Результаты проводившихся в последние годы исследований, связанных с поиском путей повышения эффективности средств межорбитальной транспортировки космических аппаратов с низких околоземных орбит на высокоэнергетические орбиты, включая геостационарную, свидетельствуют о том, что одним из перспективных направлений является использование солнечной энергии в энергодвигательных установках. Для этого необходимо создать работоспособную конструкцию солнечного теплового ракетного двигателя. Принципиальным элементом солнечной энергодвигательной установки будет являться электронагревный тепловой аккумулятор, в котором предусматривается осуществлять накопление тепловой энергии с последующий передачей ее рабочему телу, что обеспечит импульсный режим работы двигателя и реализацию энергетически оптимальных многоимпульсных схем выведения космического аппарата на рабочие орбиты. В ФГУП "Центр Келдыша" такой тепловой аккумулятор разработан. Проводятся испытания экспериментального образца теплового аккумулятора, конструктивные и технологические решения которого будут положены в основу летного образца теплового аккумулятора солнечной энергодвигательной установки.

В ФГУП "Центр Келдыша" разработана концепция солнечной энергодвигательной установки (СЭДУ), энергетический контур которой выполнен на основе обычных планарных солнечных батарей, а двигательный контур содержит многорежимный тепловой ракетный двигатель, работающий как в режиме обычного водород-кислородного жидкостного ракетного двигателя на холодных компонентах топлива, так и в режимах с дожиганием или без дожигания нагретого водорода (патент РФ 2126493 от 20.02.1999г.). Проведенный в ФГУП "Центр Келдыша" сравнительный анализ эффективности различных схем выведения космических аппаратов на геостационарную орбиту показал, что применение СЭДУ такого типа позволит увеличить массу космического аппарата на геостационарной орбите в 1,4…2 раза или при одинаковой массе выводимого космического аппарата использовать более легкие и дешевые ракеты-носители.

Принципиальным элементом солнечной энергодвигательной установки будет являться электронагревный тепловой аккумулятор (ТА), в котором планируется периодически осуществлять накопление тепловой энергии ("зарядка") и передачу ее рабочему телу ("разрядка"), что обеспечит импульсный режим работы двигателя. Высокая температура водорода, подогретого в тепловом аккумуляторе, создает условия для его самовоспламенения с кислородом в камере сгорания и обеспечивает надежный многократный запуск двигателя. Периодический нагрев ("зарядка") теплового аккумулятора, совмещенного с теплообменником для нагрева водорода, будет осуществляться высокотемпературным электронагревателем омического типа, который встраивается в тепловой аккумулятор.

Тепловой аккумулятор является наиболее критичным элементом СЭДУ. Условия его работы характеризуются высокой (до 2000 К) требуемой температурой нагрева, большим числом циклов "нагрев-охлаждение", значительным ресурсом работы. Кроме того, тепловой аккумулятор должен иметь высокий к.п.д. процесса нагрева водорода, малый уровень непроизводительных потерь запасенной тепловой энергии и высокий уровень энергомассового совершенства.

Ранее в журнале "Двигатель" № 4 за 2000 г. была представлена концепция теплового аккумулятора в виде массивного цилиндрического блока с каналами для протекания рабочего тела, заполненными зернами графита. В результате поиска новых решений, направленных на повышение эффективности теплообменных процессов и уровня энергомассового совершенства, снижение затрат ресурсов и времени на экспериментальную отработку, в Центре Келдыша разработан ТА модульной конструкции (патент РФ 2224187 от 05.07.2002 г.).

Теплоаккумулирующий блок ТА составлен из набора осесимметричных модулей. На режиме накопления тепловой энергии ("зарядка") тепловая энергия от электронагревателя, расположенного в центральной полости теплоаккумулирующего блока, распространяется излучением в вакууме между теплоаккумулирующими модулями. Равномерный нагрев таких модулей и низкий уровень непроизводительных тепловых потерь обеспечиваются установленной на ТА теплоизоляцией.

На режиме сброса тепловой энергии ("разрядка") рабочее тело из входного коллектора по подводящим патрубкам подается к каждому теплоаккумулирующему модулю, состоящему из внутреннего вкладыша и внешнего стакана, между которыми образована кольцевая щель для протекания рабочего тела. Развитая поверхность теплообмена и малые значения гидравлического диаметра кольцевой щели обеспечивают нагрев рабочего тела до температуры, близкой к температуре теплоаккумулирующего блока. Далее рабочее тело по каналам выходного коллектора поступает в патрубок, к которому подсоединяется камера сгорания.

Представленные решения по тепловому аккумулятору модульной конструкции предопределяют его следующие важные положительные особенности: конструкция блока способствует уменьшению радиальных размеров герметизируемых зон, снижению абсолютных усилий на уплотнения, исключению подтекания газа в стыках и, соответственно, исключению тепловых потерь; отсутствует общий герметичный внешний корпус и коллекторные крышки, вследствие чего уменьшается полная масса ТА, которая приближается к массе теплоаккумулирующего блока; упрощается и удешевляется экспериментальная отработка ТА, так как значительная доля испытаний (на ресурс, количество термоциклов, эффективность теплообменных процессов и др.) может быть выполнена при испытании единичного теплоаккумулирующего модуля.

Для проверки принятых конструкторских решений в ФГУП "Центр Келдыша" изготовлен и в настоящее время проходит испытания экспериментальный тепловой аккумулятор, предназначенный для нагрева водорода до температуры 1500К и состоящий из 18 теплоаккумулирующих модулей.

Модули изготовлены из силицированного графита, который показал наибольшую стойкость среди других отечественных и зарубежных марок плотного графита в среде водорода при высоких температурах.
Тепловой аккумулятор совместно с камерой сгорания прошел испытания на функционирование в ФГУП "Центр Келдыша" на специально созданном стенде. При испытаниях тепловой аккумулятор помещался в вакуумную камеру, стыковка с камерой сгорания осуществлялась через герметичный переходный сильфонный узел. Проведенные испытания подтвердили правильность принятых технологических и конструкторских решений. Дальнейшие испытания теплового аккумулятора будут связаны с проверкой его функционирования в составе комплексной сборки, включающей кроме камеры сгорания агрегаты подачи газообразных и жидких компонентов топлива, теплообменники, запорно-регулирующую арматуру. На основе выполненных конструкторских и технологических проработок, а также результатов проведенных испытаний в ФГУП "Центр Келдыша" разрабатывается конструкторская документация на летный образец теплового аккумулятора для солнечной энергодвигательной установки.