Влияние ресурса ядерно-энергетической установки многоразового межорбитального электроракетного буксира на удельную стоимость транспортировки единицы массы полезного груза

Ресурс ядерно-энергетической установки (ЯЭУ) как источника электропитания элек-троракетной двигательной установки (ЭРДУ) влияет не только на оптимальные параметры ЯЭУ и ЭРДУ, но и на эффективность многоразового межорбитального буксира (ММБ) на основе ядерной электроракетной двигательной установки (ЯЭРДУ). В состав ЭРДУ входит система хранения и подачи (СХП) рабочего тела (ксенона), а также резервные электро-ракетные двигатели (ЭРД).

Применение ММБ на основе ЯЭРДУ особенно эффективно при необходимости обеспечения больших годовых грузопотоков, например, в программе освоения Луны, где они составят не менее 100 т в год [1].

Под технической эффективностью ММБ будем понимать суммарную массу полезного груза (ПГ) на целевой орбите (например, на орбите Луны), доставленного на эту орбиту за полный ресурс ММБ, определяемый ресурсом ЯЭУ [2]. Под экономической эффективностью — удельную стоимость доставки с поверхности Земли на орбиту назначения единицы массы ПГ [3].

В качестве отправного варианта при исследовании влияния ресурса ЯЭУ на эффективность ММБ были приняты параметры термоэмиссионной ЯЭУ электрической мощностью 500…1 000 кВт с ресурсом пять лет для межорбитального буксира «Геркулес», длительное время разрабатываемого РКК «Энергия» с кооперацией [4].

Эффективность ММБ зависит от ресурса ЯЭУ вследствие следующих причин и факторов:

• •    увеличения удельной массы ЯЭУ из-за необходимости снижения энергонапряженности реактора (увеличения габаритов активной зоны);

• •    роста толщины радиационной защиты с увеличением интеграла нейтронного и гамма-потоков;

• •    необходимости резервирования систем и агрегатов с увеличением ресурса.

Для ресурса ЯЭУ менее пяти лет может быть учтена возможность снижения массы за счет уменьшения степени резервирования агрегатов системы охлаждения ЯЭУ.

Удельная масса ЯЭУ является функцией электрической мощности и ресурса ЯЭУ

γ ЯЭУ = k рес

51,43

0,01 N _ЯЭУ + 0,35

+ 4,85

где k _рес — коэффициент, учитывающий ресурс ЯЭУ. Выражение в скобках получено одним из авторов в работе [5] для термоэмиссионных ЯЭУ в широком диапазоне электрической мощности.

Коэффициент kрес = 1 может быть принят для обоснованного в настоящий момент ресурса термоэмиссионных ЯЭУ третьего поколения τЯЭУ = 5 лет [6]. Анализ влияния ресурса в диапазоне 3…10 лет на проектные параметры рассматриваемого класса ЯЭУ позволяет увеличить этот коэффициент до kрес = 1,2 для ресурса τЯЭУ = 10 лет. В итоге для всего возможного диапазона значений ресурсов принималось, что kрес = 1 + 0,04(τЯЭУ – 5), где ресурс ЯЭУ τЯЭУ выражен в годах.

Параметры ЯЭРДУ многоразового межорбитального буксира в зависимости от ресурса

В работе [7] исследовалось влияние ресурса ЯЭУ на технические показатели ММБ, в частности, на суммарную массу ПГ, доставляемого ММБ на целевую орбиту. Анализировались параметры ММБ при изменении ресурса ЯЭУ в диапазоне 3…10 лет. Оптимальные значения основных параметров ММБ, обеспечивающие максимум значения суммарной массы ПГ, доставляемого на целевую орбиту, приведены в табл. 1.

Полученные результаты позволили показать, что увеличение расчетного значения ресурса ЯЭУ с пяти до десяти лет (при этом вдвое увеличивается срок эксплуатации ММБ) в конечном итоге не приводит к двукратному увеличению суммарной массы ПГ, доставляемого на целевую орбиту ММБ (оно составляет ~50%).

Основным фактором, определяющим непропорциональный (более медленный) рост суммарной массы ПГ при увеличении ресурса ЯЭУ, является необходимость дополнительного резервирования систем ЯЭУ, в частности — увеличения количества тепловых труб системы охлаждения (из-за повышения вероятности метеорного пробоя), что приводит к росту массы ЯЭУ и, соответственно, снижению массы ПГ на борту ММБ.

Оптимальные параметры ММБ при различных значениях ресурса ЯЭУ

Таблица 1

Параметр	Ресурс ЯЭУ, лет
	3	5	10
Стартовая масса на орбите 800 км, т	33,0
Электрическая мощность ЯЭУ, кВт	940	920	770
Масса ЯЭУ, т	8,6	9,4	10,4
Масса ЭРДУ (включая СХП и резервные ЭРД), т	1,6	1,6	1,5
Удельный импульс ЭРДУ, км/с	54,6	54,8	54,9
Тяга ЭРДУ, Н	20	20	17
Масса рабочего тела на один рейс*, т	8,5	8,7	8,8
Продолжительность рейса*, сут	235	239	289
Число рейсов за ресурс	5	8	13
Масса полезного груза за один рейс, т	11,9	10,8	10,0
Суммарная масса полезного груза за ресурс ММБ, т	59,3	86,5	130,0

Примечание. * — данные приведены для перелета ММБ на целевую орбиту и возвращения обратно; ММБ — многоразовый межорбитальный буксир; ЯЭУ — ядерная энергоустановка; ЭРДУ — электроракетная двигательная установка; СХП — система хранения и подачи; ЭРД — электроракетный двигатель.

В настоящей работе рассмотрено влияние ресурса ЯЭУ на экономическую эффективность ММБ на примере определения удельной стоимости доставки единицы массы ПГ с Земли на орбиту Луны.

Влияние ресурса ЯЭУ на удельную стоимость транспортировки единицы массы полезного груза

Для термоэмиссионных ЯЭУ можно считать достигнутым (по результатам испытаний основных агрегатов и систем) ресурс три года. Увеличение ресурса до пяти лет потребует проведения некоторых доработок и испытаний. Тем не менее, ресурс в пять лет специалисты считают вполне достижимым [8].

Увеличение ресурса до десяти лет вызовет значительный объем дополнительных исследований и разработок по созданию новых материалов и технологий, направленных на обеспечение безотказной длительной работы всех систем и агрегатов ЯЭУ.

Работы по увеличению ресурса ЯЭУ повлекут рост стоимости изготовления энергоустановки, а также увеличение затрат на разработку ЯЭУ и ММБ в целом. В разработанной модели затраты на НИОКР оцениваются в десяти- кратном размере стоимости изготовления энергоустановки и приводятся единым значением, объединяющим НИОКР как по ЯЭУ, так и по ММБ в целом. Затраты на изготовление ЯЭУ при увеличении ресурса, скорее всего, вырастут незначительно, поэтому изменением стоимости изготовления ЯЭУ в зависимости от ресурса пренебрегаем. Выражение для оценки влияния ресурса на стоимость разработки запишется в виде:

C НИОКР = 10C ЯЭУ k РС ,

где C_ЯЭУ — стоимость изготовления ЯЭУ; k _РС — коэффициент, отвечающий за влияние ресурса на стоимость изготовления (соответственно, и на стоимость разработки) ЯЭУ.

Справедливо предположить, что каждый дополнительный год ресурса ЯЭУ будет давать все больший прирост стоимости разработки, т. е. ее зависимость от ресурса будет нелинейной. В таком случае можно сделать допущение, что дополнительный год ресурса будет увеличивать стоимость изготовления ЯЭУ на некоторый коэффициент ξ . Тогда для коэффициента увеличения стоимости можно записать выражение k _РС = (1 + ξ ) ^∆τ ,                  (2)

где Δ τ — разность расчетного и базового ресурсов.

Если принять в качестве базового ресурс, равный пяти годам, для которого стоимость разработки оценивается как десятикратная стоимость изготовления ЯЭУ, выражение (2) можно переписать в виде:

k _РС = (1 + ξ)^{( τ} ЯЭУ ^{– 5)}.                   (3)

При этом предполагается, что стоимость создания ЯЭУ с ресурсом три года будет несколько ниже стоимости создания ЯЭУ с базовым ресурсом пять лет.

Учет повышения стоимости ЯЭУ с увеличением ресурса позволил оценить влияние данного фактора на удельную стоимость транспортировки ПГ. Было сделано предположение о динамике увеличения стоимости разработки с ростом ресурса. Так, при проведении расчетов рассматривались два варианта — увеличение стоимости на 5 и 10% за дополнительный год ресурса. При этом суммарный рост затрат на НИОКР при расширении ресурса с пяти до десяти лет составит соответственно 12 и 41%.

Результаты расчета основных затрат на создание и эксплуатацию одного ММБ в составе флота приведены в табл. 2. Приведенные затраты на НИОКР (включая капитальные затраты) оценены из расчета на весь флот, обеспечивающий заданный годовой грузопоток (в рассматриваемой задаче — 100 т в год с орбиты Земли высотой 800 км до орбиты Луны высотой 100 км).

Анализ результатов показывает основную тенденцию увеличения удельной стоимости транспортировки ПГ с 28,8 тыс. долл./кг при ресурсе четыре года до 32,6 тыс. долл./кг при ресурсе десять лет. Более высокая стоимость транспортировки ПГ при ресурсе ЯЭУ, равном трем годам (30,4 тыс. долл./кг), по сравнению с четырехлетним ресурсом ЯЭУ, обусловлена существенно более низкими возможностями ММБ по доставке ПГ на целевую орбиту (суммарная масса ПГ ниже на 18,6%, тогда как стоимость создания системы ММБ ниже только на 14,5%).

Влияние ресурса на стоимостные показатели транспортной системы ММБ с ЯЭРДУ ( ξ = 0,05, годовой грузопоток 100 т, РН грузоподъемностью класса «Протон-М»)

Таблица 2

Параметр	Ресурс ЯЭУ, лет
	3	4	5	6	7	8	9	10
Продолжительность рейса, сут	236	259	275	287	296	303	309	314
Количество рейсов	5	6	7	8	9	10	11	12
Электрическая мощность ЯЭУ, кВт	820	800	780	700	730	690	700	680
Затраты на разработку, отнесенные на ресурс*, млрд долл.	0,5	0,7	1,0	1,1	1,3	1,3	1,4	1,4
Количество ММБ в системе	7	7	8	8	9	9	10	11
Суммарные затраты на создание и эксплуатацию транспортной системы, млрд долл.	10,0	11,7	15,6	17,5	22,2	24,4	29,8	35,6
Доля стоимости разработки*, %	4,9	5,7	6,1	6,2	5,9	5,4	4,7	4,0
Суммарная масса ПГ, доставленная одним ММБ за ресурс, т	47,2	58,1	67,6	75,9	83,2	89,5	94,7	99,0
Суммарная масса ПГ для системы ММБ, т	330,4	406,7	540,8	607,2	748,8	805,5	947,0	1 089,0
Удельная стоимость транспортировки ПГ *, тыс. долл./кг	30,1	28,8	28,9	28,9	29,6	30,3	31,4	32,6

Примечание. * — при условии продолжения программы сверх заявленного ресурса ЯЭУ; ЯЭУ — ядерная энергоустановка; ММБ — многоразовый межорбитальный буксир; ПГ — полезный груз.

При увеличении ресурса ЯЭУ на рост удельной стоимости транспортировки оказывает влияние инфляционное увеличение затрат на создание модулей и эксплуатационных затрат. Кроме того, капитальные затраты (в т. ч. и затраты на НИОКР) относятся на стоимость системы не полностью, если срок эксплуатации системы меньше нормативного срока окупаемости, равного шести-семи годам.

С целью определения эффективности и целесообразности увеличения ресурса ЯЭУ оценены полные затраты на обеспечение транспортной программы за равные периоды времени для транспортных систем с различными ресурсами энергоустановок ММБ.

Для сравнения рассматриваются две транспортные программы. В первой используются ММБ с ресурсом ЯЭУ пять лет на протяжении десяти лет с вводом в эксплуатацию новых ММБ по мере окончания ресурса ЯЭУ. Сформированная транспортная система обеспечивает грузопоток к орбите Луны до 100 т в год. Данная программа сравнивается с эксплуатацией транспортной системы с десятилетним ресурсом ЯЭУ.

Затраты на разработку в связи с тем, что общая продолжительность транспортной программы превышает нормативный срок окупаемости капитальных затрат, учтены полностью, в расчете на всю десятилетнюю программу. Результаты расчета приведены в табл. 3.

Таблица 3

Сравнение удельной стоимости транспортировки для различных программ с ресурсом ЯЭУ пять и десять лет ( ^ = 0,05, годовой грузопоток 100 т, РН грузоподъемностью класса «Протон-М»)

Параметр	Ресурс ЯЭУ, лет
	2 х 5	10
Оптимальная мощность ЯЭУ, кВт	780	680
Продолжительность рейса, сут	275	314
Количество рейсов одного ММБ	7	12
Суммарная масса ПГ (для одного ММБ), т	67,6	99,0
Полные затраты на разработку, млрд долл.	1,3	1,4
Количество ММБ во флоте	8 х 2	11
Общее количество пусков РН	128	143
Суммарные затраты на изготовление и эксплуатацию флота ММБ в течение ресурса (без НИОКР), млрд долл.	33,8	35,6
Доля затрат на разработку, %	3,8	4,0
Суммарная масса ПГ для системы, т	1 082	1 089
Удельная стоимость транспортировки ПГ, тыс. долл./кг	31,3	32,6

Примечание. ЯЭУ — ядерная энергоустановка; РН — ракета-носитель; ММБ — многоразовый межорбитальный буксир; ПГ — полезный груз.

Так, удельная стоимость транспортировки (УСТ) при использовании ЯЭУ с ресурсом пять лет в перспективе продолжительного использования составляет 31,3 тыс. долл./кг. УСТ при использовании ЯЭУ с ресурсом десять лет выше на 4,1% и составляет 32,6 тыс. долл. /кг.

Увеличение УСТ объясняется тем, что с увеличением ресурса происходит рост затрат на разработку ЯЭУ и системы в целом. Также увеличивается общее количество пусков ракет-носителей в рамках программы (со 128 до 143).

Полученные результаты соответствуют увеличению стоимости разработки на 5% за каждый дополнительный год ресурса, при этом не принимается в расчет увеличение стоимости изготовления ЯЭУ с увеличением ее ресурса.

Изменение темпов роста затрат на НИОКР с увеличением ресурса (с 5 до 10% за каждый дополнительный год), а также увеличение коэффициента соотношения затрат на НИОКР с десяти- до двадцатикратной стоимости изготовления ЯЭУ также показало динамику увеличения УСТ ПГ с ростом ресурса ЯЭУ. В зависимости от величины затрат на НИОКР удельная стоимость транспортировки ПГ при использовании ММБ с ресурсом ЯЭУ десять лет составит 32,6–33,0 тыс. долл./кг.

Таким образом, анализ влияния увеличения ресурса на изменение УСТ показал следующее. Был проведен прямой расчет УСТ полезного груза, который предполагал сопоставление затрат на разработку, создание и эксплуатацию в течение ресурса ЯЭУ транспортной системы (с количеством транспортных космических аппаратов, обеспечивающих средний грузопоток 100 т в год). Прямой расчет показал преимущество транспортной системы с меньшим ресурсом ЯЭУ. Так, при прямом расчете для ресурса пять лет УСТ составляет 28,9 тыс. долл./кг, а для ресурса десять лет — 32,6 тыс. долл./кг.

Однако, при расчете полных затрат учитывается часть капитальных затрат в соответствии с годовым коэффициентом нормирования, равным 0,15. Т. е. при ресурсе пять лет в расчет принимается только 0,75 от полного объема затрат на НИОКР. Кроме того, производственные и эксплуатационные затраты имеют больший коэффициент роста в связи с увеличением периода приведения затрат, что также увеличивает общий объем затрат и, соответственно, УСТ для транспортной системы с более продолжительным ресурсом.

Проведена оценка суммарных затрат на создание и эксплуатацию транспортной системы с отдельным учетом затрат на НИОКР при последовательном введении в эксплуатацию двух-трех систем из нескольких ММБ. При этом полный объем затрат на НИОКР ложится на всю транспортную программу.

В результате в программе с ресурсом десять лет отмечается большее число грузовых модулей, а следовательно, большее число пусков, что увеличивает суммарные затраты на создание и эксплуатацию такой системы.

Выводы

Применительно к ранним стадиям проектирования разработан алгоритм оценки влияния увеличения ресурса ЯЭУ на экономическую эффективность ММБ на основе ЯЭРДУ. В результате проведенных исследований и анализа полученных результатов установлено, что увеличение ресурса ЯЭУ, а следовательно, и ММБ, с пяти до десяти лет приводит не к ожидаемому снижению, а к увеличению удельной стоимости транспортировки полезного груза на 4–7% в зависимости от оценки затрат на НИОКР (в размере 10–20-кратной стоимости изготовления ЯЭУ) и темпов их увеличения с увеличением ресурса (на 5–10% за каждый дополнительный год).