ВЫБОР ВАРИАНТОВ ЭНЕРГОДВИГАТЕЛЬНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ МЭК ДЛЯ ПРОЕКТНО-БАЛЛИСТИЧЕСКОГО АНАЛИЗА
При сравнении возможных вариантов осуществления экспедиций на рассматриваемом начальном этапе пилотируемых исследований Марса главными критериями выбора были приняты минимальный технический риск осуществления экспедиции и минимальное медикобиологическое воздействие на экипаж сопутствующих неблагоприятных факторов (невесомости, космической радиации, отсутствия магнитного поля и пр.), определяемое общей продолжительностью экспедиции. При этом в качестве “временного” ориентира была принята максимальная продолжительность непрерывного пребывания человека в космических условиях, достигнутая космонавтом В.В. Поляковым на орбитальной станции “Мир” и равная 438-ми суткам.

Поэтому выбор вариантов энергодвигательного обеспечения и сценариев экспедиции для проведения последующего, более подробного проектного анализа, был осуществлен исходя из условия обеспечения максимальной вероятности благополучного возвращения экипажа на Землю, предполагающего обязательность выполнения следующих концептуальных решений:

1) схема полета не должна содержать операций с дополнительными техническими рисками;

2) общая длительность экспедиции не должна превышать 440 сут;

3) принимаемые технические решения по энергодвигательному обеспечению МЭК должны иметь максимальную степень отработанности;

4) допустимое сближение МЭК с Солнцем на участке межпланетных перелетов должно быть не менее 0.57 а.е. (85 млн км) [1];

5) с целью ограничения перегрузок на экипаж и аэротермодинамического воздействия на конструкцию КВЗ его скорость при входе в атмосферу не должна превышать 12.5 км/с.

При этом было принято положение, что начальная масса МЭК на околоземной орбите, определяющая необходимую номенклатуру, число пусков средств выведения (РН и РБ), объем и продолжительность сборки МЭК, а, следовательно, и затраты на обеспечение экспедиции, должна быть как можно меньшей.

На начальном этапе исследований, как более сложная в реализации и снижающая безопасность экипажа, была исключена из дальнейшего рассмотрения двухкорабельная схема, когда пилотируемые и непилотируемые части МЭК доставляются раздельно на околомарсианскую орбиту для последующей стыковки.

На этом же этапе были исключены и варианты экспедиции с длительным (до ~2 лет) ожиданием на Марсе момента, благоприятного для возвращения на Землю, поскольку при этом значительно возрастают сложность и стоимость экспедиции в связи с необходимостью одновременной с экипажем доставки и размещения жилых объемов в марсианском грунте для защиты экипажа от воздействия неблагоприятных внешних факторов. Кроме того, перед возвращением к Земле орбитальный комплекс в течение ~2-х лет ожидания будет находиться на орбите без экипажа, что по опыту работ с околоземными орбитальными станциями является весьма нежелательным.

На последующем этапе анализа были исключены из рассмотрения варианты использования в составе МЭК маршевых двигательных установок малой тяги – ЭРДУ на базе ядерных и солнечных энергоустановок. Эти варианты имеют ряд несомненных достоинств применительно к МЭК в сравнении с другими типами двигательных установок, в частности, при их использовании:

• обеспечиваются наиболее благоприятные и безопасные условия возвращения экипажа с минимальными скоростями при входе в земную атмосферу;

• практически отсутствует проблема длительного хранения криогенного топлива на борту.

При этом высокий удельный импульс ЭРДУ обеспечивает:

• минимальную начальную массу МЭК на околоземной орбите и, следовательно, минимальный наряд средств выведения частей МЭК на орбиту сборки – РН и РБ, стоимость которых составляет, по проведенным оценкам, основную долю стоимости проведения экспедиции;

• возможность сделать марсианский орбитальный комплекс многоразовым.

Вместе с тем, для вариантов МЭК с ядерными и солнечными ЭРДУ имеет место такой серьезный недостаток, как наличие в схеме межпланетных перелетов участков “раскрутки” и “скрутки” в гравитационных полях Земли и Марса, значительно увеличивающих общую продолжительность пилотируемой экспедиции. В связи с этим обеспечение основного требования по ограничению суммарной длительности пилотируемой марсианской экспедиции tΣ ≤ 440 сут приведет либо к неприемлемо большим, с точки зрения технической реализации, требуемым значениям мощности бортовой энергоустановки, либо к усложнению схемы проведения экспедиции, чреватому увеличением рисков для экипажа. К тому же в длительном процессе “раскрутки” у Земли элементы МЭК получают большие дополнительные дозы ионизирующих излучений в зоне ее радиационных поясов. Для варианта МЭК с солнечной ЭРДУ эти недостатки еще более усугубляются тем, что мощность его солнечных батарей падает вследствие:

• деградации фотопреобразователей от излучений в радиационных поясах Земли;

• снижения плотности солнечного излучения по мере удаления от орбиты Земли.

Двигатели большой тяги имеют более высокие потенциальные возможности в плане достижения минимальной продолжительности экспедиции с учетом технической реализуемости. Рассмотрены следующие варианты таких двигателей:

1) ЖРД на криогенных и высококипящих компонентах топлива;

2) бимодальный ЯРД;

3) ЯРД в комбинации с ЯЭУ.

Бимодальный ЯРД имеет один многоцелевой ядерный реактор, обеспечивающий как нагрев водорода для создания тяги (двигательный режим), так и нагрев теплоносителя системы энергопреобразования, вырабатывающего электроэнергию для бортовых систем МЭК, включая холодильные установки (энергетический режим).

В комбинации ЯРД + ЯЭУ используется однорежимный ЯРД, который обеспечивает создание только тяги (посредством нагрева водорода в реакторе для последующего истечения из сопла). ЯЭУ имеет свой реактор, выполняющий только функцию нагрева теплоносителя системы энергопреобразования для выработки электроэнергии (на питание холодильных установок системы хранения жидкого водорода и покрытие других бортовых нужд МЭК).

Из рассмотренных вариантов ЖРД имеют наиболее высокую степень отработанности и низкую стоимость. Однако использование ЖРД, имеющих относительно низкий удельный импульс тяги, приводит к максимальной начальной массе МЭК на околоземной орбите и, соответственно, к максимальным затратам на проведение экспедиции. В случае использования в составе МЭК кислородно-водородных ЖРД, имеющих наибольший удельный импульс тяги, возникает проблема длительного (до ~1.5 лет) хранения криогенных компонентов топлива, требующего использования на борту энергоустановки и холодильной системы с потребляемой электрической мощностью до 150 кВт [1]. В связи с этим выбрана схема экспедиции с использованием кислородно-водородных ЖРД только при уходе МЭК от Земли, а для торможения у Марса и возвращения к Земле применяются ЖРД на стабильных компонентах топлива.

Бимодальный ЯРД с многоцелевым ядерным реактором наиболее сложен в конструктивно-схемном исполнении и эксплуатации, а также в разработке. Мощности реактора на двигательном и энергетическом режимах работы отличаются более чем на два порядка, что в сочетании с разноплановыми режимами работы предъявляют требования к реактору и оборудованию бимодальной установки, не имеющие аналогов ни в ракетной технике, ни в атомном энергомашиностроении [1].

Использование в составе МЭК комбинации ЯРД + ЯЭУ является более простым техническим решением, позволяющим к тому же в полной мере реализовать присущие выбранным (для ЯРД и ЯЭУ) различным типам реакторов потенциальные возможности в плане достижения наилучших энергомассогабаритных характеристик. В частности, значительно лучшее, в сравнении с бимодальной установкой, соотношение тяги и массы ЯРД, а также его компактность, обеспечивают возможность реализации МЭК с более высокой начальной тяговооруженностью. Это позволит минимизировать количество орбитальных витков и ускорить прохождение радиационных поясов Земли при отлете к Марсу, либо организовать дополнительное резервирование двигательной установки с целями повышения ее надежности и ограничения требуемого ресурса модульных ЯРД.

Кроме того, для этого варианта МЭК имеет место относительно высокая степень отработанности прототипов двигательной и энергетической установок. Разработка в 1965–1985 годах в КБХА ЯРД 11Б91 (РД-0410) тягой 35 кН была доведена до серии огневых испытаний на Семипалатинском ядерном полигоне [2]. ЯЭУ требуемой электрической мощности может быть реализована на базе технологий, разрабатываемых в рамках проекта ядерной энергодвигательной установки КА [3].

Соответственно, для дальнейшего анализа “ускоренных” перелетов выбраны однокорабельные варианты МЭК на базе ЖРД и комбинации ЯРД + ЯЭУ.

Согласно приведенной оценке, основную долю (не менее 60%) общей стоимости формируемой экспедиции составляют затраты на производство и пуски средств доставки элементов МЭК на орбиту сборки – ракет-носителей и разгонных блоков. Суммарные затраты на подготовку единичной пилотируемой экспедиции на Марс, отнесенные, для оценки их уровня к объему планировавшегося на 2019 г. бюджета Роскосмоса, составляют примерно 110%, или 6–9% профицита (по разным оценкам) бюджета России, исполненного в 2019 г.

Оценка затрат на создание элементов МЭК выполнена в предположении, что к началу работ над проектом МЭК в рамках других проектов, включая программу пилотируемого исследования Луны и проекта [3], будут созданы:

1) пилотируемая РН “Ангара-А5П”;

2) грузовые РН “Ангара-А5В” и “Енисей” со стартовыми комплексами;

3) варианты РБ типа “Фрегат” повышенной грузоподъемности [5] как для довыведения элементов МЭК на орбиту сборки, так и для торможения КВЗ;

4) КВЗ на базе пилотируемого транспортного корабля нового поколения “Орел”;

5) ЯЭУ электрической мощностью 200 кВт;

6) орбитальный комплекс для сборки МЭК с системой хранения топлива;

7) наземная инфраструктура по хранению, техническому обслуживанию, подготовке и запуску на орбиту ЯЭУ и ЯРД.

К вновь разрабатываемым основным элементам МЭК отнесены:

1. марсианские ОК и ВПК суммарной стоимостью создания ~260 млрд руб;

2. модульный ЯРД со стоимостью создания 24–55 млрд руб;

3. водородные баки со стоимостью создания их производства ~150 млрд руб (с учетом затрат на создание крупнотоннажного производства жидкого водорода, системы его хранения и транспортировки, завода в районе космодрома “Восточный” по производству и сборке крупногабаритных элементов и прочей наземной инфраструктуры).

Общие затраты на создание вновь разрабатываемых элементов МЭК оцениваются величиной ~450 млрд руб. При 10-летнем цикле разработки средние ежегодные затраты на создание элементов МЭК будут равны ~45 млрд руб, что составляет ~26% от объема бюджета госкорпорации Роскосмос, планировавшегося на 2019 г.

Для сравниваемых вариантов МЭК с ЯРД и ЖРД исследованы также предельные возможности и цена сокращения продолжительности пилотируемых экспедиций tΣ. Ввиду повторяемости через каждые 15–17 лет наиболее благоприятного взаимного расположения Земли и Марса, а также с целью обеспечения условий сравнения, наиболее выгодных для МЭК с ЖРД, рассмотрен синодический период 2050–2051 гг. с минимальными энергозатратами на перелеты Земля → Марс → Земля. Учитывая ограниченность тяги тормозной ступени КВЗ, в данных расчетах принято условие о заблаговременном проведении маневра его торможения – непосредственно с момента входа в грависферу Земли. Результаты расчетов представлены на рис. 3 в виде зависимостей начальной массы МЭК от суммарной продолжительности экспедиции tΣ. Каждая точка представленных зависимостей соответствует своей оптимальной дате старта МЭК.

Рис. 3.
Изменение начальной массы вариантов МЭК в зависимости от продолжительности экспедиции: 1 – МЭК на базе ЖРД; 2 – МЭК на базе ЯРД и ЯЭУ.

Как и в работе [6] для оптимального синодического периода 2033–2034 гг., получено, что при сокращении времени tΣ < 400 сут, вызывающем резкое увеличение требуемой энергетики межпланетных перелетов Земля → Марс → Земля, имеет место экспоненциальный характер роста начальной массы МЭК на базе ЖРД. В тех же условиях вариант МЭК на базе ЯРД, имеющий почти в 5 раз меньшую исходную начальную массу (при tΣ = 440 сут – М0 ≈ 770 т против ~3700 т у МЭК на базе ЖРД), демонстрирует возможность снижения продолжительности экспедиции до 325–300 сут при умеренном увеличении массы М0 – до 1370–1900 т.

Можно отметить и наличие у рассматриваемой комбинации ЯРД + ЯЭУ определенного резерва в улучшении характеристик МЭК за счет введения на этапе возвращения комплекса к Земле дополнительно к режиму большой тяги ЯРД длительного режима малой тяги ЭРДУ, питание которой обеспечивается ЯЭУ. Этим может быть обеспечено как снижение расхода водорода и начальной массы МЭК [7], так и создание более благоприятных условий для последующего входа КВЗ в атмосферу Земли.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В работе выполнен анализ рационального типа энергодвигательного обеспечения экспедиций на начальном этапе пилотируемых полетов на Марс с реализацией полетов по “ускоренным” и упрощенным схемам при отсутствии поддерживающей марсианской базы. В этих условиях, благодаря сочетанию большой тяги и высокого удельного импульса, рациональным вариантом двигательного обеспечения МЭК является ЯРД, использующий водород в качестве рабочего тела. Применение ЯРД, по сравнению с ЖРД, позволяет не только снизить в несколько раз требуемую начальную массу МЭК, но и обеспечивает более стабильные условия его формирования и реализации экспедиции, допуская возможность переноса даты ее старта из одного синодического периода в следующий без риска существенного изменения требуемых энергетических возможностей марсианского комплекса.

В составе МЭК целесообрано использование связки из четырех ЯРД с однорежимным реактором в комбинации с ядерной энергоустановкой проектной мощностью ~200 кВт. На базе данного энергодвигательного обеспечения может быть реализован МЭК с полезным грузом массой ~132 т, способный осуществить доставку и возвращение экспедиции на Землю за 440 сут, что соответствует достигнутой длительности непрерывного пребывания человека в космических условиях. При начальной массе МЭК на околоземной орбите, равной ~590 т, его орбитальная сборка может быть осуществлена за время ~1 г. По приближенным оценкам общая стоимость формируемой экспедиции вместе с затратами на производство и пуски средств доставки элементов МЭК на орбиту сборки может составить ~190 млрд руб в ценах 2019 г., а стоимость создания вновь разрабатываемых элементов МЭК с учетом создания производства жидкого водорода и крупногабаритных баков – ~450 млрд руб.
ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ СОКРАЩЕНИЯ
ВПК – взлетно-посадочный комплекс

ЖРД – жидкостный ракетный двигатель

КВЗ – корабль возвращения на Землю

МЭК – марсианский экспедиционный комплекс

ОК – орбитальный комплекс

РБ – разгонный блок

РН – ракета-носитель

ЭРДУ – электроракетная двигательная установка

ЯРД – ядерный ракетный двигатель

ЯЭУ – ядерная энергетическая установка

https://sciencejournals.ru/view-article … 03Koroteev