Motoare nucleare pentru nave spațiale

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Modificat ultima dată: 2023-12-17 10:39

Rusia a fost și rămâne un lider în domeniul energiei spațiale nucleare. Organizații precum RSC Energia și Roskosmos au experiență în proiectarea, construirea, lansarea și operarea navelor spațiale echipate cu o sursă de energie nucleară. Un motor nuclear face posibilă operarea aeronavelor timp de mulți ani, sporindu-le de mai multe ori adecvarea practică.

Record istoric

Utilizarea energiei nucleare în spațiu a încetat să mai fie o fantezie încă din anii 70 ai secolului trecut. Primele motoare nucleare au fost lansate în spațiu în 1970-1988 și au funcționat cu succes pe nava spațială de observare US-A. Au folosit un sistem cu o centrală termoelectrică nucleară (NPP) „Buk” cu o putere electrică de 3 kW.

În 1987-1988, două vehicule cu Plasma-A cu o centrală nucleară termoionică Topaz de 5 kW au fost supuse unor teste de zbor și spațiu, în timpul cărora motoarele de rachete electrice (EP) au fost alimentate de la o sursă de energie nucleară pentru prima dată.

A finalizat un complex de nucleare la solteste energetice ale instalatiei nucleare termoionice „Yenisei” cu o capacitate de 5 kW. Pe baza acestor tehnologii au fost dezvoltate proiecte de centrale nucleare termoionice cu o capacitate de 25-100 kW.

MB Hercules

În anii 1970, RSC Energia a început cercetări științifice și practice, al căror scop era crearea unui motor spațial nuclear puternic pentru remorcherul interorbital (MB) Hercules. Lucrarea a făcut posibilă realizarea unei rezerve pentru mulți ani în ceea ce privește un sistem de propulsie nuclear electric (NEP) cu o centrală nucleară termoionică cu o putere de la câteva până la sute de kilowați și motoare electrice cu rachete cu o putere unitară de zeci și sute. de kilowați.

Parametri de proiectare ai MB „Hercules”:

• puterea electrică netă a centralei nucleare – 550 kW;
• impuls specific de EPS – 30 km/s;
• împingerea proiectorului – 26 N;
• resursa centralei nucleare si propulsie electrica - 16.000 de ore;
• corp de lucru din EPS – xenon;
• greutatea (uscata) a remorcherului - 14,5-15,7 tone, inclusiv centralele nucleare - 6,9 tone.

Timpurile recente

În secolul 21, este timpul să creăm un nou motor nuclear pentru spațiu. În octombrie 2009, la o reuniune a Comisiei sub președintele Federației Ruse pentru modernizarea și dezvoltarea tehnologică a economiei ruse, a fost un nou proiect rusesc „Crearea unui modul de transport și energie folosind o centrală nucleară de clasa megawați”. aprobat oficial. Dezvoltatorii principali sunt:

• Uzina de reactoare – OJSC NIKIET.
• Centrală nucleară cu o schemă de conversie a energiei unei turbine cu gaz, EPSpe baza motoarelor de rachete electrice ionice și a sistemelor de propulsie nucleară în ansamblu - Centrul Științific de Stat „Centrul de cercetare numit după A. I. M. V. Keldysh”, care este, de asemenea, organizația responsabilă pentru programul de dezvoltare a modulului de transport și energie (TEM) în ansamblu.
• RKK Energia, în calitate de proiectant general al TEM, ar trebui să dezvolte un vehicul automat cu acest modul.

Caracteristicile noii instalații

Noul motor nuclear pentru spațiu Rusia intenționează să-l pună în funcțiune comercială în următorii ani. Caracteristicile așteptate ale turbinei cu gaz NEP sunt următoarele. Ca reactor, se folosește un reactor cu neutroni rapid răcit cu gaz, temperatura fluidului de lucru (amestec He/Xe) în fața turbinei este de 1500 K, eficiența conversiei energiei termice în energie electrică este de 35%, tipul de răcitorul-radiator se scurge. Masa unității de putere (reactor, sistem de protecție împotriva radiațiilor și conversie, dar fără radiator-radiator) este de 6.800 kg.

Motoarele nucleare spațiale (NPP, NPP împreună cu EPS) sunt planificate să fie utilizate:

• Ca parte a viitoarelor vehicule spațiale.
• Ca surse de energie electrică pentru complexe și nave spațiale consumatoare de energie.
• Pentru a rezolva primele două sarcini din modulul de transport și energie pentru a asigura livrarea cu rachete electrice a navelor spațiale grele și a vehiculelor pe orbite de lucru și alimentarea suplimentară cu energie pe termen lung a echipamentelor lor.

Principiul funcționării nuclearemotor

Bazat fie pe fuziunea nucleelor, fie pe utilizarea energiei de fisiune a combustibilului nuclear pentru a forma propulsia jetului. Există instalații de tip puls-exploziv și lichid. Instalația explozivă aruncă în spațiu bombe atomice miniaturale care, detonând la o distanță de câțiva metri, împing nava înainte cu un val exploziv. În practică, astfel de dispozitive nu sunt încă folosite.

Motoarele nucleare alimentate cu combustibil lichid, pe de altă parte, au fost dezvoltate și testate de mult timp. În anii 60, specialiștii sovietici au proiectat un model funcțional RD-0410. Sisteme similare au fost dezvoltate în Statele Unite. Principiul lor se bazează pe încălzirea lichidului cu un mini-reactor nuclear, acesta se transformă în abur și formează un curent cu jet, care împinge nava spațială. Deși dispozitivul se numește lichid, hidrogenul este de obicei folosit ca fluid de lucru. Un alt scop al instalațiilor spațiale nucleare este de a alimenta rețeaua electrică de bord (instrumente) a navelor și a sateliților.

Vehicule grele de telecomunicații pentru comunicațiile spațiale globale

În acest moment, se lucrează la un motor nuclear pentru spațiu, care este planificat să fie utilizat în vehiculele grele de comunicații spațiale. RSC Energia a efectuat cercetare și dezvoltare de proiectare a unui sistem global de comunicații spațiale competitiv din punct de vedere economic, cu comunicații celulare ieftine, care trebuia să fie realizat prin transferul „stației telefonice” de pe Pământ în spațiu.

Condițiile preliminare pentru crearea lor sunt:

• umplerea aproape completă a orbitei geostaționare (GSO) cu funcționare șiînsoțitori pasivi;
• epuizarea frecvenței;
• experiență pozitivă în crearea și utilizarea comercială a sateliților informaționali geostaționari din seria Yamal.

La crearea platformei Yamal, noile soluții tehnice au reprezentat 95%, ceea ce a permis acestor vehicule să devină competitive pe piața globală a serviciilor spațiale.

Se preconizează înlocuirea modulelor cu echipamente tehnologice de comunicații aproximativ la fiecare șapte ani. Acest lucru ar face posibilă crearea unor sisteme de 3-4 sateliți GEO multifuncționali grei cu o creștere a energiei electrice consumate de aceștia. Inițial, navele spațiale au fost proiectate pe baza de panouri solare cu o capacitate de 30-80 kW. În următoarea etapă, este planificată utilizarea motoarelor nucleare de 400 kW cu o resursă de până la un an în modul de transport (pentru livrarea modulului de bază către GSO) și 150-180 kW în modul de funcționare pe termen lung. (cel puțin 10-15 ani) ca sursă de energie electrică.

Motoare nucleare în sistemul de protecție anti-meteoriți al Pământului

Studiile de proiectare efectuate de RSC Energia la sfârșitul anilor 90 au arătat că în crearea unui sistem antimeteoriți pentru protejarea Pământului de nucleele de comete și asteroizi, instalațiile nuclearo-electrice și sistemele de propulsie nucleară pot fi folosit pentru:

1. Crearea unui sistem de monitorizare a traiectoriilor asteroizilor și cometelor care traversează orbita Pământului. Pentru a face acest lucru, se propune amenajarea navelor spațiale speciale echipate cu echipamente optice și radar pentru detectarea obiectelor periculoase,calculul parametrilor traiectoriilor lor și studiul primar al caracteristicilor acestora. Sistemul poate utiliza un motor spațial nuclear cu o centrală nucleară termoionică cu două moduri, cu o putere de 150 kW sau mai mult. Resursa sa trebuie să aibă o vechime de cel puțin 10 ani.
2. Testarea mijloacelor de influență (explozia unui dispozitiv termonuclear) pe un asteroid sigur pentru poligon. Puterea NEP de a livra dispozitivul de testare la locul de testare a asteroizilor depinde de masa sarcinii utile livrate (150-500 kW).
3. Livrarea mijloacelor obișnuite de influență (interceptor cu o greutate totală de 15-50 de tone) către un obiect periculos care se apropie de Pământ. Va fi necesar un motor cu reacție nucleară cu o capacitate de 1-10 MW pentru a furniza o încărcare termonucleară unui asteroid periculos, a cărui explozie la suprafață, datorită fluxului de jet al materialului asteroidului, îl poate devia de la o traiectorie periculoasă.

Livrarea de echipamente de cercetare în spațiul profund

Livrarea de echipamente științifice către obiecte spațiale (planete îndepărtate, comete periodice, asteroizi) poate fi efectuată folosind etapele spațiale bazate pe LRE. Este recomandabil să folosiți motoare nucleare pentru nave spațiale atunci când sarcina este de a intra pe orbita unui satelit al unui corp ceresc, contact direct cu un corp ceresc, prelevarea de substanțe și alte studii care necesită o creștere a masei complexului de cercetare, includerea etapelor de aterizare și decolare.

Parametri motor

Motor nuclear pentru nave spațialeComplexul de cercetare va extinde „fereastra de pornire” (datorită debitului controlat al fluidului de lucru), ceea ce simplifică planificarea și reduce costul proiectului. Cercetările efectuate de RSC Energia au arătat că un sistem de propulsie nucleară de 150 kW cu o durată de viață de până la trei ani este un mijloc promițător de a livra module spațiale către centura de asteroizi.

În același timp, livrarea unui aparat de cercetare pe orbitele planetelor îndepărtate ale sistemului solar necesită o creștere a resursei unei astfel de instalații nucleare până la 5-7 ani. S-a dovedit că un complex cu un sistem de propulsie nucleară cu o putere de aproximativ 1 MW ca parte a unei nave spațiale de cercetare va permite livrarea accelerată a sateliților artificiali ai celor mai îndepărtate planete, rover-uri planetare la suprafața sateliților naturali ai acestor planete. și livrarea solului de la comete, asteroizi, Mercur și lunile lui Jupiter și Saturn.

Remorcher reutilizabil (MB)

Una dintre cele mai importante modalități de creștere a eficienței operațiunilor de transport în spațiu este utilizarea reutilizabilă a elementelor sistemului de transport. Un motor nuclear pentru nave spațiale cu o putere de cel puțin 500 kW face posibilă crearea unui remorcher reutilizabil și, prin urmare, crește semnificativ eficiența unui sistem de transport spațial cu mai multe legături. Un astfel de sistem este deosebit de util într-un program de asigurare a fluxurilor anuale mari de marfă. Un exemplu este programul de explorare a Lunii cu crearea și întreținerea unei baze locuibile în continuă creștere și a complexelor tehnologice și de producție experimentale.

Calculul cifrei de afaceri de marfă

Conform studiilor de proiectare RKK„Energia”, în timpul construcției bazei, modulele cu o greutate de aproximativ 10 tone ar trebui livrate la suprafața Lunii, până la 30 de tone pe orbita Lunii. pentru a asigura funcționarea și dezvoltarea bazei - 400-500 t.

Cu toate acestea, principiul de funcționare al motorului nuclear nu permite dispersarea transportorului suficient de rapid. Datorită timpului lung de transport și, în consecință, a timpului semnificativ petrecut de sarcina utilă în centurile de radiații ale Pământului, nu toată încărcătura poate fi livrată cu remorchere cu propulsie nucleară. Prin urmare, fluxul de marfă care poate fi asigurat pe baza NEP este estimat la doar 100-300 tone/an.

Eficiența costurilor

Ca un criteriu pentru eficiența economică a sistemului de transport interorbital, este recomandabil să se folosească valoarea costului unitar al transportului unei unități de masă a sarcinii utile (PG) de la suprafața Pământului pe orbita țintă. RSC Energia a dezvoltat un model economic și matematic care ia în considerare principalele componente de cost din sistemul de transport:

• pentru a crea și a lansa module remorcher pe orbită;
• pentru achiziționarea unei instalații nucleare funcționale;
• costuri de exploatare, precum și costuri de cercetare și dezvoltare și posibile costuri de capital.

Indicatorii de cost depind de parametrii optimi ai MB. Folosind acest model, un comparativeficiența economică a utilizării unui remorcher reutilizabil bazat pe NEP cu o putere de aproximativ 1 MW și a unui remorcher de unică folosință bazat pe motoare rachete lichide avansate în programul de livrare a unei sarcini utile cu o masă totală de 100 t/an de la Pământ pe orbita Lunii cu o înălțime de 100 km. Atunci când se utilizează același vehicul de lansare cu o capacitate de transport egală cu capacitatea de transport a vehiculului de lansare Proton-M și o schemă de lansare cu două lansări pentru construirea unui sistem de transport, costul unitar al livrării unei unități de masă de sarcină utilă folosind un remorcher cu propulsie nucleară va fi de trei ori mai mic decât atunci când se utilizează remorchere de unică folosință bazate pe rachete cu motoare lichide tip DM-3.

Concluzie

Un motor nuclear eficient pentru spațiu contribuie la rezolvarea problemelor de mediu ale Pământului, zborul cu echipaj către Marte, crearea unui sistem de transmisie a energiei fără fir în spațiu, implementarea eliminării în siguranță a deșeurilor radioactive extrem de periculoase din energia nucleară terestră în spațiu, creând o bază lunară locuibilă și demarând explorarea industrială a Lunii, asigurând protecția Pământului împotriva pericolului de asteroid-cometă.