Ядрени двигатели за космически кораби

2024 Автор: Howard Calhoun | [email protected]. Последно модифициран: 2023-12-17 10:19

Русия е била и все още остава лидер в областта на ядрената космическа енергия. Организации като RSC Energia и Roskosmos имат опит в проектирането, изграждането, изстрелването и експлоатацията на космически кораби, оборудвани с ядрен източник на енергия. Ядреният двигател дава възможност за експлоатация на самолети в продължение на много години, увеличавайки многократно тяхната практическа пригодност.

Исторически рекорд

Използването на ядрена енергия в космоса престана да бъде фантазия още през 70-те години на миналия век. Първите ядрени двигатели бяха изстреляни в космоса през 1970-1988 г. и успешно работеха на космическия кораб за наблюдение на САЩ-А. Те са използвали система с термоелектрическа ядрена централа (АЕЦ) "Бук" с електрическа мощност 3 kW.

През 1987-1988 г. две превозни средства Plasma-A с 5 kW термоелектронна атомна електроцентрала Topaz преминаха полетни и космически тестове, по време на които електрическите ракетни двигатели (EP) бяха захранвани от ядрен енергиен източник за първи път.

Завършен комплекс от наземно базирано ядрено оръжиеенергийни изпитания на термоелектронна ядрена инсталация "Енисей" с мощност 5 kW. На базата на тези технологии са разработени проекти на термоелектронни атомни електроцентрали с мощност 25-100 kW.

MB Hercules

През 70-те години на миналия век RSC Energia започва научни и практически изследвания, чиято цел е да създаде мощен ядрен космически двигател за междуорбиталния влекач (MB) Hercules. Работата позволи да се направи резерв за много години по отношение на ядрена електрическа задвижваща система (NEP) с термоелектронна ядрена електроцентрала с мощност от няколко до стотици киловата и електрически ракетни двигатели с единична мощност десетки и стотици киловати.

Дизайн параметри на MB "Hercules":

• нетна електрическа мощност на атомна електроцентрала – 550 kW;
• специфичен импулс на EPS – 30 km/s;
• тяга на проектора – 26 N;
• ресурс на атомна електроцентрала и електрическо задвижване - 16 000 часа;
• работно тяло от EPS – ксенон;
• тегло (сух) на влекача - 14,5-15,7 тона, включително атомни електроцентрали - 6,9 тона.

Последни времена

В 21-ви век е време да се създаде нов ядрен двигател за космоса. През октомври 2009 г., на заседание на Комисията към президента на Руската федерация за модернизация и технологично развитие на руската икономика, беше представен нов руски проект „Създаване на транспортно-енергиен модул с използване на атомна електроцентрала от клас мегават“. официално одобрен. Водещи разработчици са:

• Реакторна инсталация – OJSC NIKIET.
• Атомна електроцентрала със схема за преобразуване на енергия с газова турбина, EPSна базата на йонни електрически ракетни двигатели и ядрени двигателни системи като цяло - Държавен научен център „Научноизследователски център на името на A. I. M. V. Keldysh“, която е и отговорната организация за програмата за развитие на транспортния и енергиен модул (ТЕМ) като цяло.
• RKK Energia като главен проектант на ТЕМ трябва да разработи автоматично превозно средство с този модул.

Характеристики на новата инсталация

Нов ядрен двигател за космоса Русия планира да пусне в търговска експлоатация през следващите години. Очакваните характеристики на газовата турбина NEP са както следва. Като реактор се използва реактор за бързи неутрони с газово охлаждане, температурата на работния флуид (He/Xe смес) пред турбината е 1500 K, ефективността на преобразуване на топлинна в електрическа енергия е 35%, типът на охладител-радиатор е капков. Масата на силовия блок (реактор, радиационна защита и система за преобразуване, но без радиатор-радиатор) е 6800 кг.

Предвижда се да се използват космически ядрени двигатели (NPP, NPP заедно с EPS):

• Като част от бъдещи космически превозни средства.
• Като източници на електричество за енергоемки комплекси и космически кораби.
• За решаване на първите две задачи в транспортния и енергийния модул за осигуряване на доставка на електрическа ракета на тежки космически кораби и превозни средства до работни орбити и по-нататъшно дългосрочно захранване на тяхното оборудване.

Принципът на действие на ядренатадвигател

Въз основа или на сливането на ядра, или на използването на енергията на делене на ядрено гориво за образуване на реактивна тяга. Има инсталации от импулсно-експлозивни и течни видове. Експлозивната инсталация изхвърля в космоса миниатюрни атомни бомби, които, детонирайки на разстояние от няколко метра, избутват кораба напред с експлозивна вълна. На практика такива устройства все още не се използват.

Ядрените двигатели с течно гориво, от друга страна, отдавна са разработвани и тествани. Още през 60-те години съветските специалисти проектират работещ модел RD-0410. Подобни системи са разработени в Съединените щати. Техният принцип се основава на нагряване на течността с ядрен мини-реактор, тя се превръща в пара и образува струйна струя, която изтласква космическия кораб. Въпреки че устройството се нарича течност, водородът обикновено се използва като работен флуид. Друга цел на ядрените космически инсталации е да захранват електрическата бордова мрежа (инструменти) на кораби и спътници.

Тежки телекомуникационни превозни средства за глобални космически комуникации

В момента се работи по ядрен двигател за космоса, който се планира да се използва в тежки космически комуникационни превозни средства. RSC Energia извърши проучване и разработване на дизайн на икономически конкурентна глобална космическа комуникационна система с евтини клетъчни комуникации, което трябваше да бъде постигнато чрез прехвърляне на "телефонната станция" от Земята в космоса.

Необходимите условия за тяхното създаване са:

• почти пълно запълване на геостационарната орбита (GSO) с работни ипасивни спътници;
• изчерпване на честотата;
• положителен опит в създаването и комерсиалното използване на информационни геостационарни спътници от серията Yamal.

При създаването на платформата Yamal новите технически решения представляват 95%, което позволява на такива превозни средства да станат конкурентоспособни на световния пазар на космически услуги.

Предвижда се модулите да бъдат заменени с технологично комуникационно оборудване приблизително на всеки седем години. Това би позволило създаването на системи от 3-4 тежки многофункционални GEO спътника с увеличаване на консумираната от тях електроенергия. Първоначално космическите кораби са проектирани на базата на слънчеви панели с мощност 30-80 kW. На следващия етап се планира използването на ядрени двигатели с мощност 400 kW с ресурс до една година в транспортен режим (за доставка на базовия модул към GSO) и 150-180 kW в режим на продължителна работа (най-малко 10-15 години) като източник на електричество

Ядрени двигатели в системата за защита от метеорити на Земята

Проучванията за проектиране, извършени от RSC Energia в края на 90-те години, показаха, че при създаването на антиметеоритна система за защита на Земята от ядрата на комети и астероиди, ядрено-електрически инсталации и ядрени задвижващи системи могат да бъдат използва се за:

1. Създаване на система за наблюдение на траекториите на астероиди и комети, пресичащи орбитата на Земята. За да направите това, се предлага да се организират специални космически кораби, оборудвани с оптично и радарно оборудване за откриване на опасни обекти,изчисляване на параметрите на техните траектории и първично изследване на техните характеристики. Системата може да използва ядрен космически двигател с двурежимна термоелектронна атомна електроцентрала с мощност от 150 kW или повече. Неговият ресурс трябва да е на поне 10 години.
2. Тестване на средства за въздействие (експлозия на термоядрено устройство) върху полигонно безопасен астероид. Мощността на NEP да достави тестовото устройство до астероидната тестова площадка зависи от масата на доставения полезен товар (150-500 kW).
3. Доставка на редовни средства за въздействие (прехващач с общо тегло 15-50 тона) до опасен обект, приближаващ се до Земята. Ще е необходим ядрен реактивен двигател с мощност 1-10 MW за доставяне на термоядрен заряд към опасен астероид, чиято повърхностна експлозия, поради струята на астероидния материал, може да го отклони от опасна траектория.

Доставка на изследователско оборудване до дълбокия космос

Доставката на научно оборудване до космически обекти (далечни планети, периодични комети, астероиди) може да се извърши с помощта на космически етапи, базирани на LRE. Препоръчително е да се използват ядрени двигатели за космически кораби, когато задачата е влизане в орбитата на спътник на небесно тяло, директен контакт с небесно тяло, вземане на проби от вещества и други изследвания, които изискват увеличаване на масата на изследователския комплекс, включване на етапи за кацане и излитане.

Параметри на двигателя

Ядрени двигатели за космически корабИзследователският комплекс ще разшири "стартовия прозорец" (поради контролираната скорост на изтичане на работния флуид), което опростява планирането и намалява цената на проекта. Изследванията, проведени от RSC Energia, показват, че ядрена задвижваща система с мощност 150 kW с експлоатационен живот до три години е обещаващо средство за доставяне на космически модули до астероидния пояс..

В същото време доставката на изследователски апарат до орбитите на далечни планети на Слънчевата система изисква увеличаване на ресурса на такава ядрена инсталация до 5-7 години. Доказано е, че комплекс с ядрена задвижваща система с мощност около 1 MW като част от изследователски космически кораб ще позволи ускорено доставяне на изкуствени спътници на най-далечните планети, планетарни роувъри до повърхността на естествените спътници на тези планети и доставка на почва от комети, астероиди, Меркурий и луни на Юпитер и Сатурн.

Влекач за многократна употреба (MB)

Един от най-важните начини за повишаване на ефективността на транспортните операции в космоса е повторното използване на елементи от транспортната система. Ядреният двигател за космически кораб с мощност най-малко 500 kW дава възможност за създаване на влекач за многократна употреба и по този начин значително повишаване на ефективността на многолинкова космическа транспортна система. Такава система е особено полезна в програма за осигуряване на големи годишни товарни потоци. Пример за това е програмата за изследване на Луната със създаването и поддържането на постоянно нарастваща обитаема база и експериментални технологични и производствени комплекси.

Изчисляване на товарооборот

Според проектните проучвания на RKK"Енергия", по време на изграждането на базата, модули с тегло около 10 тона трябва да бъдат доставени на повърхността на Луната до 30 тона в орбитата на Луната, за да се осигури функционирането и развитието на базата - 400-500 т.

Обаче принципът на работа на ядрения двигател не позволява достатъчно бързо разпръскване на транспортера. Поради дългото време на транспортиране и съответно значителното време, прекарано от полезния товар в радиационните пояси на Земята, не всички товари могат да бъдат доставени с помощта на влекачи с ядрена мощност. Следователно, товаропотокът, който може да бъде осигурен на базата на NEP, се оценява само на 100-300 тона/година.

Разходна ефективност

Като критерий за икономическа ефективност на междуорбиталната транспортна система е препоръчително да се използва стойността на единичната цена за транспортиране на единица маса полезен товар (PG) от земната повърхност до целевата орбита. RSC Energia разработи икономически и математически модел, който отчита основните компоненти на разходите в транспортната система:

• за създаване и изстрелване на влекач модули в орбита;
• за закупуване на работеща ядрена инсталация;
• оперативни разходи, както и разходи за научноизследователска и развойна дейност и възможни капиталови разходи.

Показателите за разходите зависят от оптималните параметри на MB. Използвайки този модел, сравнителноикономическа ефективност от използването на влекач за многократна употреба на база NEP с мощност около 1 MW и влекач за еднократна употреба на базата на модерни течни ракетни двигатели в програмата за доставяне на полезен товар с обща маса 100 t/година от Земята до орбитата на Луната с височина 100 км. При използване на една и съща ракета-носител с товароподемност, равна на товароносимостта на ракетата-носител Протон-М и схема с две изстрелвания за изграждане на транспортна система, единичната цена за доставяне на единица маса полезен товар с помощта на влекач с ядрен двигател ще бъде три пъти по-ниска, отколкото при използване на влекачи за еднократна употреба на базата на ракети с течни двигатели тип DM-3.

Заключение

Ефективният ядрен двигател за космоса допринася за решаването на екологичните проблеми на Земята, пилотиран полет до Марс, създаване на безжична система за пренос на енергия в космоса, реализиране с повишена безопасност на обезвреждането на особено опасни радиоактивни отпадъци от наземна основа ядрена енергия в космоса, създаване на обитаема лунна база и започване на промишлено изследване на Луната, гарантиращо защитата на Земята от опасност от астероид-комета.