Jedrski motorji za vesoljska plovila

2024 Avtor: Howard Calhoun | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2023-12-17 10:40

Rusija je bila in še vedno ostaja vodilna na področju jedrske vesoljske energije. Organizacije, kot sta RSC Energia in Roskosmos, imajo izkušnje pri načrtovanju, gradnji, izstrelitvi in upravljanju vesoljskih plovil, opremljenih z jedrskim virom energije. Jedrski motor omogoča večletno upravljanje letal, s čimer se večkrat poveča njihova praktičnost.

Zgodovinski zapis

Raba jedrske energije v vesolju je prenehala biti fantazija že v 70. letih prejšnjega stoletja. Prvi jedrski motorji so bili izstreljeni v vesolje v letih 1970-1988 in so uspešno delovali na opazovalnem vesoljskem plovilu ZDA-A. Uporabili so sistem s termoelektrično jedrsko elektrarno (NPP) "Buk" z električno močjo 3 kW.

V letih 1987-1988 sta bili dve vozili Plasma-A s termoionsko jedrsko elektrarno Topaz z močjo 5 kW podvrženi letalskim in vesoljskim preizkusom, med katerimi so bili električni raketni motorji (EP) prvič napajani iz jedrskega vira energije.

Dokončal kompleks zemeljskega jedrskega orožjaenergetski testi termoelektrične jedrske naprave "Yenisei" z zmogljivostjo 5 kW. Na podlagi teh tehnologij so bili razviti projekti termoionskih jedrskih elektrarn z močjo 25-100 kW.

MB Hercules

V sedemdesetih letih prejšnjega stoletja je RSC Energia začela z znanstvenimi in praktičnimi raziskavami, katerih namen je bil ustvariti močan jedrski vesoljski motor za interorbitalni vlačilec (MB) Hercules. Delo je omogočilo večletno izdelavo rezerve v smislu jedrskega električnega pogonskega sistema (NEP) s termoionsko jedrsko elektrarno z močjo od nekaj do sto kilovatov in električnimi raketnimi motorji z enotsko močjo deset in sto. kilovatov.

Oblikovalni parametri MB "Hercules":

• neto električna moč jedrske elektrarne – 550 kW;
• specifični impulz EPS – 30 km/s;
• potisk projektorja – 26 N;
• vir jedrske elektrarne in električnega pogona - 16.000 ur;
• delovno telo EPS – xenon;
• teža (suha) vlačilca - 14,5-15,7 ton, vključno z jedrskimi elektrarnami - 6,9 ton.

Zadnji časi

V 21. stoletju je čas za ustvarjanje novega jedrskega motorja za vesolje. Oktobra 2009 je bil na sestanku Komisije pri predsedniku Ruske federacije za posodobitev in tehnološki razvoj ruskega gospodarstva nov ruski projekt "Ustvarjanje transportnega in energetskega modula z uporabo jedrske elektrarne razreda megavatov". uradno odobreno. Glavni razvijalci so:

• Reaktorska elektrarna – OJSC NIKIET.
• Nuklearna elektrarna s plinsko turbinsko pretvorbo energije, EPSna podlagi ionskih električnih raketnih motorjev in jedrskih pogonskih sistemov kot celote - Državni znanstveni center "Raziskovalni center po imenu A. I. M. V. Keldysh«, ki je tudi odgovorna organizacija za razvojni program transportnega in energetskega modula (TEM) kot celote.
• RKK Energia kot generalni projektant TEM bi morala razviti avtomatsko vozilo s tem modulom.

Značilnosti nove namestitve

Nov jedrski motor za vesolje Rusija namerava v prihodnjih letih dati v komercialno obratovanje. Pričakovane značilnosti plinske turbine NEP so naslednje. Kot reaktor se uporablja plinsko hlajen hitri nevtronski reaktor, temperatura delovne tekočine (zmesi He/Xe) pred turbino je 1500 K, izkoristek pretvorbe toplotne v električno energijo je 35 %, tip hladilnik-radiator je kaplja. Masa pogonske enote (reaktor, sistem zaščite pred sevanjem in pretvorbe, vendar brez radiatorja-radiatorja) je 6.800 kg.

Načrtovana je uporaba vesoljskih jedrskih motorjev (NPP, NPP skupaj z EPS):

• Kot del prihodnjih vesoljskih vozil.
• Kot viri električne energije za energetsko intenzivne komplekse in vesoljska plovila.
• Rešiti prvi dve nalogi v transportno-energetskem modulu za zagotovitev električne raketne dostave težkih vesoljskih plovil in vozil v delovne orbite in nadaljnjega dolgoročnega napajanja njihove opreme.

Načelo delovanja jedramotor

Temelji bodisi na fuziji jeder bodisi na uporabi cepitvene energije jedrskega goriva za oblikovanje reaktivnega potiska. Obstajajo inštalacije pulzno-eksplozivne in tekoče vrste. Eksplozivna instalacija v vesolje vrže miniaturne atomske bombe, ki z eksplozijo na razdalji več metrov z eksplozivnim valom potisnejo ladjo naprej. V praksi se takšne naprave še ne uporabljajo.

Jedrski motorji na tekoče gorivo pa so bili že dolgo razviti in preizkušeni. V 60-ih letih so sovjetski strokovnjaki zasnovali delujoč model RD-0410. Podobni sistemi so bili razviti v Združenih državah. Njihov princip temelji na segrevanju tekočine z jedrskim mini reaktorjem, ki se spremeni v paro in tvori curek, ki potiska vesoljsko plovilo. Čeprav se naprava imenuje tekoča, se kot delovna tekočina običajno uporablja vodik. Drug namen jedrskih vesoljskih naprav je napajanje električnega omrežja (instrumentov) ladij in satelitov.

Težka telekomunikacijska vozila za globalne vesoljske komunikacije

Trenutno potekajo dela na jedrskem motorju za vesolje, ki naj bi se uporabljal v težkih vesoljsko komunikacijskih vozilih. RSC Energia je izvedla raziskavo in projektni razvoj ekonomsko konkurenčnega globalnega vesoljskega komunikacijskega sistema s poceni celično komunikacijo, kar naj bi dosegli s prenosom "telefonske postaje" iz Zemlje v vesolje.

Predpogoji za njihovo ustvarjanje so:

• skoraj popolno zapolnitev geostacionarne orbite (GSO) z delovno inpasivni spremljevalci;
• frekvenčna izčrpanost;
• pozitivne izkušnje pri ustvarjanju in komercialni uporabi informacijskih geostacionarnih satelitov serije Yamal.

Pri ustvarjanju platforme Yamal so nove tehnične rešitve predstavljale 95 %, kar je takim vozilom omogočilo, da so postala konkurenčna na svetovnem trgu vesoljskih storitev.

Module naj bi zamenjali s tehnološko komunikacijsko opremo približno vsakih sedem let. To bi omogočilo ustvarjanje sistemov 3-4 težkih večnamenskih GEO satelitov s povečanjem električne energije, ki jo porabijo. Sprva so bila vesoljska plovila zasnovana na podlagi sončnih panelov z zmogljivostjo 30-80 kW. V naslednji fazi je načrtovana uporaba jedrskih motorjev z močjo 400 kW z virom do enega leta v transportnem načinu (za dostavo osnovnega modula GSO) in 150-180 kW v načinu dolgoročnega delovanja. (vsaj 10-15 let) kot vir električne energije.

Jedrski motorji v zemeljskem sistemu za zaščito pred meteoriti

Konstrukcijske študije, ki jih je RSC Energia izvedla v poznih 90. letih prejšnjega stoletja, so pokazale, da je pri ustvarjanju protimeteoritnega sistema za zaščito Zemlje pred jedri kometov in asteroidov mogoče jedrsko-električne instalacije in jedrski pogonski sistemi uporablja se za:

1. Ustvarjanje sistema za spremljanje poti asteroidov in kometov, ki prečkajo Zemljino orbito. Za to je predlagana ureditev posebnih vesoljskih plovil, opremljenih z optično in radarsko opremo za odkrivanje nevarnih predmetov,izračun parametrov njihovih poti in primarna študija njihovih značilnosti. Sistem lahko uporablja jedrski vesoljski motor z dvonačinsko termoionsko jedrsko elektrarno z močjo 150 kW ali več. Njegov vir mora biti star vsaj 10 let.
2. Testiranje vplivnih sredstev (eksplozija termonuklearne naprave) na poligonsko varen asteroid. Moč NEP za dostavo testne naprave na mesto za testiranje asteroidov je odvisna od mase dostavljenega tovora (150-500 kW).
3. Dostava rednih sredstev vpliva (prestreznik skupne teže 15-50 ton) nevarnemu objektu, ki se približuje Zemlji. Jedrski reaktivni motor z zmogljivostjo 1-10 MW bo potreben za dovajanje termonuklearnega naboja nevarnemu asteroidu, katerega površinska eksplozija ga zaradi curka asteroidnega materiala lahko odvrne od nevarne poti.

Dostava raziskovalne opreme v globok vesolje

Dostava znanstvene opreme vesoljskim objektom (oddaljeni planeti, periodični kometi, asteroidi) se lahko izvede z uporabo vesoljskih stopenj, ki temeljijo na LRE. Jedrske motorje je priporočljivo uporabljati za vesoljska plovila, kadar je naloga vstopiti v orbito satelita nebesnega telesa, neposreden stik z nebesnim telesom, vzorčenje snovi in druge študije, ki zahtevajo povečanje mase raziskovalnega kompleksa, vključitev stopenj pristajanja in vzleta.

Parametri motorja

Jedrski motor za vesoljska plovilaRaziskovalni kompleks bo razširil "začetno okno" (zaradi nadzorovane stopnje iztoka delovne tekočine), kar poenostavi načrtovanje in zniža stroške projekta. Raziskave, ki jih je izvedlo RSC Energia, so pokazale, da je 150 kW jedrski pogonski sistem z življenjsko dobo do treh let obetavno sredstvo za dostavo vesoljskih modulov v asteroidni pas.

Hkrati dostava raziskovalnega aparata v orbite oddaljenih planetov sončnega sistema zahteva povečanje vira takšne jedrske naprave do 5-7 let. Dokazano je, da bo kompleks z jedrskim pogonskim sistemom z močjo približno 1 MW kot del raziskovalnega vesoljskega plovila omogočil pospešeno dostavo umetnih satelitov najbolj oddaljenih planetov, planetarnih roverjev na površje naravnih satelitov teh planetov. in dostava zemlje iz kometov, asteroidov, Merkurja in lun Jupitra in Saturna.

Vleč za večkratno uporabo (MB)

Eden najpomembnejših načinov za povečanje učinkovitosti transportnih operacij v vesolju je večkratna uporaba elementov transportnega sistema. Jedrski motor za vesoljska plovila z močjo najmanj 500 kW omogoča ustvarjanje vlačilca za večkratno uporabo in s tem znatno poveča učinkovitost večveznega vesoljsko transportnega sistema. Tak sistem je še posebej uporaben pri programu za zagotavljanje velikih letnih tovorov. Primer je program raziskovanja Lune z ustvarjanjem in vzdrževanjem nenehno rastoče bivalne baze ter eksperimentalnih tehnoloških in proizvodnih kompleksov.

Izračun tovornega prometa

Po študijah oblikovanja RKK"Energia", med gradnjo baze je treba module, težke približno 10 ton, dostaviti na površje Lune, do 30 ton v orbito Lune. da se zagotovi delovanje in razvoj baze - 400-500 t.

Vendar načelo delovanja jedrskega motorja ne omogoča dovolj hitrega razprševanja transporterja. Zaradi dolgega časa prevoza in s tem znatnega časa, ki ga koristni tovor porabi v sevalnih pasovih Zemlje, ni mogoče vsega tovora dostaviti z uporabo vlačilcev na jedrski pogon. Zato je pretok tovora, ki ga je mogoče zagotoviti na podlagi NEP, ocenjen na le 100-300 ton/leto.

Stroškovna učinkovitost

Kot merilo ekonomske učinkovitosti interorbitalnega transportnega sistema je priporočljivo uporabiti vrednost stroškov na enoto prevoza enote mase koristnega tovora (PG) z zemeljskega površja v ciljno orbito. RSC Energia je razvila ekonomsko-matematični model, ki upošteva glavne stroškovne komponente v prometnem sistemu:

• za ustvarjanje in izstrelitev vlečnih modulov v orbito;
• za nakup delujoče jedrske naprave;
• operativni stroški, kot tudi stroški raziskav in razvoja ter možni kapitalski stroški.

Indikatorji stroškov so odvisni od optimalnih parametrov MB. Z uporabo tega modela primerjalnaekonomska učinkovitost uporabe vlačilca za večkratno uporabo na osnovi NEP z močjo približno 1 MW in vlačilca za enkratno uporabo na osnovi naprednih tekočih raketnih motorjev v programu za dostavo tovora s skupno maso 100 t/leto iz Zemlje v Lunino orbito z višino 100 km. Pri uporabi iste nosilne rakete z nosilnostjo, ki je enaka nosilnosti nosilne rakete Proton-M in sheme dveh izstrelitev za izgradnjo transportnega sistema, se stroški na enoto za dostavo enote mase koristnega tovora z uporabo vlačilca na jedrski pogon bo trikrat nižji kot pri uporabi vlačilcev za enkratno uporabo na osnovi raket s tekočimi motorji tipa DM-3.

Sklep

Učinkovit jedrski motor za vesolje prispeva k reševanju okoljskih problemov Zemlje, polet s posadko na Mars, ustvarjanje brezžičnega sistema prenosa energije v vesolju, izvajanje zelo varnega odlaganja zelo nevarnih radioaktivnih odpadkov iz zemeljske jedrske energije v vesolju, ustvarjanje bivalne lunine baze in začetek industrijskega raziskovanja Lune, ki zagotavlja zaščito Zemlje pred nevarnostjo asteroidov in kometov.