Характеристики солнечного теплового ракетного двигателя с тепловым аккумулятором и дожиганием водорода

Рассмотрены характеристики солнечного теплового ракетного двигателя с нагревом водорода в высокотемпературной системе концентратор-приемник--тепловой аккумулятор и его последующим дожиганием кислородом, образующим с водородом высокоэнергетическую топливную пару с большим стехиометрическим соотношением расхода компонентов. Это позволяет уменьшить размерность системы концентратор-приемник--тепловой аккумулятор и упростить ее создание на начальных этапах проектирования двигателя. Применительно к задаче многоимпульсного выведения космического аппарата с низкой опорной орбиты на геостационарную при времени полета от 20 до 90 суток в качестве фазопереходного теплоаккумулирующего материала выбран эвтектический сплав бора и кремния B*Si. Получены зависимости массогабаритных и энергетических характеристик системы солнечный тепловой ракетный двигатель--космический аппарат для разных значений коэффициента избытка окислителя в зависимости от времени полета. Показаны области рационального использования кислорода и определены целесообразные соотношения массового расхода компонентов, обеспечивающие высокую энергомассовую эффективность транспортной операции при заданном времени ее выполнения и ограничениях на массогабаритные характеристики двигателя

Литература

[1] 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

[2] 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

[3] 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.

[4] 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

[5] 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

[6] 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.

[7] 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.

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

[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] 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.

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

[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] Engberg R.C., Lassiter J.O., McGee J.K. Modal survey test of the SOTV 2Х3 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

[15] 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.

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

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

[18] Левенберг В.Д., Ткач М.П., Гольстрем В.А. Аккумулирование тепла. Киев: Тэхнiка, 1991. 112 с.

[19] 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

[20] 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.