АЭРОКОСМИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ ДЛЯ ВЫВЕДЕНИЯ ПОЛЕЗНОГО ГРУЗА НА ОКОЛОЗЕМНЫЕ ОРБИТЫ

© В.А.Керножицкий, А.В.Колычев
© Государственный музей истории космонавтики им. К.Э. Циолковского, г. Калуга
Секция "Проблемы ракетной и космической техники"
2013 г.

Аэродинамический нагрев элементов конструкции (ЭК) летательных аппаратов (ЛА) при полёте в атмосфере является одной из основных проблем разработки и создания перспективных систем выведения. Для решения данной проблемы предлагается новый метод термоэмиссионной тепловой защиты (ТТЗ), основанной на явлении термоэлектронной эмиссии — испускании электронов нагретым металлом. При функционировании ТТЗ от нагреваемого ЭК дополнительно отводятся тепловые потоки электронного охлаждения, и на борту генерируется электрическая энергия. В результате применения ТТЗ гиперзвуковой ЛА может двигаться в атмосфере в течение длительного промежутка времени в условиях тепловых потоков аэродинамического нагрева до 3 МВт/м2, что примерно соответствует скорости М=15 на высоте 30 км. Это обусловлено тем, что тепловые потоки электронного охлаждения могут составлять величину 1.5 МВт/м2 и выше. При этом температура нагреваемых ЭК на 400-600 К ниже, чем радиационно-равновесная температура этих же ЭК в точке максимальных тепловых потоков, но без ТТЗ. Получаемую электрическую энергию можно использовать для электропитания бортовых систем, улучшающих лётно-технические характеристики ЛА, например, систем, реализующих методы магнитоплазменной аэродинамики.

Для перспективных средств выведения, таких как авиационно-космические системы или воздушно-космический самолёт, проблемой является наличие конструктивных элементов и систем, необходимых лишь на определённых участках полёта. К таким системам можно отнести систему обеспечения посадки спускаемого аппарата, которая никак не используется на орбите и на этапе вывода полезного груза на орбиту. Однако ТТЗ может быть лишена подобных недостатков, а время её функционирования может составлять значительную долю от общего времени выполнения миссии от взлёта до посадки.

Например, при запуске можно нагреть ТТЗ по всей защищаемой поверхности ЛА, что обеспечит бортовые системы электрической энергией уже на старте. Таким образом, тепловая защита функционирует на стартовом участке как источник электрической энергии. Обеспечение таким способом электрической энергией позволит сэкономить массу за счёт отсутствия необходимости дополнительных бортовых источников электроэнергии.

При выходе в околоземное пространство ТТЗ также может быть использована как источник электрической энергии. Для этого можно использовать сфокусированное на ЭК с ТТЗ излучение Солнца, для чего необходимы фокусирующие устройства, например, зеркальные устройства специальной формы или линзы Френеля. Конструкция линз Френеля очень проста, и при её изготовлении используются материалы с низкой стоимостью. При этом линзы Френеля могут быть расположены на находящихся на орбите специальных космических аппаратах (КА), основной функцией которых является фокусировка солнечного излучения на ЭК с ТТЗ. Для упрощения фокусировки излучения можно осуществлять стыковку указанных КА с орбитальным ЛА, оснащённым ТТЗ.

Таким образом, ТТЗ является системой ЛА, которая может функционировать на всех основных участках полёта перспективных систем выведения, обеспечивая высокую экономическую отдачу, что может существенно снизить стоимость доставки одного килограмма полезного груза на орбиту перспективными системами выведения.