Солнечные тепловые ракетные двигатели с различными высокотемпературными источниками мощности

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

В статье приводится обзор космических тепловых ракетных двигателей, использующих концентрированную солнечную энергию как основной источник мощности. Рассматриваются солнечные тепловые ракетные двигатели (СТРД) разных схем, в том числе с дожиганием нагретого в системе «концентратор – приемник» (КП) водорода различными окислителями, образующими с водородом высокоэнергетические топливные пары с высоким значением соотношения массовых расходов компонентов, что позволяет уменьшить размерность системы КП. Показаны экстремальные зависимости тяги двигателя от удельного импульса при различных значениях температуры нагрева водорода и коэффициента избытка окислителя. Приводятся коэффициенты регрессионных зависимостей для КПД двухступенчатого приемника и приемника с предельной неравнотемпературностью нагрева, обладающим предельно возможной энергетической эффективностью. Приведены алгоритмы расчета основных проектных параметров СТРД в составе космического аппарата (КА) с учетом баллистических параметров многовитковой переходной траектории с множественными активными сегментами применительно к СТРД с энергетически выгодной неравнотемпературной системой КП. Также рассматриваются схемы двигателя с тепловым аккумулированием тепла и возможным дожиганием нагретого водорода. Тепловое аккумулирование позволяет накапливать энергию в светоприемнике-аккумуляторе во время пассивного движения на освещенных участках переходных орбит вне зависимости от условий освещенности апсидальных участков орбиты, на которых осуществляется включение двигателя. Для различного времени межорбитального перелета на геостационарную орбиту (ГСО) выбираются целесообразные теплоаккумулирующие фазопереходные материалы (ТАМ) типа эвтектического сплава бора и кремния, а также тугоплавкого оксида бериллия. Показаны основные характеристики разных схем СТРД в задаче выведения КА на высокоэнергетические орбиты типа ГСО. Приведена модель операции системы «КА-СТРД» с учетом баллистических параметров и возможностью аккумулирования тепловой энергии. Показано, что коэффициент избытка окислителя в СТРД с тепловым аккумулятором (ТА) возрастает при уменьшении времени межорбитального перелета. Рассмотрены схемы СТРД с двухступенчатым ТА, показывающим большую энергомассовую эффективность при умеренных значениях параметра точности солнечного концентратора.

Об авторах

Сергей Леонардович Финогенов

Московский авиационный институт (Национальный исследовательский университет)

Автор, ответственный за переписку.
Email: sfmai2015@mail.ru

старший научный сотрудник, кафедра 202 «Ракетные двигатели»

Россия, 125993, г. Москва, А-80, ГСП-3, Волоколамское шоссе, 4

Александр Иванович Коломенцев

Московский авиационный институт (Национальный исследовательский университет)

Email: a.i.kolomentsev@yandex.ru

кандидат технических наук, профессор, кафедра 202 «Ракетные двигатели»

Россия, 125993, г. Москва, А-80, ГСП-3, Волоколамское шоссе, 4

Список литературы

  1. Wassom S. R., Lester D. M., Farmer G., Holmes M. Solar Thermal Propulsion IHPRPT Demonstration Program Status // 37th Joint Propulsion Conference and Exhibit. Salt Lake City, UT, USA (July 08-11, 2001). AIAA Paper. 2001. № 2001–3735.
  2. Финогенов С. Л., Коломенцев А. И. Солнечный тепловой ракетный двигатель с оксид-бериллиевым фазопереходным тепловым аккумулятором и дожиганием водорода // Вестник Московского авиационного института. 2018. Т. 25, № 3. С. 107–115.
  3. Finogenov S. L, Kudrin O. I., Nikolenko V. V. Solar Thermal Propulsion with High-Efficient “Absorber-Thermal Storage” System // IAF Paper 1997, No S.06.05. 48th International Astronautical Congress (October 6–10, 1997). Turin, Italy.
  4. 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 International Energy Conversion Engineering Conference. Cleveland, OH, USA. July 28-30, 2014. AIAA Paper, 2014. № 2014-3832 [Электронный ре-сурс]. URL: https://arc.aiaa.org/doi/10.2514/6.2014-3832.
  5. Koroteev A. S. et al. Kick Stages with Solar Heat Propulsion Systems for Increase of Middle-Class Soyuz Launchers Competitiveness // Proc. of the 6th International Symposium on Propulsion for Space Transportation: Propulsion for Space Transportation of the XXIst Century. Versailles, France. May 2002.
  6. Leenders H. C. M., Zandbergen B. T. C. Development of a solar thermal thrusters system // 59th IAC Congress, Glasgow, Scotland, 2008. Paper IAC-08-D1.1.01.
  7. Кудрин О. И. Солнечные высокотемпературные космические энергодвигательные установки. М. : Машиностроение, 1987. 247 с.
  8. Федик И. И., Попов Е. Б. Двигательно-энергетическая установка на солнечных тепловых аккумуляторах // Сб. науч. докладов III Междун. совещания по проблемам энергоаккумулирования и экологии в машиностроении, энергетике и на транспорте. М. : ИМАШ РАН, 2002. C. 282–292.
  9. Финогенов С. Л., Коломенцев А. И. О выборе схемы и параметров солнечного теплового ракетного двигателя // Вестник Московского авиационного института. 2017. Т. 24, № 1. С. 63–75.
  10. Сафранович В. Ф., Эмдин Л. М. Маршевые двигатели космических аппаратов. Выбор типа и параметров. М. : Машиностроение, 1980. 240 с.
  11. Финогенов С. Л., Коломенцев А. И. Выбор параметров солнечного теплового ракетного двигателя при ограничении на время полета // Вестник Московского авиационного института. 2016. Т. 23, № 3. С. 58–68.
  12. Грилихес В. А., Матвеев В. М., Полуэктов В. П. Солнечные высокотемпературные источники тепла для космических аппаратов. М. : Машиностроение, 1975. 248 с.
  13. Финогенов С. Л., Коломенцев А. И. Характеристики неравнотемпературных систем концентратор-приемник солнечного теплового ракетного двигателя // Вестник МГТУ им. Н. Э. Баумана. Сер. «Машиностроение». 2017. № 2. С. 66–83. doi: 10.18698/0236-3941-2017-2-66-83.
  14. Финогенов С. Л., Коломенцев А. И., Назаров В. П. Солнечный тепловой ракетный двигатель с различными типами системы «концентратор – приемник» // Вестник СибГАУ. 2016. Т. 17, № 3. С. 738–747.
  15. Финогенов С. Л., Коломенцев А. И., Кудрин О. И. Использование различных окислителей для дожигания водорода, нагреваемого в ракетном двигателе за счет солнечной энергии // Вестник СибГАУ. 2015. Т. 16, № 3. С. 680–689.
  16. Константинов М. С., Мин Тейн. Оптимизация траектории выведения космического аппарата на геостационарную орбиту для транспортной системы с удельным импульсом двигателя 600–900 с. // Труды МАИ. 2017. № 95 [Электронный ресурс]. URL: http://trudymai.ru/published.phpID=84516.
  17. 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 (74). С. 62–69.
  18. Финогенов С. Л. Выбор характеристик солнечного теплового ракетного двигателя в задаче оптимального перелета на геостационарную орбиту // Вестник КГТУ им. А. Н. Туполева. 2018. № 1 (75). С. 74–79.
  19. Финогенов С. Л., Коломенцев А. И. Выбор теплоаккумулирующего материала для солнечного теплового ракетного двигателя // Вестник СибГАУ. 2016. Т. 17, № 1. С. 161–169.
  20. Финогенов С. Л. Концепция солнечного теплового ракетного двигателя с фазопереходным тепловым аккумулятором и дожиганием водорода фтором // Вестник МГТУ им. Н. Э. Баумана. Сер. «Машиностроение». 2018. № 3 (120). С. 44–63. doi: 10.18698/0236-3941-2018-3-44-63.
  21. Левенберг В. Д., Ткач М. П., Гольстрем В. А. Аккумулирование тепла. Киев : Тэхнiка, 1991. 112 с.
  22. Финогенов С. Л., Коломенцев А. И. Характеристики солнечного теплового ракетного двигателя с тепловым аккумулятором и дожиганием водорода // Вестник МГТУ им. Н. Э. Баумана. Сер. «Машиностроение». 2018. № 4 (121). С. 55–70. doi: 10.18698/0236-3941-2018-3-55-70.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Финогенов С.Л., Коломенцев А.И., 2019

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах