СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ КОСМИЧЕСКИХ ЯДЕРНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ И ДВИГАТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК

Космонавтика, как и другие области человеческой деятельности, характеризуется постоянным возрастанием уровня энергетического обеспечения. Накануне нового тысячелетия на серийных геостационарных спутниках связи преодолен рубеж мощности в 10 кВт. Суммарная мощность системы энергоснабжения (СЭС) орбитальной станции «Мир» составляла 16 кВтЭл. В конце 2000 года мощность СЭС Международной космической станции достигла 65 кВтЭл, а к 2004 году она должна быть 110 кВтЭл.

Все приведенные примеры относятся к СЭС, в которых генераторами являются солнечные батареи. Вместе с тем, солнечные батареи имеют ряд существенных недостатков. Для их эффективной работы должна постоянно осуществляться с помощью специальных систем ориентация батарей на Солнце. Обеспечение энергопитания на участках полета КА в тени Земли требует включения в состав СЭС накопителей энергии, для зарядки которых необходимо увеличение мощности батарей. Из-за воздействия факторов космического пространства в настоящее время довольно велика скорость деградации их энергетических параметров. Эффективность солнечных батарей снижается до неприемлемого уровня при удалении от Солнца на расстояние свыше 5 астрономических единиц, что исключает возможность использования солнечной энергетики на КА для полетов к Юпитеру и находящимся за ним планетам Солнечной системы.

По прогнозам космической деятельности в 21 веке, одна из ведущих ролей в области энергодвигательного обеспечения перспективных космических средств отводится, наряду с солнечной, ядерной энергетике. Достоинством энергетических установок на базе ядерных реакторов является их практическая независимость от освещенности Солнцем. Благодаря этому околоземные КА с ЯЭУ при постоянном уровне энергопотребления фактически не нуждаются в накопителях энергии. Возможность регулирования режима работы ЯЭУ снимает необходимость в накопителе для ряда случаев пиковой нагрузки КА. Компактность конструкции ЯЭУ значительно облегчает эксплуатацию КА и упрощает систему ориентации для задач, требующих высокой точности наведения целевой аппаратуры. Для ЯЭУ характерны повышенная стойкость к воздействию окружающей среды, а также существенное снижение удельной массы установки при возрастании ее мощности. Исследования показали, что применительно к орбитальным КА преимущество СЭС на базе ЯЭУ по энергомассовым характеристикам над традиционными СЭС на основе солнечных батарей с перспективными параметрами начинает проявляться с уровня электрической мощности около 50 кВт.

По результатам исследований, нашедших отражение в Концепции развития космической ядерной энергетики в России [34], наиболее эффективной и, видимо, наиболее вероятной первоочередной областью применения ядерной энергетики в околоземном космосе явится энергодвигательное обеспечение КА, функционирующих на геостационарной, геосинхронной и других энергоемких орбитах при большом энергопотреблении целевой аппаратуры. К настоящему времени выявилась целесообразность функционального объединения энергодвигательной установки с другими служебными системами КА, используемыми при выведении на рабочую орбиту, в отдельном блоке, получившем название «транспортно-энергетический модуль» (ТЭМ) [35]. Применение в составе КА транспортно-энергетических модулей на основе энергодвигательных установок, позволяющих обеспечить как доставку КА на рабочую орбиту, так и последующее питание целевой аппаратуры и служебных систем в течение всего срока эксплуатации аппарата, значительно увеличивает возможности используемых средств выведения. В сравнении с традиционными средствами это позволяет повысить эффективность КА на рабочей орбите (при использовании тех же типов ракет-носителей) за счет значительного (в два и более раз) увеличения массы целевой аппаратуры и повышенного уровня ее энергообеспечения, либо, при сохранении массы КА, использовать носители меньшей размерности с меньшей стоимостью пуска и меньшим временем подготовки к старту. Перспективным является также использование транспортно-энергетических модулей для межпланетных полетов.

Возможны два типа ТЭМ:

· на основе ЯЭУ и маршевой электроракетной двигательной установки (ЭРДУ);

· на основе бимодальных ядерных энергодвигательных установок (ЯЭДУ), в которых при межорбитальном перелете используется технология ЯРД, а на энергетическом режиме - технология ЯЭУ.

Благодаря высокому удельному импульсу тяги ЭРДУ (десятки километров в секунду) первый тип ТЭМ обеспечивает наибольшую энергобаллистическую эффективность. Для этого типа ТЭМ характерны малая тяга (единицы ньютонов), большие времена транспортировки (0.5 - 1 год) и значительная электрическая мощность установки (десятки-сотни киловатт) на этапе выведения, избыточная для целевых систем КА на рабочей орбите. Траектория выведения КА на рабочую орбиту при непрерывной работе ЭРДУ представляет собой раскручивающуюся спираль с постепенным изменением угла наклона плоскости орбиты.

Для второго типа ТЭМ работа бимодальной ЯЭДУ в режиме теплового двигателя обеспечивает относительно небольшую продолжительность выведения на орбиту (~ недели) при значительно более высокой баллистической эффективности по сравнению с традиционными средствами транспортировки на базе жидкостных ракетных двигателей.