vehicle»). Заказчиком проекта, общая стоимость которого оценивается в 48 млн долл., выступает Лаборатория AFRL, а головным разработчиком — компания «Boeing Phantom Works».

^{Разгонный блок SOTV с гелиотермическим двигателем}

Работы по программе, начавшиеся после предварительных изысканий весной 1998 г., разбиты на несколько этапов. В течение года фирмой «Boeing» были подготовлены эскизный и технический проекты разгонного блока. После чего начался этап производства и подготовки экспериментального образца изделия к летным испытаниям, первоначально намеченным на 2002 г., однако позднее сроки их были перенесены. Начало штатной эксплуатации разгонного блока SOTV было запланировано на 2008 г.

Разрабатываемый компанией «Boeing» разгонный блок SOTV оснащается гелиотермическим двигателем тягой 0,72 кг и с давлением в рабочей камере 1,76 кг/см². В качестве рабочего тела двигателя предполагается использовать жидкий водород; его газификация должна производиться в графитовом нагревателе RAC (Receiver-Absorber-Converter), на который будут фокусироваться солнечные лучи от рефлекторной системы. Максимальная температура на внешней поверхности нагревателя может достигать 2000 °С.

Рефлекторная система блока комплектуется тремя прямоугольными зеркалами общей площадью 3,7 м2 и массой в 35 кг. Мощность потока, направляемого на нагреватель, должна составить 2,6 кВт. Также изучается возможность использования в составе системы еще одного зеркала надувной конструкции.Разрабатываемый для аппарата SOTV гелиотермический двигатель относится к классу двухрежимных, то есть после завершения активного участка полета он может применяться для получения электроэнергии. В связи с этим нагревательный блок RAC массой в 43 кг будет выполнять функции приемника, поглотителя и преобразователя солнечной энергии. Установленные на нем четыре термоэлектронных преобразователя должны обеспечить мощность 100 Вт, их к.п.д. оценивается в 20%.

Общая масса аппарата SOTV должна составить 620 кг (с резервом в 101 кг), высота сборки — 3,3 м, диаметр — 1,2 м (по другим данным, последние два параметра определяются 2,4 м и 1,5 м соответственно). Наиболее крупным элементом изделия станет цилиндрический бак водорода массой 50 кг (с элементами арматуры и трубопроводами); его вместительность составит 83 кг жидкого компонента, а давление наддува — 3,2 кг/см².

Для экспериментальной модели аппарата SOTV рассчитывается следующая программа полета. После выведения на круговую орбиту высотой 900 км и наклонением 55° аппарат с помощью гелиотермического двигателя в течение 22 дней должен перейти на орбиту с параметрами 900 х 5220 км. В ходе межорбитальной транспортировки намечается осуществить примерно 250 включений двигателя. На начальном этапе полета продолжительность активных участков составит несколько минут, на завершающей стадии — 10—15 мин.

Лазерные двигательные установки также относятся к двигателям с внешним источником энергии. Работы по таким установкам в рамках проекта «Lightcraft» Лаборатория AFRL ведет совместно с Центром Маршалла и Ренсселеровским политехническим институтом RPI. Общие затраты на программу в период 1996—1999 гг. составили 750 000 долл.

Осенью 1997 г. в одном из корпусов, расположенных на полигоне Уайт-Сэндз (шт. Нью-Мексико), состоялись первые демонстрационные полеты летательного аппарата, оснащенного таким двигателем. Испытанный образец, получивший наименование «Lightcraft Technology Demonstrator» (LTD), имеет диаметр 14 см. Он изготовлен из алюминия и его масса составляет 42 г. В основании изделия установлена кольцевая камера сгорания с центральным телом, представляющим собой параболический отражатель. Направляемый с наземной установки в камеру сгорания лазерный луч производит разогрев воздуха до плазменного состояния; отбрасываемый плазменный поток создает тягу двигателя. В ходе выполненных испытаний при использовании импульсного лазера мощностью 10 кВт аппарат поднялся на высоту 15 м.

^{Аппарат LTD с лазерной двигательной установкой}

Очередной этап испытаний аппарата LTD проводился на открытой площадке полигона в начале 1999 г. Для обеспечения полета аппарата массой 52 г также применялся лазер мощностью 10 кВт, работающий на углекислом газе. Импульсы с энергией 350 Дж и продолжительностью 18 мкс генерировались установкой с частотой 28 Гц.

В целях исключения работ по оформлению специальной лицензии на проведение запуска высота полета была ограничена 30 м. Кроме того, во избежание ухода лазерного луча в атмосферу при аварийной ситуации над испытательной площадкой на 36-метровой стреле крана был подвешен защитный экран.

Данный «порог» был преодолен в начале 2003 г., когда аналогичный аппарат был поднят на высоту 71 м. Для его запуска использовался лазер мощностью 150 кВт с энергией импульса 1 кДж, продолжительностью импульса около 1 мкс, частотой 100—150 Гц. По расчетам, такая установка позволит «поднимать» аппараты массой 100—200 г и диаметром 20—30 см на высоту до 30 км.

Конечной целью программы «Lightcraft» является создание аппарата, способного достигать околоземной орбиты. На первом этапе полета такого изделия (до сообщения ему скорости М=6 на высоте 12 км) в качестве рабочего тела в двигателе будет использоваться атмосферный воздух, а затем до выхода на орбиту бортовой запас топлива, например жидкого водорода. Поскольку лазерная силовая установка существенно экономичнее традиционных химических двигателей, то удельные затраты на выведение грузов в космос могут сократиться до 200—1000 долл./кг, то есть примерно в 20—100 раз по сравнению с современным уровнем.

Первый запуск микроспутника массой 1—2 кг с помощью лазерного луча может состояться после 2006 г. Так как большую часть массы такого аппарата составит запас жидкого водорода, то на целевое оборудование придется не более 100 г. Однако, как считают инициаторы программы «Lightcraft», наличие на борту спутника камеры сгорания, представляющей собой высокоточное параболическое зеркало, позволит ее использовать либо в качестве приемно-передающей антенны микроволнового диапазона, либо как оптический инструмент для различных наблюдений.

Создание высокоэнергетических лазерных установок является наиболее сложной задачей проекта. Так, например, для доставки в космос спутника массой около 2 кг необходим лазер мощностью 1 МВт, для выведения грузов массой 100 кг — лазер мощностью 100 МВт. В то же время стоимость лазера мощностью 100—150 кВт оценивается в 2—2,5 млн долл., а установки мощностью 1 МВт — в 20—50 млн долл.

Развертывание энергетических лазерных установок в космосе может существенно повысить эффективность транспортных космических систем. В этом случае для сообщения аппарату массой 100 кг второй космической скорости потребуется лазер мощностью 1 МВт.

В более далекой перспективе лазерные двигательные установки могут найти применение и в составе пилотируемых летательных аппаратов, предназначенных как для доставки космонавтов на орбиту, так и для обеспечения воздушно-транс-портных перевозок.

<<<Назад Страница 26 Далее>>>

WalkInSpace.Ru

Правила:

«Путешествие в космос» © 2024

Использование материалов допускается при условии указания авторства WalkInSpace.ru и активной ссылки на www.WalkInSpace.ru.

Используются технологии uCoz