Ydinmoottorit avaruusaluksiin

2024 Kirjoittaja: Howard Calhoun | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2023-12-17 10:26

Venäjä on ollut ja on edelleen johtaja ydinavaruusenergian alalla. Organisaatioilla, kuten RSC Energialla ja Roskosmosilla, on kokemusta ydinvoimalähteellä varustettujen avaruusalusten suunnittelusta, rakentamisesta, laukaisusta ja käytöstä. Ydinmoottori mahdollistaa lentokoneiden käytön useiden vuosien ajan, mikä lisää niiden käytännön soveltuvuutta moninkertaisesti.

Historiallinen ennätys

Ydinenergian käyttö avaruudessa lakkasi olemasta fantasia jo viime vuosisadan 70-luvulla. Ensimmäiset ydinmoottorit laukaistiin avaruuteen vuosina 1970-1988, ja ne toimivat menestyksekkäästi US-A-havaintoavaruusaluksessa. He käyttivät järjestelmää, jossa oli lämpösähköinen ydinvoimalaitos (NPP) "Buk", jonka sähköteho oli 3 kW.

Vuosina 1987-1988 kahdelle Plasma-A-ajoneuvolle, joissa oli 5 kW:n Topaz-termioninen ydinvoimala, tehtiin lento- ja avaruuskokeet, joiden aikana sähköisiä rakettimoottoreita (EP) käytettiin ensimmäistä kertaa ydinenergialähteestä.

Saanut valmiiksi maanpäällisen ydinvoimakompleksinYenisein lämpöydinlaitoksen energiatestit, joiden kapasiteetti on 5 kW. Näiden teknologioiden pohj alta on kehitetty 25-100 kW:n lämpöydinvoimalaitoshankkeita.

MB Hercules

RSC Energia aloitti 1970-luvulla tieteellisen ja käytännön tutkimuksen, jonka tarkoituksena oli luoda voimakas ydinavaruusmoottori interorbitaaliseen hinaajaan (MB) Hercules. Työ mahdollisti useiden vuosien reservin tekemisen ydinsähkökäyttöiselle propulsiojärjestelmälle (NEP) termionisella ydinvoimalaitoksella, jonka teho on useista satoihin kilowatteihin, sekä sähköisillä rakettimoottoreilla, joiden yksikköteho on kymmeniä ja satoja. kilowattia.

MB "Herculesin" suunnitteluparametrit:

• ydinvoimalaitoksen nettosähköteho – 550 kW;
• EPS:n ominaisimpulssi – 30 km/s;
• projektorin työntövoima – 26 N;
• ydinvoimalaitoksen ja sähkövoiman resurssit - 16 000 tuntia;
• EPS:n työkappale – ksenon;
• hinaajan paino (kuiva) - 14,5-15,7 tonnia, mukaan lukien ydinvoimalat - 6,9 tonnia.

Viimeaikaiset ajat

2000-luvulla on aika luoda uusi ydinmoottori avaruuteen. Lokakuussa 2009 Venäjän federaation presidentin johtaman komission kokouksessa Venäjän talouden nykyaikaistamisesta ja teknologisesta kehittämisestä esiteltiin uusi venäläinen hanke "Kuljetus- ja energiamoduulin luominen megawattiluokan ydinvoimalaitoksella". virallisesti hyväksytty. Pääkehittäjät ovat:

• Reaktorilaitos – OJSC NIKIET.
• Ydinvoimalaitos kaasuturbiinin energian muunnosjärjestelmällä, EPSionisähköisten rakettimoottorien ja ydinvoimajärjestelmien perusteella kokonaisuudessaan - V altion tieteellinen keskus "A. I.:n mukaan nimetty tutkimuskeskus. M. V. Keldysh”, joka on myös vastuussa koko liikenne- ja energiamoduulin (TEM) kehitysohjelmasta.
• RKK Energian TEM:n yleissuunnittelijana tulisi kehittää automaattinen ajoneuvo tällä moduulilla.

Uuden asennuksen ominaisuudet

Uusi ydinmoottori avaruuteen Venäjä aikoo ottaa kaupalliseen käyttöön lähivuosina. Kaasuturbiinin NEP odotetut ominaisuudet ovat seuraavat. Reaktorina käytetään kaasujäähdytteistä nopeaa neutronireaktoria, työnesteen (He/Xe-seoksen) lämpötila turbiinin edessä on 1500 K, lämmön muuntamisen hyötysuhde sähköenergiaksi on 35 %, tyyppi jäähdytin-jäähdytin on tippunut. Voimayksikön massa (reaktori, säteilysuoja- ja konversiojärjestelmä, mutta ilman patteri-patteria) on 6 800 kg.

Avaruusydinmoottoreita (ydinvoimalaitos, ydinvoimalaitos yhdessä EPS:n kanssa) suunnitellaan käytettäväksi:

• Osana tulevaisuuden avaruusajoneuvoja.
• Sähkönlähteenä energiaintensiivisille komplekseille ja avaruusaluksille.
• Ratkaisemaan kaksi ensimmäistä kuljetus- ja energiamoduulin tehtävää varmistaakseen raskaiden avaruusalusten ja ajoneuvojen sähkörakettien toimittaminen työkiertoradalle ja edelleen pitkäaikainen virransyöttö niiden laitteisiin.

Ydinvoiman toimintaperiaatemoottori

Perustuu joko ytimien fuusioon tai ydinpolttoaineen fissioenergian käyttöön suihkun työntövoiman muodostamiseen. On olemassa pulssiräjähdys- ja nestetyyppisiä asennuksia. Räjähdelaitteisto heittää avaruuteen miniatyyriatomipommeja, jotka räjähtäen useiden metrien etäisyydellä työntävät laivaa eteenpäin räjähdysaallon avulla. Käytännössä tällaisia laitteita ei vielä käytetä.

Nestepolttoaineella toimivia ydinmoottoreita on sen sijaan kehitetty ja testattu pitkään. Neuvostoliiton asiantuntijat suunnittelivat 60-luvulla toimivan mallin RD-0410. Vastaavia järjestelmiä on kehitetty Yhdysvalloissa. Niiden periaate perustuu nesteen lämmittämiseen ydinminireaktorilla, se muuttuu höyryksi ja muodostaa suihkuvirran, joka työntää avaruusalusta. Vaikka laitetta kutsutaan nesteeksi, työnesteenä käytetään yleensä vetyä. Toinen ydinavaruuslaitosten tarkoitus on antaa virtaa laivojen ja satelliittien sähköverkkoon (instrumentteihin).

Raskaat tietoliikenneajoneuvot maailmanlaajuiseen avaruusviestintään

Tällä hetkellä työstetään avaruuteen tarkoitettua ydinmoottoria, jota suunnitellaan käytettäväksi raskaissa avaruusviestintäajoneuvoissa. RSC Energia toteutti taloudellisesti kilpailukykyisen globaalin avaruusviestintäjärjestelmän tutkimus- ja suunnittelukehityksen halvalla solukkoviestinnällä, mikä oli tarkoitus saada aikaan siirtämällä "puhelinasema" maasta avaruuteen.

Niiden luomisen edellytykset ovat:

• geostationaarisen kiertoradan (GSO) lähes täydellinen täyttö työ- japassiiviset seuralaiset;
• taajuuden loppuminen;
• positiivinen kokemus Yamal-sarjan geostationaaristen tietosatelliittien luomisesta ja kaupallisesta käytöstä.

Yamalin alustaa luotaessa uusien teknisten ratkaisujen osuus oli 95 %, mikä mahdollisti tällaisten ajoneuvojen kilpailukyvyn globaaleilla avaruuspalvelumarkkinoilla.

Moduulit on tarkoitus korvata teknisillä viestintälaitteilla noin seitsemän vuoden välein. Tämä mahdollistaisi 3-4 raskaan monitoimisen GEO-satelliitin järjestelmien luomisen lisäämällä niiden kuluttamaa sähkötehoa. Aluksi avaruusalukset suunniteltiin aurinkopaneeleilla, joiden kapasiteetti oli 30-80 kW. Seuraavassa vaiheessa on tarkoitus käyttää 400 kW:n ydinmoottoreita, joiden resurssi on enintään yksi vuosi kuljetustilassa (perusmoduulin toimittamiseen GSO:lle) ja 150-180 kW pitkäkestoisessa toimintatilassa. (vähintään 10-15 vuotta) sähkönlähteenä.

Ydinmoottorit maapallon meteoriittien torjuntajärjestelmässä

RSC Energian 90-luvun lopulla tekemät suunnittelututkimukset osoittivat, että luotaessa antimeteoriittijärjestelmää maapallon suojelemiseksi komeettojen ja asteroidien ytimiltä ydinsähkölaitoksia ja ydinvoimajärjestelmiä voidaan käyttää käytetty:

1. Maan kiertoradan ylittävien asteroidien ja komeettojen lentoratojen seurantajärjestelmän luominen. Tätä varten ehdotetaan erityisten optisilla ja tutkalaitteilla varustettujen avaruusalusten järjestämistä vaarallisten kohteiden havaitsemiseksi,niiden liikeratojen parametrien laskeminen ja niiden ominaisuuksien perustutkimus. Järjestelmässä voidaan käyttää ydinavaruusmoottoria kaksimuotoisen lämpöydinvoimalaitoksen kanssa, jonka teho on 150 kW tai enemmän. Sen resurssin on oltava vähintään 10 vuotta vanha.
2. Testataan vaikutuskeinoja (lämpöydinlaitteen räjähdys) monikulmioturvalliseen asteroidiin. NEP:n teho toimittaa testilaite asteroidikoepaikalle riippuu toimitetun hyötykuorman massasta (150-500 kW).
3. Säännöllisten vaikutusvälineiden (sieppaaja, kokonaispaino 15-50 tonnia) toimittaminen Maata lähestyvään vaaralliseen kohteeseen. Teholtaan 1-10 MW:n ydinsuihkumoottoria tarvitaan toimittamaan lämpöydinpanos vaaralliseen asteroidiin, jonka pintaräjähdys voi asteroidimateriaalin suihkuvirran vuoksi kääntää sen pois vaaralliselta liikerad alta.

Tutkimuslaitteiden toimitus syväan avaruuteen

Tieteellisten laitteiden toimittaminen avaruuskohteisiin (kaukaisille planeetoille, jaksollisille komeetoille, asteroideille) voidaan suorittaa käyttämällä LRE:hen perustuvia avaruusvaiheita. Ydinmoottoreita suositellaan käytettäväksi avaruusaluksissa, kun tehtävänä on päästä taivaankappaleen satelliitin kiertoradalle, suora kosketus taivaankappaleeseen, näytteenotto aineista ja muut tutkimukset, jotka edellyttävät tutkimuskompleksin massan lisäämistä, laskeutumis- ja nousuvaiheet mukaan lukien.

Moottorin parametrit

Ydinmoottori avaruusaluksiinTutkimuskompleksi laajentaa "aloitusikkunaa" (työnesteen kontrolloidun ulosvirtausnopeuden vuoksi), mikä yksinkertaistaa suunnittelua ja alentaa projektin kustannuksia. RSC Energian tekemä tutkimus osoitti, että 150 kW:n ydinvoimajärjestelmä, jonka käyttöikä on jopa kolme vuotta, on lupaava tapa toimittaa avaruusmoduuleja asteroidivyöhykkeelle.

Samaan aikaan tutkimuslaitteiston toimittaminen aurinkokunnan kaukaisten planeettojen kiertoradalle vaatii tällaisen ydinlaitoksen resurssien lisäämistä jopa 5-7 vuodeksi. On todistettu, että noin 1 MW:n ydinvoimajärjestelmällä varustettu kompleksi osana tutkimusavaruusalusta mahdollistaa kaukaisimpien planeettojen keinotekoisten satelliittien, planeettakulkijoiden nopeutetun toimituksen näiden planeettojen luonnollisten satelliittien pinnalle. ja maaperän toimittaminen komeetoista, asteroideista, Merkuriuksesta sekä Jupiterin ja Saturnuksen kuista.

Uudelleenkäytettävä hinaaja (MB)

Yksi tärkeimmistä tavoista tehostaa kuljetusta avaruudessa on liikennejärjestelmän elementtien uudelleenkäytettävyys. Vähintään 500 kW:n tehoinen avaruusalusten ydinmoottori mahdollistaa uudelleenkäytettävän hinaajan luomisen ja sitä kautta lisää merkittävästi monilinkin avaruuskuljetusjärjestelmän tehokkuutta. Tällainen järjestelmä on erityisen hyödyllinen ohjelmassa, jolla varmistetaan suuret vuotuiset lastivirrat. Esimerkki on Kuun tutkimusohjelma, jossa luodaan ja ylläpidetään jatkuvasti kasvavaa asuttavaa tukikohtaa sekä kokeellisia teknologisia ja tuotantokomplekseja.

Rahdin liikevaihdon laskenta

RKK:n suunnittelututkimusten mukaan"Energia", tukikohdan rakentamisen aikana noin 10 tonnia painavia moduuleja tulisi toimittaa Kuun pinnalle, jopa 30 tonnia Kuun kiertoradalle. tukikohdan toiminnan ja kehityksen varmistamiseksi - 400-500 t.

Ydinmoottorin toimintaperiaate ei kuitenkaan salli kuljettimen hajottamista riittävän nopeasti. Pitkän kuljetusajan ja vastaavasti hyötykuorman maan säteilyvyöhykkeillä viettämän merkittävän ajan vuoksi kaikkea lastia ei voida toimittaa ydinvoimalla toimivilla hinaajilla. Siksi NEP:n perusteella tarjottavissa oleva lastivirta on arvioitu vain 100-300 tonniksi/vuosi.

Kustannustehokkuus

Orbitaalisen kuljetusjärjestelmän taloudellisen tehokkuuden kriteerinä on suositeltavaa käyttää hyötykuorman yksikkömassan (PG) kuljetuksen yksikkökustannusarvoa Maan pinn alta kohderadalle. RSC Energia kehitti taloudellisen ja matemaattisen mallin, joka ottaa huomioon liikennejärjestelmän tärkeimmät kustannustekijät:

• luoda ja käynnistää hinaajamoduuleja kiertoradalle;
• toimivan ydinlaitoksen hankintaan;
• käyttökustannukset sekä T&K-kustannukset ja mahdolliset pääomakustannukset.

Kustannusindikaattorit riippuvat MB:n optimaalisista parametreista. Tätä mallia käyttämällä vertailevataloudellinen hyöty käyttää NEP-pohjaista uudelleenkäytettävää hinaajaa, jonka teho on noin 1 MW, ja kertakäyttöistä hinaajaa, joka perustuu kehittyneisiin nestemäisiin raketimoottoreihin ohjelmassa 100 t/vuosi hyötykuorman kuljettamiseen Maasta Kuun kiertoradalle jonka korkeus on 100 km. Käytettäessä samaa kantorakettia, jonka kantokyky on yhtä suuri kuin Proton-M kantoraketin kantokyky ja kahden laukaisun järjestelyä kuljetusjärjestelmän rakentamiseen, yksikkökustannukset hyötykuorman yksikkömassan toimittamisesta ydinvoimalla toimivalla hinaajalla on kolme kertaa pienempi kuin käytettäessä kertakäyttöisiä hinaajia, jotka perustuvat raketteihin, joissa on nestemoottorit tyyppi DM-3.

Johtopäätös

Tehokas avaruuteen tarkoitettu ydinmoottori auttaa ratkaisemaan Maan ympäristöongelmia, miehitettyä lentoa Marsiin, luomaan langattoman voimansiirtojärjestelmän avaruuteen, toteuttamaan parantuneella turvallisuudella erityisen vaarallisen radioaktiivisen jätteen loppusijoituksen maassa ydinenergia avaruudessa, asuttavan kuun tukikohdan luominen ja Kuun teollisen tutkimuksen aloittaminen, mikä varmistaa maapallon suojelun asteroidi-komeetan vaar alta.