alternativeАльтернативная энергетика и экология (ISJAEE)Alternative Energy and Ecology (ISJAEE)1608-8298Международный издательский дом научной периодики "Спейс10.15518/isjaee.2019.07-09.085-096alternative-1645Research ArticleVII. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ЭНЕРГЕТИКИ. 17. Энергетика и экологияVII. ENVIRONMENTAL ASPECTS OF ENERGY.17. Energy and EcologyГелиосистема горячего водоснабжения для обитаемой базы на полюсах ЛуныThe Solar Hot Water Supply System for an Inhabited Base Located at the Moon PolesКудрявцеваН. С.KudryavtsevaN. S.

Сергеевна Кудрявцева - доктор технических наук, профессор.

Д. А-80, Волоколамское ш., ГСП-3, Москва, 125993, тел.: +7 (499) 158-43-17

Natalia Kudriavtseva - D.Sc. in Engineering, Professor.

4 VolokolamskoeSh., Moscow, 125993, tel.: +7 (499) 158 43 17

nkudr@mai.ruСадретдиноваЭ. Р.SadretdinovaE. R.

Эльнара Рамилевна Садретдинова - кандидат технических наук, доцент кафедры «Управление эксплуатацией ракетно-космических систем».

Д. А-80, Волоколамское ш., ГСП-3, Москва, 125993, тел.: +7 (499) 158-43-17

Elnara Sadretdinova - Ph.D. in Engineering, Associate Professor at Management of Exploitation in Rocket and Space Systems Department.

4 VolokolamskoeSh., Moscow, 125993, tel.: +7 (499) 158 43 17

ЗаговорчевВ. А.ZagovorchevV. A.

Владимир Александрович Заговорчев - канд. техн. наук, доцент кафедры «Управление эксплуатацией ракетно-космических систем».

Д. А-80, Волоколамское ш., ГСП-3, Москва, 125993, тел.: +7 (499) 158-43-17

Vladimir Zagovorchev - PhD. in Engineering, Assistant Professor at Management of Exploitation in Rocket and Space Systems Department.

4 Volokolamskoe Sh., Moscow, 125993, tel.: +7 (499) 158 43 17

SPIN-код: 3162-3526

zagovorchev@mai.ruФГБОУ ВО Московский авиационный институт (Национальный исследовательский университет)РоссияMoscow Aviation Institute (National Research University)Russian Federation20191104201907-98596Copyright © Международный издательский дом научной периодики "Спейс, 20192019Международный издательский дом научной периодики "СпейсМеждународный издательский дом научной периодики "Спейсhttps://www.isjaee.com/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://www.isjaee.com/jour/article/view/1645

Использование экологически чистой солнечной тепловой энергии сталкивается с рядом трудностей при практической реализации энергосистем обитаемой лунной базы ввиду необходимости ее аккумулирования и хранения в течение лунной ночи. В статье рассматривается гелиосистема горячего водоснабжения для нужд системы обеспечения жизнедеятельности лунных баз, расположенных в пиках вечного света на Северном и Южном полюсах Луны. Данная система способна поддерживать требуемый уровень температуры воды в течение лунного года с учетом солнечных затмений на Луне. Гелиосистема включает в себя коллектор солнечной энергии в форме кольцевого цилиндра с осью, перпендикулярной поверхности Луны, с водородным теплоносителем и аккумулятором теплоты сезонного типа в форме кубического резервуара, расположенного под поверхностью Луны и заполненного дробленым реголитом. Данный аккумулятор обеспечивает поддержание температуры горячей воды в периоды отсутствия солнечного света. Проведен отбор проектных параметров и анализ работоспособности гелиосистемы на основе разработанной математической модели и компьютерного моделирования динамических режимов функционирования гелиосистемы, располагаемой на склоне кратера Пири на Северном полюсе и на склонах кратеров Шеклтон, Де Герлах и горе Малаперт на Южном полюсе Луны. Показано, что для Северного полюса температура воды на лунной базе достигает требуемого уровня в конце первой лунации и практически не изменяется в период солнечного затмения благодаря наличию в гелиосистеме аккумулятора теплоты. При расположении гелиосистемы в любом пике вечного света на Южном полюсе время выхода системы на требуемый тепловой режим не превышает 4 лунации, при этом требуемый уровень горячей воды обеспечивается в течение всего года. Отмечено, что из-за наличия интервалов темноты в южных пиках вечного света требуются значительно большие площади миделя солнечного коллектора и в два раза большие размеры теплового аккумулятора по сравнению с Северным полюсом.

The use of the environmentally friendly solar thermal energy runs into some problems during practical realization of the power systems due to the difficulties of accumulating and storing the produced thermal energy during the lunar night. The paper deals with a solar hot water supply system for a life support system of the lunar bases located at the peaks of eternal light of the North and South Poles of the Moon and able to maintain hot water temperature during a lunar year taking into account the solar eclipses at the Moon. Solar hot water supply system includes a solar collector in the form of an annular cylinder with an axis perpendicular to the surface of the Moon with hydrogen coolant and seasonal storage heater located in lunar soil filled with crushed regolith to maintain hot water temperature during the periods without sun illumination. Design parameters as well as the system efficiency have been evaluated on the basis of the developed mathematical model and computer simulation of dynamic conditions for the system located at the ridge of Peary crater at the North Pole and the ridges of Shackleton and De Gerlache craters and Malapert Mountain at the South Pole of the Moon. It is shown that for the North Pole the water temperature at the lunar base reaches the required level at the end of the first lunation and practically does not change during the solar eclipse due to the presence of heat in the solar system. When the solar system is located in any peak of eternal light at the South Pole, the time it takes for the system to reach the required thermal regime does not exceed 4 lunations, while the required level of hot water is provided throughout the year. It is noted that due to the presence of dark intervals in the southern peaks of eternal light, significantly larger areas of the mid-solar collector and twice the size of the heat accumulator are required compared to the North Pole.

гелиосистема горячего водоснабженияобитаемая лунная базаводородный теплоносительполюса Луныsolar hot water supply systema manned lunar basehydrogen coolantthe poles of the MoonReferencesЛуна - шаг к технологиям освоения Солнечной системы // Под научной ред. В.П. Легостаева и B. А. Лопоты. - М.: РКК «Энергия». 2011. - 584 с.The moon - a step towards the technology of the solar system (Luna - shag k tekhnologiyam osvoeniya Solnechnoi sistemy) // Pod nauchnoi red. V.P. Legostae-va, V.A. Lopoty. Moscow: RKK “Energiya”, 2011; 584 p. (in Russ.).Семенов, Ю.П. Результаты и проблемы разработок ракетно-космической корпорации «Энергия» в области космической энергетики / Ю.П. Семенов // Известия РАН. Энергетика. - 2003. - № 5. - С. 3-20.Semenov Yu.P. Results and problems of development of Rocket and Space Corporation “Energia” in the field of space energy (Rezul'taty i problemy raz-rabotok raketno-kosmicheskoi korporatsii “Energiya” v oblasti kosmicheskoi energetiki). Izvestiya RAN. Ener-getika, 2003;5:3-20 (in Russ.).Шибанов, Г.П. Обитаемость космоса и безопасность пребывания в нем человека / Г.П. Шибанов. - М.: Машиностроение. 2007. - 544 с.Shibanov G.P. Space habitability and human security in it (Obitaemost' kosmosa i bezopasnost' pre-byvaniya v nem cheloveka). Moscow: Mashinostroenie Publ., 2007; 544 p. (in Russ.).Грибков, А.С. Рациональный облик системы энергоснабжения обитаемой лунной базы на разных этапах ее освоения / А.С. Грибков, Р.А. Евдокимов // Известия РАН. Энергетика. - 2011. - № 3. - С. 105-116.Gribkov A.S., Evdokimov R.A. Rational appearance of the energy supply system of the inhabited lunar base at different stages of its development (Ratsional'nyi oblik sistemy energosnabzheniya obitaemoi lunnoi bazy na raznykh etapakh ee osvoeniya). Izvestiya RAN. Energetika, 2011;3:105-116 (in Russ.).Dakhoul, Y.M. A conceptual design for a space-based solar water heater / Y.M. Dakhoul, R.E. Somers, R.D. Haynes // Solar Energy. - 1990. - Vol. 44. - Iss. 3. - P. 161-171.Dakhoul Y.M., Somers R.E., Haynes R.D. A conceptual design for a space-based solar water heater. Solar Energy, 1990;44(3):161-171.Бескровная, И.А. / Сравнительная оценка технико-экономической эффективности использования солнечных и ядерных энергетических установок в составе лунной базы / И.А. Бескровная [и др.] // Космическая техника и технологии. - 2014. - № 4(7). - C. 76-88.Beskrovnaya I.A., Evdokimov R.A., Kinash P.M., Kovalev I.I., Tugaenko V.Yu. Comparative evaluation of the technical and economic efficiency of the use of solar and nuclear power plants as part of the lunar base (Sravnitel'naya otsenka tekhniko-ekonomicheskoi effektivnosti ispol'zovaniya solnechnykh i yadernykh energeticheskikh ustanovok v sostave lunnoi bazy). Kosmicheskaya tekhnika i tekhnologii, 2014;4(7):6-88 (in Russ.).Кудрявцева, Н.С. Гелиосистема горячего водоснабжения для обитаемой лунной базы / Н.С. Кудрявцева, Э.Р. Садретдинова // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). - 2017. - № 7-9. - 21-33.Kudriavtseva N.S., Sadretdinova E.R. The solar hot water system for a habitable lunar base (Gelio-sistema goryachego vodosnabzheniya dlya obitaemoi lunnoi bazy). International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology (ISJAEE). 2017;(7-9):21-33 (in Russ.).Garcia, R.F. Preliminary design study for a lunar solar power station using local resources / R.F. Garcia // Solar Energy. - 2012. - Vol. 86. - Iss. 9. - P. 2871-2892.Garcia R.F. Preliminary design study for a lunar solar power station using local resources. Solar Energy, 2012;86(9):2871-2892.Берн, Дж.Д Преимущества размещения лунной базы на полюсе / Дж.Д Берн // Лунные базы и космическая деятельность в XXI веке. Под ред. В.В. Мендела. - Хьюстон, 1985. - С. 105-115.Bern Dzh. D. Advantages of placing the lunar base at the pole // Lunar bases and space activity in the XXI century (Preimushchestva razmeshcheniya lunnoi bazy na polyuse (Lunnye bazy i kosmicheskaya deyatel'nost' v XXI veke) Ed. V.V. Mendela. Houston, 1985; pp. 105-115 (in Russ.).Vaniman, D. The Lunar Environment / D. Vaniman [et al.]. - In Lunar Sourcebook. Cambridge Univ. Press., 1991. - P. 27-60.Vaniman D., Reedy R., Heiken G., Olhoeft G., Mendell W. The Lunar Environment. In Lunar Sourcebook. Cambridge Univ. Press., 1991; pp. 27-60.LCROSS Impact Data Indicates Water on Moon [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.nasa.gov./mission_pages/LCROSS/main/prelim_water_results.html - (Дата обращения: 21.10.2016).LCROSS Impact Data Indicates Water on Moon. Available on: http://www.nasa.gov./mission_pages/LCROSS/main/prelim_water_results.html (10.21.2016).Петров, Д.В. Площадь холодных ловушек на поверхности Луны / Д.В. Петров [и др.] // Астрономический вестник. - 2003. - Т. 37. - № 4. - С. 285-291.Petrov D.V. The area of cold traps on the surface of the moon (Ploshchad' kholodnykh lovushek na poverkhnosti Luny). Astronomicheskii vestnik, 2003;37(4):285-291 (in Russ.).Vasavada, A.R. Near-Surface Temperatures on Mercury and the Moon and the Stability of Polar Ice Deposits / A.R. Vasavada, D.A. Paige, S.E. Wood // Icarus. - 1999. - Vol. 141. - P. 179-193.Vasavada A.R., Paige D.A., Wood S.E. NearSurface Temperatures on Mercury and the Moon and the Stability of Polar Ice Deposits. Icarus, 1999;141:179-193.Margot, J.L. Topography of the Lunar Poles from Radar Interferometry: A Survey of Cold Trap Location / J.L. Margot [et al.]. // Science. - 1999. - No. 284. - P. 1658-1660.Margot J.L., Campbell D.D., Jurgens R.F., Slade M.A. Topography of the Lunar Poles from Radar Interferometry: A Survey of Cold Trap Location. Science, 1999;284:1658-1660.Bussey, D.B.J. Illumination Conditions of the South Pole of the Moon Derived Using Kaguya Topography / D.B.J. Bussey // Icarus. - 2010. - Vol. 208. - P. 558-564.Bussey D.B.J., McGovern J.A., Spudis P.D., Neish C.D., Noda H., Ishihara Y., Sorensen S.A. Illumination Conditions of the South Pole of the Moon Derived Using Kaguya Topography. Icarus, 2010;208:558-564.Кудрявцева, Н.С. Основы проектирования эффективных систем терморегулирования космических аппаратов / Н.С. Кудрявцева. - М.: Изд-во МАИ. 2012. - 228 с.Kudryavtseva N.S. Fundamentals of designing effective spacecraft thermal control systems (Osnovy proektirovaniya effektivnykh sistem termoregulirovaniya kosmicheskikh apparatov). Moscow: Izd-vo MAI, 2012; 228 p. (in Russ.).Кудрявцева, Н.С. Оптимизация параметров гелиосистемы горячего водоснабжения / Н.С. Кудрявцева, В.В. Малоземов // Конверсия в машиностроении. - 2008. - № 1. - С. 54-55.Kudryavtseva N.S., Malozemov V.V. Optimization of parameters of the hot water solar system (Optimi-zatsiya parametrov geliosistemy goryachego vodosnabzheniya). Konversiya v mashinostroenii, 2008;1:54-55 (in Russ.).Малоземов, В.В. Совместная оптимизация массоэнергетических характеристик системы терморегулирования космических аппаратов и приборного комплекса при обеспечении требуемой надежности / Н.С. Кудрявцева, В.В. Малоземов // Вестник МАИ. -2009. - Т. 16. - № 1. - С. 5-14.Malozemov V.V., Kudryavtseva N.S. Joint optimization of mass-energy characteristics of the thermal control system of spacecraft and instrumentation complex while ensuring the required reliability (Sovmestnaya optimizatsiya massoenergeticheskikh kharakteristik sistemy termoregulirovaniya kosmicheskikh apparatov i pribornogo kompleksa pri obespechenii trebuemoi nadezhnosti). Vestnik MAI, 2009;16(1):5-14 (in Russ.).Кудрявцева, Н.С.Космические системы жизнеобеспечения: основы обеспечения эффективности систем терморегулирования космических аппаратов / Н.С. Кудрявцева, В.В. Малоземов // Инженерная экология. - 2012. - № 2. - С. 16-36.Kudryavtseva N.S., Malozemov V.V. Space support systems: the basics of ensuring the effectiveness of spacecraft thermal control systems (Kosmich-eskie sistemy zhizneobespecheniya: osnovy obespeche-niya effektivnosti sistem termoregulirovaniya kosmicheskikh apparatov). Inzhenernaya ekologiya, 2012;2:16-36 (in Russ.).Малоземов, В.В. Оптимизация систем терморегулирования космических аппаратов / В.В. Малоземов, Н.С. Кудрявцева. - М.: Машинострое-ние.1988. - 108 с.Malozemov V.V., Kudryavtseva N.S. Optimization of spacecraft thermal control systems (Optimi-zatsiya sistem termoregulirovaniya kosmicheskikh apparatov). Moscow: Mashinostroenie Publ.,1988; 108 p. (in Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.