Jaderné motory pro kosmické lodě

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Naposledy změněno: 2023-12-17 10:22

Rusko bylo a stále zůstává lídrem v oblasti jaderné vesmírné energie. Organizace jako RSC Energia a Roskosmos mají zkušenosti s navrhováním, stavbou, vypouštěním a provozem kosmických lodí vybavených jaderným zdrojem energie. Jaderný motor umožňuje provoz letadel po mnoho let a mnohonásobně zvyšuje jejich praktickou vhodnost.

Historický rekord

Využití jaderné energie ve vesmíru přestalo být fantazií již v 70. letech minulého století. První jaderné motory byly vypuštěny do vesmíru v letech 1970-1988 a úspěšně fungovaly na pozorovací lodi US-A. Použili systém s termoelektrickou jadernou elektrárnou (JE) „Buk“o elektrickém výkonu 3 kW.

V letech 1987-1988 prošla dvě vozidla Plasma-A s 5 kW termionickou jadernou elektrárnou Topaz letovými a kosmickými testy, během nichž byly poprvé poháněny elektrické raketové motory (EP) z jaderného zdroje.

Dokončili jsme komplex pozemních jaderných zbraníenergetické testy termionického jaderného zařízení "Yenisei" o výkonu 5 kW. Na základě těchto technologií byly vyvinuty projekty termionických jaderných elektráren o výkonu 25-100 kW.

MB Hercules

V 70. letech RSC Energia zahájila vědecký a praktický výzkum, jehož účelem bylo vytvořit výkonný jaderný vesmírný motor pro meziorbitální remorkér (MB) Hercules. Práce umožnily vytvořit rezervu na mnoho let v podobě jaderného elektrického pohonného systému (NEP) s termionickou jadernou elektrárnou o výkonu několika až stovek kilowattů a elektrickými raketovými motory s jednotkovým výkonem desítek a stovek kilowattů.

Konstrukční parametry MB "Hercules":

• čistý elektrický výkon jaderné elektrárny – 550 kW;
• specifický impuls EPS – 30 km/s;
• tah projektoru – 26 N;
• zdroj jaderné elektrárny a elektrického pohonu – 16 000 hodin;
• pracovní tělo EPS – xenon;
• hmotnost (suchá) remorkéru - 14,5-15,7 tuny, včetně jaderných elektráren - 6,9 tuny.

Nedávné časy

V 21. století je čas vytvořit nový jaderný motor pro vesmír. V říjnu 2009 byl na zasedání Komise prezidenta Ruské federace pro modernizaci a technologický rozvoj ruské ekonomiky schválen nový ruský projekt „Vytvoření dopravního a energetického modulu s využitím jaderné elektrárny megawattové třídy“. oficiálně schváleno. Hlavní vývojáři jsou:

• Reaktorový závod – OJSC NIKIET.
• Jaderná elektrárna se schématem přeměny energie plynové turbíny, EPSna bázi iontových elektrických raketových motorů a jaderných pohonných systémů jako celku - Státní vědecké centrum „Výzkumné centrum pojmenované po A. I. M. V. Keldysh“, která je rovněž odpovědnou organizací za program rozvoje dopravního a energetického modulu (TEM) jako celku.
• RKK Energia jako generální konstruktér TEM by měla vyvinout automatické vozidlo s tímto modulem.

Charakteristiky nové instalace

Nový jaderný motor pro vesmír Rusko plánuje uvést do komerčního provozu v příštích letech. Očekávané charakteristiky plynové turbíny NEP jsou následující. Jako reaktor je použit plynem chlazený rychlý neutronový reaktor, teplota pracovní tekutiny (směs He/Xe) před turbínou je 1500 K, účinnost přeměny tepelné na elektrickou energii 35 %, typ chladič-radiátor kape. Hmotnost energetické jednotky (reaktor, radiační ochrana a konverzní systém, ale bez radiátoru-radiátoru) je 6 800 kg.

Plánuje se použití vesmírných jaderných motorů (JE, JE spolu s EPS):

• Jako součást budoucích vesmírných vozidel.
• Jako zdroje elektřiny pro energeticky náročné komplexy a kosmické lodě.
• Vyřešit první dva úkoly v transportním a energetickém modulu, aby bylo zajištěno elektrické raketové doručení těžkých kosmických lodí a vozidel na pracovní oběžné dráhy a další dlouhodobé napájení jejich zařízení.

Princip fungování jaderné energiemotor

Založeno buď na fúzi jader, nebo na využití energie štěpení jaderného paliva k vytvoření proudového tahu. Existují instalace pulzně-výbušného a kapalného typu. Výbušná instalace vrhá do vesmíru miniaturní atomové bomby, které detonují na vzdálenost několika metrů a tlačí loď vpřed výbušnou vlnou. V praxi se taková zařízení ještě nepoužívají.

Na druhou stranu jaderné motory na kapalné palivo byly dlouho vyvíjeny a testovány. V 60. letech sovětští specialisté navrhli funkční model RD-0410. Podobné systémy byly vyvinuty ve Spojených státech. Jejich princip je založen na zahřívání kapaliny jaderným minireaktorem, ta se mění v páru a tvoří tryskový proud, který tlačí kosmickou loď. Přestože se zařízení nazývá kapalina, jako pracovní tekutina se obvykle používá vodík. Dalším účelem jaderných vesmírných zařízení je napájet elektrickou palubní síť (přístroje) lodí a satelitů.

Těžká telekomunikační vozidla pro globální vesmírnou komunikaci

V současné době probíhají práce na jaderném motoru pro vesmír, který by měl být použit v těžkých vesmírných komunikačních vozidlech. RSC Energia provedla výzkum a vývoj návrhu ekonomicky konkurenceschopného globálního vesmírného komunikačního systému s levnou celulární komunikací, čehož mělo být dosaženo přenesením „telefonní stanice“ze Země do vesmíru.

Předpoklady pro jejich vytvoření jsou:

• téměř úplné zaplnění geostacionární oběžné dráhy (GSO) pracovními apasivní společníci;
• vyčerpání frekvence;
• pozitivní zkušenosti s tvorbou a komerčním využitím informačních geostacionárních satelitů řady Yamal.

Při vytváření platformy Yamal tvořila nová technická řešení 95 %, což těmto vozidlům umožnilo stát se konkurenceschopnými na globálním trhu vesmírných služeb.

Předpokládá se výměna modulů za technologické komunikační zařízení přibližně každých sedm let. To by umožnilo vytvořit systémy 3-4 těžkých multifunkčních GEO satelitů se zvýšením jimi spotřebované elektrické energie. Zpočátku byly kosmické lodě navrženy na základě solárních panelů s kapacitou 30-80 kW. V další fázi je plánováno využití jaderných motorů 400 kW se zdrojem do jednoho roku v dopravním režimu (pro dodávku základního modulu do GSO) a 150-180 kW v režimu dlouhodobého provozu. (nejméně 10-15 let) jako zdroj elektřiny.

Jaderné motory v systému ochrany Země proti meteoritům

Konstrukční studie provedené společností RSC Energia na konci 90. let ukázaly, že při vytváření antimeteoritového systému na ochranu Země před jádry komet a asteroidů lze využít jaderně-elektrická zařízení a systémy jaderného pohonu. použito pro:

1. Vytvoření systému pro sledování trajektorií asteroidů a komet procházejících oběžnou dráhu Země. K tomu se navrhuje uspořádat speciální kosmickou loď vybavenou optickým a radarovým zařízením pro detekci nebezpečných objektů,výpočet parametrů jejich trajektorií a primární studium jejich charakteristik. Systém může využívat jaderný vesmírný motor s termoelektrickou jadernou elektrárnou s duálním režimem o výkonu 150 kW a více. Jeho zdroj musí být alespoň 10 let starý.
2. Testovací prostředky vlivu (výbuch termonukleárního zařízení) na polygonovém bezpečném asteroidu. Síla NEP doručit testovací zařízení na místo testování asteroidu závisí na hmotnosti dodaného užitečného zatížení (150-500 kW).
3. Doručení běžných prostředků vlivu (interceptor o celkové hmotnosti 15-50 tun) nebezpečnému objektu přibližujícímu se k Zemi. Pro dodání termojaderné nálože nebezpečnému asteroidu, jehož povrchová exploze může vlivem tryskového proudu materiálu asteroidu odchýlit z nebezpečné trajektorie, bude zapotřebí jaderný proudový motor o výkonu 1-10 MW.

Doručení výzkumného vybavení do hlubokého vesmíru

Doručování vědeckého vybavení vesmírným objektům (vzdálené planety, periodické komety, asteroidy) lze provádět pomocí vesmírných jevů založených na LRE. Je vhodné používat jaderné motory pro kosmické lodě, když je úkolem vstoupit na oběžnou dráhu satelitu nebeského tělesa, přímý kontakt s nebeským tělesem, odběr látek a další studie, které vyžadují zvýšení hmotnosti výzkumného komplexu, zahrnutí fází přistání a vzletu.

Parametry motoru

Jaderný motor pro kosmické loděVýzkumný komplex rozšíří „startovací okno“(kvůli řízené rychlosti odtoku pracovní tekutiny), což zjednodušuje plánování a snižuje náklady na projekt. Výzkum provedený společností RSC Energia ukázal, že 150 kW jaderný pohonný systém s životností až tři roky je slibným prostředkem pro dodávání vesmírných modulů do pásu asteroidů.

Dodání výzkumného aparátu na oběžné dráhy vzdálených planet sluneční soustavy zároveň vyžaduje navýšení zdrojů takového jaderného zařízení až na 5-7 let. Bylo prokázáno, že komplex s jaderným pohonným systémem o výkonu cca 1 MW jako součást výzkumné kosmické lodi umožní urychlené doručování umělých satelitů nejvzdálenějších planet, planetárních roverů na povrch přirozených satelitů těchto planet. a dodání půdy z komet, asteroidů, Merkuru a měsíců Jupiteru a Saturnu.

Opakovatelně použitelný tahač (MB)

Jedním z nejdůležitějších způsobů, jak zvýšit efektivitu přepravních operací ve vesmíru, je znovupoužitelné využití prvků dopravního systému. Jaderný motor pro kosmické lodě o výkonu minimálně 500 kW umožňuje vytvořit opakovaně použitelný remorkér a tím výrazně zvýšit efektivitu vícečlánkového vesmírného dopravního systému. Takový systém je zvláště užitečný v programu pro zajištění velkých ročních toků nákladu. Příkladem je program průzkumu Měsíce s vytvářením a údržbou neustále rostoucí obyvatelné základny a experimentálních technologických a výrobních komplexů.

Výpočet obratu nákladu

Podle designových studií RKK"Energia", při stavbě základny by na povrch Měsíce měly být dodány moduly o hmotnosti cca 10 tun, na oběžnou dráhu Měsíce až 30 tun. pro zajištění fungování a rozvoje základny - 400-500 t.

Princip činnosti jaderného motoru však neumožňuje dostatečně rychle rozptýlit transportér. Vzhledem k dlouhé době přepravy, a tedy značnému času strávenému nákladem v radiačních pásech Země, nelze veškerý náklad doručit pomocí remorkérů s jaderným pohonem. Tok nákladu, který lze zajistit na základě NEP, se proto odhaduje pouze na 100–300 tun/rok.

Nákladová efektivita

Jako kritérium pro ekonomickou efektivitu interorbitálního transportního systému je vhodné použít hodnotu jednotkových nákladů na přepravu jednotkové hmotnosti užitečného zatížení (PG) z povrchu Země na cílovou dráhu. RSC Energia vyvinula ekonomický a matematický model, který bere v úvahu hlavní nákladové složky v dopravním systému:

• pro vytvoření a vypuštění tažných modulů na oběžnou dráhu;
• za nákup funkčního jaderného zařízení;
• provozní náklady, stejně jako náklady na výzkum a vývoj a možné kapitálové náklady.

Ukazatele nákladů závisí na optimálních parametrech MB. Pomocí tohoto modelu, srovnávacíekonomická efektivita použití opakovaně použitelného remorkéru na bázi NEP o výkonu cca 1 MW a jednorázového remorkéru založeného na pokročilých kapalných raketových motorech v programu pro dopravu užitečného zatížení o celkové hmotnosti 100 t/rok ze Země na oběžnou dráhu Měsíce s výškou 100 km. Při použití stejné nosné rakety s nosností rovnou nosnosti nosné rakety Proton-M a schématem dvou startů pro konstrukci dopravního systému, jednotkové náklady na dodání jednotkové hmotnosti užitečného zatížení pomocí vlečného člunu s jaderným pohonem bude třikrát nižší než při použití jednorázových remorkérů na bázi raket s kapalinovými motory typu DM-3.

Závěr

Účinný jaderný motor pro vesmír přispívá k řešení ekologických problémů Země, pilotovaný let na Mars, vytváří systém bezdrátového přenosu energie ve vesmíru, implementuje se zvýšenou bezpečností likvidaci zvláště nebezpečného radioaktivního odpadu z pozemních zdrojů jaderná energie ve vesmíru, vytvoření obyvatelné lunární základny a zahájení průmyslového průzkumu Měsíce, zajištění ochrany Země před nebezpečím asteroidů a komet.