Kärnkraftsmotorer för rymdfarkoster

2024 Författare: Howard Calhoun | [email protected]. Senast ändrad: 2023-12-17 10:41

Ryssland har varit och är fortfarande ledande inom kärnenergiområdet. Organisationer som RSC Energia och Roskosmos har erfarenhet av att designa, bygga, lansera och driva rymdfarkoster utrustade med en kärnkraftskälla. En kärnkraftsmotor gör det möjligt att använda flygplan i många år, vilket ökar deras praktiska lämplighet många gånger om.

Historiskt rekord

Användningen av kärnenergi i rymden upphörde att vara en fantasi redan på 70-talet av förra seklet. De första kärnkraftsmotorerna lanserades i rymden 1970-1988 och opererade framgångsrikt på US-A-observationsfarkosten. De använde ett system med ett termoelektriskt kärnkraftverk (NPP) "Buk" med en elektrisk effekt på 3 kW.

Under 1987-1988 genomgick två Plasma-A-fordon med ett 5 kW Topaz termioniskt kärnkraftverk flyg- och rymdtester, under vilka elektriska raketmotorer (EP) för första gången drevs från en kärnenergikälla.

Slutfört ett komplex av markbaserad kärnkraftenergitester av den termioniska kärnkraftsanläggningen "Yenisei" med en kapacitet på 5 kW. På basis av dessa teknologier har projekt för termioniska kärnkraftverk med en kapacitet på 25-100 kW utvecklats.

MB Hercules

På 1970-talet startade RSC Energia vetenskaplig och praktisk forskning, vars syfte var att skapa en kraftfull nukleär rymdmotor för den interorbitala bogserbåten (MB) Hercules. Arbetet gjorde det möjligt att göra en reserv under många år i form av ett kärnkraftverk (NEP) med ett termioniskt kärnkraftverk med en effekt på flera till hundratals kilowatt och elektriska raketmotorer med en enhetseffekt på tiotals och hundratals av kilowatt.

Designparametrar för MB "Hercules":

• netto elkraft för kärnkraftverk – 550 kW;
• specifik impuls av EPS – 30 km/s;
• projektorkraft – 26 N;
• resurs för kärnkraftverk och elektrisk framdrivning - 16 000 timmar;
• working body of EPS – xenon;
• vikt (torr) av bogserbåten - 14,5-15,7 ton, inklusive kärnkraftverk - 6,9 ton.

Senaste tiderna

Under 2000-talet är det dags att skapa en ny kärnkraftsmotor för rymden. I oktober 2009, vid ett möte med kommissionen under Ryska federationens president för modernisering och teknisk utveckling av den ryska ekonomin, var ett nytt ryskt projekt "Skapande av en transport- och energimodul med hjälp av ett kärnkraftverk av megawattklass". officiellt godkänd. Ledande utvecklare är:

• Reaktoranläggning – OJSC NIKIET.
• Kärnkraftverk med ett energiomvandlingssystem för gasturbiner, EPSpå basis av jonelektriska raketmotorer och nukleära framdrivningssystem som helhet - State Scientific Center “Research Center uppkallat efter A. I. M. V. Keldysh”, som också är ansvarig organisation för utvecklingsprogrammet för transport- och energimodulen (TEM) som helhet.
• RKK Energia som generaldesigner för TEM bör utveckla ett automatiskt fordon med denna modul.

Kännetecken för den nya installationen

Ny kärnkraftsmotor för rymden Ryssland planerar att sätta i kommersiell drift under de kommande åren. De förväntade egenskaperna hos gasturbinens NEP är följande. Som reaktor används en gaskyld snabb neutronreaktor, temperaturen på arbetsvätskan (He/Xe-blandningen) framför turbinen är 1500 K, effektiviteten för omvandling av termisk till elektrisk energi är 35 %, typen av kylare-radiator är dropp. Kraftenhetens massa (reaktor, strålskydd och omvandlingssystem, men utan radiator-radiator) är 6 800 kg.

Rymdkärnmotorer (NPP, NPP tillsammans med EPS) är planerade att användas:

• Som en del av framtida rymdfarkoster.
• Som elkällor för energiintensiva komplex och rymdfarkoster.
• Att lösa de två första uppgifterna i transport- och energimodulen för att säkerställa elektrisk raketleverans av tunga rymdfarkoster och fordon till arbetsbanor och ytterligare långsiktig strömförsörjning till deras utrustning.

Principen för kärnkraftsdriftmotor

Baserat antingen på sammansmältning av kärnor eller på användningen av klyvningsenergi från kärnbränsle för att bilda jetkraft. Det finns installationer av pulsexplosiva och vätsketyper. Den explosiva installationen kastar atombomber i miniatyr ut i rymden, som detonerar på flera meters avstånd och driver fartyget framåt med en explosiv våg. I praktiken används inte sådana enheter ännu.

Flytande kärnkraftsmotorer har å andra sidan länge utvecklats och testats. Tillbaka på 60-talet designade sovjetiska specialister en fungerande modell RD-0410. Liknande system har utvecklats i USA. Deras princip är baserad på att värma upp vätskan med en kärnkraftsminireaktor, den förvandlas till ånga och bildar en jetström, som driver rymdfarkosten. Även om enheten kallas vätska, används vanligtvis väte som arbetsvätska. Ett annat syfte med nukleära rymdinstallationer är att driva det elektriska nätverket ombord (instrument) för fartyg och satelliter.

Tunga telekommunikationsfordon för global rymdkommunikation

För tillfället pågår arbetet med en kärnkraftsmotor för rymden, som är planerad att användas i tunga rymdkommunikationsfordon. RSC Energia genomförde forskning och designutveckling av ett ekonomiskt konkurrenskraftigt glob alt rymdkommunikationssystem med billig cellulär kommunikation, vilket var tänkt att uppnås genom att överföra "telefonstationen" från jorden till rymden.

Förutsättningarna för att de ska skapas är:

• nästan fullständig fyllning av den geostationära omloppsbanan (GSO) med fungerande ochpassiva följeslagare;
• frekvensutmattning;
• positiv erfarenhet av att skapa och kommersiellt använda geostationära informationssatelliter i Yamal-serien.

När Yamal-plattformen skapades stod nya tekniska lösningar för 95 %, vilket gjorde att sådana fordon kunde bli konkurrenskraftiga på den globala rymdtjänstmarknaden.

Det förväntas ersätta moduler med teknisk kommunikationsutrustning ungefär vart sjunde år. Detta skulle göra det möjligt att skapa system med 3-4 tunga multifunktionella GEO-satelliter med en ökning av den elektriska effekt som förbrukas av dem. Ursprungligen designades rymdfarkoster baserat på solpaneler med en kapacitet på 30-80 kW. I nästa steg är det planerat att använda 400 kW kärnkraftsmotorer med en resurs på upp till ett år i transportsättet (för leverans av basmodulen till GSO) och 150-180 kW i det långsiktiga driftläget (minst 10-15 år) som elkälla

Kärnkraftsmotorer i jordens antimeteoritskyddssystem

Designstudierna som utfördes av RSC Energia i slutet av 90-talet visade att i skapandet av ett antimeteoritsystem för att skydda jorden från kärnorna av kometer och asteroider, kan kärnkraftselektriska installationer och kärnkraftsframdrivningssystem används för:

1. Skapa ett system för att övervaka banorna för asteroider och kometer som korsar jordens omloppsbana. För att göra detta föreslås det att anordna speciella rymdfarkoster utrustade med optisk och radarutrustning för att upptäcka farliga föremål,beräkning av parametrarna för deras banor och primär studie av deras egenskaper. Systemet kan använda en nukleär rymdmotor med ett dual-mode termioniskt kärnkraftverk med en effekt på 150 kW eller mer. Dess resurs måste vara minst 10 år gammal.
2. Testa inflytande (explosion av en termonukleär anordning) på en polygonsäker asteroid. Kraften hos NEP för att leverera testanordningen till asteroidtestplatsen beror på massan på den levererade nyttolasten (150-500 kW).
3. Leverans av vanliga påverkansmedel (interceptor med en totalvikt på 15-50 ton) till ett farligt föremål som närmar sig jorden. En kärnjetmotor med en kapacitet på 1-10 MW kommer att krävas för att leverera en termonukleär laddning till en farlig asteroid, vars ytexplosion, på grund av asteroidmaterialets jetström, kan avleda den från en farlig bana.

Leverans av forskningsutrustning till rymden

Leverans av vetenskaplig utrustning till rymdobjekt (fjärran planeter, periodiska kometer, asteroider) kan utföras med hjälp av rymdstadier baserade på LRE. Det är tillrådligt att använda kärnmotorer för rymdfarkoster när uppgiften är att gå in i omloppsbanan för en satellit i en himlakropp, direktkontakt med en himlakropp, provtagning av ämnen och andra studier som kräver en ökning av massan av forskningskomplexet, inkludering av landnings- och startsteg.

Motorparametrar

Kärnmotor för rymdfarkosterForskningskomplexet kommer att utöka "startfönstret" (på grund av den kontrollerade utflödeshastigheten för arbetsvätskan), vilket förenklar planering och minskar kostnaden för projektet. Forskning utförd av RSC Energia visade att ett kärnkraftsframdrivningssystem på 150 kW med en livslängd på upp till tre år är ett lovande sätt att leverera rymdmoduler till asteroidbältet.

Samtidigt kräver leveransen av en forskningsapparat till banorna för avlägsna planeter i solsystemet en ökning av resursen för en sådan kärnkraftsanläggning upp till 5-7 år. Det har bevisats att ett komplex med ett kärnkraftsframdrivningssystem med en effekt på cirka 1 MW som en del av en forskningsrymdfarkost kommer att möjliggöra accelererad leverans av konstgjorda satelliter från de mest avlägsna planeterna, planetariska rovers till ytan av naturliga satelliter av dessa planeter och leverans av jord från kometer, asteroider, Merkurius och Jupiters och Saturnus månar.

Återanvändbar bogserbåt (MB)

Ett av de viktigaste sätten att öka effektiviteten i transporter i rymden är återanvändning av delar av transportsystemet. En kärnkraftsmotor för rymdfarkoster med en effekt på minst 500 kW gör det möjligt att skapa en återanvändbar bogserbåt och därigenom avsevärt öka effektiviteten i ett flerlänkat rymdtransportsystem. Ett sådant system är särskilt användbart i ett program för att säkerställa stora årliga lastflöden. Ett exempel är månutforskningsprogrammet med skapandet och underhållet av en ständigt växande beboelig bas och experimentella teknologi- och produktionskomplex.

Beräkning av lastomsättning

Enligt RKK designstudier"Energia", under konstruktionen av basen, bör moduler som väger cirka 10 ton levereras till månens yta, upp till 30 ton in i månens omloppsbana. för att säkerställa basens funktion och utveckling - 400-500 t.

Principen för kärnmotorns drift tillåter dock inte att sprida transportören tillräckligt snabbt. På grund av den långa transporttiden och följaktligen den betydande tid som nyttolasten spenderar i jordens strålningsbälten, kan inte all last levereras med kärnkraftsdrivna bogserbåtar. Därför uppskattas det lastflöde som kan tillhandahållas på basis av NEP till endast 100-300 ton/år.

Kostnadseffektivitet

Som ett kriterium för den ekonomiska effektiviteten hos det interorbitala transportsystemet, är det tillrådligt att använda värdet av enhetskostnaden för att transportera en enhetsmassa av nyttolast (PG) från jordens yta till målbanan. RSC Energia utvecklade en ekonomisk och matematisk modell som tar hänsyn till de viktigaste kostnadskomponenterna i transportsystemet:

• för att skapa och starta bogserbåtsmoduler i omloppsbana;
• för köp av en fungerande kärnkraftsanläggning;
• driftskostnader, såväl som FoU-kostnader och eventuella kapitalkostnader.

Kostnadsindikatorer beror på de optimala parametrarna för MB. Med hjälp av denna modell, en jämförelseekonomisk effektivitet av att använda en återanvändbar bogserbåt baserad på NEP med en effekt på cirka 1 MW och en engångsbåt baserad på avancerade flytande raketmotorer i programmet för att leverera en nyttolast med en total massa på 100 t/år från jorden till månens omloppsbana med en höjd av 100 km. Vid användning av samma bärraket med en bärkapacitet som är lika med bärkapaciteten för Proton-M bärraket och ett system med två lanseringar för att konstruera ett transportsystem, enhetskostnaden för att leverera en enhetsmassa nyttolast med en kärnkraftsdriven bogserbåt kommer att vara tre gånger lägre än när man använder engångsbogserbåtar baserade på raketer med flytande motorer typ DM-3.

Slutsats

En effektiv kärnkraftsmotor för rymden bidrar till att lösa jordens miljöproblem, bemannad flygning till Mars, skapa ett trådlöst kraftöverföringssystem i rymden, implementera mycket säker deponering av mycket farligt radioaktivt avfall från markbaserad kärnenergi i rymden, skapar en beboelig månbas och påbörjar industriell utforskning av månen, vilket säkerställer skyddet av jorden från asteroid-kometrisker.