Вестник РАН ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

том 70, № 8, с. 696-709 (2000)
В настоящее время ракетно-космическая отрасль - одна из немногих в нынешней России, демонстрирующая пример не только выживаемости в сложившихся экономических условиях, но и прогресса в разработке новейших космических наукоемких технологий XXI в. Доклад о работах в области космической энергетики, выполненных коллективом Ракетно-космической корпорации "Энергия" им. С.П. Королева совместно с другими организациями, был заслушан на заседании Президиума РАН 14 декабря 1999 г. Ниже публикуется сокращенный вариант доклада.
 

НОВЫЕ РОССИЙСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ
В РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКЕ
ПОСЛЕДНИХ ЛЕТ

Семенов Юрий Павлович
академик, президент, генеральный конструктор
Ракетно-космической корпорации "Энергия" им. С.П. Королева.

 

Некоторые уже осуществленные и реализуемые ныне проекты в области космической энергетики без преувеличения можно отнести к новейшим российским технологиям XXI в. Из работ, проведенных в последние годы коллективом Ракетно-космической корпорации (РКК) "Энергия" им. С.П. Королева совместно с другими организациями, в том числе с широким привлечением научно-исследовательских институтов Российской академии наук и АН стран СНГ, по масштабности, многонаправленности и решенным научным, техническим, политическим и экономическим проблемам на первое место, безусловно, следует поставить проект "Морской старт".

В глобальном масштабе это этапный проект, так как он во многом определяет дальнейшее направление развития средств выведения космических аппаратов на рабочие орбиты. Традиционно с первых шагов своего развития ракетно-космические комплексы космического назначения, массы которых достигают, как правило, нескольких сот тонн, а линейные размеры - десятков метров, базируются на наземных космодромах и требуют развитой технической и социально-направленной инфраструктуры. Сегодня мир располагает 15 наземными космодромами с довольно развитой инфраструктурой. Несмотря на то, что все они в той или иной степени имеют значительные ограничения, разработчики ракетно-космических комплексов вынуждены мириться с этим. К таким ограничениям относятся:

Сооружение наземных космодромов стало классическим подходом при организации ракетно-космических комплексов. Создание новых средств выведения или усовершенствование существующих всегда связывалось либо с модернизацией имеющейся инфраструктуры, либо со строительством новых космодромов, но обязательно наземного базирования (рис. 2).

Некоторые страны, понимая преимущество океанских просторов и располагая соответствующими возможностями, строили стартовые площадки ближе к экватору. Тем самым они сумели уменьшить, хоть и в незначительной степени, некоторые из вышеуказанных ограничений. Ярчайшие примеры - космодромы Куру (Франция), на мысе Канаверал (США), Танегасима (Япония), Шрихарикота (Индия). Но полностью перейти в акваторию Мирового океана не решался никто: пугали проблемы, которые надо было решать при переходе на плавучее средство. Мирились и с теми энергетическими потерями создаваемых комплексов, которые присущи высокоширотным районам запуска.

Надо сказать, что и в бытность Союза в условиях четкой организации и уверенности в правильности намеченного стратегического подхода к эксплуатации наземных комплексов (Байконур, Капустин Яр, Плесецк, Восточный) мы неоднократно возвращались к идее создания плавучего комплекса. Но все проработки по ее реализации заканчивались одним и тем же заключением: "Идея хороша, но трудно реализуема из-за множества технических проблем, которые надо решить". В числе этих проблем следует отметить:

Все это делало проект крайне рискованным, а идея создания плавучего комплекса всегда относилась к разряду фантастических.

И вот в начале 90-х годов, в связи с распадом СССР и появлением реальной угрозы потерять космодром Байконур, РКК "Энергия" им. С.П. Королева, программы которой целиком зависят от этого космодрома, вновь возвратилась к прежней идее. Проект, получивший название "Морской старт", имел много преимуществ, в числе которых прежде всего надо отметить отсутствие ограничений, перечисленных выше при характеристике наземных космодромов. Кроме того, плавучий комплекс мог быть создан в заводских промышленных условиях (на судоверфях) и не связан с необходимостью проведения трудоемких земляных и бетонных работ.

В 1993 г. был выпущен концептуальный проект комплекса. В период с 1993 по 1995 г. мы неоднократно представляли высшему руководству страны доказательства целесообразности развертывания этих работ в России. Но, не найдя поддержки в своем отечестве, в 1995 г. мы приложили усилия для того, чтобы организовать международную кооперацию по реализации проекта. И это удалось! В результате многочисленных встреч, довольно острых дискуссий мы смогли убедить наших будущих партнеров в перспективности нашей концепции.

В 1995 г. образуется международная компания, доли ее уставного капитала: РКК "Энергия" (Россия) - 25%, "Боинг" (США) - 40%, "Кварнер" (Норвегия) - 20%, ГКБ "Южное" и ПО "Южмаш-завод" (Украина) - 15%. Договорились о распределении ответственности между учредителями.

Компания "Боинг" отвечает за маркетинг и интеграцию проекта, разработку и поставку обтекателя и адаптеров полезного груза, организацию и строительство берегового комплекса в порту Лонг-Бич близ Лос-Анджелеса (штат Калифорния, США) для базирования сборочно-командного судна и стартовой платформы.

РКК "Энергия" взяла на себя ответственность за интеграцию на стартовой платформе и сборочно-командном судне оборудования ракетного сегмента, разработку и изготовление разгонного блока ДМ-SL, а также системы автоматического управления подготовкой комплекса к запуску и управление полетом разгонного блока из Центра управления полетами (г. Королев, Московская область).

Компания "Кварнер" работает над созданием самоходной полупогружаемой стартовой платформы и сборочно-командного судна.

Государственное конструкторское бюро "Южное", Производственное объединение "Южный машиностроительный завод" разрабатывают и изготовляют первые две ступени ракеты космического назначения "Зенит-3SL" - ракеты-носителя "3енит-25".

Рис. 3. Стартовая платформа. Водоизмещение на ходу 27400 т, скорость хода до 12 узлов

Основной элемент комплекса - стартовая платформа, построенная на базе морской самоходной полупогружаемой нефтебуровой платформы (рис. 3). Ее оборудование обеспечивает хранение ракеты"Зенит-SSL" в ангаре во время перехода в район старта, подачу и установку ракеты на пусковой стол, заправку ее компонентами топлива и сжатыми газами, предстартовую подготовку и пуск.

Платформа, построенная в Норвегии и окончательно оснащенная стартовым оборудованием на Выборгском судостроительном заводе, в июне 1998 г. вышла в порт базирования Лонг-Бич через Суэцкий канал. Всего на ней было установлено около 2000 т стартового оборудования и электронной аппаратуры, причем все оборудование разработано и изготовлено на российских предприятиях в 1995-1998 гг. Ответственность за его установку возлагалась на РКК "Энергия", основная конструкторская документация на монтаж выпускалась КБ "Рубин" (генеральный конструктор академик И.Д. Спасский).

В состав комплекса входит также сборочно-командное судно (СКС), которое в порту служит плавучим сборочным цехом, а в районе старта - центром дистанционного управления подготовкой к запуску и осуществлению старта (рис. 4). Технический комплекс на СКС обеспечивает прием ракетных ступеней, разгонных блоков и космических аппаратов, их стыковку и испытания, перегрузку собранной ракеты"Зенит-SSL" на стартовую платформу.

Рис. 4. Сборочно-командное судно. Водоизмещение 26400 т, скорость хода 19.6 узлов

Строительство судна проводилось на верфи в Глазго (Шотландия), а оснащение ракетным оборудованием - в Санкт-Петербурге на Канонерском судостроительном заводе. На СКС установлено около 1500 т оборудования, все оно также российского производства. Ответственность за оснащение судна ракетно-испытательным оборудованием лежала на РКК "Энергия", а за монтажную документацию - на КБ "Рубин". После всех сборочных работ в России в июне 1998 г. судно вышло в базовый порт Лонг-Бич через Панамский канал. На нем размещены различные комплексы: монтажно-сборочный, испытательный по подготовке к запуску (ангар), измерительный, гостиничный, а также Центр управления полетом и пультовые системы. Здесь созданы все условия для работы и отдыха бортового расчета.

В рамках этого проекта, по сути дела заново, в эти же сроки была разработана трехступенчатая экологически чистая ракета-носитель "Зенит-3SL".

Основные характеристики ракеты космического назначения "Зенит-SSL"

Стартовая масса, т ~470
РН "Зенит-28", т 444
ДМ-SL, т 18,6
Масса полезного груза (КА + отсек ПГ), т
  • на геопереходной орбите
  • на средней круговой орбите (i=45°)
  • на геостационарной орбите

до 5,7-6,0
до 4,5-4,8
до 2,6-2,9
Компоненты топлива жидкий кислород+керосин
Число ступеней 2 + разгонный блок
Тяга двигателей, тc
I ступени (двигатель РД-171 )
II ступени
маршевый (двигатель РД-120)
рулевой (двигатель РД-8)
разгонного блока ДМ-SL (двигатель 11Д58М)
740

85
8
8
Длина, м 59.63
Диаметр, м  3.9

Поскольку она была рассчитана для старта в морских условиях (влажность, соль, качка и т.д.), необходимо было усилить ее корпус, создать новую систему прицеливания (ведь старт производится не с земной поверхности, где есть четкие ориентиры), разработать третью ступень (разгонный блок), изменить схему заправки. С учетом полной автономности заправки и подготовки к пуску на комплексе внедрена новая система управления. Разработана оригинальная схема перегрузки ракеты с СКС на стартовую платформу. Пока такая уникальная операция производится в базовом порту, и этим определяется количество пусков - 6-8 в год; когда же это будет осуществляться в точке старта, количество космических запусков может быть доведено до 12 в год.

Установка ракеты "Зенит-SSL" на стартовый стол полностью автоматическая (рис. 5). Комплекс, как уже было отмечено, рассчитан на дистанционное автоматическое управление заправкой и запуском с СКС. После полной подготовки комплекса СКС и стартовая платформа переходят из порта Лонг-Бич в район старта на экватор с координатами 0°, 154° з.д. (вблизи острова Рождества).

Рис. 5. Установка ракеты на стартовый стол

В целом в ходе создания комплекса решен целый спектр не только научных, технологических, производственных, организационных, но и юридических, политических, финансовых и правовых проблем. К последним относятся: создание коммерческого международного ракетно-космического комплекса; привлечение кредитов коммерческих банков, в том числе под гарантии Мирового банка от политических рисков в России и на Украине; организация группы совместных предприятий "Си Лонч" для минимизации налоговых обязательств и финансовых рисков в условиях различных национальных законодательств; решение международных правовых проблем, связанных с подготовкой и проведением пуска, при отсутствии соответствующих международных и национальных правовых норм коммерческой космической деятельности.Подобного опыта мировое сообщество еще не имело. По объему решенных задач "Морской старт" можно сопоставить лишь с комплексом "Энергия-Буран", созданным в СССР в 1978-1988 гг.

28 марта 1999 г. осуществлен демонстрационный запуск космического объекта "Демосат" на рабочую орбиту. Запуск и выведение космического аппарата (КА) прошли без каких-либо серьезных замечаний, с высочайшей точностью, что ознаменовало введение этого уникального комплекса в эксплуатацию. 10 октября 1999 г. состоялся первый коммерческий запуск КА "Direc TV" с исключительной точностью выведения на рабочую орбиту. После устранения имеющихся, на наш взгляд, конструкторских "излишеств" и технически неоправданных решений ракета-носитель"Зенит-SSL" должна превзойти остальные конкурирующие ракеты (рис. 6). Ее энергетические характеристики могут быть улучшены, обеспечив выведение на отлетные траектории полезного груза массой до 6300 кг, что приблизит ее к разрабатываемой сегодня самой мощной ракете-носителю "Ариан-5" (6800 кг).

Бесспорно, "Морской старт" открыл дорогу новому перспективному направлению в развитии средств выведения. В целом проект - ярчайший пример единого подхода к решению важнейшей проблемы в ракетно-космической технике - повышению энергетических возможностей комплекса.

Еще одно яркое достижение последних лет -создание телекоммуникационных платформ нового поколения "Ямал", имеющих ряд оригинальных решений энергетического плана. Этот проект можно считать этапным в масштабах России. Он должен охладить пыл многих выдвигающих и отстаивающих тезис о том, что Россия в области создания космических средств телекоммуникаций безнадежно отстала от Запада, тех, кто принимает решение предоставить российские точки на геостационарной орбите для размещения спутников связи и телевещания иностранного производства. Это наносит сокрушительный удар по российским производителям космической техники и имеет серьезные негативные последствия, не только экономические, но и политические.

В начале 90-х годов РКК "Энергия" в силу многих обстоятельств вновь через 25 лет после создания спутника связи "Молния-1" возвратилась в эту сферу производства. Наши конструкторы не пошли по пути простого воссоздания того, что было сделано ими еще в 60-х годах и в течение 30 лет подвергалось той или иной модернизации. Им удалось выйти на современный технический и технологический уровень, а по некоторым конструктивным решениям созданные спутники связи "Ямал" превзошли и зарубежные образцы. На это ушло более шести лет напряженной работы коллективов "Энергии" и "Газкома"(АО "Газком" учредили РАО "Газпром" и РКК "Энергия" в 1992 г.).

При разработке конструкторы отошли от классического подхода к созданию новых образцов, в том числе и от американского - проводить усовершенствование нового аппарата не более чем на 30% по сравнению с предшествующим. В данном конкретном случае был создан на все 100% новый аппарат (рис. 7).

Внедрен целый ряд новых конструкторско-технологических решений, которые сегодня принято называть новыми технологиями в создании телекоммуникационных спутников. К ним относятся:

Внедрение только конструкторско-технологических решений позволило получить на каждом аппарате до 130кг выигрыша массы, а так как при одном запуске ракеты-носителя "Протон" выводится два аппарата "Ямал-100", суммарный выигрыш составил 260 кг. Не говоря уже о том, что перевод системы терморегулирования на использование тепловых труб, отказ от гидроблоков с ограниченным рабочим ресурсом резко повысил ресурс работы всего аппарата (с 3 до 10-15 лет). А это сегодня является важнейшим показателем совершенства телекоммуникационного спутника.

Один из авторитетных академиков, лоббирующий проникновение американских спутников связи на русский рынок, при сравнении конструкций батарей у "них" и у "нас" упомянул в качестве высочайшего достижения относительную характеристику массы американской солнечной батареи - 4.0 кг на 1 м2. В связи с этим следует отметить, что на аппарате "Ямал" 1 м2 солнечной батареи весит только 2.91 кг. К сожалению, наши достижения известны немногим.

Другим примером внедрения новых систем, не имеющих мировых аналогов, может служить созданный в рамках проекта "Ямал" никель-водородный аккумулятор (НВА) с высокими энергомассовыми характеристиками. Он выгодно отличается от всех подобных отечественных и зарубежных агрегатов (табл. 1).

Таблица 1. Сравнительные характеристики никель-водородных аккумуляторных батарей

  РКК "Энергия" - УЭХК 18НВ-85 "Ямал" 22HB-60
"Иридиум"		 АО "Сатурн"
40HB-70 "Сисет"
Характеристики Батарея с общим газовым коллектором
и единым корпусом		 Батарея с
индивидуальными сосудами
Энергоемкость, Втч
на начало ресурса
на конец ресурса
Среднее напряжение, В
единичного аккумулятора
батареи
Масса, кг
Удельная энергоемкость
Вт ч/кг
Вт ч/л
Саморазряд при Т= 30°С, %/сут
Число параметров управления
2000 х 2
1800 х 2

1.28
23.0
34х2

59.0
87.0
7.0
2
1900
1650

1.26
27.7
36.3

52.4
68.0
Нет данных
2
3526
2800

1.25
50.0
71.45

49.34
37.3
10.0
56

Для аппарата "Ямал" создана оригинальная конструкция двигательной установки, работающей на ксеноне, с использованием современных электрореактивных двигателей. Учитывая кризис отечественной электронной промышленности, для изготовления бортового ретранслятора пришлось применять отдельные элементы зарубежного производства (США, Япония), в аппарате "Ямал" их около 20%. Российской наукой и промышленностью построена система бортового комплекса управления современного уровня.

При создании аппаратов "Ямал", помимо традиционно используемых статических, динамических, вакуумных, тепловых и электрических испытаний, в практику были введены совершенно новые, в частности: акустические испытания КА "Ямал"; термоциклические испытания отдельных приборов и аппарата в целом (до 12 циклов); электрические испытания аппарата в термобарокамере, то есть в условиях, близких к реальным; огневые испытания двигательной установки в вакуумной камере совместно с бортовыми системами с целью определения уровней их взаимного влияния и электропомех в бортовых ретрансляторах от плазмы тяговых модулей и др.

Следует отметить, что ведущая фирма "Хьюз" (США), занимающая около 50% мирового рынка космических телекоммуникационных услуг, 29 сентября 1999 г. опубликовала свой взгляд на перспективный аппарат, и все то многое, о чем они сегодня еще только думают, внедрено на "Ямале". Нынешний "Ямал-100", его следующая модификация "Ямал-200" (в классе аппаратов 1000 кг) и создаваемая более мощная версия "Ямал-300" (в классе 2500-3000 кг) займут достойное место среди отечественных и зарубежных телекоммуникационных спутников (табл. 2). Спутники связи "Ямал-100, -200, -300" также превосходят существующие российские и не уступают зарубежным аналогам.

Таблица 2. Конкурентоспособность спутников "Ямал"

Спутник Число транспондеров Энергопотребление, Вт Точность удержания на орбите, град Ресурс, год
Класс 1000 кг
"Ямал-100" РКК "Энергия" (Россия)
"Ямал-200" РКК "Энергия" (Россия)
HS-376 "Хьюз" (США)
 
10
17-22
8-16
 
1300
1400
1000
 
±0.1
±0.1
±0.1
 
10
15
12
 
Класс 2500-3000 кг
"Горизонт" НПО ПМ (Россия)
"Экспресс" НПО ПМ (Россия)
"Экспресс-А" НПО ПМ/"Алкатель" (Россия)
"Ямал-300" РКК "Энергия" (Россия)
"Экспресс-KI""Аэроспасьяль" (Франция)
"Телстар-5""Спэйссистемз/Лорал" (США)
"Азиасет-ЗК" "Хьюз" (США)
8
12
17
57
52
52
44
950
1250
1250
9150
7000
6200
6900
±2.0
±0.2
±0.1
±0.1
±0.1
±0.1
±0.1
3
5
7-10
15
15
15
15

 

Сравнительно высокие энергомассовые характеристики "Ямалов" (значительно превышающие таковые других отечественных аппаратов) позволяют осуществлять их групповое (по два КА) выведение на орбиту при одном запуске ракеты-носителя "Протон".

Аппараты "Ямал" созданы для обеспечения технологических нужд по заказу крупнейшего концерна РАО "Газпром", однако по своим возможностям они превышают необходимые потребности этого ведомства, для которого сверхдостаточно одного аппарата "Ямал-100" № 2 (точка стояния 90° в.д.). Второй (точка стояния 49° в.д.) планировалось использовать как коммерческий. Оба аппарата полностью идентичны и отличаются только зонами покрытия (обслуживания). Их запуск состоялся 7 сентября 1999 г. С аппаратом № 2 сразу же была установлена связь, в настоящее время он стоит в рабочей точке (90° в.д.), и на него переведены все каналы связи "Газпрома", а также часть каналов "Ростелекома", "Востоктелекома", "Кросны". К сожалению, аппарат № 1 ввести в эксплуатацию пока не удалось, хотя все свидетельствует о том, что он работоспособен, разработчики не теряют надежды войти с ним в связь. Исследование причин такого состояния проводится с его аналогом на Земле, и теперь уже уточнены некоторые особенности режимов работы систем этого аппарата.

В ближайшие два года должны быть изготовлены по два аппарата "Ямал-200" и "Ямал-300" (заказчики - Госкомсвязь и государственное предприятие "Космическая связь").

В целях сохранения независимости информационного поля России Совет по космосу РАН и все государственные ведомства, заинтересованные в этом, должны, бесспорно, воспрепятствовать установке в российские точки спутников связи и телевещания иностранного производства. Наша страна сегодня располагает современными спутниками и всем необходимым для их производства, а также дешевыми средствами для выведения на рабочие орбиты.

Например, существует реальная возможность вывести на геостационарную орбиту аппарат "Ямал-100" (учитывая его малый вес) путем запуска самой дешевой, надежной и экологически чистой ракеты-носителя типа "Союз". Она была создана еще в 50-е годы коллективом под руководством С.П. Королева. Следующая модернизация этого популярнейшего носителя получила название "Ямал".

Основные характеристики
ракеты космического назначения "Ямал"
с разгонным блоком "Таймыр"


Стартовая масса, т 374
Масса полезного груза, т
        Нкр= 200 км, i= 51.8° 11,75
       геостационарная орбита 1,36
Компоненты топлива жидкий кислород + керосин Т-1
Тяга двигателей, тс
        боковых блоков, на Земле (4дв. 14Д22) 85х4
        центрального блока
            маршевого (НК-ЗЗ), на Земле 154
            рулевого (РД-0152), на Земле 21,105
      блока И (РД-0124Э), в пустоте 30
      разгонного блока "Таймыр" (IV ступень) 8

Документация на эту ракету-носитель выпускается пока за счет собственных средств РКК "Энергия". Для ее производства планируется организовать международную компанию "Геос" (аналогично компании "Морской старт") с контрольным пакетом акций у российских участников.

Здесь уместно отметить особую важность и перспективность работ, проводимых РКК "Энергия" совместно с Исследовательским центром им. М.В. Келдыша, возглавляемым академиком А. С. Коротеевым, в рамках второго этапа программы "Ямал" по созданию солнечной энергодвигательной установки (СЭДУ). Эта кислородно-водородная двигательная установка с подогревом водорода будет работать вместо блока "Таймыр" и позволит почти вдвое увеличить (с 1.36 до 2.3 т) удельную тягу и выводимую на геостационарную орбиту массу аппарата. Принятая к реализации схема СЭДУ принадлежит российским специалистам и не имеет аналогов в мировой практике ракетостроения (рис. 8). Макет такой двигательной установки, продемонстрированный на Всемирной выставке в ЛеБурже в 1999 г., привлек особое внимание иностранных фирм - производителей ракетно-космической техники.

Первый образец многорежимного двигателя с высокотемпературным тепловым аккумулятором уже создан Исследовательским центром им. М.В. Келдыша и проходит отработку. В РКК "Энергия" ведется разработка криогенной топливной системы и СЭДУ в целом применительно к комплексу "Ямал". На первом этапе в качестве источника энергии планируется использовать солнечные батареи, а в дальнейшем - солнечные концентраторы, о чем будет сказано ниже.

Это перспективнейшее направление - заявка на то, что после модернизации самой надежной экологически чистой ракеты в мире - ракеты-носителя "Союз" - можно будет выводить на геостационарную орбиту аппараты массой, близкой к выводимой массе КА на сегодняшней самой мощной ракете-носителе "Протон". Это очень важный фактор, так как систематически, а особенно в связи с последними авариями, возникают затруднения при получении согласия Республики Казахстан на запуск ракеты "Протон".

Солнечные энергетические установки принадлежат к особо важной теме, поскольку рассчитывать на дальнейшее использование только солнечных фотоэнергопреобразователей (ФЭП) даже с очень совершенными фотоэлементами вряд ли перспективно, тем более когда речь идет о сотнях киловатт. По известным причинам нельзя сегодня рассчитывать и на использование ядерных установок, особенно для пилотируемых комплексов. Но пока разработчикам космической техники приходится с этим мириться.

В настоящее время основной источник энергии - солнечные батареи, и это обстоятельство очень затрудняет эксплуатацию сложных комплексов, таких как Международная космическая станция, из-за большой парусности комплекса, сложности подхода к станции других кораблей, а следовательно, больших энергозатрат на поддержание орбиты, затенение исследовательской аппаратуры и др.

Основные характеристики солнечных батарей
Международной космической станции

Площадь, м2 2550
      В том числе на российском сегменте 330
Мощность систем энергопитания, кВт 115
      В том числе на российском сегменте 25 25
Размах,м
       на американском сегменте 73
       на российском сегменте 43
Годовая деградация, % 2,5

Ожидать резкого повышения удельных характеристик солнечных батарей с использованием кремниевых ФЭП, да и арсенида галлия, имеющих сравнительно низкие КПД, особо не приходится (табл. 3). Поэтому РКК "Энергия" ведет работу по созданию солнечных энергетических установок сразу по нескольким направлениям.

Таблица 3. Сравнительные удельные характеристики солнечных батарей

Высокоэффективные ФЭП Стандартные ФЭП
Характеристики "Шарп" (Япония) "Локхид" (США) ASE (Германия) "Квант" (Россия)
Уд. мощность через 12-лет, Вт/кв.м
Уд. масса электрической части, кг/кв.м
КПД ФЭП при Т= 28°С, %		 145
0.8
17.0		 133
1.4
13.5		 130
1.2
13.8		 110
2.0
13.3

Первое - сооружение солнечной газотурбинной установки (СГТУ) для Международной космической станции (рис. 9) совместно с Исследовательским центром им. М.В. Келдыша. КПД установки может достигать 30% и выше, однако большая масса позволяет использовать ее только в составе крупномасштабных комплексов (масса которых более 400 т).

Такие установки совершенно неприемлемы для малых аппаратов. И хотя эта работа далеко продвинулась вперед, изготовлены первые основополагающие блоки и агрегаты, РКК "Энергия" начала деятельность и по альтернативным проектам.

Основные характеристики солнечной газотурбинной установки

Среднесуточная мощность, кВт 10
Выходное напряжение, В 120
Диаметр зеркала, м 9,5
Теплоаккумулирующее вещество 80%LiF + 20%CaF2
Рабочее тело газотурбинного преобразователя 32%He + 68Xe
Температура газа, °С
      на входе в солнечный приемник-аккумулятор 538
      на выходе из солнечного приемника-аккумулятора 750
КПД солнечного приемника-аккумулятора, % >85
КПД преобразования тепловой энергии в электрическую 30
Масса, т 5,5

Второе направление - вариант солнечной энергоустановки мощностью 10 кВт на основе термоэлектрохимических преобразователей (ТЭХП). Над ним "Энергия" работает в сотрудничестве с Государственным научным центром Российской Федерации "Физико-энергетический институт" (ГНЦ РФ "ФЭИ"), возглавляемым академиком В.И. Субботиным. Здесь в основу положен принцип использования электрохимического потенциала натрия при разных температурах (рис. 10).

В 1999 г. были решены основные вопросы по изготовлению термогенерирующего слоя парового электрода, отработке сварки-пайки токовводов пористого электрода твердой электролитной мембраны с корпусом, а также подтверждены вольт-амперные характеристики элемента в пределах 0.5-0.7 Вт/см2. Как показывает предварительный анализ, это направление работ довольно перспективное и позволяет получить достаточно высокие энергомассовые характеристики преобразователя за счет непосредственного преобразования энергии. Объединив опыт ГНЦ РФ "ФЭИ" по работам с чистым натрием и РКК "Энергия" по созданию высокотемпературных натриевых тепловых труб, можно получить довольно эффективную систему.

Основные технические характеристики солнечной энергоустановки
на основе термоэлектрохимических преобразователей

Номинальная электрическая мощность, кВт 10
Количество модулей 71
Удельная электрическая мощность, Вт/кв.см. 0,5-0,7
Напряжение на нагрузке, В 28
КПД, % >=35
Срок службы, год >=10
Масса без зеркала-концентратора, кг 350-430
Верхняя температура цикла, °С 910-930
Нижняя температура цикла, °С 290-350

Сегодня наша основная задача - найти оптимальные решения по уменьшению массы зеркала-концентратора. Важностью этой проблемы продиктовано развертывание в РКК "Энергия" широкого фронта работ по третьему направлению.

Год назад "Энергия" и Грузинский политехнический институт образовали совместное предприятие, которое готовит к выпуску автоматически разворачиваемые космические рефлекторы большого диаметра (от 6 до 30 м), не имеющие аналогов в мире (рис. 11).

Рис. 11. Рефлектор диаметром 6.4 м в свободном космическом полете
после отстрела от орбитальной станции "Мир" (сентябрь 1999 г.)

Кстати, эта работа открывает грандиозную перспективу по созданию не только солнечных зеркал-концентраторов большого диаметра, но и антенн (табл. 4). Это направление в сочетании с деятельностью по изготовлению термоэлектрохимических преобразователей является ярчайшим примером новой прорывной технологии XXI в.

Другой важнейшей совместной работой "Энергии" и Исследовательского центра им. М.В. Келдыша является отработка принципиально новой системы терморегулирования для Международной космической станции на базе использования двухфазного контура (ДФК) циркуляционной системы терморегулирования (СТР), рабочим телом которого является аммиак. Использование скрытой теплоты испарения аммиака в ДФК существенно увеличивает возможности теплопереноса и снижает расход теплоносителя. ДФК обладает значительными преимуществами в энергопотреблении, массе, габаритах по сравнению с традиционными (классическими) однофазными контурами. Данный принцип заложен в систему централизованного теплоотвода российского сегмента Международной космической станции (рис. 12). Энергопотребление СТР российского участка на базе ДФК (по сравнению с однофазным контуром) при максимальной мощности 30 кВт на порядок меньше, причем ее масса меньше почти вдвое (табл. 5).

Рис. 12. Схема централизованной системы теплоотвода
на российском сегменте Международной космической станции
Теплоноситель - аммиак особой чистоты; давление в контуре - 6 ± 0.5 кг/см2;
НЭП - научно-энергетическая платформа; СМ - служебный модуль
 

Таблица 5. Сравнительные характеристики двухфазной и однофазной централизованной систем теплоотвода (ЦСТО) российского сегмента Международной космической станции при максимальной мощности 30 кВт

Характеристики Однофазная жидкостная ЦСТО Двухфазная ЦСТО
Площадь рад. теплообменника, кв.м
Теплоноситель
Расход теплоносителя, кб.см/с
Энергопотребление, Вт
Объем теплоносителя, л
Диаметры трубопроводов, мм
Масса, кг		 196
ПМС-1.5Р полиметилсилоксан
2000
2000
500
30-50
4140		 150
Аммиак
150
170
70
10-18
2780

Сейчас летно-экспериментальная установка такой системы (ЛЭУ-1М) находится в составе корабля "Прогресс М-42" на комплексе "Мир", прошла все виды испытаний в натурных условиях. В результате полностью подтверждены ее энергетические характеристики.

И еще, о чем обязательно надо сказать, - о работах, проводимых в последние годы по созданию на околоземной орбите крупногабаритных солнечных отражателей. Это чисто российская технология, которая, безусловно, впишет яркую страницу в историю космонавтики (рис. 13).

Рис. 13. Подсветка ночной поверхности Земли (эксперимент "Знамя-2")

Несмотря на то, что сегодня в средствах массовой информации дается неоднозначная оценка этим работам, ведущимся на орбитальном комплексе "Мир", орбитальные солнечные отражатели имеют большое будущее. Идея использовать плоские космические отражатели для передачи энергии Солнца на Землю была высказана еще в 20-х годах Ф.Э.Цандером. Их можно эффективно использовать для освещения отдельных участков Земли, если площадь отражателя составляет 5000-10000 м2. Главные проблемы здесь - минимизация масс и обеспечение автоматического их развертывания из транспортного положения. Понятно, что до недавнего времени эта задача относилась к разряду фантастических.

При современном состоянии техники такие зеркала можно делать из полимерной металлизированной пленки, они развертываются в рабочее положение и поддерживают необходимую форму с помощью центробежных сил, возникающих при вращении отражателя вокруг оси, перпендикулярной его плоскости. В начале 90-х годов РКК "Энергия" приступила к практической реализации этой идеи, а в феврале 1993 г. был проведен демонстрационный эксперимент "Знамя-2": после рас-стыковки грузового космического корабля "Прогресс М-15" и станции "Мир" на корабле развернули 20-метровый тонкопленочный отражатель, с помощью которого осуществлялась подсветка Земли перед восходом Солнца (рис. 14). Формообразование бескаркасного пленочного отражателя, как уже сказано, проводилось за счет центробежных сил, возникавших при вращении барабана и принудительного сматывания секторов отражателя с катушек с помощью электромеханических приводов.

Рис. 14. Космический корабль "Прогресс М-15" с солнечным отражателем
в ходе автономного полета 4 февраля 1993 г.
Характеристики отражателя: пленка алюминизированная ПЭТФ-ОА толщиной 7 мкм;
диаметр отражателя 20 м; масса 4.2 кг

Анализ переданной на Землю телевизионной и телеметрической информации подтвердил правильность принятых технических решений, а также основных принципов и расчетных методик, послуживших базой для разработки нового направления в создании крупногабаритных бескаркасных пленочных конструкций. В 1999 г. космический эксперимент с пленочным отражателем был повторен.

25 октября 1998 г. грузовой корабль "Прогресс М-4" с экспериментальной установкой "Знамя-2.5" на борту стартовал с космодрома Байконур. Корабль находился в составе станции Мир" до февраля 1999 г. Эксперимент проводился сразу же после отстыковки корабля от станции. Новый отражатель диаметром 25 м выполнен с учетом замечаний, поступивших в ходе первого эксперимента. Подсветка земной поверхности должна была проводиться в двух режимах - автоматическом и ручном (телеоператорном) в течение нескольких витков. При эксперименте "Знамя 2" был реализован для подсветки только автоматический режим и на одном витке. Начальный этап эксперимента "Знамя-2.5" прошел без замечаний, и полном соответствии с запланированной схемой. Однако дальнейший его ход был прекращен из-за несогласованности в работе обеспечивающих систем.

Несмотря на неудачу, эксперимент получил широкий отклик во всем мире. Во время его проведения в разных районах Земли, особенно на участках подсветки "солнечным зайчиком" - в северном Казахстане, России, на Украине, в Германии, Бельгии, Чехии, Канаде, США - ученые, инженеры. студенты и все, кому интересна идея создания искусственного Солнца, готовились наблюдать необычный космический объект в ночном небе. После сообщения об отмене эксперимента многие организации и частные лица выразили надежду увидеть пленочные отражатели в космосе в ближайшем будущем. Что же, это совпадает с планами РКК "Энергия" продолжить серию экспериментов "Знамя". В настоящее время наша корпорация, имея опыт работы с рефлекторами диаметром 20-25 м, уже трудится над созданием отражателя диаметром 60 и 200 м.

Что может дать реализация штатной системы искусственного освещения из космоса? Система должна состоять из группы космических рефлекторов (диаметром несколько сот метров), отражающих солнечный свет с орбиты на ночную сторону Земли. Наиболее подходящая высота орбит для них - 1.5-4.5 тыс. км. Диаметр светового пятна на Земле в подспутниковой точке пропорционален высоте орбиты Н: dс.п.~ 0.01Н. Уровень искусственной освещенности Е на Земле зависит от высоты орбиты, диаметра рефлектора dp, коэффициента отражения Ко и коэффициента поглощения атмосферой Кп:

Е = EсолнцаКоКпcosb x 1,15 x 104dp2/H2

где Eсолнца= 1,27 х 105 лк -  освещенность, создаваемая прямым солнечным светом; b - угол падения светового луча на рефлектор. Для ясной сухой атмосферы Кп= 0.8; Ко зависит от совершенства рефлектора и может изменяться в широких пределах (0.1-0.9). В эксперименте "Знамя-2" Ко был низким - примерно 0.025-0.05, в эксперименте "Знамя-2.5" был доведен уже до 0.15-0.4.

Группа рефлекторов (до 10-12) диаметром 200 м на круговой орбите высотой 1658 км (двухчасовая орбита) при Ко = 0.4 может последовательно обеспечить искусственное освещение нескольких больших городов с освещенностью до 40 лк, что почти в 200-400 раз превышает естественную освещенность ночью при полной Луне. Площадь освещения может достигать десятков квадратных километров (рис. 15).

Рис. 15. Схема расположения космических рефлекторов на орбите
для подсветки земной поверхности

Реализация задачи переотражения солнечного света на отдельные участки Земли имеет громадное практическое значение для высокоширотных районов, а также для работ, проводимых в чрезвычайных ситуациях.

В целом же создание пленочного полотна с такими габаритами открыло совершенно новые горизонты космонавтики, а в будущем позволит построить космические аппараты специализированного назначения (энергетические системы в космосе, парусные космические корабли, антенны-ретрансляторы, антенны-излучатели для аппаратов исследования дальнего космоса, противометеорные вакуумные экраны, гироскопические энергосберегающие системы и т.д.).

В заключение отметим, что все упомянутые проекты реализованы и реализуются не в экономически стабильной стране при всесторонней поддержке и контроле государства, а в обстановке экономического кризиса. Их осуществление стало возможным только благодаря огромному потенциалу российской академической науки и высокоразвитой производственной базе в наукоемких отраслях промышленности, созданной ранее, но сохраненной и развивающейся благодаря самоотверженному труду коллективов, работающих на благо России в условиях, близких к экстремальным. Сегодня отечественная ракетно-космическая отрасль является, пожалуй, одной из немногих отраслей (если не единственной), которая демонстрирует пример не только выживаемости в сложившихся экономических условиях, но и закладывает основы новейших космических наукоемких технологий XXI в.
 

VIVOS VOCO
Сентябрь 2000