Jadrové motory pre kozmické lode

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Naposledy zmenené: 2023-12-17 10:39

Rusko bolo a stále zostáva lídrom v oblasti jadrovej vesmírnej energie. Organizácie ako RSC Energia a Roskosmos majú skúsenosti s navrhovaním, stavbou, spúšťaním a prevádzkou kozmických lodí vybavených jadrovým zdrojom energie. Jadrový motor umožňuje prevádzkovať lietadlá mnoho rokov, čím sa mnohonásobne zvyšuje ich praktická vhodnosť.

Historický rekord

Využitie jadrovej energie vo vesmíre prestalo byť fantáziou už v 70. rokoch minulého storočia. Prvé jadrové motory boli vypustené do vesmíru v rokoch 1970-1988 a úspešne fungovali na pozorovacej lodi US-A. Použili systém s termoelektrickou jadrovou elektrárňou (JE) „Buk“s elektrickým výkonom 3 kW.

V rokoch 1987-1988 prešli dve vozidlá Plasma-A s 5 kW termoelektrickou jadrovou elektrárňou Topaz letovými a vesmírnymi testami, počas ktorých boli elektrické raketové motory (EP) po prvýkrát poháňané z jadrového zdroja energie.

Dokončili sme komplex pozemných jadrových zbraníenergetické skúšky termionického jadrového zariadenia „Yenisei“s výkonom 5 kW. Na základe týchto technológií boli vyvinuté projekty termionických jadrových elektrární s výkonom 25-100 kW.

MB Hercules

V 70. rokoch 20. storočia začala RSC Energia vedecký a praktický výskum, ktorého cieľom bolo vytvoriť výkonný jadrový vesmírny motor pre interorbitálny remorkér (MB) Hercules. Dielo umožnilo urobiť rezervu na dlhé roky v zmysle jadrového elektrického pohonného systému (NEP) s termionickou jadrovou elektrárňou s výkonom niekoľko až stoviek kilowattov a elektrickými raketovými motormi s jednotkovým výkonom desiatok a stoviek. kilowattov.

Konštrukčné parametre MB "Hercules":

• čistý elektrický výkon jadrovej elektrárne – 550 kW;
• špecifický impulz EPS – 30 km/s;
• ťah projektora – 26 N;
• zdroj jadrovej elektrárne a elektrického pohonu – 16 000 hodín;
• pracovné telo EPS – xenón;
• hmotnosť (suchá) remorkéra - 14,5-15,7 ton vrátane jadrových elektrární - 6,9 ton.

Nedávne časy

V 21. storočí nastal čas na vytvorenie nového jadrového motora pre vesmír. V októbri 2009 bol na zasadnutí Komisie prezidenta Ruskej federácie pre modernizáciu a technologický rozvoj ruskej ekonomiky vypracovaný nový ruský projekt „Vytvorenie dopravno-energetického modulu s využitím jadrovej elektrárne megawattovej triedy“. oficiálne schválený. Hlavnými vývojármi sú:

• Reaktorový závod – OJSC NIKIET.
• Jadrová elektráreň so schémou premeny energie plynovej turbíny, EPSna báze iónových elektrických raketových motorov a jadrových pohonných systémov ako celku - Štátne vedecké centrum „Výskumné centrum pomenované po A. I. M. V. Keldysh“, ktorá je zároveň zodpovednou organizáciou za program rozvoja dopravného a energetického modulu (TEM) ako celku.
• RKK Energia ako generálny dizajnér TEM by mala vyvinúť automatické vozidlo s týmto modulom.

Charakteristiky novej inštalácie

Nový jadrový motor pre vesmír Rusko plánuje uviesť do komerčnej prevádzky v najbližších rokoch. Očakávané charakteristiky NEP plynovej turbíny sú nasledovné. Ako reaktor je použitý plynom chladený rýchly neutrónový reaktor, teplota pracovnej tekutiny (zmes He/Xe) pred turbínou je 1500 K, účinnosť premeny tepelnej na elektrickú energiu 35 %, typ chladič-radiátor kvapká. Hmotnosť pohonnej jednotky (reaktor, radiačná ochrana a konverzný systém, ale bez radiátora-radiátora) je 6 800 kg.

Plánuje sa použitie vesmírnych jadrových motorov (JE, JE spolu s EPS):

• Ako súčasť budúcich vesmírnych vozidiel.
• Ako zdroje elektriny pre energeticky náročné komplexy a kozmické lode.
• Vyriešiť prvé dve úlohy v dopravnom a energetickom module, aby sa zabezpečilo elektrické raketové doručenie ťažkých kozmických lodí a vozidiel na pracovné obežné dráhy a ďalšie dlhodobé napájanie ich zariadení.

Princíp fungovania jadrovej energiemotor

Založené buď na fúzii jadier, alebo na využití štiepnej energie jadrového paliva na vytvorenie prúdového ťahu. Existujú inštalácie pulzne výbušného a kvapalného typu. Výbušná inštalácia vrhá do vesmíru miniatúrne atómové bomby, ktoré vo vzdialenosti niekoľkých metrov odpália loď výbušnou vlnou. V praxi sa takéto zariadenia ešte nepoužívajú.

Na druhej strane jadrové motory na kvapalné palivo sú už dlho vyvíjané a testované. V 60. rokoch sovietski špecialisti navrhli funkčný model RD-0410. Podobné systémy boli vyvinuté v Spojených štátoch. Ich princíp je založený na ohrievaní kvapaliny jadrovým minireaktorom, tá sa mení na paru a vytvára tryskový prúd, ktorý tlačí vesmírnu loď. Aj keď sa zariadenie nazýva kvapalina, ako pracovná kvapalina sa zvyčajne používa vodík. Ďalším účelom jadrových vesmírnych zariadení je napájať elektrickú palubnú sieť (prístroje) lodí a satelitov.

Ťažké telekomunikačné vozidlá pre globálnu vesmírnu komunikáciu

V súčasnosti prebiehajú práce na jadrovom motore pre vesmír, ktorý sa plánuje použiť v ťažkých vesmírnych komunikačných vozidlách. RSC Energia realizovala výskum a vývoj dizajnu ekonomicky konkurencieschopného globálneho vesmírneho komunikačného systému s lacnou bunkovou komunikáciou, ktorý sa mal dosiahnuť prenesením „telefónnej stanice“zo Zeme do vesmíru.

Predpoklady na ich vytvorenie sú:

• takmer úplné zaplnenie geostacionárnej obežnej dráhy (GSO) pracovnými apasívni spoločníci;
• vyčerpanie frekvencie;
• pozitívne skúsenosti s tvorbou a komerčným využitím informačných geostacionárnych satelitov série Yamal.

Pri vytváraní platformy Yamal tvorili nové technické riešenia 95 %, čo umožnilo takýmto vozidlám stať sa konkurencieschopnými na globálnom trhu vesmírnych služieb.

Očakáva sa výmena modulov za technologické komunikačné zariadenia približne každých sedem rokov. To by umožnilo vytvoriť systémy 3-4 ťažkých multifunkčných satelitov GEO so zvýšením nimi spotrebovanej elektrickej energie. Spočiatku boli kozmické lode navrhnuté na základe solárnych panelov s kapacitou 30-80 kW. V ďalšej etape sa počíta s využitím 400 kW jadrových motorov so zdrojom do jedného roka v dopravnom režime (na dodávku základného modulu do GSO) a 150-180 kW v dlhodobom prevádzkovom režime. (aspoň 10-15 rokov) ako zdroj elektriny.

Jadrové motory v systéme ochrany Zeme proti meteoritom

Konštrukčné štúdie uskutočnené spoločnosťou RSC Energia koncom 90-tych rokov ukázali, že pri vytváraní antimeteoritového systému na ochranu Zeme pred jadrami komét a asteroidov možno využiť jadrovo-elektrické zariadenia a jadrové pohonné systémy. použité pre:

1. Vytvorenie systému na sledovanie trajektórií asteroidov a komét prechádzajúcich obežnou dráhou Zeme. Na tento účel sa navrhuje usporiadať špeciálnu kozmickú loď vybavenú optickým a radarovým zariadením na detekciu nebezpečných predmetov,výpočet parametrov ich trajektórií a primárne štúdium ich charakteristík. Systém môže využívať jadrový vesmírny motor s dvojrežimovou termionickou jadrovou elektrárňou s výkonom 150 kW a viac. Jeho zdroj musí byť starý aspoň 10 rokov.
2. Testovacie prostriedky vplyvu (výbuch termonukleárneho zariadenia) na polygónovom bezpečnom asteroide. Výkon NEP na dodanie testovacieho zariadenia na testovacie miesto asteroidu závisí od hmotnosti dodaného užitočného zaťaženia (150-500 kW).
3. Doručenie bežných prostriedkov ovplyvňovania (lapač s celkovou hmotnosťou 15-50 ton) nebezpečnému objektu blížiacemu sa k Zemi. Na dodanie termonukleárnej nálože nebezpečnému asteroidu, ktorého povrchová explózia v dôsledku tryskového prúdu materiálu asteroidu ho môže vychýliť z nebezpečnej trajektórie, bude potrebný jadrový prúdový motor s výkonom 1-10 MW.

Doručenie výskumného vybavenia do hlbokého vesmíru

Doručovanie vedeckého vybavenia k vesmírnym objektom (vzdialené planéty, periodické kométy, asteroidy) je možné realizovať pomocou vesmírnych stupňov založených na LRE. Je vhodné použiť jadrové motory pre kozmické lode, keď je úlohou vstúpiť na obežnú dráhu satelitu nebeského telesa, priamy kontakt s nebeským telesom, odber vzoriek látok a iné štúdie, ktoré si vyžadujú zvýšenie hmotnosti výskumného komplexu, zahrnutie fáz pristátia a vzletu.

Parametre motora

Jadrový motor pre kozmické lodeVýskumný komplex rozšíri „štartovacie okno“(kvôli riadenému odtoku pracovnej tekutiny), čo zjednodušuje plánovanie a znižuje náklady na projekt. Výskum realizovaný spoločnosťou RSC Energia ukázal, že 150 kW jadrový pohonný systém so životnosťou až tri roky je sľubným prostriedkom na dodávanie vesmírnych modulov do pásu asteroidov.

Dodanie výskumnej aparatúry na obežnú dráhu vzdialených planét slnečnej sústavy zároveň vyžaduje zvýšenie zdrojov takéhoto jadrového zariadenia až na 5-7 rokov. Je dokázané, že komplex s jadrovým pohonným systémom s výkonom okolo 1 MW ako súčasť výskumnej kozmickej lode umožní zrýchlené dodávanie umelých satelitov najvzdialenejších planét, planetárnych roverov na povrch prirodzených satelitov týchto planét. a dodávka pôdy z komét, asteroidov, Merkúru a mesiacov Jupitera a Saturnu.

Opätovne použiteľný ťahák (MB)

Jedným z najdôležitejších spôsobov zvýšenia efektívnosti dopravných operácií vo vesmíre je opakovane použiteľné využitie prvkov dopravného systému. Jadrový motor pre kozmické lode s výkonom najmenej 500 kW umožňuje vytvoriť opakovane použiteľný remorkér a tým výrazne zvýšiť efektivitu viacčlánkového vesmírneho transportného systému. Takýto systém je užitočný najmä v programe na zabezpečenie veľkých ročných tokov nákladu. Príkladom je program prieskumu Mesiaca s vytvorením a údržbou neustále rastúcej obývateľnej základne a experimentálnych technologických a výrobných komplexov.

Výpočet obratu nákladu

Podľa dizajnových štúdií RKK"Energia", pri stavbe základne by sa na povrch Mesiaca mali dostať moduly s hmotnosťou cca 10 ton, na obežnú dráhu Mesiaca až 30 ton. na zabezpečenie fungovania a rozvoja základne - 400-500 t.

Princíp činnosti jadrového motora však neumožňuje dostatočne rýchlo rozptýliť transportér. Vzhľadom na dlhý čas prepravy, a teda aj značný čas strávený nákladom v radiačných pásoch Zeme, nie je možné všetok náklad doručiť pomocou remorkérov s jadrovým pohonom. Tok nákladu, ktorý možno poskytnúť na základe NEP, sa preto odhaduje len na 100 – 300 ton/rok.

Nákladová efektívnosť

Ako kritérium ekonomickej efektívnosti interorbitálneho transportného systému je vhodné použiť hodnotu jednotkových nákladov na prepravu jednotkovej hmotnosti užitočného zaťaženia (PG) z povrchu Zeme na cieľovú obežnú dráhu. RSC Energia vyvinula ekonomický a matematický model, ktorý zohľadňuje hlavné zložky nákladov v dopravnom systéme:

• na vytvorenie a vypustenie vlečných modulov na obežnú dráhu;
• za nákup funkčného jadrového zariadenia;
• prevádzkové náklady, ako aj náklady na výskum a vývoj a možné kapitálové náklady.

Ukazovatele nákladov závisia od optimálnych parametrov MB. Pomocou tohto modelu, porovnanieekonomická efektívnosť použitia opakovane použiteľného remorkéra na báze NEP s výkonom okolo 1 MW a jednorazového remorkéra na báze pokročilých kvapalných raketových motorov v programe na doručovanie užitočného zaťaženia s celkovou hmotnosťou 100 t/rok zo Zeme na obežnú dráhu Mesiaca s výškou 100 km. Pri použití rovnakej nosnej rakety s nosnosťou rovnajúcou sa nosnej kapacite nosnej rakety Proton-M a schémy dvoch štartov na konštrukciu dopravného systému, jednotkové náklady na dodanie jednotkovej hmotnosti užitočného zaťaženia pomocou remorkéra s jadrovým pohonom bude trikrát nižšia ako pri použití jednorazových remorkérov na báze rakiet s kvapalinovými motormi typu DM-3.

Záver

Efektívny jadrový motor pre vesmír prispieva k riešeniu environmentálnych problémov Zeme, letu s ľudskou posádkou na Mars, vytváraniu systému bezdrôtového prenosu energie vo vesmíre, implementácii vysoko bezpečnej likvidácie vysoko nebezpečného rádioaktívneho odpadu z pozemnej jadrovej energie vo vesmíre, vytvorením obývateľnej lunárnej základne a začatím priemyselného prieskumu Mesiaca, čím sa zabezpečí ochrana Zeme pred nebezpečenstvom asteroidov a komét.