Поиск  Пользователи  Правила 
Закрыть
Логин:
Пароль:
Забыли свой пароль?
Регистрация
Войти
 
Страницы: 1 2 3 4 5 ... 10 След.
RSS
Russian JIMO
 
Решил положить очень интересную (на мой взгляд) статью из №1, 2005.

Полный текст с всеми картинками лежит вот здесь:
http://novosti-kosmonavtiki.ru/RussianJIMO.pdf


----------------------------

Ядерная энергия в космосе: ключ к тайнам мироздания[/size:50dc49f460]

А.Гафаров специально для «Новостей космонавтики»

Прогресс науки и техники, прежде всего космической, вплотную приблизил человечество к решению фундаментальных научных проблем – происхождения Солнечной системы и жизни в ней.

В 1970-х годах американские автоматические межпланетные станции (АМС) Voyager 1 и Voyager 2 при пролете Юпитера обнаружили ледяной покров на его естественных спутниках – Каллисто, Ганимеде и Европе. Выведенная в 1995 г. на орбиту вокруг Юпитера американская АМС Galileo зафиксировала признаки существования воды под ледяным покровом Европы. По мнению ряда ученых, в этой воде могут находиться живые организмы, характерные для начальной стадии зарождения жизни. Таким образом, изучение подледной воды на Европе может дать разгадку одной из тайн мироздания. И в связи с этим стали разрабатываться проекты детального исследования ледяных лун Юпитера, в первую очередь Европы.

Однако для осуществления такого проекта необходим переход на качественно новый уровень энергодвигательного обеспечения межпланетных полетов. Это связано прежде всего с тем, что, по результатам предварительного анализа, при прогнозируемой толщине ледяного покрова Европы на уровне 70–80 км для обнаружения под ним воды мощность излучения радиолокатора должна составлять несколько десятков киловатт; при этом его масса с обеспечивающими системами будет порядка 1000 кг (для сравнения: масса полезной нагрузки АМС Galileo составляла 118 кг, а максимальная мощность ее системы энергоснабжения на основе радиоизотопных термоэлектрических генераторов во время полета около Юпитера не превышала 0.5 кВт (НК №25, 1995, с.15-27)). Необходимый для зондирования Европы уровень энергоснабжения в рассматриваемых условиях может быть обеспечен только энергоустановкой на основе ядерного реактора деления. Такая энергоустановка позволит также увеличить на порядки скорость и объем передаваемой на Землю информации и в результате – выйти на принципиально новый уровень научной эффективности полета межпланетного КА.

Для проведения детального радиолокационного зондирования ледяного покрова Европы требуется также решение новой баллистической задачи – вывод КА на орбиту вокруг этого спутника Юпитера. Как показал анализ, решить эту задачу с доставкой на орбиту вокруг Европы полезной нагрузки массой 1000–1500 кг возможно только при использовании маршевой электроракетной двигательной установки (ЭРДУ), питающейся от ядерной энергоустановки (ЯЭУ) мощностью порядка 100 кВт.

В принятой Правительством РФ в 1998 г. «Концепции развития космической ядерной энергетики в России» предусматривается применение ядерных энергодвигательных установок как для решения ряда актуальных задач в околоземном космосе, так и для выполнения широкого спектра межпланетных полетов. В рамках работ по реализации Концепции в Центре Келдыша, головном предприятии Федерального космического агентства по данному направлению, начиная с 1999 г. ведутся исследования эффективности ядерных энергоустановок для изучения Солнечной системы. В частности, в 2000 г. совместно с НПО имени С.А.Лавочкина был выполнен предварительный анализ полета межпланетного КА к Юпитеру с выходом его на орбиту вокруг Европы. Его результаты показали, что поставленная задача не решается в полном объеме при использовании ракеты-носителя среднего класса типа «Ямал» (грузоподъемность 12 т на опорной орбите высотой 200 км) и ЯЭУ электрической мощностью 50 кВт. Даже при использовании ЭРДУ с удельным импульсом 6000 сек масса полезной нагрузки КА оказалась существенно меньше 1000 кг при потребном ресурсе ЯЭУ и ЭРДУ около 10 лет. Вместе с тем в данной работе была обоснована целесообразность применения маршевой ЭРДУ не только на всех участках межпланетного полета, но и для выхода КА из сферы действия Земли.

Новая, более углубленная проработка КА для зондирования Европы была выполнена в 2003 г. с привлечением специалистов ЦНИИмаш и МАИ [1]. Прежде всего, в рамках данного концептуального проекта были уточнены характеристики основной целевой аппаратуры такого КА – бортового радиолокатора. С учетом зависимости эффективной глубины зондирования ледяного покрова от частоты используемого излучения и принятой толщины ледяной коры на уровне 70–80 км был выбран декаметровый диапазон излучения с верхней частотой не более 10 МГц (l » 30 м) и рабочей полосой частот до 9 МГц. При ограничении на площадь антенны в 100 м2 потребная средняя мощность электромагнитного сигнала составляет около 30 кВт. В качестве прототипа антенного устройства для зондирующего радиолокатора была принята разработанная ОКБ МЭИ совместно с КБ «Салют» раскладная антенна размером 19х6 м2 (рис. 1).






Эту же антенну предусматривается использовать для зондирования поверхностных слоев Европы в метровом и S-диапазонах, а также для передачи данных на Землю. Как следует из таблицы 1, суммарная масса такого целевого комплекса составляет 967 кг, а его габариты, как будет показано ниже, обеспечивают компоновку в составе КА.



С точки зрения баллистики в данном проекте рассматривается старт межпланетного КА с ЯЭУ и ЭРДУ с радиационно безопасной околоземной орбиты высотой 800 км, на которую он доставляется ракетой-носителем «Протон-М» или «Ангара-5» с химическим разгонным блоком (ХРБ). С помощью ЭРДУ, питаемой от ЯЭУ, осуществляется выход КА из гравитационного поля Земли, межпланетный перелет и движение КА в гравитационном поле Юпитера с выходом на орбиту вокруг Европы. В соответствии с таким сценарием полета исследовались варианты КА, различающихся величиной электрической мощности ЯЭУ типа «Топаз» (в диапазоне N=50–100 кВт), параметрами ЭРДУ (величиной тяги P и удельного импульса тяги в диапазоне Руд=2500–6000 сек) и типом используемых РН.

Как показал анализ, наиболее рациональным является использование на всех участках полета ЭРДУ максимальной электрической мощности – 100 кВт. В таблице 2 приведены результаты расчетов для четырех вариантов полета КА с околоземной орбиты на орбиту спутника Юпитера при условии, что на всех участках полета помимо мощности на входе двигательной установки постоянной является и величина удельной тяги ЭРДУ.



Из данных таблицы 2, в частности, следует, что при принятых предпосылках время работы ЯЭУ (и ЭРДУ) практически не превысит 5 лет, а время полета – 8 лет, при этом масса КА на орбите назначения может достигать 8500–9600 кг.

На рис. 2 в качестве примера представлена проекция на плоскость эклиптики гелиоцентрического участка оптимальной траектории перелета длительностью 1800 суток при использовании РН «Протон-М» и ЭРДУ с удельным импульсом тяги 4500 сек. Здесь положение Земли и Юпитера в момент старта КА с околоземной орбиты обозначено как ТСЗ и ТСЮ, а положение Юпитера в момент прибытия к нему КА – как ТПЮ. На рис. 2 показана также линия апсид a-p и линия узлов W орбиты Юпитера, ось Х направлена в точку весеннего равноденствия. На рис. 3 для представленной траектории перелета показана соответствующая оптимальная программа управления вектором тяги ЭРДУ.



Следует отметить наличие на данной траектории двух пассивных участков (обозначенных пунктиром). При сокращении времени перелета до 1400 суток на траектории остается только один пассивный участок, но при этом увеличивается время работы ЭРДУ на перелете, растет расход топлива на 842 кг и соответственно уменьшается масса КА на подлете к сфере действия Юпитера.

На основе результатов баллистических расчетов в НПО имени С.А.Лавочкина был проработан проектный облик и состав КА. На рис. 4 представлен общий вид космической головной части, состоящей из головного блока и головного обтекателя, а также общий вид головного блока в составе химического разгонного блока и КА при отделении от ракеты-носителя.

Следует отметить, что, благодаря компактности ЯЭУ с термоэмиссионным преобразователем типа «Топаз» в сложенном состоянии (диаметр 3.7 м, длина 4.5 м при мощности 105 кВт [2] ;) , обеспечивается размещение головного блока под стандартным обтекателем, предназначенным для РН «Протон-М» и «Ангара-5».

В состав КА входят:
[list=1:50dc49f460][*]:50dc49f460]служебный модуль с исследовательской аппаратурой;[*]:50dc49f460]ядерная энергетическая установка (ЯЭУ);[*]:50dc49f460]электроракетная двигательная установка (ЭРДУ);[*]:50dc49f460]жидкостная ракетная двигательная установка (ЖРДУ).
[/list :o :50dc49f460]



На рис. 5 представлен общий вид КА на участках работы ЭРДУ. После отделения ХРБ производится успокоение КА с помощью ЖРДУ, развертывание и запуск ЯЭУ, ориентация и стабилизация КА в требуемом направлении при помощи ЖРДУ и включение ЭРДУ. Стабилизация КА по тангажу и крену обеспечивается поворотом двух блоков электроракетных двигателей, а за счет их разнотяговости обеспечивается стабилизация КА по каналу рысканья. Связь с Землей на всех этапах полета обеспечивается остронаправленной двухметровой параболической антенной с соответствующей аппаратурой радиокомплекса.

На рис. 6 показан общий вид КА на орбите вокруг Европы. При выходе на эту орбиту производится ориентация КА при помощи ЖРД малой тяги продольной осью на поверхность спутника Юпитера и развертывание радиолокационной антенны, которая в сложенном состоянии находилась внутри блока баков ЭРДУ. При необходимости коррекция орбиты может проводиться двигателями малой тяги, работающими на гидразине.

Массовая сводка КА на орбите вокруг Европы при использовании РН «Ангара-5» и ЭРДУ с удельным импульсом 4500 сек представлена в таблице 3.



Описанные выше материалы концептуального проекта были отражены в презентации Роскосмоса на 41-й сессии Научно-технического подкомитета Комитета ООН по космосу (НК №4, 2004, с. 38-40) и изложены в докладе [3], представленном на 55-м Международном космическом конгрессе (International Astronautical Congress-IAC), который проходил 4–8 октября 2004 г. в Ванкувере (Канада) (НК №12, 2004, с.65). Отметим, что данный Конгресс явился рубежным с точки зрения внимания к космической ядерной энергетике. Впервые на представительном международном форуме было организовано совместное заседание симпозиумов, посвященное космическим ядерным энергоустановкам и двигателям. В рамках симпозиума по разработке стратегий, архитектур, концепций и технологий развития космонавтики было организовано заседание под названием «Научные миссии, осуществимые с помощью ядерно-электрических двигательных установок». Отдельные аспекты создания и применения ядерных источников энергии рассматривались и на других заседаниях.

Столь повышенное внимание на Конгрессе к космической ядерной энергетике связано с возросшей активностью ведущих космических держав в этой области. В феврале 2002 г. в США была принята программа под названием «Инициатива по ядерным системам» (Nuclear Systems Initiative), предусматривающая разработку радиоизотопных генераторов нового поколения, а также двигательных установок (ДУ) на основе реакторных энергоустановок и электроракетных двигателей. Спустя год было объявлено о расширении работ по Инициативе за счет разработки проекта КА с ядерно-электрической ДУ под названием JIMO (Jupiter Icy Moons Orbiter – орбитальный аппарат для исследования ледяных лун Юпитера). Расширенная таким образом ядерная инициатива получила название «Проект “Прометей”» (Project Prometheus; НК №5, 2003, с.30-32). А в начале нынешнего года, в рамках объявленной президентом США новой широкомасштабной инициативы по исследованию космоса, Проект «Прометей» стал одним из главных среди программ технологического обеспечения будущих перспективных межпланетных полетов как автоматических, так и пилотируемых аппаратов. Ядерной энергетике отводится значительная роль и в реализации перспективной долгосрочной программы космических исследований ЕКА под названием «Аврора» (Aurora). В Китайской Народной Республике ведутся работы по созданию ЯЭУ с термоэмиссионным преобразователем для применения на околоземных спутниках [4].

В связи с изложенным с большим интересом ожидались доклады по космической ядерной энергетике на Конгрессе в Ванкувере. Этому способствовали сообщение о выборе в конце июля – начале августа 2004 г. разработчиков реактора и электроракетной ДУ для АМС JIMO (НК №10, 2004, с.41) и полученное буквально накануне Конгресса (20 сентября) сообщение о выборе головного подрядчика по проекту JIMO, которым стала компания Northrop-Grumman Space Technology (НК №12, 2004, с.44). Однако ожидания оправдались только частично. На Конгрессе так и не был представлен заявленный обзорный доклад по Проекту «Прометей», одним из соавторов которого является его директор А.Ньюхауз. Как следует из аннотации доклада, в нем изложены краткая история проекта, его современное состояние и направления будущих работ.

Аннотациями ограничились и представители Jet Propulsion Laboratory, головной организации NASA по проекту JIMO. Их доклады должны были содержать результаты предварительных исследований по использованию технологий, разработанных в рамках Проекта «Прометей», для выполнения ряда высокоприоритетных миссий. В частности, предполагалось показать влияние требований со стороны этих миссий на основные элементы JIMO и пути обеспечения его использования для выполнения широкого круга научных миссий. Одна из миссий, связанных с доставкой на полярную орбиту вокруг Нептуна КА с зондами (НК №8, 2004, с.42), была темой также представленного только аннотацией доклада группы специалистов во главе с представителем компании Boeing.

Среди поступивших на Конгресс полноразмерных докладов можно отметить работу одного из членов группы по разработке программ научных исследований для JIMO. Эта группа, в частности, рекомендовала, чтобы масса полезной нагрузки КА составляла порядка 1500 кг, при этом до 25% этой массы предназначалось для спускаемой на поверхность Европы научной аппаратуры. Еще один доклад был посвящен анализу возможности использования высокомощной радиолокационной зондирующей аппаратуры, которую планируется установить на JIMO, для проведения широкого круга научных исследований.

В докладе представителя EКA была изложена схема организации технологических разработок в рамках западноевропейской программы «Аврора». Ее конечной целью является осуществление пилотируемых полетов на Марс. Среди технических средств для реализации второго этапа этой программы, предусматривающего использование усовершенствованных транспортных средств и начало создания инфраструктуры на поверхности планеты, планируется разработка ядерных электроракетных двигательных установок и напланетных энергоустановок. Для реализации третьего этапа программы, предусматривающего длительное пребывание астронавтов на Марсе, предполагается разработка ядерных ракетных (тепловых) двигателей, обеспечивающих быстрые перелеты между Землей и Марсом.

Среди других докладов, посвященных различным аспектам создания и применения в космосе ядерных источников энергии различных типов, на Конгресс был представлен доклад [5], где рассмотрены вопросы разработки электроракетных двигателей, предназначенных для совместного использования с ядерными энергоустановками.

Широкое обсуждение перспектив применения космической ядерной энергетики будет продолжено на очередном, 56-м, Международном космическом конгрессе, который состоится 17–21 октября 2005 г. в японском городе Фукуока.

Источники:
1. Проектно-поисковые исследования эффективности применения ядерной энергетики на КА для полетов в область внешних планет Солнечной системы. Научно-технический отчет ФГУП «Центр Келдыша», инв. № 3899, 2003.
2. Koroteev A.S., Ponomarev-Stepnoy N.N., Smetannikov V.P., Gafarov A.A., Hounts M., VanDyke M., Godfroy T., Martin Y., Bragg-Sitton Sh., Dickens R., Salvail P., Harper R., Hrbud I. The Case of Nuclear Propulsion. AIAA/ICAS International Air and Space Symposium and Exhibition: The Next 100 Years. AIAA-2003-2587.
3. Gafarov A.A., Gorshkov O.A., Rozhdestvensky N.M., Kudryashov V.A., Skryabin M.I., Bachmanov M.M., Fedotov G.G. Conceptual Project of Interplanetary Spacecraft with Nuclear Power System and Electric Propulsion System for Radar Sounding of Ice Sheet of Europa, Jupiter Satellite. IAC-04-R.4-S.7.02.
4. Россия и Китай интенсифицируют работу по созданию ядерных энергоустановок для КА. Аэронавтика и космос, 21-27 июля 2003 г., с. 41.
5. Akimov V.N., Gafarov A.A., Gorshkov O.A. Electric Thrusters for Transportation Electric Propulsion System of the Nuclear Powered Spacecraft. IAC-04-R.3.07.
[/size:50dc49f460]
 
Большое мерси.
А то живой номер по почте еще неизвестно, когда будет...
Чеслав Сэмюэль Волянецкий
 
Одно осталось не ясно - ожидается ли реализация этого проекта или все так и останется на бумаге?
 
Цитата
Следует отметить, что, благодаря компактности ЯЭУ с термоэмиссионным преобразователем типа «Топаз» в сложенном состоянии (диаметр 3.7 м, длина 4.5 м при мощности 105 кВт [2]), обеспечивается размещение головного блока под стандартным обтекателем, предназначенным для РН «Протон-М» и «Ангара-5».


А про САС забыли?
 
Цитата
А про САС забыли?


Смайлики забыли поставить.
 
Спасибо Шину и автору за интересную статью.

Понятно, что приведенные в статье материалы - результат самых первых предварительных проработок. К сожалению, реализация такого проекта требует существенного продвижения технологий. Цифры, приведенные в проекте весьма оптимистичны.

1. Начнем с ЯЭУ. Она должна в номинальном режиме выдавать электрическую мощность 100 кВт около 7 лет, масса ее 4150 кг. В проекте "Красной Звезды" ТОПАЗ 100/40 (http://www.redstaratom.ru/nuclear.htm) ЯЭУ работает до 1 года в форсированном режиме 100 кВт, а остальное время (до 6 лет) - в номинальном режиме 40 кВт, при этом ее масса 4400 кг. Насколько я понимаю, увеличение номинальной мощности в 2.5 раза должно привести к существенному росту массы ЯЭУ.
2. ЭРДУ. Удельный импульс 4500 с - это двухступенчатые ДАСы? Если ИРД - тогда либо американские, либо германские. Суммарный к.п.д. 71.2% (это с учетом потерь на блоке преобразования)- тоже довольно оптимистично. Сейчас реально на СПД менее 50%. Требуемый ресурс - более 5 лет. Сейчас на СПД - порядка 1 года, да и на ИРД до 5-летнего ресурса пока далеко. Значит придется везти несколько комплектов двигателей.
3. Баки. Масса ксенона 11828 кг, масса баков (с рамой) - 900 кг. Относительная масса баков (с рамой) 0.076. Это баки высокого давления. Сейчас, насколько я понимаю, относительная масса ксеноновых баков (без рамы) 0.13-0.20. А при 2-кратном увеличении массы баков предлагаемый в проекте КА остается без целевой аппаратуры. Невырабатываемый остаток 40 кг (0.34%) - маловато будет.
...

Остальное оставлю без комментариев.
К чему это все: при детальном рассмотрении получается, что в проекте резервов практически нет, бороться придется за кахдый показатель. Начинать проект с таким балансом в нынешней ситуации, мне кажется, бесперспективно.
В то же время, при увеличении электрической мощности ЯЭУ можно получить приличный резерв. Так как ЯЭУ с номинальной электрической мощностью 100 кВт и сроком существования 7 лет все равно нет, может быть заложиться сразу на 150-200 кВт электрической мощности? В этом случае, помимо JIMO-подобных проектов, появляются интересные варианты использования такой ЯЭУ для доставки ПН на ГСО и к Луне с использованием РН 20-25-тонного класса.
 
А с pdf-версией точно всё в порядке? Хотел распечатать и почитать по-человечески, но Акробат 4-й говорит: "There was an error opening this document..." И так несколько раз... Обидно.
 
Цитата
А с pdf-версией точно всё в порядке? Хотел распечатать и почитать по-человечески, но Акробат 4-й говорит: "There was an error opening this document..." И так несколько раз... Обидно.


Это у меня заморочки. Я залочил ее для печати. Пароль :) - 1972185
 
Цитата
Цитата
А с pdf-версией точно всё в порядке? Хотел распечатать и почитать по-человечески, но Акробат 4-й говорит: "There was an error opening this document..." И так несколько раз... Обидно.


Это у меня заморочки. Я залочил ее для печати. Пароль :) - 1972185


Прикольно :lol: Залочил и публично выложил пароль :shock:
 
Цитата
Прикольно :lol: Залочил и публично выложил пароль :shock:


Lock у меня автоматом. А пароля не жалко, он уникальный.
 
Я наверное не совсем четко выразился. Проблемы возникают еще до печати, Акробат вообще не открывает этот документ...
 
Цитата
Я наверное не совсем четко выразился. Проблемы возникают еще до печати, Акробат вообще не открывает этот документ...


А какой Acrobat?
 
Цитата
Я наверное не совсем четко выразился. Проблемы возникают еще до печати, Акробат вообще не открывает этот документ...


У меня открыл :) Возьми Акробат последний - 6-ой версии...
 
Акробат 4-й. А 6-го сейчас под рукой инсталляшки нет...
 
Цитата
Акробат 4-й. А 6-го сейчас под рукой инсталляшки нет...


Пересохранил в 4-м, качните еще раз.
 
Цитата
К чему это все: при детальном рассмотрении получается, что в проекте резервов практически нет, бороться придется за кахдый показатель. Начинать проект с таким балансом в нынешней ситуации, мне кажется, бесперспективно.

Начинать надо как раз сейчас. Тогда через 12 лет, к моменту запуска можно будет достич необходимых характеристик.
 
А в целом отрадно - есть еще порох в пороховницах и ягоды в ягодицах :)

ЗЫ. Вот и ответ Старому про "бесперспективность" Топазов...
 
Shin
Цитата
Пересохранил в 4-м, качните еще раз.


Гран мерси! Теперь читается! А я уж начал было опасаться, что придётся самого Альберта Аккромутдиновича беспокоить.
 
Цитата
Цитата
К чему это все: при детальном рассмотрении получается, что в проекте резервов практически нет, бороться придется за кахдый показатель. Начинать проект с таким балансом в нынешней ситуации, мне кажется, бесперспективно.

Начинать надо как раз сейчас. Тогда через 12 лет, к моменту запуска можно будет достич необходимых характеристик.

Я имел ввиду вопрос выбора основных проектных параметров, в частности, мощности ЯЭУ и удельного импульса ЭРДУ. Тут возможны два подхода - брать то, что есть, или стремиться к тому, что надо. То, что есть (было) - не годится (5-киловаттный ТОПАЗ, СПД-100). Предложения разработчика ТОПАЗа по более мощной ЯЭУ - это 40 кВт номинальной электрической мощности (до 7 лет), 100 кВт, до 1 года форсированного режима (100 кВт), 4400 кг. До железа, судя по всему, далеко, а по характеристикам для JIMO - недостаточно.
При использовании ЯЭУ с номинальной мощностью 100 кВт проект, возможно, "завяжется", а возможно и нет. Все будет зависеть от деталей реализации. Но так как по существу нет резерва, нет и путей к отступлению. Для того, чтобы через несколько лет разработки не оказаться у разбитого корыта, резерв иметь хотелось бы. А обеспечить его можно, в частности, увеличением электрической мощности ЯЭУ и удельного импульса ЭРДУ. Если уж мы говорим о суперперспективном КА, а существующие ЯЭУ/ЭРД не годятся и их все равно придется разрабатывать, то может быть не стоит закладывать в первоначальный проект минимально-необходимые параметры систем? К тому же такой КА хотелось бы использовать не только для Европы, наверное :) .
 
А вот если бы вместо Топаза поставить маленький ЯР с турбомашиной на ~200 кВт? Есть ли такие установки в проекте или даже в металле, кто знает?
Страницы: 1 2 3 4 5 ... 10 След.
Читают тему (гостей: 1)
Журнал Новости Форум Фото Подписка Рекламодателям Контакты