Введение
Теоретическая система космической двигательной установки
Солнечная тепловая ракета – это теоретическая система космической двигательной установки, использующая солнечную энергию для непосредственного нагрева рабочего тела и, следовательно, не требующая электрического генератора, в отличие от большинства других форм солнечной двигательной установки. Ракета должна нести только средства для улавливания солнечной энергии, такие как концентраторы и зеркала. Нагретый рабочий агент подается через обычное ракетное сопло для создания тяги. Тяга двигателя напрямую зависит от площади поверхности солнечного коллектора и локальной интенсивности солнечного излучения. В ближайшей перспективе применение солнечной тепловой двигательной установки предлагается как для увеличения срока службы, снижения стоимости, более эффективного использования солнечной энергии и повышения гибкости криогенных разгонных блоков, так и для создания орбитальных топливных складов. Солнечная тепловая двигательная установка также является перспективным вариантом для многоразовых межорбитальных буксиров, поскольку это высокоэффективная система с малой тягой, которую можно относительно легко заправлять.
A solar thermal rocket is a theoretical spacecraft propulsion system that would make use of solar power to directly heat reaction mass, and therefore would not require an electrical generator, like most other forms of solar powered propulsion do. The rocket would only have to carry the means of capturing solar energy, such as concentrators and mirrors. The heated propellant would be fed through a conventional rocket nozzle to produce thrust. Its engine thrust would be directly related to the surface area of the solar collector and to the local intensity of the solar radiation. In the shorter term, solar thermal propulsion has been proposed both for longer life, lower cost, more efficient use of the sun and more flexible cryogenic upper stage launch vehicles and for on orbit propellant depots. Solar thermal propulsion is also a good candidate for use in reusable inter orbital tugs, as it is a high efficiency low thrust system that can be refuelled with relative ease.
Двигательные материалы
Большинство предлагаемых конструкций солнечных тепловых ракет используют водород в качестве рабочего тела из-за его низкой молекулярной массы, обеспечивающей отличный удельный импульс до 1000 секунд (10 кН·с/кг) при использовании теплообменников из рения. Общепринятое мнение заключается в том, что водород, несмотря на высокий удельный импульс, не пригоден для длительного хранения в космосе. Однако разработки начала 2010-х годов позволили существенно снизить скорость испарения водорода и экономически использовать небольшое остаточное количество для выполнения необходимых задач в космосе, фактически достигая нулевого испарения (ZBO) с практической точки зрения. Аммиак также рассматривается в качестве рабочего тела. Он обеспечивает более высокий удельный импульс, чем вода, но при этом легко хранится, имея температуру замерзания −77 градусов Цельсия и температуру кипения −33,34 °C. Архитектура солнечной тепловой двигательной установки превосходит архитектуры, основанные на электролизе и сжижении водорода из воды, более чем на порядок, поскольку электролиз требует тяжелых энергоустановок, а дистилляция – лишь простого и компактного источника тепла (ядерного или солнечного); соответственно, скорость производства рабочего тела значительно выше при той же начальной массе оборудования. Тем не менее, его использование зависит от точного определения местонахождения водяного льда в Солнечной системе, особенно на лунных и астероидных телах, и такая информация пока неизвестна, за исключением предположений о том, что тела в поясе астероидов и за его пределами, вероятно, богаты водяным льдом.
Солнечная тепловая система для запуска с земли
В качестве системы для запуска небольшого персонального космического аппарата на орбиту предлагаются солнечные тепловые ракеты. Конструкция основана на высотном дирижабле, который использует свою оболочку для фокусировки солнечного света на трубку. Рабочее тело, вероятнее всего аммиак, затем подается в эту трубку для создания тяги. Возможные недостатки конструкции включают в себя вопрос о том, сможет ли двигатель обеспечить достаточную тягу для преодоления сопротивления воздуха, а также вопрос о прочности оболочки дирижабля при гиперзвуковых скоростях. Это имеет много общего с орбитальным дирижаблем, предложенным компанией JP Aerospace.
Предлагаемые космические системы солнечной теплоэнергии
По состоянию на 2010 год было сделано два предложения по использованию солнечного теплового двигателя в космических системах после запуска космических аппаратов. Концепция создания топливных складов на низкой околоземной орбите (LEO), которые могли бы служить перевалочными пунктами для других космических аппаратов, останавливающихся для дозаправки по пути к миссиям за пределами LEO, предполагает, что отработанный газообразный водород – неизбежный побочный продукт длительного хранения жидкого водорода в радиационно-тепловой среде космоса – может быть использован в качестве монодвигателя в системе солнечного теплового двигателя. Отработанный водород мог бы эффективно использоваться как для поддержания орбиты и ориентации, так и для обеспечения ограниченного запаса топлива и тяги для выполнения орбитальных маневров с целью более точного сближения с другими космическими аппаратами, прибывающими для дозаправки. Солнечные тепловые водородные двигатели также являются ключевым элементом конструкции криогенной ракеты верхней ступени следующего поколения, предложенной американской компанией United Launch Alliance (ULA). Advanced Common Evolved Stage (ACES) задумывался как более дешевая, производительная и гибкая верхняя ступень, которая могла бы дополнить, а возможно и заменить существующие верхние ступени ULA Centaur и ULA Delta Cryogenic Second Stage (DCSS). Опция "Интегрированные бортовые жидкости ACES" исключает использование всего монопропелланта на основе гидразина и всего гелиевого наддува в космическом аппарате – обычно применяемых для управления ориентацией и поддержания орбиты – и вместо этого полагается на солнечные тепловые монодвигатели, использующие отработанный водород. Последующим предложением в 2010-х годах стал космический аппарат Solar Moth, который использовал бы легкие зеркала для фокусировки солнечного излучения на солнечном тепловом двигателе.