Branduoliniai varikliai erdvėlaiviams

2024 Autorius: Howard Calhoun | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2023-12-17 10:34

Rusija buvo ir tebėra lyderė branduolinės erdvės energetikos srityje. Tokios organizacijos kaip RSC Energia ir Roskosmos turi patirties projektuojant, statant, paleidžiant ir eksploatuojant erdvėlaivius su branduolinės energijos š altiniu. Branduolinis variklis leidžia eksploatuoti orlaivius daugelį metų, todėl jų praktinis tinkamumas daug kartų padidėja.

Istorijos rekordas

Branduolinės energijos naudojimas kosmose nustojo būti fantazija praėjusio amžiaus aštuntajame dešimtmetyje. Pirmieji branduoliniai varikliai į kosmosą buvo paleisti 1970–1988 metais ir sėkmingai veikė US-A stebėjimo erdvėlaivyje. Jie naudojo sistemą su termoelektrine atomine elektrine (AE) „Buk“, kurios elektros galia 3 kW.

1987–1988 m. dviem „Plasma-A“transporto priemonėms su 5 kW galios Topaz termoelektrine buvo atlikti skrydžio ir erdvės bandymai, kurių metu elektriniai raketiniai varikliai (EP) pirmą kartą buvo varomi iš branduolinės energijos š altinio.

Užbaigtas antžeminės branduolinės energijos kompleksas5 kW galios termobranduolinio įrenginio „Jenisėjus“energetiniai bandymai. Šių technologijų pagrindu sukurti 25-100 kW galios termofikacinių atominių elektrinių projektai.

MB Hercules

Aštuntajame dešimtmetyje RSC Energia pradėjo mokslinius ir praktinius tyrimus, kurių tikslas buvo sukurti galingą branduolinį kosminį variklį tarporbitiniam vilkikui (MB) Hercules. Šis darbas leido daug metų rezervuoti branduolinę elektrinę varomąją sistemą (NEP) su termoelektrine, kurios galia nuo kelių iki šimtų kilovatų, ir elektriniais raketų varikliais, kurių vienetinė galia yra dešimtys ir šimtai. kilovatų.

MB „Hercules“dizaino parametrai:

• grynoji atominės elektrinės elektros galia – 550 kW;
• specifinis EPS impulsas – 30 km/s;
• projektoriaus trauka – 26 N;
• atominės elektrinės ir elektros varomosios jėgos ištekliai - 16 000 valandų;
• darbinis EPS korpusas – ksenonas;
• vilkiko svoris (sausas) - 14,5-15,7 tonos, įskaitant atomines elektrines - 6,9 tonos.

Naujausi laikas

XXI amžiuje laikas sukurti naują branduolinį variklį kosmosui. 2009 m. spalio mėn. vykusiame Komisijos prie Rusijos Federacijos prezidento Rusijos ekonomikos modernizavimo ir technologinės plėtros posėdyje buvo pristatytas naujas Rusijos projektas „Transporto ir energetikos modulio sukūrimas naudojant megavatų klasės atominę elektrinę“. oficialiai patvirtintas. Pagrindiniai kūrėjai yra:

• Reaktoriaus gamykla – OJSC NIKIET.
• Atominė elektrinė su dujų turbinos energijos konversijos schema, EPSjoninių elektrinių raketų variklių ir branduolinių varomųjų sistemų pagrindu - Valstybinis mokslo centras „Mokslinių tyrimų centras, pavadintas A. I. M. V. Keldysh“, kuri taip pat yra atsakinga už viso transporto ir energetikos modulio (TEM) plėtros programą.
• RKK Energia, kaip generalinis TEM projektuotojas, turėtų sukurti automatinę transporto priemonę su šiuo moduliu.

Naujos įrengimo ypatybės

Naujas branduolinis variklis kosmosui Rusija artimiausiais metais planuoja pradėti komercinę veiklą. Numatomos dujų turbinos NEP charakteristikos yra tokios. Kaip reaktorius naudojamas dujomis aušinamas greitųjų neutronų reaktorius, darbinio skysčio (He/Xe mišinio) temperatūra priešais turbiną 1500 K, šilumos pavertimo elektros energija efektyvumas 35%, tipas aušintuvas-radiatorius lašėja. Jėgos bloko (reaktoriaus, radiacinės apsaugos ir konversijos sistemos, bet be radiatoriaus-radiatoriaus) masė yra 6800 kg.

Planuojama naudoti kosminius branduolinius variklius (AE, AE kartu su EPS):

• Kaip būsimų kosminių transporto priemonių dalis.
• Kaip elektros energijos š altiniai daug energijos vartojantiems kompleksams ir erdvėlaiviams.
• Spręsti pirmąsias dvi užduotis transporto ir energijos modulyje, siekiant užtikrinti sunkiųjų erdvėlaivių ir transporto priemonių elektrinių raketų pristatymą į darbo orbitas ir tolesnį ilgalaikį energijos tiekimą jų įrangai.

Branduolinės energijos veikimo principasvariklis

Remiantis arba branduolių sinteze, arba branduolinio kuro dalijimosi energijos panaudojimu reaktyvinei traukai formuoti. Yra impulsinių sprogstamųjų ir skystųjų tipų įrenginių. Sprogstamoji instaliacija į kosmosą meta miniatiūrines atomines bombas, kurios, detonuodamos kelių metrų atstumu, sprogstama banga stumia laivą į priekį. Praktiškai tokie įrenginiai dar nenaudojami.

Kita vertus, skystu kuru varomi branduoliniai varikliai jau seniai buvo kuriami ir išbandomi. 60-aisiais sovietų specialistai sukūrė veiksmingą modelį RD-0410. Panašios sistemos buvo sukurtos JAV. Jų principas pagrįstas skysčio kaitinimu branduoliniu mini reaktoriumi, jis virsta garais ir suformuoja reaktyvinį srautą, kuris stumia erdvėlaivį. Nors prietaisas vadinamas skystu, kaip darbinis skystis dažniausiai naudojamas vandenilis. Kitas branduolinių kosmoso įrenginių tikslas – aprūpinti laivų ir palydovų elektrinį tinklą (instrumentus).

Sunkieji telekomunikacijų automobiliai, skirti pasauliniam kosminiam ryšiui

Nr. „RSC Energia“atliko ekonomiškai konkurencingos pasaulinės kosminių ryšių sistemos su pigiu koriniu ryšiu tyrimus ir projektavimo plėtrą, kuri turėjo būti pasiekta perkeliant „telefono stotį“iš Žemės į kosmosą.

Jų kūrimo būtinos sąlygos:

• beveik pilnas geostacionarios orbitos (GSO) užpildymas darbo irpasyvūs kompanionai;
• dažnio išsekimas;
• teigiama patirtis kuriant ir komerciškai naudojant Jamalo serijos informacinius geostacionarius palydovus.

Kuriant Jamalo platformą nauji techniniai sprendimai sudarė 95 proc., o tai leido tokioms transporto priemonėms tapti konkurencingomis pasaulinėje kosmoso paslaugų rinkoje.

Numatoma modulius keisti technologinių ryšių įranga maždaug kas septynerius metus. Tai leistų sukurti 3-4 sunkiųjų daugiafunkcinių GEO palydovų sistemas, padidinant jų suvartojamą elektros energiją. Iš pradžių erdvėlaiviai buvo kuriami remiantis saulės baterijomis, kurių galia 30-80 kW. Kitame etape planuojama naudoti 400 kW galios branduolinius variklius, kurių resursas iki vienerių metų transporto režimu (bazinio modulio pristatymui į GSO) ir 150-180 kW ilgalaikio darbo režimu. (bent 10–15 metų) kaip elektros energijos š altinis.

Branduoliniai varikliai Žemės apsaugos nuo meteorito sistemoje

Dešimtojo dešimtmečio pabaigoje RSC Energia atlikti projektavimo tyrimai parodė, kad kuriant antimeteoritinę sistemą, skirtą apsaugoti Žemę nuo kometų ir asteroidų branduolių, branduoliniai-elektriniai įrenginiai ir branduolinės varomosios sistemos gali būti naudojamas:

1. Asteroidų ir kometų, kertančių Žemės orbitą, trajektorijų stebėjimo sistemos kūrimas. Tam siūloma įrengti specialius erdvėlaivius su optine ir radiolokacine įranga pavojingiems objektams aptikti,jų trajektorijų parametrų skaičiavimas ir pirminis charakteristikų tyrimas. Sistema gali naudoti branduolinį kosminį variklį su dviejų režimų termoelektrine, kurios galia yra 150 kW ar daugiau. Jo išteklius turi būti bent 10 metų senumo.
2. Įtakos (termobranduolinio įtaiso sprogimo) bandymas daugiakampiam saugiam asteroidui. NEP galia pristatyti bandomąjį įrenginį į asteroidų bandymų vietą priklauso nuo pristatytos naudingosios apkrovos masės (150–500 kW).
3. Įprastų poveikio priemonių (15-50 tonų bendros masės gaudyklės) pristatymas į pavojingą objektą, artėjantį prie Žemės. Pavojingam asteroidui termobranduoliniam užtaisui pristatyti reikės 1-10 MW galios branduolinio reaktyvinio variklio, kurio paviršinis sprogimas dėl asteroido medžiagos reaktyvinio srauto gali nukreipti jį nuo pavojingos trajektorijos.

Tyrimo įrangos pristatymas į gilųjį kosmosą

Mokslinės įrangos pristatymas į kosminius objektus (tolimas planetas, periodines kometas, asteroidus) gali būti vykdomas naudojant kosminius etapus, pagrįstus LRE. Branduolinius variklius erdvėlaiviams patartina naudoti, kai užduotis yra patekti į dangaus kūno palydovo orbitą, tiesioginis kontaktas su dangaus kūnu, medžiagų mėginių ėmimas ir kiti tyrimai, kuriems reikia padidinti tyrimo komplekso masę, tūpimo ir kilimo etapų įtraukimas.

Variklio parametrai

Branduolinis variklis erdvėlaiviamsTyrimų kompleksas išplės „pradžios langą“(dėl kontroliuojamo darbinio skysčio nutekėjimo greičio), o tai supaprastina planavimą ir sumažina projekto sąnaudas. „RSC Energia“atliktas tyrimas parodė, kad 150 kW galios branduolinė varomoji sistema, kurios tarnavimo laikas iki trejų metų, yra perspektyvi priemonė pristatyti kosminius modulius į asteroidų juostą.

Tuo pat metu, norint pristatyti tyrimų aparatą į tolimų Saulės sistemos planetų orbitas, tokio branduolinio įrenginio išteklius reikia padidinti iki 5–7 metų. Įrodyta, kad kompleksas su maždaug 1 MW galios branduoline varomąja sistema kaip mokslinių tyrimų erdvėlaivio dalis leis greičiau pristatyti dirbtinius tolimiausių planetų palydovus, planetinius marsaeigius į šių planetų natūralių palydovų paviršių. ir dirvožemio pristatymas iš kometų, asteroidų, Merkurijaus ir Jupiterio bei Saturno palydovų.

Daugkartinis vilkikas (MB)

Vienas iš svarbiausių būdų, kaip padidinti transporto operacijų kosmose efektyvumą, yra daugkartinis transporto sistemos elementų panaudojimas. Ne mažesnės kaip 500 kW galios erdvėlaivių branduolinis variklis leidžia sukurti daugkartinį vilkiką ir taip žymiai padidinti kelių jungčių kosminio transporto sistemos efektyvumą. Tokia sistema ypač praverčia programoje, užtikrinančioje didelius metinius krovinių srautus. Pavyzdys yra Mėnulio tyrinėjimo programa, kuriant ir prižiūrint nuolat augančią gyvenamąją bazę bei eksperimentinius technologinius ir gamybos kompleksus.

Krovinių apyvartos skaičiavimas

Pagal RKK dizaino studijas„Energija“, statant bazę, į Mėnulio paviršių turėtų būti atgabenti apie 10 tonų sveriantys moduliai, į Mėnulio orbitą iki 30 tonų.pagrindo funkcionavimui ir plėtrai užtikrinti – 400-500 t.

Tačiau branduolinio variklio veikimo principas neleidžia pakankamai greitai išsklaidyti transporterio. Dėl ilgo transportavimo laiko ir atitinkamai daug laiko, kurį naudingoji apkrova praleidžia Žemės radiacinėse juostose, ne visi kroviniai gali būti pristatyti naudojant branduolinius vilkikus. Todėl krovinių srautas, kurį galima užtikrinti NEP pagrindu, yra tik 100-300 tonų per metus.

Sąnaudų efektyvumas

Kaip tarporbitinės transporto sistemos ekonominio efektyvumo kriterijų, patartina naudoti vienetinio naudingojo krovinio masės (PG) transportavimo nuo Žemės paviršiaus iki tikslinės orbitos vieneto sąnaudų vertę. RSC Energia sukūrė ekonominį ir matematinį modelį, kuriame atsižvelgiama į pagrindinius transporto sistemos kaštų komponentus:

• kurti ir paleisti vilkimo modulius į orbitą;
• veikiančiam branduoliniam įrenginiui įsigyti;
• eksploatacinės išlaidos, taip pat MTTP sąnaudos ir galimos kapitalo sąnaudos.

Kainų rodikliai priklauso nuo optimalių MB parametrų. Naudojant šį modelį, lyginamojiDaugkartinio NEP pagrindu veikiančio vilkiko, kurio galia yra apie 1 MW, ir vienkartinio vilkiko, pagrįsto pažangiais skystųjų raketų varikliais, naudojimo ekonominis efektyvumas programoje, skirtoje 100 t/metų naudingojo krovinio transportavimui iš Žemės į Mėnulio orbitą kurio aukštis 100 km. Naudojant tą pačią nešančiąją raketą, kurios keliamoji galia yra lygi nešančiosios raketos „Proton-M“keliamajai galiai, ir dviejų paleidimo schemą transporto sistemai sukurti, vieneto kaina, atgabenant vienetinio naudingojo krovinio masę naudojant branduolinį vilkiką bus tris kartus mažesnis nei naudojant vienkartinius vilkikus su raketomis su DM-3 tipo skystais varikliais.

Išvada

Efektyvus branduolinis variklis kosmosui padeda spręsti Žemės aplinkosaugos problemas, pilotuojamas skrydis į Marsą, sukuriama bevielė energijos perdavimo sistema erdvėje, su padidinta sauga įgyvendinamas ypač pavojingų antžeminių radioaktyviųjų atliekų šalinimas. branduolinė energija kosmose, sukuriama gyventi tinkama Mėnulio bazė ir pradedamas pramoninis Mėnulio tyrinėjimas, užtikrinama Žemės apsauga nuo asteroidų ir kometų pavojaus.