Πυρηνικοί κινητήρες για διαστημόπλοια

2024 Συγγραφέας: Howard Calhoun | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2023-12-17 10:23

Η Ρωσία υπήρξε και παραμένει ηγέτης στον τομέα της πυρηνικής διαστημικής ενέργειας. Οργανισμοί όπως η RSC Energia και η Roskosmos έχουν εμπειρία στο σχεδιασμό, την κατασκευή, την εκτόξευση και τη λειτουργία διαστημοπλοίων εξοπλισμένων με πηγή πυρηνικής ενέργειας. Ένας πυρηνικός κινητήρας καθιστά δυνατή τη λειτουργία αεροσκαφών για πολλά χρόνια, αυξάνοντας την πρακτική καταλληλότητά τους πολλές φορές.

Ιστορικό αρχείο

Η χρήση της πυρηνικής ενέργειας στο διάστημα έπαψε να είναι φαντασία στη δεκαετία του '70 του περασμένου αιώνα. Οι πρώτοι πυρηνικοί κινητήρες εκτοξεύτηκαν στο διάστημα το 1970-1988 και λειτούργησαν με επιτυχία στο διαστημόπλοιο παρατήρησης US-A. Χρησιμοποίησαν ένα σύστημα με ένα θερμοηλεκτρικό πυρηνικό εργοστάσιο (NPP) "Buk" με ηλεκτρική ισχύ 3 kW.

Το 1987-1988, δύο οχήματα Plasma-A με θερμιονικό πυρηνικό εργοστάσιο Topaz 5 kW υποβλήθηκαν σε πτητικές και διαστημικές δοκιμές, κατά τις οποίες ηλεκτρικοί πυραυλοκινητήρες (EP) τροφοδοτήθηκαν από πυρηνική πηγή ενέργειας για πρώτη φορά.

Ολοκληρώθηκε ένα σύμπλεγμα επίγειων πυρηνικώνενεργειακές δοκιμές της θερμιονικής πυρηνικής εγκατάστασης «Yenisei» ισχύος 5 kW. Με βάση αυτές τις τεχνολογίες, έχουν αναπτυχθεί έργα θερμιονικών πυρηνικών σταθμών ισχύος 25-100 kW.

MB Hercules

Στη δεκαετία του 1970, η RSC Energia ξεκίνησε επιστημονική και πρακτική έρευνα, σκοπός της οποίας ήταν να δημιουργήσει μια ισχυρή πυρηνική διαστημική μηχανή για το διατροχιακό ρυμουλκό (MB) Hercules. Η εργασία κατέστησε δυνατή τη δημιουργία αποθεματικού για πολλά χρόνια όσον αφορά ένα σύστημα πυρηνικής ηλεκτρικής πρόωσης (NEP) με θερμιονικό πυρηνικό σταθμό ισχύος αρκετών έως εκατοντάδων κιλοβάτ και ηλεκτρικούς πυραυλοκινητήρες με μονάδα ισχύος δεκάδων και εκατοντάδων κιλοβάτ.

Παράμετροι σχεδίασης MB "Hercules":

• καθαρή ηλεκτρική ισχύς πυρηνικού σταθμού ηλεκτροπαραγωγής – 550 kW;
• ειδική ώθηση EPS – 30 km/s;
• ώση προβολέα – 26 N;
• πόρος πυρηνικού σταθμού ηλεκτροπαραγωγής και ηλεκτρικής πρόωσης - 16.000 ώρες;
• σώμα εργασίας EPS – xenon;
• βάρος (ξηρό) του ρυμουλκού - 14,5-15,7 τόνοι, συμπεριλαμβανομένων των πυρηνικών σταθμών - 6,9 τόνοι.

Πρόσφατες Χρόνοι

Στον 21ο αιώνα, είναι καιρός να δημιουργηθεί ένας νέος πυρηνικός κινητήρας για το διάστημα. Τον Οκτώβριο του 2009, σε συνεδρίαση της Επιτροπής υπό τον Πρόεδρο της Ρωσικής Ομοσπονδίας για τον εκσυγχρονισμό και την τεχνολογική ανάπτυξη της ρωσικής οικονομίας, έγινε ένα νέο ρωσικό έργο "Δημιουργία μονάδας μεταφορών και ενέργειας με χρήση πυρηνικού σταθμού κλάσης μεγαβάτ". εγκριθεί επίσημα. Οι κύριοι προγραμματιστές είναι:

• Εργοστάσιο αντιδραστήρα – OJSC NIKIET.
• Πυρηνικός σταθμός ηλεκτροπαραγωγής με σύστημα μετατροπής ενέργειας αεριοστροβίλου, EPSμε βάση τους ηλεκτρικούς πυραυλοκινητήρες ιόντων και τα συστήματα πυρηνικής πρόωσης στο σύνολό τους - Κρατικό Επιστημονικό Κέντρο «Κέντρο Έρευνας με το όνομα A. I. M. V. Keldysh», ο οποίος είναι επίσης ο υπεύθυνος οργανισμός για το πρόγραμμα ανάπτυξης της ενότητας μεταφορών και ενέργειας (TEM) στο σύνολό της.
• RKK Energia ως γενικός σχεδιαστής της TEM θα πρέπει να αναπτύξει ένα αυτόματο όχημα με αυτήν την ενότητα.

Χαρακτηριστικά της νέας εγκατάστασης

Νέος πυρηνικός κινητήρας για το διάστημα Η Ρωσία σχεδιάζει να θέσει σε εμπορική λειτουργία τα επόμενα χρόνια. Τα αναμενόμενα χαρακτηριστικά του αεριοστροβίλου NEP είναι τα εξής. Ως αντιδραστήρας, χρησιμοποιείται ένας αερόψυκτος αντιδραστήρας γρήγορου νετρονίου, η θερμοκρασία του ρευστού εργασίας (μίγμα He/Xe) μπροστά από τον στρόβιλο είναι 1500 K, η απόδοση της μετατροπής της θερμικής σε ηλεκτρική ενέργεια είναι 35%, ο τύπος ψυγείο-καλοριφέρ είναι στάγδην. Η μάζα της μονάδας ισχύος (αντιδραστήρας, σύστημα ακτινοπροστασίας και μετατροπής, αλλά χωρίς το ψυγείο-καλοριφέρ) είναι 6.800 kg.

Σχεδιάζεται να χρησιμοποιηθούν διαστημικοί πυρηνικοί κινητήρες (NPP, NPP μαζί με EPS):

• Σαν μέρος των μελλοντικών διαστημικών οχημάτων.
• Ως πηγές ηλεκτρικής ενέργειας για ενεργοβόρα συγκροτήματα και διαστημόπλοια.
• Για την επίλυση των δύο πρώτων εργασιών στη μονάδα μεταφορών και ενέργειας για τη διασφάλιση της παράδοσης ηλεκτρικών πυραύλων βαρέων διαστημικών σκαφών και οχημάτων σε τροχιές εργασίας και περαιτέρω μακροπρόθεσμη παροχή ρεύματος στον εξοπλισμό τους.

Η αρχή της λειτουργίας των πυρηνικώνκινητήρας

Βασίζεται είτε στη σύντηξη πυρήνων, είτε στη χρήση της ενέργειας σχάσης του πυρηνικού καυσίμου για το σχηματισμό ώθησης αεριωθουμένων. Υπάρχουν εγκαταστάσεις παλμικών εκρηκτικών και υγρών τύπων. Η εκρηκτική εγκατάσταση εκτοξεύει στο διάστημα μικροσκοπικές ατομικές βόμβες, οι οποίες, εκρηκτικές σε απόσταση πολλών μέτρων, σπρώχνουν το πλοίο προς τα εμπρός με ένα εκρηκτικό κύμα. Στην πράξη, τέτοιες συσκευές δεν χρησιμοποιούνται ακόμη.

Οι πυρηνικοί κινητήρες με υγρά καύσιμα, από την άλλη πλευρά, έχουν αναπτυχθεί και δοκιμαστεί εδώ και καιρό. Πίσω στη δεκαετία του '60, Σοβιετικοί ειδικοί σχεδίασαν ένα λειτουργικό μοντέλο RD-0410. Παρόμοια συστήματα έχουν αναπτυχθεί στις Ηνωμένες Πολιτείες. Η αρχή τους βασίζεται στη θέρμανση του υγρού με έναν πυρηνικό μίνι αντιδραστήρα, μετατρέπεται σε ατμό και σχηματίζει ένα ρεύμα πίδακα, το οποίο ωθεί το διαστημόπλοιο. Αν και η συσκευή ονομάζεται υγρή, το υδρογόνο χρησιμοποιείται συνήθως ως ρευστό εργασίας. Ένας άλλος σκοπός των πυρηνικών διαστημικών εγκαταστάσεων είναι η τροφοδοσία του ηλεκτρικού δικτύου (όργανων) πλοίων και δορυφόρων.

Βαρέα τηλεπικοινωνιακά οχήματα για παγκόσμιες διαστημικές επικοινωνίες

Αυτή τη στιγμή, βρίσκονται σε εξέλιξη εργασίες για έναν πυρηνικό κινητήρα για το διάστημα, ο οποίος σχεδιάζεται να χρησιμοποιηθεί σε βαρέα διαστημικά οχήματα επικοινωνίας. Η RSC Energia πραγματοποίησε έρευνα και ανάπτυξη σχεδιασμού ενός οικονομικά ανταγωνιστικού παγκόσμιου διαστημικού συστήματος επικοινωνιών με φθηνές κυψελωτές επικοινωνίες, το οποίο υποτίθεται ότι θα επιτευχθεί με τη μεταφορά του «τηλεφωνικού σταθμού» από τη Γη στο διάστημα.

Οι προϋποθέσεις για τη δημιουργία τους είναι:

• σχεδόν πλήρης πλήρωση της γεωστατικής τροχιάς (GSO) με εργασία καιπαθητικοί σύντροφοι;
• εξάντληση συχνότητας;
• θετική εμπειρία στη δημιουργία και εμπορική χρήση γεωστατικών δορυφόρων πληροφοριών της σειράς Yamal.

Κατά τη δημιουργία της πλατφόρμας Yamal, οι νέες τεχνικές λύσεις αντιπροσώπευαν το 95%, γεγονός που επέτρεψε σε τέτοια οχήματα να γίνουν ανταγωνιστικά στην παγκόσμια αγορά διαστημικών υπηρεσιών.

Αναμένεται να αντικαθιστά τις μονάδες με τεχνολογικό εξοπλισμό επικοινωνιών περίπου κάθε επτά χρόνια. Αυτό θα επέτρεπε τη δημιουργία συστημάτων 3-4 βαρέων πολυλειτουργικών δορυφόρων GEO με αύξηση της ηλεκτρικής ενέργειας που καταναλώνουν. Αρχικά, τα διαστημόπλοια σχεδιάστηκαν με βάση ηλιακούς συλλέκτες χωρητικότητας 30-80 kW. Στο επόμενο στάδιο, σχεδιάζεται η χρήση πυρηνικών κινητήρων 400 kW με πόρο έως και ένα έτος στη λειτουργία μεταφοράς (για την παράδοση της βασικής μονάδας στο GSO) και 150-180 kW στη μακροπρόθεσμη λειτουργία (τουλάχιστον 10-15 χρόνια) ως πηγή ηλεκτρικής ενέργειας.

Πυρηνικοί κινητήρες στο σύστημα προστασίας κατά των μετεωριτών της Γης

Οι σχεδιαστικές μελέτες που πραγματοποιήθηκαν από την RSC Energia στα τέλη της δεκαετίας του '90 έδειξαν ότι στη δημιουργία ενός συστήματος αντιμετεωριτών για την προστασία της Γης από τους πυρήνες των κομητών και των αστεροειδών, οι πυρηνικές-ηλεκτρικές εγκαταστάσεις και τα συστήματα πυρηνικής πρόωσης μπορούν να χρησιμοποιείται για:

1. Δημιουργία συστήματος παρακολούθησης των τροχιών των αστεροειδών και των κομητών που διασχίζουν την τροχιά της Γης. Για να γίνει αυτό, προτείνεται η διευθέτηση ειδικών διαστημικών σκαφών εξοπλισμένων με οπτικό εξοπλισμό και εξοπλισμό ραντάρ για την ανίχνευση επικίνδυνων αντικειμένων,υπολογισμός των παραμέτρων των τροχιών τους και πρωτογενής μελέτη των χαρακτηριστικών τους. Το σύστημα μπορεί να χρησιμοποιήσει έναν πυρηνικό διαστημικό κινητήρα με ένα θερμιονικό πυρηνικό εργοστάσιο διπλής λειτουργίας με ισχύ 150 kW ή περισσότερο. Ο πόρος του πρέπει να είναι τουλάχιστον 10 ετών.
2. Δοκιμή μέσων επιρροής (έκρηξη θερμοπυρηνικής συσκευής) σε ασφαλή αστεροειδή για πολύγωνο. Η ισχύς του NEP να παραδώσει τη συσκευή δοκιμής στο σημείο δοκιμής αστεροειδών εξαρτάται από τη μάζα του παραδιδόμενου ωφέλιμου φορτίου (150-500 kW).
3. Παράδοση τακτικών μέσων επιρροής (αναχαιτιστής συνολικού βάρους 15-50 τόνων) σε επικίνδυνο αντικείμενο που πλησιάζει τη Γη. Ένας πυρηνικός αεριωθούμενος κινητήρας χωρητικότητας 1-10 MW θα χρειαστεί για να παραδώσει ένα θερμοπυρηνικό φορτίο σε έναν επικίνδυνο αστεροειδή, η επιφανειακή έκρηξη του οποίου, λόγω της ροής πίδακα του υλικού του αστεροειδούς, μπορεί να τον εκτρέψει από μια επικίνδυνη τροχιά.

Παράδοση ερευνητικού εξοπλισμού στο βαθύ διάστημα

Η παράδοση επιστημονικού εξοπλισμού σε διαστημικά αντικείμενα (μακρινούς πλανήτες, περιοδικούς κομήτες, αστεροειδείς) μπορεί να πραγματοποιηθεί χρησιμοποιώντας διαστημικά στάδια που βασίζονται στο LRE. Συνιστάται η χρήση πυρηνικών κινητήρων για διαστημόπλοια όταν ο στόχος είναι η είσοδος στην τροχιά ενός δορυφόρου ενός ουράνιου σώματος, η άμεση επαφή με ένα ουράνιο σώμα, η δειγματοληψία ουσιών και άλλες μελέτες που απαιτούν αύξηση της μάζας του ερευνητικού συγκροτήματος. συμπερίληψη σταδίων προσγείωσης και απογείωσης.

Παράμετροι κινητήρα

Πυρηνικός κινητήρας για διαστημόπλοιαΤο ερευνητικό συγκρότημα θα επεκτείνει το «παράθυρο εκκίνησης» (λόγω του ελεγχόμενου ρυθμού εκροής του ρευστού εργασίας), γεγονός που απλοποιεί τον προγραμματισμό και μειώνει το κόστος του έργου. Έρευνα που πραγματοποιήθηκε από την RSC Energia έδειξε ότι ένα πυρηνικό σύστημα πρόωσης 150 kW με διάρκεια ζωής έως και τρία χρόνια είναι ένα πολλά υποσχόμενο μέσο για την παράδοση διαστημικών μονάδων στη ζώνη των αστεροειδών.

Ταυτόχρονα, η παράδοση μιας ερευνητικής συσκευής στις τροχιές μακρινών πλανητών του ηλιακού συστήματος απαιτεί αύξηση των πόρων μιας τέτοιας πυρηνικής εγκατάστασης έως και 5-7 χρόνια. Έχει αποδειχθεί ότι ένα συγκρότημα με σύστημα πυρηνικής πρόωσης ισχύος περίπου 1 MW ως μέρος ενός ερευνητικού διαστημικού σκάφους θα επιτρέψει την ταχεία παράδοση τεχνητών δορυφόρων των πιο απομακρυσμένων πλανητών, πλανητών ρόβερ στην επιφάνεια φυσικών δορυφόρων αυτών των πλανητών και παράδοση εδάφους από κομήτες, αστεροειδείς, Ερμή και φεγγάρια του Δία και του Κρόνου.

Επαναχρησιμοποιήσιμο ρυμουλκό (MB)

Ένας από τους πιο σημαντικούς τρόπους για την αύξηση της αποτελεσματικότητας των μεταφορικών εργασιών στο διάστημα είναι η επαναχρησιμοποιήσιμη χρήση στοιχείων του συστήματος μεταφορών. Ένας πυρηνικός κινητήρας για διαστημόπλοια με ισχύ τουλάχιστον 500 kW καθιστά δυνατή τη δημιουργία ενός επαναχρησιμοποιήσιμου ρυμουλκού και επομένως αυξάνει σημαντικά την απόδοση ενός συστήματος διαστημικών μεταφορών πολλαπλών συνδέσμων. Ένα τέτοιο σύστημα είναι ιδιαίτερα χρήσιμο σε ένα πρόγραμμα για την εξασφάλιση μεγάλων ετήσιων ροών φορτίου. Ένα παράδειγμα είναι το πρόγραμμα εξερεύνησης της Σελήνης με τη δημιουργία και τη συντήρηση μιας συνεχώς αναπτυσσόμενης κατοικήσιμης βάσης και πειραματικών τεχνολογικών και παραγωγικών συγκροτημάτων.

Υπολογισμός κύκλου εργασιών φορτίου

Σύμφωνα με μελέτες σχεδιασμού RKK"Energia", κατά την κατασκευή της βάσης, μονάδες βάρους περίπου 10 τόνων θα πρέπει να παραδοθούν στην επιφάνεια της Σελήνης, έως και 30 τόνους στην τροχιά της Σελήνης. για να διασφαλιστεί η λειτουργία και η ανάπτυξη της βάσης - 400-500 t.

Ωστόσο, η αρχή λειτουργίας του πυρηνικού κινητήρα δεν επιτρέπει τη διασπορά του μεταφορέα αρκετά γρήγορα. Λόγω του μεγάλου χρόνου μεταφοράς και, κατά συνέπεια, του σημαντικού χρόνου που δαπανάται από το ωφέλιμο φορτίο στις ζώνες ακτινοβολίας της Γης, δεν μπορούν να παραδοθούν όλα τα φορτία χρησιμοποιώντας πυρηνικά ρυμουλκά. Επομένως, η ροή φορτίου που μπορεί να παρασχεθεί με βάση το NEP υπολογίζεται μόνο σε 100-300 τόνους/έτος.

Κόστος αποδοτικότητας

Ως κριτήριο για την οικονομική απόδοση του συστήματος διατροχιακών μεταφορών, είναι σκόπιμο να χρησιμοποιείται η τιμή του μοναδιαίου κόστους μεταφοράς μιας μονάδας μάζας ωφέλιμου φορτίου (PG) από την επιφάνεια της Γης στην τροχιά στόχο. Η RSC Energia ανέπτυξε ένα οικονομικό και μαθηματικό μοντέλο που λαμβάνει υπόψη τα κύρια στοιχεία κόστους στο σύστημα μεταφορών:

• για δημιουργία και εκτόξευση μονάδων ρυμούλκησης σε τροχιά;
• για την αγορά μιας πυρηνικής εγκατάστασης που λειτουργεί;
• λειτουργικό κόστος, καθώς και κόστος Ε&Α και πιθανά κεφαλαιουχικά κόστη.

Οι δείκτες κόστους εξαρτώνται από τις βέλτιστες παραμέτρους των MB. Χρησιμοποιώντας αυτό το μοντέλο, μια συγκριτικήοικονομική αποδοτικότητα χρήσης ενός επαναχρησιμοποιούμενου ρυμουλκού βασισμένου σε NEP με ισχύ περίπου 1 MW και ενός ρυμουλκού μιας χρήσης που βασίζεται σε προηγμένους κινητήρες υγρών πυραύλων στο πρόγραμμα για την παράδοση ωφέλιμου φορτίου συνολικής μάζας 100 t/έτος από τη Γη στην τροχιά της Σελήνης με ύψος 100 χλμ. Όταν χρησιμοποιείται το ίδιο όχημα εκτόξευσης με μεταφορική ικανότητα ίση με τη μεταφορική ικανότητα του οχήματος εκτόξευσης Proton-M και ένα σύστημα δύο εκτοξεύσεων για την κατασκευή ενός συστήματος μεταφοράς, το μοναδιαίο κόστος παράδοσης μοναδιαίας μάζας ωφέλιμου φορτίου με χρήση ρυμουλκού με πυρηνική ενέργεια θα είναι τρεις φορές χαμηλότερο από ό,τι όταν χρησιμοποιούνται ρυμουλκά μιας χρήσης που βασίζονται σε πυραύλους με υγρούς κινητήρες τύπου DM-3.

Συμπέρασμα

Ένας αποτελεσματικός πυρηνικός κινητήρας για το διάστημα συμβάλλει στην επίλυση των περιβαλλοντικών προβλημάτων της Γης, επανδρωμένη πτήση στον Άρη, δημιουργία ασύρματου συστήματος μετάδοσης ενέργειας στο διάστημα, υλοποιώντας με αυξημένη ασφάλεια την απόρριψη ιδιαίτερα επικίνδυνων ραδιενεργών αποβλήτων επίγειας πυρηνική ενέργεια στο διάστημα, δημιουργώντας μια κατοικήσιμη σεληνιακή βάση και ξεκινώντας τη βιομηχανική εξερεύνηση της Σελήνης, διασφαλίζοντας την προστασία της Γης από τον κίνδυνο αστεροειδών-κομητών.