Nuklearni motori za svemirske letjelice

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Zadnja promjena: 2023-12-17 10:29

Rusija je bila i još uvijek ostaje lider u području nuklearne svemirske energije. Organizacije kao što su RSC Energia i Roskosmos imaju iskustva u projektiranju, izgradnji, lansiranju i radu svemirskih letjelica opremljenih nuklearnim izvorom energije. Nuklearni motor omogućuje upravljanje zrakoplovima dugi niz godina, povećavajući njihovu praktičnu prikladnost višestruko.

Povijesni zapis

Upotreba nuklearne energije u svemiru prestala je biti fantazija još 70-ih godina prošlog stoljeća. Prvi nuklearni motori lansirani su u svemir 1970.-1988. i uspješno su radili na promatračkoj letjelici US-A. Koristili su sustav s termoelektričnom nuklearnom elektranom (NPP) "Buk" električne snage 3 kW.

U 1987-1988, dva Plasma-A vozila s termoionskom nuklearnom elektranom Topaz od 5 kW podvrgnuta su letnim i svemirskim testovima, tijekom kojih su električni raketni motori (EP) prvi put bili pogonjeni iz nuklearnog izvora energije.

Dovršen kompleks zemaljske nuklearne energijeenergetska ispitivanja termoelektrične nuklearne instalacije "Jenisej" snage 5 kW. Na temelju ovih tehnologija razvijeni su projekti termoelektrana snage 25-100 kW.

MB Hercules

U 1970-ima RSC Energia je započela znanstveno i praktično istraživanje, čija je svrha bila stvaranje snažnog nuklearnog svemirskog motora za interorbitalni tegljač (MB) Hercules. Rad je omogućio stvaranje višegodišnje rezerve u smislu nuklearnog električnog pogonskog sustava (NEP) s termoionskom nuklearnom elektranom snage od nekoliko do stotina kilovata i električnim raketnim motorima jedinične snage desetke i stotine kilovata.

Dizajn parametri MB "Hercules":

• neto električna snaga nuklearne elektrane – 550 kW;
• specifični impuls EPS-a – 30 km/s;
• potisak projektora – 26 N;
• resurs nuklearne elektrane i električnog pogona - 16.000 sati;
• radno tijelo od EPS-a – xenon;
• težina (suha) tegljača - 14,5-15,7 tona, uključujući nuklearne elektrane - 6,9 tona.

Zadnja vremena

U 21. stoljeću, vrijeme je za stvaranje novog nuklearnog motora za svemir. U listopadu 2009. godine, na sastanku Komisije pri predsjedniku Ruske Federacije za modernizaciju i tehnološki razvoj ruskog gospodarstva, predstavljen je novi ruski projekt "Izrada transportnog i energetskog modula pomoću nuklearne elektrane klase megavata". službeno odobren. Vodeći programeri su:

• Reaktorsko postrojenje – OJSC NIKIET.
• Nuklearna elektrana sa shemom pretvorbe energije plinske turbine, EPSna temelju ionskih električnih raketnih motora i nuklearnih pogonskih sustava u cjelini - Državni znanstveni centar “Istraživački centar po imenu A. I. M. V. Keldysh”, koja je također odgovorna organizacija za razvojni program transportnog i energetskog modula (TEM) u cjelini.
• RKK Energia kao generalni projektant TEM-a trebala bi razviti automatsko vozilo s ovim modulom.

Karakteristike nove instalacije

Novi nuklearni motor za svemir Rusija planira pustiti u komercijalni rad u narednim godinama. Očekivane karakteristike plinske turbine NEP su sljedeće. Kao reaktor koristi se plinski hlađen reaktor brzih neutrona, temperatura radnog fluida (smjesa He/Xe) ispred turbine je 1500 K, učinkovitost pretvaranja toplinske u električnu energiju je 35%, tip hladnjak-radijator je kapajući. Masa pogonske jedinice (reaktor, sustav zaštite od zračenja i pretvorbe, ali bez radijatora-radijatora) je 6.800 kg.

Planira se korištenje svemirskih nuklearnih motora (NPP, NPP zajedno s EPS):

• Kao dio budućih svemirskih vozila.
• Kao izvori električne energije za energetski intenzivne komplekse i svemirske letjelice.
• Za rješavanje prva dva zadatka u transportnom i energetskom modulu kako bi se osigurala isporuka električnih raketa teških svemirskih letjelica i vozila u radne orbite i daljnje dugotrajno napajanje njihove opreme.

Princip rada nuklearnogmotor

Bazirano ili na fuziji jezgri, ili na korištenju energije fisije nuklearnog goriva za stvaranje mlaznog potiska. Postoje instalacije pulsno-eksplozivnog i tekućeg tipa. Eksplozivna instalacija u svemir baca minijaturne atomske bombe koje, detonirajući na udaljenosti od nekoliko metara, eksplozivnim valom guraju brod naprijed. U praksi se takvi uređaji još ne koriste.

Nuklearni motori na tekuće gorivo, s druge strane, dugo su razvijeni i testirani. Još 60-ih godina sovjetski stručnjaci dizajnirali su izvediv model RD-0410. Slični sustavi razvijeni su u Sjedinjenim Državama. Njihov se princip temelji na zagrijavanju tekućine nuklearnim mini reaktorom, ona se pretvara u paru i stvara mlazni tok, koji gura letjelicu. Iako se uređaj naziva tekućinom, kao radni fluid obično se koristi vodik. Druga svrha nuklearnih svemirskih instalacija je napajanje električne mreže (instrumenata) brodova i satelita.

Teška telekomunikacijska vozila za globalne svemirske komunikacije

Trenutno su u tijeku radovi na nuklearnom motoru za svemir, koji se planira koristiti u teškim svemirskim komunikacijskim vozilima. RSC Energia je provela istraživanje i razvoj dizajna ekonomski konkurentnog globalnog svemirskog komunikacijskog sustava s jeftinom staničnom komunikacijom, što je trebalo postići prijenosom "telefonske stanice" sa Zemlje u svemir.

Preduvjeti za njihovu izradu su:

• gotovo potpuno punjenje geostacionarne orbite (GSO) radnim ipasivni suputnici;
• iscrpljenost frekvencije;
• pozitivno iskustvo u stvaranju i komercijalnoj upotrebi informacijskih geostacionarnih satelita serije Yamal.

Prilikom stvaranja platforme Yamal, nova tehnička rješenja činila su 95%, što je omogućilo takvim vozilima da postanu konkurentni na globalnom tržištu svemirskih usluga.

Očekuje se da će se moduli zamijeniti tehnološkom komunikacijskom opremom otprilike svakih sedam godina. To bi omogućilo stvaranje sustava od 3-4 teška multifunkcionalna GEO satelita s povećanjem električne energije koju oni troše. U početku su svemirske letjelice bile dizajnirane na temelju solarnih panela kapaciteta 30-80 kW. U sljedećoj fazi planira se korištenje nuklearnih motora od 400 kW s resursom do jedne godine u transportnom načinu (za isporuku osnovnog modula GSO) i 150-180 kW u dugotrajnom načinu rada. (najmanje 10-15 godina) kao izvor električne energije.

Nuklearni motori u Zemljinom sustavu zaštite od meteorita

Studije dizajna koje je RSC Energia proveo kasnih 90-ih pokazale su da se u stvaranju antimeteoritskog sustava za zaštitu Zemlje od jezgri kometa i asteroida mogu koristiti nuklearno-električne instalacije i nuklearni pogonski sustavi. koristi se za:

1. Izrada sustava za praćenje putanja asteroida i kometa koji prelaze Zemljinu orbitu. Za to se predlaže uređenje posebnih svemirskih letjelica opremljenih optičkom i radarskom opremom za otkrivanje opasnih objekata,proračun parametara njihovih putanja i primarno proučavanje njihovih karakteristika. Sustav može koristiti nuklearni svemirski motor s dual-mode termoelektranom snage 150 kW ili više. Njegov izvor mora biti star najmanje 10 godina.
2. Testiranje sredstava utjecaja (eksplozija termonuklearne naprave) na poligon siguran asteroid. Snaga NEP-a za dostavu testnog uređaja na mjesto za ispitivanje asteroida ovisi o masi isporučenog tereta (150-500 kW).
3. Dostava redovnih sredstava utjecaja (presretača ukupne težine 15-50 tona) opasnom objektu koji se približava Zemlji. Nuklearni mlazni motor kapaciteta 1-10 MW bit će potreban za isporuku termonuklearnog naboja opasnom asteroidu, čija površinska eksplozija, zbog mlazne struje materijala asteroida, može ga odbiti od opasne putanje.

Dostava istraživačke opreme u duboki svemir

Dostava znanstvene opreme svemirskim objektima (udaljeni planeti, periodični kometi, asteroidi) može se provesti korištenjem svemirskih etapa temeljenih na LRE. Nuklearne motore preporučljivo je koristiti za svemirske letjelice kada je zadatak ulazak u orbitu satelita nebeskog tijela, izravan kontakt s nebeskim tijelom, uzorkovanje tvari i druga istraživanja koja zahtijevaju povećanje mase istraživačkog kompleksa, uključivanje faza slijetanja i polijetanja.

Parametri motora

Nuklearni motor za svemirske letjeliceIstraživački kompleks proširit će "početni prozor" (zbog kontrolirane brzine istjecanja radne tekućine), što pojednostavljuje planiranje i smanjuje troškove projekta. Istraživanje koje je proveo RSC Energia pokazalo je da je nuklearni pogonski sustav od 150 kW s vijekom trajanja do tri godine obećavajuće sredstvo za isporuku svemirskih modula u asteroidni pojas.

Istovremeno, isporuka istraživačkog aparata u orbite udaljenih planeta Sunčevog sustava zahtijeva povećanje resursa takve nuklearne instalacije do 5-7 godina. Dokazano je da će kompleks s nuklearnim pogonskim sustavom snage oko 1 MW u sklopu istraživačke svemirske letjelice omogućiti ubrzanu isporuku umjetnih satelita najudaljenijih planeta, planetarnih rovera na površinu prirodnih satelita ovih planeta. i isporuku tla s kometa, asteroida, Merkura i mjeseca Jupitera i Saturna.

Tegljač za višekratnu upotrebu (MB)

Jedan od najvažnijih načina povećanja učinkovitosti transportnih operacija u svemiru je ponovno korištenje elemenata transportnog sustava. Nuklearni motor za svemirske letjelice snage najmanje 500 kW omogućuje stvaranje tegljača za višekratnu upotrebu i na taj način značajno povećava učinkovitost viševeznog svemirskog transportnog sustava. Takav je sustav posebno koristan u programu za osiguranje velikih godišnjih tokova tereta. Primjer je program istraživanja Mjeseca sa stvaranjem i održavanjem stalno rastuće useljive baze i eksperimentalnih tehnoloških i proizvodnih kompleksa.

Izračun prometa tereta

Prema studijama dizajna RKK"Energia", prilikom izgradnje baze, na površinu Mjeseca treba isporučiti module težine oko 10 tona, do 30 tona u orbitu Mjeseca. kako bi se osiguralo funkcioniranje i razvoj baze - 400-500 t.

Međutim, princip rada nuklearnog motora ne dopušta dovoljno brzo raspršivanje transportera. Zbog dugog vremena transporta i, sukladno tome, značajnog vremena koje nosi teret u radijacijskim pojasevima Zemlje, ne može se sav teret isporučiti pomoću tegljača na nuklearni pogon. Dakle, protok tereta koji se može osigurati na temelju NEP-a procjenjuje se na samo 100-300 tona godišnje.

Učinkovitost troškova

Kao kriterij ekonomske učinkovitosti interorbitalnog transportnog sustava, preporučljivo je koristiti vrijednost jedinične cijene transporta jedinične mase korisnog tereta (PG) od Zemljine površine do ciljne orbite. RSC Energia je razvila ekonomski i matematički model koji uzima u obzir glavne komponente troškova u transportnom sustavu:

• za stvaranje i lansiranje vučnih modula u orbitu;
• za kupnju funkcionalne nuklearne instalacije;
• operativni troškovi, kao i troškovi istraživanja i razvoja i mogući kapitalni troškovi.

Indikatori troškova ovise o optimalnim parametrima MB-a. Koristeći ovaj model, komparativekonomska učinkovitost korištenja tegljača za višekratnu upotrebu na bazi NEP snage oko 1 MW i tegljača za jednokratnu upotrebu baziranog na naprednim raketnim motorima s tekućim gorivom u programu za isporuku tereta ukupne mase 100 t/godišnje sa Zemlje u Mjesečevu orbitu sa visinom od 100 km. Pri korištenju istog lansirnog vozila s nosivošću jednakom nosivosti rakete-nosača Proton-M i sheme s dva lansiranja za izgradnju transportnog sustava, jedinični trošak isporuke jedinične mase korisnog tereta tegljačem na nuklearni pogon bit će tri puta niža nego kod korištenja jednokratnih tegljača na bazi raketa s tekućim motorima tipa DM-3.

Zaključak

Učinkovit nuklearni motor za svemir doprinosi rješavanju ekoloških problema Zemlje, letovima s posadom na Mars, stvaranju sustava bežičnog prijenosa energije u svemiru, uz povećanu sigurnost implementirajući odlaganje posebno opasnog radioaktivnog otpada zemaljskog nuklearna energija u svemiru, stvaranje nastanjive lunarne baze i početak industrijskog istraživanja Mjeseca, osiguravajući zaštitu Zemlje od opasnosti od asteroida i kometa.