Silniki jądrowe do statków kosmicznych

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2023-12-17 10:38

Rosja była i nadal pozostaje liderem w dziedzinie kosmicznej energii jądrowej. Organizacje takie jak RSC Energia i Roskosmos mają doświadczenie w projektowaniu, budowie, wodowaniu i eksploatacji statków kosmicznych wyposażonych w jądrowe źródło energii. Silnik jądrowy umożliwia eksploatację samolotów przez wiele lat, wielokrotnie zwiększając ich praktyczną przydatność.

Rekord historyczny

Wykorzystanie energii jądrowej w kosmosie przestało być fantazją w latach 70. ubiegłego wieku. Pierwsze silniki jądrowe zostały wystrzelone w kosmos w latach 1970-1988 i z powodzeniem działały na statku obserwacyjnym US-A. Wykorzystali system z termoelektryczną elektrownią jądrową (NPP) „Buk” o mocy elektrycznej 3 kW.

W latach 1987-1988 dwa pojazdy Plasma-A z termioniczną elektrownią jądrową Topaz o mocy 5 kW przeszły testy w locie i kosmosie, podczas których elektryczne silniki rakietowe (EP) były po raz pierwszy zasilane z jądrowego źródła energii.

Ukończono kompleks naziemnych elektrowni jądrowychtesty energetyczne termojonowej instalacji jądrowej „Yenisei” o mocy 5 kW. W oparciu o te technologie opracowano projekty termoelektrycznych elektrowni jądrowych o mocy 25-100 kW.

MB Herkules

W latach siedemdziesiątych RSC Energia rozpoczęła badania naukowe i praktyczne, których celem było stworzenie potężnego jądrowego silnika kosmicznego dla holownika międzyorbitalnego (MB) Hercules. Prace pozwoliły na stworzenie rezerwy na wiele lat w zakresie jądrowego systemu napędu elektrycznego (NEP) z termoelektrownią jądrową o mocy od kilku do kilkuset kilowatów oraz elektrycznymi silnikami rakietowymi o mocy jednostkowej dziesiątek i setek kilowatów.

Parametry projektowe MB "Herkules":

• moc elektryczna netto elektrowni jądrowej – 550 kW;
• impuls właściwy EPS – 30 km/s;
• ciąg projektora – 26 N;
• zasoby elektrowni jądrowej i napędu elektrycznego - 16 000 godzin;
• ciało robocze EPS – ksenon;
• masa (sucha) holownika - 14,5-15,7 ton, w tym elektrownie jądrowe - 6,9 ton.

Ostatnie czasy

W XXI wieku nadszedł czas, aby stworzyć nowy silnik jądrowy dla kosmosu. W październiku 2009 r. na posiedzeniu Komisji przy Prezydencie Federacji Rosyjskiej ds. modernizacji i rozwoju technologicznego gospodarki rosyjskiej odbył się nowy rosyjski projekt „Stworzenie modułu transportowo-energetycznego z wykorzystaniem megawatowej elektrowni jądrowej” oficjalnie zatwierdzone. Głównymi programistami są:

• Reaktor – OJSC NIKIET.
• Elektrownia jądrowa ze schematem konwersji energii z turbiny gazowej, EPSw oparciu o jonowe elektryczne silniki rakietowe i jądrowe systemy napędowe jako całość - Państwowe Centrum Naukowe „Centrum Badawcze im. A. I. M. V. Keldysh”, która jest również organizacją odpowiedzialną za program rozwoju modułu transportowo-energetycznego (TEM) jako całości.
• RKK Energia jako generalny projektant TEM powinien opracować automatyczny pojazd z tym modułem.

Charakterystyka nowej instalacji

Nowy silnik nuklearny w kosmosie Rosja planuje w najbliższych latach wprowadzić do użytku komercyjnego. Oczekiwane charakterystyki turbiny gazowej NEP są następujące. Jako reaktor zastosowano reaktor neutronów prędkich chłodzony gazem, temperatura płynu roboczego (mieszaniny He/Xe) przed turbiną wynosi 1500 K, sprawność przetwarzania energii cieplnej na elektryczną wynosi 35%, rodzaj chłodnica-chłodnica jest kroplówka. Masa jednostki napędowej (reaktor, system ochrony przed promieniowaniem i konwersji, ale bez promiennika-chłodnicy) wynosi 6800 kg.

Planowane jest wykorzystanie kosmicznych silników jądrowych (NPP, EJ wraz z EPS):

• Jako część przyszłych pojazdów kosmicznych.
• Jako źródła energii elektrycznej dla energochłonnych kompleksów i statków kosmicznych.
• Rozwiązanie dwóch pierwszych zadań w module transportowo-energetycznym, aby zapewnić dostawę rakiet elektrycznych ciężkich statków kosmicznych i pojazdów na orbity robocze oraz dalsze długoterminowe zasilanie ich urządzeń.

Zasada działania energii jądrowejsilnik

Oparte albo na fuzji jąder, albo na wykorzystaniu energii rozszczepienia paliwa jądrowego do wytworzenia ciągu odrzutowego. Istnieją instalacje typu impulsowo-wybuchowego i płynnego. Wybuchowa instalacja wyrzuca w kosmos miniaturowe bomby atomowe, które detonując na odległość kilku metrów, popychają statek do przodu wybuchową falą. W praktyce takie urządzenia nie są jeszcze używane.

Z drugiej strony, silniki jądrowe zasilane paliwem płynnym są od dawna opracowywane i testowane. W latach 60. radzieccy specjaliści zaprojektowali działający model RD-0410. Podobne systemy zostały opracowane w Stanach Zjednoczonych. Ich zasada polega na podgrzaniu cieczy za pomocą minireaktora jądrowego, który zamienia się w parę i tworzy strumień odrzutowy, który popycha statek kosmiczny. Chociaż urządzenie nazywa się cieczą, zwykle jako płyn roboczy używany jest wodór. Innym celem jądrowych instalacji kosmicznych jest zasilanie pokładowej sieci elektrycznej (instrumentów) statków i satelitów.

Ciężkie pojazdy telekomunikacyjne do globalnej komunikacji kosmicznej

W tej chwili trwają prace nad silnikiem jądrowym dla kosmosu, który ma być używany w ciężkich pojazdach komunikacji kosmicznej. RSC Energia prowadziła prace badawczo-projektowe nad konkurencyjnym ekonomicznie globalnym systemem komunikacji kosmicznej z tanią komunikacją komórkową, co miało być osiągnięte poprzez przeniesienie „stacji telefonicznej” z Ziemi w kosmos.

Warunki ich utworzenia to:

• prawie całkowite wypełnienie orbity geostacjonarnej (GSO) działającymi ipasywni towarzysze;
• wyczerpanie częstotliwości;
• pozytywne doświadczenie w tworzeniu i komercyjnym wykorzystaniu informacyjnych satelitów geostacjonarnych serii Jamał.

Przy tworzeniu platformy Jamał nowe rozwiązania techniczne stanowiły 95%, co pozwoliło takim pojazdom stać się konkurencyjnymi na globalnym rynku usług kosmicznych.

Oczekuje się, że moduły będą wymieniane na sprzęt do komunikacji technologicznej mniej więcej co siedem lat. Umożliwiłoby to tworzenie systemów 3-4 ciężkich wielofunkcyjnych satelitów GEO ze wzrostem pobieranej przez nie energii elektrycznej. Początkowo statki kosmiczne projektowano w oparciu o panele słoneczne o mocy 30-80 kW. W kolejnym etapie planowane jest wykorzystanie silników jądrowych o mocy 400 kW z zasobem do jednego roku w trybie transportowym (na dostawę modułu bazowego do GSO) oraz 150-180 kW w trybie pracy długoterminowej (co najmniej 10-15 lat) jako źródło energii elektrycznej.

Silniki jądrowe w ziemskim systemie ochrony przed meteorytami

Badania projektowe przeprowadzone przez RSC Energia pod koniec lat 90. wykazały, że przy tworzeniu systemu antymeteorytowego do ochrony Ziemi przed jądrami komet i asteroid można zastosować instalacje jądrowo-elektryczne i napędy jądrowe. używane do:

1. Stworzenie systemu monitorowania trajektorii asteroid i komet przecinających orbitę Ziemi. W tym celu proponuje się zorganizowanie specjalnego statku kosmicznego wyposażonego w sprzęt optyczny i radarowy do wykrywania niebezpiecznych obiektów,obliczenia parametrów ich trajektorii i pierwotne badanie ich charakterystyk. System może wykorzystywać jądrowy silnik kosmiczny z dwutrybową termioniczną elektrownią jądrową o mocy 150 kW lub większej. Jego zasób musi mieć co najmniej 10 lat.
2. Testowanie sposobów oddziaływania (wybuch urządzenia termojądrowego) na asteroidę bezpieczną dla wielokątów. Moc NEP-u do dostarczenia urządzenia testowego na miejsce testowania asteroidy zależy od masy dostarczonego ładunku (150-500 kW).
3. Dostarczenie regularnych środków oddziaływania (przechwytywacz o łącznej wadze 15-50 ton) na niebezpieczny obiekt zbliżający się do Ziemi. Do dostarczenia ładunku termojądrowego na niebezpieczną asteroidę, której eksplozja na powierzchni, ze względu na strumień odrzutowy materiału asteroidy, może odchylić ją od niebezpiecznej trajektorii, będzie potrzebny jądrowy silnik odrzutowy o mocy 1-10 MW.

Dostawa sprzętu badawczego w kosmos

Dostawa sprzętu naukowego do obiektów kosmicznych (odległych planet, komet okresowych, asteroid) może odbywać się przy użyciu scen kosmicznych opartych na LRE. Wskazane jest stosowanie silników jądrowych do statków kosmicznych, gdy zadaniem jest wejście na orbitę satelity ciała niebieskiego, bezpośredni kontakt z ciałem niebieskim, pobieranie próbek substancji i inne badania, które wymagają zwiększenia masy kompleksu badawczego, włączenie etapów lądowania i startu.

Parametry silnika

Silnik jądrowy do statku kosmicznegoKompleks badawczy poszerzy „okno startowe” (dzięki kontrolowanemu wypływowi płynu roboczego), co uprości planowanie i obniży koszty projektu. Badania przeprowadzone przez RSC Energia wykazały, że jądrowy system napędowy o mocy 150 kW i żywotności do trzech lat jest obiecującym sposobem dostarczania modułów kosmicznych do pasa planetoid.

Jednocześnie dostarczenie aparatury badawczej na orbity odległych planet Układu Słonecznego wymaga zwiększenia zasobów takiej instalacji jądrowej do 5-7 lat. Udowodniono, że kompleks z napędem jądrowym o mocy około 1 MW w ramach statku badawczego pozwoli na przyspieszone dostarczanie sztucznych satelitów najdalszych planet, łazików planetarnych na powierzchnie naturalnych satelitów tych planet i dostarczenie gleby z komet, asteroid, Merkurego i księżyców Jowisza i Saturna.

Holownik wielokrotnego użytku (MB)

Jednym z najważniejszych sposobów na zwiększenie efektywności operacji transportowych w kosmosie jest ponowne wykorzystanie elementów systemu transportowego. Silnik jądrowy do statku kosmicznego o mocy co najmniej 500 kW umożliwia stworzenie holownika wielokrotnego użytku, a tym samym znaczne zwiększenie wydajności wieloogniwowego systemu transportu kosmicznego. Taki system jest szczególnie przydatny w programie zapewniającym duże roczne przepływy ładunków. Przykładem jest program eksploracji Księżyca z tworzeniem i utrzymywaniem stale rosnącej bazy mieszkalnej oraz eksperymentalnych kompleksów technologiczno-produkcyjnych.

Obliczanie obrotów ładunków

Według badań projektowych RKK"Energia", podczas budowy bazy moduły o masie około 10 ton należy dostarczyć na powierzchnię Księżyca, do 30 ton na orbitę Księżyca. dla zapewnienia funkcjonowania i rozwoju bazy - 400-500 t.

Jednak zasada działania silnika jądrowego nie pozwala na wystarczająco szybkie rozproszenie transportera. Ze względu na długi czas transportu, a co za tym idzie, znaczną ilość czasu spędzonego przez ładunek w pasach radiacyjnych Ziemi, nie wszystkie ładunki można dostarczyć za pomocą holowników z napędem jądrowym. Dlatego przepływ ładunków, który można zapewnić na podstawie NEP, szacuje się na zaledwie 100-300 ton/rok.

Opłacalność

Jako kryterium efektywności ekonomicznej systemu transportu międzyorbitalnego wskazane jest wykorzystanie wartości jednostkowego kosztu transportu jednostki masy ładunku (PG) z powierzchni Ziemi na orbitę docelową. RSC Energia opracowało model ekonomiczny i matematyczny, który uwzględnia główne składniki kosztów w systemie transportowym:

• utworzyć i uruchomić moduły holownicze na orbitę;
• na zakup działającej instalacji jądrowej;
• koszty operacyjne, a także koszty badań i rozwoju oraz ewentualne koszty kapitałowe.

Wskaźniki kosztów zależą od optymalnych parametrów MB. Korzystając z tego modelu, porównajekonomiczność wykorzystania holownika wielokrotnego użytku opartego na NEP o mocy ok. 1 MW oraz holownika jednorazowego opartego na zaawansowanych silnikach rakietowych na ciecz w programie dostarczenia ładunku o łącznej masie 100 t/rok z Ziemi na orbitę Księżyca o wysokości 100 km. Przy zastosowaniu tego samego pojazdu nośnego o ładowności równej nośności wyrzutni Proton-M oraz dwuwodowego schematu budowy systemu transportowego, jednostkowy koszt dostarczenia jednostkowej masy ładunku za pomocą holownika o napędzie jądrowym będzie trzykrotnie niższy niż w przypadku użycia jednorazowych holowników opartych na rakietach z silnikami na ciecz typu DM-3.

Wniosek

Wydajny silnik jądrowy w kosmosie przyczynia się do rozwiązywania problemów środowiskowych Ziemi, załogowego lotu na Marsa, tworzenia bezprzewodowego systemu przesyłu energii w kosmosie, wdrażania wysoce bezpiecznego usuwania wysoce niebezpiecznych odpadów radioaktywnych z naziemnej energii jądrowej w kosmosie, tworząc nadającą się do zamieszkania bazę księżycową i rozpoczynając przemysłową eksplorację Księżyca, zapewniając ochronę Ziemi przed zagrożeniem asteroid-komety.