Солнечная тепловая ракета — это теоретическая двигательная система космического корабля, которая будет использовать солнечную энергию для непосредственного нагрева реакционной массы и, следовательно, не потребует электрического генератора, как это делают большинство других форм движения на солнечной энергии. Ракете придется нести только средства улавливания солнечной энергии, такие как концентраторы и зеркала . Нагретое топливо будет подаваться через обычное сопло ракеты для создания тяги. Тяга его двигателя будет напрямую связана с площадью поверхности солнечного коллектора и местной интенсивностью солнечной радиации.
В краткосрочной перспективе солнечная тепловая двигательная установка была предложена как для более длительного, более дешевого и эффективного использования солнца и более гибких криогенных ракет- носителей , так и для орбитальных складов топлива . Солнечная тепловая двигательная установка также является хорошим кандидатом для использования в многоразовых межорбитальных буксирах, поскольку представляет собой высокоэффективную систему с малой тягой, которую можно относительно легко дозаправить.
Существует две концепции солнечных тепловых двигателей, различающиеся в первую очередь методом использования солнечной энергии для нагрева топлива :
Из-за ограничений по температуре, которую могут выдержать материалы теплообменника (около 2800 К ), конструкции с непрямым поглощением не могут обеспечить удельные импульсы за пределами 900 секунд (9 кН·с/кг = 9 км/с) (или до 1000 секунд, см. ниже). Конструкция с прямым поглощением обеспечивает более высокие температуры топлива и, следовательно, более высокие удельные импульсы, приближающиеся к 1200 секундам. Даже более низкий удельный импульс представляет собой значительное увеличение по сравнению с обычными химическими ракетами , однако это увеличение может обеспечить существенный прирост полезной нагрузки (45 процентов для полета с НОО на ГСО ) за счет увеличения времени полета (14 дней по сравнению с 10 часов). [ нужна цитата ]
Малогабаритное оборудование было спроектировано и изготовлено для Лаборатории ракетного движения ВВС (AFRPL) для оценки наземных испытаний. [1] Системы с тягой от 10 до 100 Н были исследованы SART. [2]
Были предложены многоразовые орбитальные транспортные средства (OTV), иногда называемые (межорбитальными) космическими буксирами, приводимые в движение солнечными тепловыми ракетами. Концентраторы на солнечных тепловых буксирах менее восприимчивы к радиации в поясах Ван Аллена, чем солнечные батареи солнечных электрических ОТВ. [3]
Первоначальное доказательство концепции было продемонстрировано в 2020 году с гелием на солнечном симуляторе Лаборатории прикладной физики Университета Джонса Хопкинса. [4]
В большинстве предлагаемых конструкций солнечных тепловых ракет в качестве топлива используется водород из-за его низкой молекулярной массы , что дает превосходный удельный импульс до 1000 секунд (10 кН·с/кг) при использовании теплообменников из рения. [5]
Традиционно считалось, что водород, хотя он и дает превосходный удельный импульс, не подлежит хранению в космосе. В ходе проектных работ в начале 2010-х годов был разработан подход, позволяющий существенно снизить выкипание водорода и экономично использовать небольшой оставшийся продукт выкипания для необходимых космических задач, по существу достигнув нулевого выкипания (ZBO) с практической точки зрения. [6] : с. 3, 4, 7
Можно использовать и другие вещества. Вода дает довольно низкую производительность - 190 секунд (1,9 кН·с/кг), но требует только простого оборудования для очистки и обработки, ее можно хранить в космосе, и это очень серьезно предлагалось для межпланетного использования с использованием ресурсов на месте . [7]
В качестве топлива был предложен аммиак . [8] Он обеспечивает более высокий удельный импульс, чем вода, но его легко хранить: температура замерзания -77 градусов по Цельсию и температура кипения -33,34 °C.
Архитектура солнечно-тепловой двигательной установки превосходит архитектуры, включающие электролиз и сжижение водорода из воды, более чем на порядок, поскольку для электролиза требуются мощные генераторы энергии, тогда как для дистилляции требуется только простой и компактный источник тепла (ядерный или солнечный); поэтому скорость производства топлива соответственно намного выше для любой заданной начальной массы оборудования. Однако его использование действительно зависит от наличия четких представлений о местоположении водяного льда в Солнечной системе, особенно на лунных и астероидных телах, и такая информация не известна, за исключением того, что ожидаются тела внутри пояса астероидов и дальше от Солнца. быть богатым водяным льдом. [9] [10]
Солнечные тепловые ракеты были предложены [11] в качестве системы вывода на орбиту небольшого персонального космического корабля. Конструкция основана на высотном дирижабле, который использует свою оболочку для фокусировки солнечного света на трубке. Затем подается топливо, которым, скорее всего, является аммиак, для создания тяги. Возможные конструктивные недостатки включают в себя то, сможет ли двигатель создать достаточную тягу для преодоления сопротивления и не выйдет ли из строя обшивка дирижабля на гиперзвуковых скоростях. Он имеет много общего с орбитальным дирижаблем, предложенным JP Aerospace .
По состоянию на 2010 год [обновлять]было сделано два предложения по использованию солнечно-тепловой тяги в системах космических кораблей после запуска.
Концепция создания складов топлива на низкой околоземной орбите (НОО) , которые можно было бы использовать в качестве промежуточных станций для остановки и дозаправки других космических кораблей на пути к миссиям за пределами НОО, предполагает, что отходы газообразного водорода — неизбежного побочного продукта длительного хранения жидкости Хранение водорода в радиационно-тепловой среде космоса — можно было бы использовать в качестве монотоплива в солнечно-тепловой двигательной установке. Отработанный водород будет продуктивно использоваться как для поддержания орбитальной станции , так и для управления ориентацией , а также для обеспечения ограниченного топлива и тяги для использования в орбитальных маневрах для лучшего сближения с другими космическими кораблями, которые будут приближаться для получения топлива со склада. [6]
Солнечно-тепловые моновинтовые водородные двигатели также являются неотъемлемой частью конструкции криогенной ракеты - разгонного блока следующего поколения , предложенной американской компанией United Launch Alliance (ULA). Advanced Common Evolved Stage (ACES) задумывался как более дешевый, более функциональный и более гибкий верхний блок, который дополнит и, возможно, заменит существующие разгонные блоки ULA Centaur и ULA Delta Cryogenic Second Stage (DCSS). Опция ACES Integrated Vehicle Fluids исключает из космического корабля все гидразиновое монотопливо и весь гелий , нагнетающий давление в космическом корабле, который обычно используется для ориентации и удержания станции, и вместо этого зависит от солнечно-тепловых моновинтовых двигателей, использующих отработанный водород. [6] : с. 5 [ нужно обновить ]
Жизнеспособность различных путешествий с использованием солнечной тепловой энергии была исследована Гордоном Вудкоком и Дэйвом Байерсом в 2003 году. [ необходимы разъяснения ] [12]
Следующим предложением 2010-х годов стал космический корабль Solar Moth, который будет использовать легкие зеркала для фокусировки солнечного излучения на солнечном тепловом двигателе. [13] [14]
выкипевший отработанный водород является наиболее известным топливом (в качестве монотоплива в базовой солнечно-тепловой двигательной установке) для этой задачи. Практический склад должен выделять водород с минимальной скоростью, соответствующей потребностям содержания станции.
{{cite book}}: |journal=игнорируется ( помощь )