Система электропитания (СЭП) является одной из важнейших систем космических аппаратов (КА). От нее во многом зависит конструкционное исполнение КА, его габаритные размеры, масса, срок активного существования. Помимо этого, СЭП влияет на выбор двигательной установки и системы теплоснабжения. В рамках задач сегодняшнего дня достаточное энергопитание КА обеспечивают солнечные батареи, химические источники энергии (аккумуляторы), но для достижения новых вершин, включая покорение дальнего космоса, требуются более мощные энергетические ресурсы.

По оценке ведущих отечественных предприятий-разработчиков космической техники, существенное увеличение энерговооружённости КА с использованием солнечных энергоустановок практически невозможно из-за роста площади солнечных батарей, а для межпланетных перелётов - в связи со снижением мощности солнечного излучения с удалением от Солнца. Поэтому в настоящее время существует тенденция возращения к космической ядерной энергетике, не применявшейся с конца 1980-х годов. [1]

Ядерные энергетические установки представляют из себя устройства для получения тепловой, электрической или механической энергии в ходе ядерной реакции, используемые в качестве источника электрической энергии космических аппаратов. Их можно поделить на радиоизотопные термоэлектрические (РИТЭГ) и термоэмиссионные системы, и системы с управляемой цепной ядерной реакцией. РИТЭГ - самый распространенный вариант использования ядерной энергии в космосе. В отличие от ядерных реакторов, использующих управляемую цепную реакцию, это устройство использует тепловую энергию естественного распада радиоактивных изотопов, и управлять этим процессом нельзя. РИТЭГ состоит из двух основных компонентов: источника тепла, содержащего радиоактивный изотоп, и твердотельных термопар - спаянных вместе пластин из разных металлов, одна из которых в месте спая нагревается, чтобы из-за разницы температур возник электрический ток. Термопары превращают тепловую энергию в электрическую. Выходная мощность у них весьма невелика (до нескольких сотен ватт) при небольшом КПД. Термоэмиссионное преобразование по сравнению с термоэлектрическим позволяет увеличить к.п.д., повысить ресурс и улучшить массогабаритные характеристики энергоустановки и космического аппарата в целом.

Другой тип ядерных установок, питающих ракетные двигатели и бортовые системы космического аппарата — ядерные энергетические установки, в которых для выработки электроэнергии используется ядерный реактор. В таких установках протекает цепная реакция деления радиоактивных изотопов. В отличие от РИТЭГов, процессом распада изотопов (и, следовательно, мощностью реактора) можно управлять. При потребности в выходной мощности порядка 100кВт данный тип ядерных установок более экономичный. [2]

В истории известно порядка 15 проектов, посвящённых непосредственной разработке ЯЭУ для целей космической индустрии. Основными исследователями направления были СССР и США.

Сегодня на основе накопленного задела в нашей стране действует проект по созданию транспортно-энергетического модуля - космического буксира "Зевс" (АО "ЦНИИмаш"), который включает в себя использование ЯЭУ. У НАСА совместно с Министерством энергетики также есть активный экспериментальный проект – Kilopower [3], результаты которого потенциально могут быть использованы для электрической двигательной установки и энергоснабжения как роботизированных систем КА, так и для баз на других планетах.

Поиск патентных публикаций (патентные заявки, патенты на изобретения, полезные модели) по теме "Ядерные энергетические установки космических аппаратов" проводился в следующих базах патентной информации:

	база данных ФИПС (Российская Федерация);
	база данных Patentscope (Всемирная организация интеллектуальной собственности – ВОИС);
	база данных Espacenet (Европейское патентное ведомство – ЕПВ).

На рисунке 3 представлено распределение всего количества патентных публикаций по странам за период c 1997 г. по 2022 г.

На рисунке 4 представлено распределение количества патентных публикаций по годам за период с 1997 г. по 2022 г.

На рисунках 5 и 6 представлено распределение количества патентных публикаций по теме "Ядерные энергетические установки космических аппаратов" среди топ-5 стран за период с 1997 г. по 2009 г. и с 2010 г. по 2022 г. соответственно.

На рисунке 7 представлено распределение количества патентных публикаций по теме "Ядерные энергетические установки космических аппаратов" по странам заявителей за период с 1997 г. по 2022 г.

Из распределений, представленных на рисунках 2-4, прослеживается в целом растущая востребованность технический решений по рассматриваемому направлению, несмотря на некоторый спад патентной активности в период с 2007 по 2012 годы. Как видно из распределения поданных заявок, с точки зрения географии патентования наибольший интерес для исследователей и разработчиков представляют территории США, Российской Федерации, Китая, Японии и Канады как потенциальные рынки сбыта и центры развития технологии.

По распределениям на рисунках 5-7 видно, что в период с 1997 г. по 2009 г. лидирующие позиции по количеству патентных публикаций занимала Российская Федерация, при этом в конце периода активно патентовать свои разработки стали и в США. Примерно с середины периода 2009 г. - 2022 г. на рынок "врываются" публикации патентного ведомства Китая, в этот же период наблюдается уменьшение количества патентных публикаций в российском ведомстве. Таким образом на сегодня лидирующие позиции по количеству патентных публикаций занимают Китай и США. При этом стоит обратить внимание на то, что заявители преимущественно из США, Российской Федерации и стран Европы. Вследствие этого можно предположить, что охрана разработок на территории Китая является актуальным направлением и для зарубежных представителей, что в свою очередь может говорить об активной деятельности в рассматриваемом направлении на данной территории.

Необходимо отметить, что патентные публикации представлены в странах, осуществляющих большое количество работ в области космической техники.

На рисунке 8 представлено распределение количества патентных публикаций по теме "Ядерные энергетические установки космических аппаратов" за период с 1997 г. по 2022 г. для организаций, имеющих наибольшее количество публикаций. На первых позициях находятся отечественные организации АО "НИКИЭТ" (бывшее АО "Красная звезда") совместно с Госкорпорацией "Росатом" и ПАО "РКК "Энергия" им. С.П. Королёва", далее за ними - корпорация Boeing Co и IOSTAR Corporation – компания, созданная для реализации инициативы по созданию ядерных буксиров. Завершает топ-5 представитель Китая (Beijing Institute spacecraft system engineering).

Далее представлена патентная активность каждой организации из топ-5.

Технологические направления (топ- 5):

1. Конструктивные элементы ЯЭУ (G21D1/00)

2. Разрядные приборы, работающие как термоэлектронные генераторы (H01J45/00)

3. Защита от метеоритов космических летательных аппаратов (B64G1/56)

4. Устройства для непосредственного получения электрической энергии из энергии, выделяющейся при реакциях синтеза или реакциях деления (G21D7/00)

5. Защитные конструкции, объединенные с реакторами (G21C11/06)

Технологические направления (топ- 5):

1. Конструктивные элементы ЯЭУ (G21D1/00)

2. Устройства для непосредственного получения электрической энергии из энергии, выделяющейся при реакциях синтеза или реакциях деления с термоэлектрическими элементами (G21D7/04)

3. Устройства для непосредственного получения электрической энергии из энергии, выделяющейся при реакциях синтеза или реакциях деления (G21D7/00)

4. Разрядные приборы, работающие как термоэлектронные генераторы (H01J45/00)

5. Тепловая защита, например тепловые экраны, космических летательных аппаратов (B64G1/58)

Технологические направления (топ- 5):

1. Космические летательные аппараты с использованием инерционного или гироскопического эффекта (B64G1/28)

2. Космические летательные аппараты с использованием чувствительных элементов, например солнечных датчиков, датчиков горизонта (B64G1/36)

3. Космические летательные аппараты в целом (B64G1/00)

4. Управляющие устройства летательного аппарата, например для управления его положением в пространстве (B64G1/24)

5. Космические летательные аппараты с использованием радиации (B64G1/44)

Технологические направления (топ- 5):

1. Размещение и модификация двигательных систем (B64G1/40)

2. Системы стыковки и расстыковки космических кораблей или их частей, например устройство для причаливания (B64G1/64)

3. Искусственные спутники; системы искусственных спутников; межпланетные корабли (B64G1/10)

4. Системы космических летательных аппаратов для регулирования температуры (B64G1/50)

5. Защита от радиации (B64G1/54)

Технологические направления (топ- 5):

1. ЯЭУ для пилотируемых КА (B64G1/12)

2. Системы космических летательных аппаратов для регулирования температуры (B64G1/50)

3. Предохранительные и аварийные устройства; средства спасения жизни (B64G1/52)

4. Системы стыковки и расстыковки космических кораблей или их частей, например устройство для причаливания (B64G1/64)

5. Нетрадиционные способы размещения или приспосабливания устройств или приборов (B64G166)

Так как в настоящее время продолжают проводить научные исследования и осуществлять разработки по рассматриваемому направлению, целесообразно проанализировать публикации непатентной литературы.

На рисунках 24-26 представлено распределение публикаций непатентной литературы по теме «Ядерные энергетические установки космических аппаратов» за период с 1997 г. по 2021 г. (по данным портала eLibrary).

По распределениям, представленным на рисунках 24-26, наблюдается нарастающий интерес к рассматриваемой теме у исследователей с 2010 года. Среди организаций выделяется Исследовательский центр им. М.В. Келдыша, разработчики которого ведут наиболее активную публикационную деятельность и обладают высоким уровнем цитирования у своих работ.

Наиболее цитируемые статьи:

	"Использование жидких металлов в ядерной, термоядерной энергетике и других инновационных технологиях", А. В. Романов; под ред. Б. И. Полетаева, А. П. Ковалева, 2010 г
	"Теория комплексной оптимизации проектирования космических аппаратов с ядерными термоэмиссионными энергетическими установками", Рачков В.И., Арнольдов М.Н., Ефанов А.Д., Калякин С.Г., Козлов Ф.А., Логинов Н.И., Орлов Ю.И., Сорокин А.П., ГНЦ РФ-Физико-энергетический институт им. А.И. Лейпунского, 2014 г

По классам МПК и СПК можно определить тенденции в рассматриваемой технологической области. Распределение количества патентных публикаций по теме "Ядерные энергетические установки космических аппаратов" по группам МПК (топ-15) представлено на рисунке 27 и на рисунке 28 представлено распределение по группам СПК (топ-5). СПК стоит рассматривать на ровне с МПК, так как данный классификатор обладает более расширенной структурой и группами по технологическим направлениям, разделения на которые нет в МПК (СПК введена Роспатентом с 2013 года).

В настоящем дайджесте рассмотрена патентная активность в сфере ядерных энергетических установок космических аппаратов. Наиболее популярным технологическим направлением является решение вопроса конструкции элементов ЯЭУ и компоновки КА с ЯЭУ.

Российская Федерация продолжает занимать довольно крепкую позицию в рейтинге ведущих стран – разработчиков. Отечественные предприятия также возглавляют список разработчиков по рассматриваемому направлению, однако охрана технических решений ориентирована преимущественно на внутренний рынок. Вывод за рубеж вызывает больший интерес у компаний США.

Анализ непатентной литературы показал аналогичный рост количества публикаций, что отражает нарастающий интерес отечественных исследователей к применению ядерных энергоустановок в космической технике.

Таким образом, можно предположить, что рассматриваемое направление возвращает свою востребованность. Несмотря на то, что на текущий момент динамика появления новых технологий не высока, активные действия мировых игроков космической промышленности в сторону освоения дальнего космоса говорят о стремлении в том числе решить вопрос с долговременным источником энергии для КА.

1. © 2013 С. Н. Иванович ФГУП «КБ "Арсенал"», г. Санкт-Петербург ПРИМЕНЕНИЕ ТРАНСПОРТНЫХ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ ВЫСОКОЙ ЭНЕРГОВООРУЖЁННОСТИ

2. Статья "Атомные технологии в космосе", url: https://homo-science.ru/post/atomnye-tehnologii-v-kosmose

3. Статья про "Space Technology Mission Directorate: Kilopower", NASA, url: https://www.nasa.gov/directorates/spacetech/kilopower

4. Постановление Правительства РФ от 2 февраля 1998 г. №144 "О концепции развития космической ядерной энергетики в России"