Партнерский проект с компанией Руспроектэксперт

Тел.: 8-495-771-14-07

Проектирование


Строительство и транспортировка

При размещении СКЭС на ГСО рассматривают два основных варианта их строительства в космосе [76]. Первый из них предполагает выполнение основных производственных и сборочных операций на низкой (400—500 км) околоземной орбите (ОЗО), после чего крупные модули станций, составляющие 1/g или 1/16 часть СКЭС (в зависимости от проекта), самотранспортируются на ГСО с помощью элек троракетных двигательных установок, которые получают энергию непосредственно от преобразователей энергии СКЭС (рис. 5.1, а). На ГСО осуществляются лишь стыжовка модулей и завершающие сборочномонтажные операции.

Второй вариант предусматривает проведение всех производственных и сборочных работ при строительстве СКЭС на ГСО. В этом случае необходимые для строительства материалы и оборудование доставляются с 030 на ГСО с помощью специальных межорбитальных транспорт дых аппаратов (МТА) — космических буксиров, которые затем возвращаются обратно на ГСО для заправки топливом и транспортировки следующей порции грузов (рис. 5.1, б).

Каждый из этих двух вариантов имеет свои преимущества и недостатки. В первом случае достигается значительная экономия в массе грузов, которые необходимо .вывести на 030 для строительства СКЭС, так как отпадает необходимость в доставке туда межорбитальных буксиров и топлива для них. Сокращается количество МТА и рейсов для транспортировки строительных бригад на ГСО, существенно упрощается оперативная транспортная связь с Землей и удешевляется создание космических строительных баз. Однако в этом случае производственные операции при строительстве СКЭС осуществляются в условиях воздействия больших гравитационных сил, изменяющихся температур и освещенностей при периодическом попадании модулей в тень Земли, повышенной опасности столкновений с искусственными космическими объектами, количество которых в околоземном пространстве непрерывно возрастает. Кроме того, транспортировка крупногабаритных конструкций с помощью ЭРД связана с необходимостью их длительного нахождения на низких орбитах при разгоне по спиральной траектории, где вследствие больших гравитационных градиентов значительно усложняется управление их положением в пространстве, особенно при высокой требуемой точности ориентации на Солнце, и возрастают связанные с этим затраты рабочего тела. Наконец, при перемещении модулей СКЭС с 030 на ТСО они будут длительное время находиться в радиационных поясах Земли, что приводит к деградации фотопреобразователей, а следовательно, к необходимости их дополнительного резервирования. Заметим, что влияние последнего фактора в меньшей степени сказывается на тепловых системах преобразования солнечной анергии, а также на фотоэлектрических системах с концентраторами излучения и ГФП иэ AlGaAs, работающими при температурах свыше 150 °С. В случае же применения кремниевых ФЭП предусматривается использование в полете лишь такого количества панелей СЭ, которое необходимо для питания ЭРД. Остальные в свернутом состоянии должны быть заключены в специальные защитные оболочки и разворачиваются только на ГСО.

При строительстве СКЭС на ГСО все недостатки, присущие первому варианту, исключаются, однако существенно возрастает масса грузов, которые необходимо вывести на ОЗО, усложняется защита космонавтовмонтаж ников от космической радиации, особенно при солнечных вспышках, затрудняется оперативная транспортная связь с Землей и т. д.

В то же время сравнительный анализ обоих вариантов строительства показал, что, несмотря на более чем двукратное увеличение массы грузов, выводимых на ОЗО прге строительстве СКЭС на ГСО, общая стоимость строительства в последнем случае оказывается всего на 15 % выше.

В целом можно заключить, что оба варианта строительства СКЭС являются жизнеспособными, а выбор лучшего из них требует дальнейших исследований и должен производиться с учетом типа системы преобразования солнечной энергии СКЭС и ее конструктивного облика» технологии производственных и сборочных операций,, условий работы и производительности труда космических строительных бригад и других факторов.

Формирование элементов СКЭС в космосе может производиться разворачивания готовых конструкций, доставляемых с Земли в плотно упакованном состоянии, либо сборкой их из заготовленных на Земле деталей, или же, наконец, путем изготовления в космосе необходимых конструкций [84]. Выбор метода зависит, в частности, от достижимой компактности элементов при транспортировке.

Так, например, панели ФЭП и пленочные концентраторы солнечного излучения имеют высокую плотность упаковки и будут, вероятно, доставляться к месту сборки СКЭС в полностью готовом к использованию состоянии, в то зремя как элементы несущей конструкции солнечных батарей и антенных решеток предполагается изготовлять в космосе из доставляемых с Земли плоских, свернутых в рулоны полос алюминия или композиционного материала с помощью специальных автоматизированных агрегатов, названных «лучевыми строителями» (рис. 5.2). Такой агрегат состоит из прокатных формовочных валков, систем нагрева и охлаждения прокатываемых полос, сварочных аппаратов и других элементов и обеспечивает производство готовых треугольных ферм стержневого типа, из которых можно собирать несущие платформы, опорные балки и другие элементыконструкции СКЭС.

Сборка элементов в модули и СКЭС в целом будет производиться с помощью роботовманипуляторов, космических «подъемных кранов» и других механизмов, управляемых с Земли и с борта строительных космических баз на 030 и ГСО. Для осуществления некоторых уникальных технологических операций потребуется, вероятно, непосредственное участие коемонавтовмонтажников, производительность труда которых может быть существенно повышена при использовании специальных перемещающихся в космосе аппаратов с манипуляторами, имитирующими человеческую руку (рис. 5.3) [40, 111].

Общее количество специалистов, участвующих в строительстве СКЭС, составит, по предварительным оценкам, несколько сот человек и также будет зависеть от типа системы преобразования энергии, сложности конструкции, степени автоматизации производственных процессов, устройства строительной базы и т. п. Некоторые данные о строительных сооружениях, операциях и участии людей в строительстве СКЭС представлены в табл. 5.1.

Цифры, приведенные в табл. 5.1, следует рассматривать как весьма приближенные, ибо вопросы строительства СКЭС имеют в настоящее время высокую степень неопределенности, по крайней мере в части эксперимен тальйых данных, которые очень ограниченны. Самый большой опыт монтажносборочных работ в открытом космосе на сегодняшний день накоплен при эксплуатации советских орбитальных станций «Салют».

С проблемой строительства СКЭС теснейшим образом связана проблема транспортировки грузов на ГСО. Стоимость транспортировки, по предварительным оценкам, составляет до 40 % стоимости создания станций и в значительной мере будет определять экономическую целесообразность развития работ в данной области.

В состав транспортной космической системы, необходимой для создания СКЭС, должны входить четыре вида летательных аппаратов [93]:

— тяжелые носители для доставки грузов на 030;
— транспортные аппараты для доставки строительных бригад на 030 и обратно;
— межорбитальные грузовые транспортные аппарата или двигательные системы для доставки грузов с 030 на ГСО;
— межорбитальные пассажирские аппараты для доставки строительных бригад с 030 на ГСО и обратно.

Для обеспечения требуемых экономических показателей СКЭС стоимость транспортировки грузов на ГСО должна быть снижена более чем на два порядка по сравнению с существующей стоимостью вывода с помощью одноразовых систем и системы «Спейс Шаттл» и составлять 35—70 долл./кг. При этом стоимость вывода грузов на 030 должна быть порядка 20—30 долл./кг.

Рассматривались различные варианты тяжелых многоразовых носителей с жидкостными ракетными двигателями для доставки элементов материалов на 030: баллистические с вертикальным ввлетом и посадкой, с вертикальным взлетом и горизонтальной а также с горизонтальным взлетом и посадкой, одно и двухступенчатые, различной компоновки.





Некоторое снижение расхода химического топлива может быть достигнуто в случае применения комбинированных двигательных установок, объединяющих ракетные и воздушнореактивные двигатели, т. е. фактически за счет использования внешних массовых ресурсов земной атмосферы. По предварительным Оценкам, массовая отдача носителей по полезной нагрузке в этом случае может быть увеличена на 7—8 % [28].

Поиск более рациональных вариантов транспортировки приводит к необходимости использования двигателей с разделенным рабочим телом и источником энергии, которые должны иметь большую тягу при высоком удельном импульсе. К их числу в первую очередь относятся ядерные ракетные двигатели (ЯРД).

Удельный импульс ЯРД достигает 9103 м/с при использовании реакторов с твердой активной зоной и (20—25)103 м/с в двигателях с газофазными реакторами. Это позволяет уменьшить расход рабочего тела при доставке элементов СКЭС на ОЗО, но получаемый выигрыш снижается изза увеличения массы конструкции носителей с ЯРД. Кроме того, значительно усложняется эксплуатация транспортной системы в связи с опасностью радиационного заражения людей, техники и окружающей среды. Эта опасность особенно велика при наземном старте и полете в атмосфере и делает практически нецелесообразным использование ЯРД на первых ступенях ракетносителей. Применение же ЯРД на верхних ступенях затруднено изза сложности обеспечения их безопасного взаимодействия со строительнотехнологической базой на низкой орбите и необходимости возвращения на Землю. Таким образом, ЯРД нельзя отнести к числу перспективных двигателей для транспортных систем СКЭС.

Более эффективным может оказаться использование лазерных двигателей, исследованию которых в последнее время уделяется большое внимание [19]. В данном случае на борту носителя вообще отсутствует источник энергии, а нагрев рабочего тела осуществляется подводимым к нему извне сфокусированным лазерным излучением. Это позволяет получить высокий удельный импульс двигателя (10—20 км/с и более) и не накладывает никаких ограничений на его мощность и тягу. В результате можно

Значительно уменьшить расход рабочего тела и повысить отношение полезного груза к стартовой массе носителя.

Изучается возможность использования лазерных двигателей, работающих как в стационарном, так и в импульснопериодическом режиме. Для систем низкоорбитальной транспортировки особо перспективны лазерные двигательные системы, использующие в качестве рабочего тела атмосферный воздух [1, 28, 29].

Лазеры, передающие энергию на борт носителей, могут располагаться как на поверхности Земли, так и в космосе. В первом случае энергия к ним может подводиться от наземных источников питания или передаваться от СКЭС, во втором лазер должен быть установлен на борту СКЭС.

Для обеспечения требуемой экономичности систем низкоорбитальной транспортировки с лазерными двигателями подводимая к ним мощность излучения должна измеряться гигаваттами. Поэтому будущее лазерных ТКС зависит от успехов в разработке эффективных и мощных лазерных установок.

Выбор межорбитальной транспортной системы связан прежде всего с концепцией строительства СКЭС. При сборке модулей на 030 их самотранспортировка на ГСО, как уже отмечалось, может осуществляться с помощью электроракетной двигательной системы на базе, например, электростатических (ионных) двигателей, которые не возвращаются на 030, а применяются для управления станцией в процессе ее эксплуатации. При сборке СКЭС на ГСО для доставки грузов с 030 можно использовать МТА (космические буксиры) с химическими и ядерными ракетными двигателями либо с электрора кетными двигательными системами, использующими ядер ные или солнечные энергоустановки.

Сравнительный анализ стоимости доставки грузов с помощью различных МТА показал, что наименьшую стоимость будут иметь МТА с химическими двигателями и электроракетными двигательными системами на основе СЭУ [118]. Соответственно для базового проекта СКЭС, предусматривающего сборку станции на ГСО, были выбраны: для транспортировки экипажей — двухступенчатый МТА с ЖРД на кислородноводородном топливе, рассчитанный ла доставку 65 т полезной нагрузки на ГСО и 41 т обратно на 030; для транспортировки грузов — МТА с солнечной электроракетной двигательной системой, состоящей из СБ на основе ГФП из AlGaAs с концентраторами и ионных двигателей с удельным импульсом порядка 70 ООО м/с.

Было выдвинуто также несколько оригинальных предложений, направленных на снижение стоимости межорби тальной транспортировки грузов при создании СКЭС. Так, например, рассматривалась возможность производства жидких водорода и кислорода в космосе из доставляемой туда с помощью системы «Спейс Шаттл» воды [91]. Предполагается, что эти компоненты должны храниться в основных топливных баках системы «Спейс Шаттл», которые предлагается не сбрасывать, а доставлять на ОЗО. Затем к бакам подсоединяются двигательная установка и система управления и образуется МТА, который может доставлять грузы на ГСО, где опорожненные баки можно использовать для изготовления элементов СКЭС. Предлагалось также использовать материал топливных баков «Спейс Шаттл» в качестве рабочего тела электро ракетных двигателей МТА, что повторяет известную идею Ф. А. Цандера 161].

В дальнейшем, вероятно, наиболее перспективным будет использование на МТА лазерных и микроволновых ракетных двигателей, получающих энергию от ранее созданных СКЭС. Эти двигатели смогут успешно конкурировать с химическими и электроракетными при уровнях подводимой к МТА мощности излучения порядка десятков—сотен мегаватт.

По мере развития космического производства строительство СКЭС из материалов и конструкций, доставляемых с Земли, будет становиться невыгодным. В будущем изготовление элементов СКЭС предполагается производить в космосе из материалов, добываемых на Луне и астероидах [46]. Для транспортировки сырья к космическим заводам предполагается использовать электромагнитные массускорители (ЭМУ). Эксперименты подтверждают возможность создания эффективных ЭМУ для разгона полезных грузов до космических скоростей. Возникающие при этом большие перегрузки не являются препятствием для транспортировки сырэя и полуфабрикатов. Энергию ЭМУ будут получать централизованно от СКЭС, что позволит, вероятно, наилучшим образом решить проблему организации грузопотоков при строительстве новых станций.

Грилихес В. А. Солнечные космические энергостанции — Л.: Наука, 1986. — 182 с.

Экспертиза

на главную