Солнечный тепловой ракетный двигатель с различными типами системы «концентратор-приемник»

Рассматривается солнечный тепловой ракетный двигатель (СТРкД) с высокотемпературной системой «концентратор-приемник» (КП) в качестве источника мощности. Обыкновенно рассматриваемый СТРкД с простым (одноступенчатым) равнотемпературным светоприемником-теплообменником, выполненным в виде абсолютно черного тела, требует высокой точности отражающей поверхности солнечного зеркального концентратора и обеспечения высокоточного продолжительного слежения за Солнцем на активных участках многовитковой траектории выведения. Снижение этих требований возможно при использовании системы КП с организацией неоднородного (ступенчатого) нагрева водорода в приемнике сфокусированного солнечного излучения, температура поверхности которого соответствует эпюре экспоненциального распределения плотности лучистого потока в фокальном световом пятне. Энергетическая эффективность такой системы выше по сравнению с равнотемпературной. Рассматриваются одноступенчатая, двухступенчатая и предельно-неравнотемпературная (многоступенчатая) системы КП. Приведены результаты моделирования СТРкД с рассмотренными системами КП в составе разгонного блока при выполнении задачи некомпланарного выведения полезного груза с низкой стартовой орбиты на геостационарную. Показано, что энергомассовая эффективность использования СТРкД в составе космического аппарата - разгонного блока - может более чем вдвое превышать возможности современных жидкостных средств выведения. Проведено сравнение баллистической эффективности использования СТРкД с различными системами КП как средства межорбитальной транспортировки. Показано, что эффективность солнечного разгонного блока растет с увеличением степени неоднородности нагрева водорода в системе КП и может быть на 30 % и более увеличена по сравнению с обыкновенно рассматриваемыми СТРкД. Выделены определяющие параметры системы КП - параметр точности концентратора и температура нагрева водорода в приемнике, проведена их совместная оптимизация по критерию максимума массы полезной нагрузки для рассматриваемых типов системы КП. Приведены рекомендации по выбору целесообразных значений выделенных параметров с учетом технологических ограничений. Определены габаритные показатели концентратора для равнотемпературного и ступенчатых приемников. Рассмотрены условия ориентации различных систем КП на Солнце. Показано, что требования к системе динамического слежения за Солнцем вполне могут быть обеспечены современными техническими средствами, особенно в случае неоднородного нагрева водорода в системе КП.