Nuklearni motori za svemirske letjelice

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Zadnja izmjena: 2023-12-17 10:20

Rusija je bila i ostaje lider u oblasti nuklearne svemirske energije. Organizacije kao što su RSC Energia i Roskosmos imaju iskustva u projektovanju, izgradnji, lansiranju i radu svemirskih letelica opremljenih nuklearnim izvorom energije. Nuklearni motor omogućava upravljanje avionima dugi niz godina, povećavajući njihovu praktičnost višestruko.

Istorijski zapis

Korišćenje nuklearne energije u svemiru prestalo je da bude fantazija još 70-ih godina prošlog veka. Prvi nuklearni motori lansirani su u svemir 1970.-1988. i uspješno su radili na svemirskoj letjelici SAD-A. Koristili su sistem sa termoelektranom (NPP) "Buk" električne snage 3 kW.

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

Završen kompleks zemaljske nuklearne energijeenergetski testovi termoelektrične nuklearne instalacije "Jenisej" snage 5 kW. Na osnovu ovih tehnologija razvijeni su projekti termoelektrana snage 25-100 kW.

MB Hercules

1970-ih RSC Energia je započela naučna i praktična istraživanja, čija je svrha bila stvaranje moćnog nuklearnog svemirskog motora za interorbitalni tegljač (MB) Hercules. Rad je omogućio da se napravi rezerva za više godina u smislu nuklearnog električnog pogonskog sistema (NEP) sa termoionskom nuklearnom elektranom snage od nekoliko do stotina kilovata i električnim raketnim motorima jedinične snage desetine 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 električni pogon - 16.000 sati;
• radno tijelo od EPS-a – xenon;
• težina (suhi) tegljača - 14,5-15,7 tona, uključujući nuklearne elektrane - 6,9 tona.

Nedavna vremena

U 21. veku, vreme je da se stvori novi nuklearni motor za svemir. U oktobru 2009. godine, na sastanku Komisije pri predsjedniku Ruske Federacije za modernizaciju i tehnološki razvoj ruske privrede, predstavljen je novi ruski projekat „Izrada transportnog i energetskog modula pomoću nuklearne elektrane klase megavata“. zvanično odobreno. Vodeći programeri su:

• Reaktorsko postrojenje – OJSC NIKIET.
• Nuklearna elektrana sa šemom konverzije energije gasne turbine, EPSna bazi jonskih električnih raketnih motora i nuklearnih pogonskih sistema u cjelini - Državni naučni centar „Istraživački centar po imenu A. I. M. V. Keldysh”, koja je ujedno i odgovorna organizacija za razvojni program transportnog i energetskog modula (TEM) u cjelini.
• RKK Energia kao generalni projektant TEM-a treba da razvije automatsko vozilo sa ovim modulom.

Karakteristike nove instalacije

Novi nuklearni motor za svemir Rusija planira pustiti u komercijalni rad u narednim godinama. Očekivane karakteristike gasne turbine NEP su sledeće. Kao reaktor koristi se gasno hlađen reaktor brzih neutrona, temperatura radnog fluida (mešavine He/Xe) ispred turbine je 1500 K, efikasnost pretvaranja toplotne u električnu energiju je 35%, tip hladnjak-radijator kaplje. Masa agregata (reaktor, sistem zaštite od zračenja i konverzije, ali bez radijatora-radijatora) je 6.800 kg.

Planirano je da se koriste svemirski nuklearni motori (NPP, NPP zajedno sa EPS):

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

Princip rada nuklearnogmotor

Zasnovano ili na fuziji jezgara, ili na upotrebi energije fisije nuklearnog goriva za formiranje mlaznog potiska. Postoje instalacije pulsno-eksplozivnog i tečnog tipa. Eksplozivna instalacija izbacuje u svemir 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 tečno gorivo, s druge strane, dugo su razvijeni i testirani. Još 60-ih godina sovjetski stručnjaci dizajnirali su izvodljiv model RD-0410. Slični sistemi su razvijeni u Sjedinjenim Državama. Njihov princip se zasniva na zagrijavanju tečnosti nuklearnim mini reaktorom, ona se pretvara u paru i formira mlazni tok, koji gura letjelicu. Iako se uređaj naziva tečnost, vodonik se obično koristi kao radni fluid. Druga svrha nuklearnih svemirskih instalacija je napajanje električne mreže (instrumenata) brodova i satelita.

Teška telekomunikaciona vozila za globalne svemirske komunikacije

Trenutno su u toku radovi na nuklearnom motoru za svemir, koji se planira koristiti u teškim svemirskim komunikacijskim vozilima. RSC Energia je sprovela istraživanje i razvoj dizajna ekonomski konkurentnog globalnog svemirskog komunikacionog sistema sa jeftinim ćelijskim komunikacijama, što je trebalo da se postigne prenošenjem "telefonske stanice" sa Zemlje u svemir.

Preduvjeti za njihovu izradu su:

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

Prilikom kreiranja 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 sistema od 3-4 teška multifunkcionalna GEO satelita uz povećanje električne energije koju oni troše. U početku su svemirske letjelice dizajnirane na bazi solarnih panela kapaciteta 30-80 kW. U sljedećoj fazi planirano je korištenje nuklearnih motora od 400 kW sa resursom do godinu dana u transportnom režimu (za isporuku baznog modula GSO) i 150-180 kW u dugotrajnom režimu rada. (najmanje 10-15 godina) kao izvor električne energije

Nuklearni motori u Zemljinom sistemu zaštite od meteorita

Studije dizajna koje je sproveo RSC Energia krajem 90-ih pokazale su da se u stvaranju antimeteoritskog sistema za zaštitu Zemlje od jezgara kometa i asteroida mogu koristiti nuklearno-električne instalacije i nuklearni pogonski sistemi. koristi se za:

1. Kreiranje sistema za praćenje putanja asteroida i kometa koje prelaze Zemljinu orbitu. Da bi se to postiglo, predlaže se uređenje posebnih svemirskih letjelica opremljenih optičkom i radarskom opremom za otkrivanje opasnih objekata,proračun parametara njihovih putanja i primarno proučavanje njihovih karakteristika. Sistem može koristiti nuklearni svemirski motor sa dvomodnom termoionskom nuklearnom elektranom snage 150 kW ili više. Njegov izvor mora biti star najmanje 10 godina.
2. Testiranje sredstava uticaja (eksplozija termonuklearnog uređaja) na poligon bezbedan asteroid. Snaga NEP-a da isporuči uređaj za testiranje na poligon asteroida zavisi od mase isporučenog tereta (150-500 kW).
3. Dostava redovnih sredstava uticaja (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 da ga odbije od opasne putanje.

Isporuka istraživačke opreme u duboki svemir

Isporuka naučne opreme svemirskim objektima (udaljene planete, periodične komete, asteroidi) može se vršiti korišćenjem svemirskih stepenica zasnovanih na LRE. Preporučljivo je koristiti nuklearne motore za svemirske letjelice kada je zadatak ulazak u orbitu satelita nebeskog tijela, direktan kontakt s nebeskim tijelom, uzorkovanje tvari i druga istraživanja koja zahtijevaju povećanje mase istraživačkog kompleksa, tj. uključivanje faza slijetanja i polijetanja.

Parametri motora

Nuklearni motor za svemirske letjeliceIstraživački kompleks će proširiti "početni prozor" (zbog kontrolisanog protoka radnog fluida), što pojednostavljuje planiranje i smanjuje troškove projekta. Istraživanje koje je sprovela RSC Energia pokazalo je da je nuklearni pogonski sistem od 150 kW sa vijekom trajanja do tri godine obećavajuće sredstvo za isporuku svemirskih modula u pojas asteroida.

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

Tegljač za višekratnu upotrebu (MB)

Jedan od najvažnijih načina za povećanje efikasnosti transportnih operacija u svemiru je višekratna upotreba elemenata transportnog sistema. Nuklearni motor za svemirske letjelice snage najmanje 500 kW omogućava stvaranje tegljača za višekratnu upotrebu i na taj način značajno povećava efikasnost višestrukog svemirskog transportnog sistema. Takav sistem je 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.

Obračun prometa tereta

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

Međutim, princip rada nuklearnog motora ne dozvoljava da se transporter rasprši dovoljno brzo. Zbog dugog vremena transporta i, shodno 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 obezbijediti na osnovu NEP-a procjenjuje se na samo 100-300 tona/godišnje.

Efikasnost troškova

Kao kriterijum ekonomske efikasnosti interorbitalnog transportnog sistema, preporučljivo je koristiti vrednost jedinične cene transporta jedinične mase korisnog tereta (PG) sa Zemljine površine do ciljne orbite. RSC Energia je razvila ekonomski i matematički model koji uzima u obzir glavne komponente troškova u transportnom sistemu:

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

Indikatori troškova zavise od optimalnih parametara MB. Koristeći ovaj model, uporednaekonomska efikasnost korišćenja tegljača za višekratnu upotrebu na bazi NEP snage oko 1 MW i tegljača za jednokratnu upotrebu baziranog na naprednim raketnim motorima na tečnost u programu za isporuku korisnog tereta ukupne mase 100 t/godišnje sa Zemlje u orbitu Meseca sa visinom od 100 km. Kada se koristi isto lansirno vozilo nosivosti jednakoj nosivosti rakete-nosača Proton-M i sheme dva lansiranja za izgradnju transportnog sistema, jedinični trošak isporuke jedinične mase korisnog tereta pomoću tegljača na nuklearni pogon će biti tri puta niže nego kod upotrebe jednokratnih tegljača na bazi raketa sa tečnim motorima tipa DM-3.

Zaključak

Efikasan nuklearni motor za svemir doprinosi rješavanju ekoloških problema Zemlje, letovima na Mars s ljudskom posadom, stvaranju bežičnog sistema za prijenos 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 komete.