УДК 629.784.022

ОЦЕНКА МАССОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СИСТЕМЫ ОТВЕДЕНИЯ ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ ОТ ЭЛЕКТРОРАКЕТНОЙ ДВИГАТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ МЕЖОРБИТАЛЬНОГО БУКСИРА

Косенко Александр Борисович
ОАО «РКК «Энергия» им. С.П. Королева»
Кандидат технических наук, начальник службы

Аннотация
В статье описан один из вариантов компоновки перспективного транспортного космического аппарата – межорбитального буксира с ядерной электроракетной двигательной установкой. Рассматривается трансформируемая ферменная конструкция, обеспечивающая отведение ядерной энергетической установки от служебных отсеков буксира для минимизации воздействия вредных факторов. Оценены массовые характеристики ферменной конструкции.

Ключевые слова: космический аппарат, космос, Луна, межорбитальный буксир, трансформируемая ферменная конструкция, электроракетный буксир, ядерная энергетическая установка


EVALUATION OF MASS CHARACTERISTICS OF THE SYSTEM FOR MOVING NUCLEAR POWER PLANT FROM THE ELECTRIC PROPULSION THRUSTER OF INTERORBITAL SPACE TUG

Kosenko Alexander Borisovich
OAO Rocket and Space Corporation Energia after S.P. Korolev
Candidate of Science (Engineering), Head of service

Abstract
The paper describes one of the layout options of prospective transport spacecraft – interorbital space tug with nuclear electric propulsion system. We consider a convertible truss providing move board nuclear power plant from the overhead compartments tug to minimize exposures. Truss mass characteristics are estimated.

Keywords: convertible truss, electric propulsion tug, interorbital space tug, Moon, nuclear power plant, space, spacecraft


Рубрика: 05.00.00 ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Косенко А.Б. Оценка массовых характеристик системы отведения ядерной энергетической установки от электроракетной двигательной установки межорбитального буксира // Современные научные исследования и инновации. 2015. № 11 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2015/11/59126 (дата обращения: 20.11.2016).

Одним из перспективных многоразовых транспортных средств для обеспечения больших грузопотоков в космосе, например, в программе освоения Луны [1, с.227; 2, с.71; 3, с. 13], являются межорбитальные ядерные электроракетные буксиры [4, с.5; 5, с.140], источником электроэнергии которых служат ядерно-энергетические установки (ЯЭУ) электрической мощностью в сотни и тысячи киловатт [6, с.27].

Использование ядерных энергетических установок (ЯЭУ) с реактором деления накладывает определенные требования к структуре и компоновочной схеме транспортного средства, основным из которых является требование обеспечения радиационной защиты не только транспортируемого полезного груза (ПГ), но и оборудования ЯЭУ, электроракетной двигательной установки (ЭРДУ), приборного отсека с радиационно-чувствительной аппаратурой управления, при необходимости обеспечения минимальной массы транспортного аппарата. Одновременное выполнение этих требований достигается за счет так называемой лучевой компоновки транспортного аппарата с теневой радиационной защитой от излучений реактора и отведения ЭРДУ с приборным отсеком и полезного груза от реактора. Однако при выведении с Земли транспортный аппарат с ПГ должен быть размещен под обтекателем ракеты-носителя (РН), внутренний объем которого ограничен, поэтому компоновка должна быть максимально компактной. Построение рабочей компоновки возможно лишь после выведения в космос. Отведение ЭРДУ и ПГ в заданное положение осуществляется до включения реактора на стартовой или рабочей орбите, которая по современным международным требованиям должна быть радиационно-безопасной, например, высотой не менее 800 км.

На рис.1 приведен общий вид ММБ [7].

Рис. 1. Общий вид многоразового межорбитального буксира.

ММБ состоит из двух модулей – энергетического 1 и грузового 2. Энергетический модуль 1 включает в себя ЯЭУ 3, трансформируемую ферменную конструкцию 4 системы отведения ЯЭУ от приборного отсека 4, приборный отсек 5, в котором размещен ряд служебных систем ММБ, и стыковочный агрегат 6 для стыковки с грузовым модулем 2.

Грузовой модуль 2 включает в себя агрегатный отсек ЭРДУ 7 с установленными на нем штангами с секциями электроракетных двигателей 8, стыковочными агрегатами 9 для стыковки с энергетическим модулем 1 и стыковочным агрегатом 10 для стыковки с транспортным контейнером полезного груза 11, также оснащенным стыковочным агрегатом 12 обеспечивающим стыковку с агрегатным отсеком ЭРДУ 7 и последующую расстыковку.

В качестве устройства для отведения ЯЭУ от ЭРДУ на требуемое расстояние рассматривается пространственная трансформируемая ферменная конструкция [8, с.115], один из вариантов такой конструкции в составе ММБ предложен в патенте [7].

Базовым элементом ферменной конструкции является секция в форме параллелепипеда с квадратным основанием. Ферменная конструкция и ее базовая секция изображены на рис. 2.

Рис. 2. Секция фермы системы отведения ЯЭУ:

1 – основание; 2 – боковая панель; 3 – диагональ; 4 – шарниры.

Секция состоит из общего для двух соседних секций основания, четырех попарно шарнирно соединенных боковых панелей, и двух диагоналей. Основание и боковые панели, сваренные из трубчатых стержневых элементов, соединены между собой шарнирно.

Диагональные стержни в смежных секциях установлены разнонаправлено. Для беспрепятственного процесса раскрытия конструкции диагональ вынесена из плоскости вращения шарнира боковой панели.

Шарнирные узлы в местах соединения боковых панелей, а также в месте сложения диагонали обладают пружиной кручения, под действием которой происходит раскрытие конструкции. В шарнирах боковых панелей и диагоналей установлены фиксаторы, обеспечивающие блокировку конструкции в развернутом состоянии.

На концах ферменной конструкции могут быть установлены отсеки, имеющие значительные массы. Поэтому вследствие бесконтрольного раскрытия системы раздвижения ферма может быть деформирована, либо разрушена под действием сил инерции движущихся масс. Для предотвращения повреждений предусмотрена система безударного раскрытия. Она состоит из стального троса, проходящего через центры оснований и в сложенном положении намотанного на барабан. Барабан с тросом установлен на ферме агрегатного отсека и соединен через редуктор с электродвигателем.

После раскрытия стыка ЯЭУ с агрегатным отсеком электродвигатель через редуктор начинает вращать барабан и сматывать с него трос.

Помимо контроля скорости отведения энергоблока система безударного раскрытия выполняет еще одну функцию. Так как трос пропущен внутри ферменной конструкции, то после полного раскрытия системы происходит натяжка троса с дальнейшим контролем натяжения. Таким образом, происходит выборка излишних люфтов фермы, что повышает ее жесткость и минимизирует амплитуду поперечных колебаний ММБ. Кроме того, натянутый трос, пропущенный через специальные втулки в центре оснований каждой секции, обеспечивает системе устойчивое состояние равновесия. При возникающих прогибах продольной оси ММБ сила натяжения троса будет стремиться сократить прогиб, возвращая систему в равновесие.

Оценка массы конструкции производится путем расчета массовых характеристик одной секции фермы. Учитывая такую особенность ферменной конструкции, как использование общего для двух соседних ячеек основания, единичная секция для расчета массы конструкции имеет только одно основание.

В модели массового расчета пренебрегаем массой соединительных элементов (гайки, болты) при этом рассматривая детали, соединяемые ими без соответствующих отверстий под крепеж.

Так, в модели, кроме стержневых элементов, выполненных из трубы 10х1мм, предусмотрено 6 видов деталей, соединяющих стержни в единую конструкцию и образующих шарнирные узлы. Это фитинг основания, фитинги боковой панели «вилка» и «ухо», фитинги диагонали «вилка» и «ухо» и законцовка стержней.

Массовая сводка деталей и их количество в одной секции фермы, участвующее в расчете массовых показателей, представлены в таблице (табл.1).

Табл. 1. Массовые характеристики конструктивных элементов секции фермы.

Элемент конструкции Масса, г Кол-во, шт. Общая масса, кг
Фитинг основания 90 4 0,36
Фитинг боковой панели «вилка» 60 4 0,24
Фитинг боковой панели «ухо» 40 12 0,48
Фитинг диагонали «вилка» 35 2 0,07
Фитинг диагонали «ухо» 20 6 0,12
Законцовка диагоналей 5 10 0,05
Трубки 220(г/м) 20 (м) 4,40
Секция фермы 5,72

Общая масса секции, включая неучтенную массу и добавляя массу не учитываемого ранее крепежа (в сумме не более 5%) составляет 6,0 кг. С учетом длины секции 1,1 м общая погонная масса фермы составляет 5,4 кг/м.

Масса системы безударного раскрытия, состоящей из троса, барабана, электродвигателя с редуктором и системы управления вращением барабана представляется в пределах 3 – 7 кг.

Выводы

Выполнены оценки погонной массы предложенной трансформируемой ферменной конструкции системы отодвижения ЯЭУ от ЭРДУ в виде секций, состоящих из общего для двух соседних секций основания, четырех попарно шарнирно соединенных боковых панелей, и двух диагоналей, сваренные из трубчатых стержневых элементов с учетом общей для всей ферменной конструкции системы безударного раскрытия. Показана возможность создания относительно легкой ферменной конструкции, Так, применительно к лунному ММБ с электрической мощностью 500-1000 кВт для конструкции фермы с габаритами секции 0,41 х 0,41 х 0,65 м погонная масса составит 5,4 кг/м.


Библиографический список
  1. Луна – шаг к технологиям освоения Солнечной системы. Научные редакторы В.П.Легостаев и В.А.Лопота. М.: РКК «Энергия». 2011.
  2. Синявский В.В. Перспективы освоения Луны // Земля и Вселенная. 2013. № 2. С. 71-82.
  3. Брюханов Н.А., Легостаев В.П., Лобыкин А.А., Лопота В.А., Сизенцев Г.А. Синявский В.В Сотников Б.И., Филиппов И.М., Шевченко В.В. Использование ресурсов Луны для исследования и освоения Солнечной системы в XXI веке // Космическая техника и технологии. 2014. № 1. С.3-14
  4. Легостаев В.П., Лопота В.А., Синявский В.В. Перспективы и эффективность применения космических ядерых энергетических и электроракетных двигательных установок // Космическая техника и технологии. 2013. № 1. С.4-15.
  5. Косенко А.Б., Синявский В.В. Оптимизация параметров многоразового межорбитального буксира с ядерной электроракетной двигательной установкой // Известия РАН. Энергетика. 2009. № 3. С.140-152.
  6. Синявский В.В. Научно-технический задел по ядерному электроракетному межорбитальному буксиру «Геркулес» // Космическая техника и технологии. 2013. № 3. С.25-45.
  7. Патент RU 2535356. Российская Федерация. Устройство для отведения ядерной энергетической установки от приборно-агрегатного отсека космического аппарата. А.Б. Косенко, В.В. Синявский; заявитель и патентообладатель – ОАО «РКК «Энергия»; заявка – 2012146037; приоритет от 29.10.2012 г. // Опубл.: 10.12.2014 Бюл.№34.
  8. Косенко А.Б., Синявский В.В. Система отведения ядерного энергоблока от агрегатов тяжелой космической платформы // Известия РАН. Энергетика. 2007. № 3. С.115-121.


Все статьи автора «Косенко Александр Борисович»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться:
  • Регистрация