Kodoldzinēji kosmosa kuģiem

2024 Autors: Howard Calhoun | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2023-12-17 10:35

Krievija ir bijusi un joprojām ir līderis kosmosa kodolenerģijas jomā. Tādām organizācijām kā RSC Energia un Roskosmos ir pieredze ar kodolenerģijas avotu aprīkotu kosmosa kuģu projektēšanā, būvniecībā, palaišanā un ekspluatācijā. Kodoldzinējs ļauj ekspluatēt lidaparātus daudzus gadus, daudzkārt palielinot to praktisko piemērotību.

Vēstures ieraksts

Pagājušā gadsimta 70. gados kodolenerģijas izmantošana kosmosā pārstāja būt fantāzija. Pirmie kodoldzinēji kosmosā tika palaisti 1970.-1988.gadā un veiksmīgi darbojās uz US-A novērošanas kosmosa kuģa. Viņi izmantoja sistēmu ar termoelektrisko atomelektrostaciju (AES) "Buk" ar elektrisko jaudu 3 kW.

1987.–1988. gadā diviem Plasma-A transportlīdzekļiem ar 5 kW Topaz termoelektrostaciju tika veikti lidojuma un kosmosa testi, kuru laikā elektriskie raķešu dzinēji (EP) pirmo reizi tika darbināti no kodolenerģijas avota.

Pabeigts uz zemes izvietotas kodolenerģijas kompleksstermoizolācijas kodoliekārtas "Jeņisej" ar jaudu 5 kW enerģijas pārbaudes. Uz šo tehnoloģiju pamata ir izstrādāti termoelektrostaciju projekti ar jaudu no 25-100 kW.

MB Hercules

70. gados RSC Energia uzsāka zinātniskus un praktiskus pētījumus, kuru mērķis bija izveidot jaudīgu kodola kosmosa dzinēju starporbitālajam velkonim (MB) Hercules. Darbs ļāva izveidot daudzu gadu rezervi kodolelektriskajai dzinējspēka sistēmai (NEP) ar termoelektrostaciju ar jaudu no vairākiem līdz simtiem kilovatu un elektriskajiem raķešu dzinējiem ar vienības jaudu desmitiem un simtiem. no kilovatiem.

MB "Hercules" dizaina parametri:

• atomelektrostacijas tīrā elektriskā jauda – 550 kW;
• Īpašais EPS impulss – 30 km/s;
• projektora vilce – 26 N;
• atomelektrostacijas un elektriskās piedziņas resurss - 16 000 stundas;
• EPS darba korpuss – ksenons;
• velkona svars (sausā) - 14,5-15,7 tonnas, tajā skaitā atomelektrostacijās - 6,9 tonnas.

Pēdējie laiki

21. gadsimtā ir pienācis laiks izveidot jaunu kosmosa kodoldzinēju. 2009. gada oktobrī Krievijas Federācijas prezidenta Krievijas ekonomikas modernizācijas un tehnoloģiskās attīstības komisijas sēdē tika pieņemts jauns Krievijas projekts "Transporta un enerģijas moduļa izveide, izmantojot megavatu klases atomelektrostaciju". oficiāli apstiprināts. Galvenie izstrādātāji ir:

• Reaktoru rūpnīca – OJSC NIKIET.
• Atomelektrostacija ar gāzturbīnas enerģijas pārveidošanas shēmu, EPSuz jonu elektrisko raķešu dzinēju un kodolpiedziņas sistēmu bāzes kopumā - Valsts zinātniskais centrs “A. I. vārdā nosauktais pētniecības centrs. M. V. Keldysh”, kas ir arī atbildīgā organizācija par transporta un enerģētikas moduļa (TEM) attīstības programmu kopumā.
• RKK Energia kā TEM ģenerālkonstruktoram vajadzētu izstrādāt automātisku transportlīdzekli ar šo moduli.

Jaunās instalācijas raksturojums

Jauns kodoldzinējs kosmosa vajadzībām Krievija tuvāko gadu laikā plāno nodot komerciālai ekspluatācijai. Paredzamie gāzes turbīnas NEP raksturlielumi ir šādi. Kā reaktors tiek izmantots ar gāzi dzesējams ātro neitronu reaktors, darba šķidruma (He/Xe maisījuma) temperatūra turbīnas priekšā ir 1500 K, siltumenerģijas pārvēršanas elektroenerģijā efektivitāte ir 35%, tips dzesētājs-radiators ir pilošs. Energobloka (reaktora, radiācijas aizsardzības un pārveidošanas sistēmas, bet bez radiatora-radiatora) masa ir 6800 kg.

Paredzēts izmantot kosmosa kodoldzinējus (AES, AES kopā ar EPS):

• Kā daļa no nākotnes kosmosa transportlīdzekļiem.
• Kā elektroenerģijas avoti energoietilpīgiem kompleksiem un kosmosa kuģiem.
• Atrisināt pirmos divus uzdevumus transporta un enerģētikas modulī, lai nodrošinātu smago kosmosa kuģu un transportlīdzekļu elektrisko raķešu piegādi darba orbītām un turpmāku ilgtermiņa elektroenerģijas piegādi to aprīkojumam.

Kodolenerģijas darbības principsdzinējs

Balstīts vai nu uz kodolu saplūšanu, vai uz kodoldegvielas skaldīšanas enerģijas izmantošanu, lai veidotu strūklas vilci. Ir impulsa sprādzienbīstamu un šķidru veidu iekārtas. Sprādzienbīstamā instalācija kosmosā izmet miniatūras atombumbas, kas, detonējot vairāku metru attālumā, ar sprādzienbīstamu vilni virza kuģi uz priekšu. Praksē šādas ierīces vēl netiek izmantotas.

Turpretim ar šķidro kurināmo darbināmie kodoldzinēji jau sen ir izstrādāti un pārbaudīti. 60. gados padomju speciālisti izstrādāja funkcionējošu modeli RD-0410. Līdzīgas sistēmas ir izstrādātas Amerikas Savienotajās Valstīs. To darbības princips ir balstīts uz šķidruma sildīšanu ar kodola mini reaktoru, tas pārvēršas tvaikā un veido strūklas plūsmu, kas spiež kosmosa kuģi. Lai gan ierīci sauc par šķidrumu, kā darba šķidrumu parasti izmanto ūdeņradi. Vēl viens kodolieroču kosmosa iekārtu mērķis ir darbināt kuģu un satelītu elektrisko tīklu (instrumentus).

Smagie telekomunikāciju transportlīdzekļi globālajiem kosmosa sakariem

Šobrīd notiek darbs pie kosmosa kodoldzinēja, ko plānots izmantot smagajos kosmosa sakaru transportlīdzekļos. RSC Energia veica ekonomiski konkurētspējīgas globālās kosmosa sakaru sistēmas izpēti un dizaina izstrādi ar lētiem mobilajiem sakariem, ko bija paredzēts panākt, pārceļot "telefona staciju" no Zemes uz kosmosu.

To izveides priekšnoteikumi ir:

• gandrīz pilnīga ģeostacionārās orbītas (GSO) piepildīšana ar darba unpasīvie pavadoņi;
• frekvences izsīkums;
• pozitīva pieredze Jamalas sērijas informācijas ģeostacionāro satelītu izveidē un komerciālā izmantošanā.

Veidojot Yamal platformu, 95% veidoja jauni tehniskie risinājumi, kas ļāva šādiem transportlīdzekļiem kļūt konkurētspējīgiem pasaules kosmosa pakalpojumu tirgū.

Paredzēts moduļus nomainīt pret tehnoloģisko sakaru iekārtām aptuveni reizi septiņos gados. Tas ļautu izveidot sistēmas no 3-4 smagiem daudzfunkcionāliem GEO satelītiem, palielinot to patērēto elektrisko jaudu. Sākotnēji kosmosa kuģi tika izstrādāti, pamatojoties uz saules paneļiem ar jaudu 30-80 kW. Nākamajā posmā plānots izmantot 400 kW kodoldzinējus ar resursu līdz vienam gadam transporta režīmā (bāzes moduļa piegādei GSO) un 150-180 kW ilgstošas darbības režīmā. (vismaz 10-15 gadi) kā elektroenerģijas avotu.

Kodoldzinēji Zemes pretmeteorīta aizsardzības sistēmā

RSC Energia 90. gadu beigās veiktie dizaina pētījumi parādīja, ka, veidojot pretmeteorītu sistēmu, lai aizsargātu Zemi no komētu un asteroīdu kodoliem, kodolelektrostacijas un kodoldzinēju sistēmas var tikt izmantotas. izmantots:

1. Sistēmas izveide Zemes orbītu šķērsojošo asteroīdu un komētu trajektoriju uzraudzībai. Lai to izdarītu, tiek ierosināts organizēt īpašus kosmosa kuģus, kas aprīkoti ar optiskām un radara iekārtām bīstamu objektu noteikšanai,to trajektoriju parametru aprēķināšana un to raksturlielumu primārā izpēte. Sistēmā var izmantot kosmosa kodoldzinēju ar divu režīmu termoelektrostaciju ar jaudu 150 kW vai vairāk. Tā resursam ir jābūt vismaz 10 gadus vecam.
2. Ietekmes līdzekļu (kodoltermiskās ierīces sprādziena) pārbaudes uz poligonu drošu asteroīdu. NEP jauda, lai nogādātu testa ierīci uz asteroīdu izmēģinājumu vietu, ir atkarīga no piegādātās kravas masas (150–500 kW).
3. Regulāru ietekmes līdzekļu (pārtvērēja ar kopējo masu 15-50 tonnas) piegāde uz bīstamu objektu, kas tuvojas Zemei. Kodolreaktīvajam dzinējam ar jaudu 1-10 MW būs nepieciešams kodoltermiskā lādiņa novadīšana bīstamam asteroīdam, kura virsmas sprādziens asteroīda materiāla strūklas straumes dēļ var novirzīt to no bīstamas trajektorijas.

Pētniecības aprīkojuma piegāde dziļajā kosmosā

Zinātniskā aprīkojuma piegādi kosmosa objektiem (tālām planētām, periodiskām komētām, asteroīdiem) var veikt, izmantojot kosmosa posmus, kuru pamatā ir LRE. Kodoldzinējus vēlams izmantot kosmosa kuģiem, kad uzdevums ir iekļūšana debess ķermeņa pavadoņa orbītā, tiešs kontakts ar debess ķermeni, vielu paraugu ņemšana un citi pētījumi, kas prasa pētāmā kompleksa masas palielināšanu, nosēšanās un pacelšanās posmu iekļaušana.

Motora parametri

Kodoldzinējs kosmosa kuģiemPētījumu komplekss paplašinās "sākuma logu" (sakarā ar kontrolētu darba šķidruma izplūdes ātrumu), kas vienkāršo plānošanu un samazina projekta izmaksas. RSC Energia veiktais pētījums parādīja, ka 150 kW kodolpiedziņas sistēma ar kalpošanas laiku līdz trim gadiem ir daudzsološs līdzeklis kosmosa moduļu nogādāšanai asteroīdu joslā.

Tajā pašā laikā pētniecības aparāta piegādei uz Saules sistēmas attālo planētu orbītām ir jāpalielina šādas kodoliekārtas resursi līdz 5-7 gadiem. Ir pierādīts, ka komplekss ar kodoldzinēju sistēmu ar jaudu aptuveni 1 MW kā daļa no pētniecības kosmosa kuģa ļaus paātrināt attālāko planētu mākslīgo pavadoņu, planētu roveru nogādāšanu uz šo planētu dabisko pavadoņu virsmu. un augsnes piegāde no komētām, asteroīdiem, dzīvsudraba un Jupitera un Saturna pavadoņiem.

Atkārtoti lietojams velkonis (MB)

Viens no svarīgākajiem veidiem, kā palielināt transporta operāciju efektivitāti kosmosā, ir transporta sistēmas elementu atkārtota izmantošana. Kosmosa kuģu kodoldzinējs ar jaudu vismaz 500 kW ļauj izveidot atkārtoti lietojamu velkoņu un tādējādi ievērojami palielināt vairāku posmu kosmosa transporta sistēmas efektivitāti. Šāda sistēma ir īpaši noderīga programmā lielu ikgadējo kravu plūsmu nodrošināšanai. Kā piemēru var minēt Mēness izpētes programmu ar pastāvīgi augošas apdzīvojamās bāzes un eksperimentālo tehnoloģisko un ražošanas kompleksu izveidi un uzturēšanu.

Kravu apgrozījuma aprēķins

Saskaņā ar RKK dizaina pētījumiem"Energia" bāzes būvniecības laikā uz Mēness virsmu jānogādā ap 10 tonnām smagi moduļi, Mēness orbītā līdz 30 tonnām.lai nodrošinātu bāzes funkcionēšanu un attīstību - 400-500 t.

Tomēr kodoldzinēja darbības princips neļauj pietiekami ātri izkliedēt transportieri. Ņemot vērā ilgo transportēšanas laiku un attiecīgi ievērojamo laiku, ko krava pavada Zemes radiācijas joslās, ne visas kravas var nogādāt, izmantojot kodolvelkoņus. Līdz ar to kravu plūsma, ko var nodrošināt uz NEP bāzes, tiek lēsta tikai 100-300 tonnu/gadā.

Izmaksu efektivitāte

Kā kritēriju starporbitālās transporta sistēmas ekonomiskās efektivitātes noteikšanai ir ieteicams izmantot vienības izmaksu vērtību, transportējot lietderīgās kravas masas vienības (PG) no Zemes virsmas uz mērķa orbītu. RSC Energia izstrādāja ekonomisko un matemātisko modeli, kurā ņemtas vērā galvenās izmaksu sastāvdaļas transporta sistēmā:

• lai izveidotu un palaistu velkoņu moduļus orbītā;
• strādājošas kodoliekārtas iegādei;
• darbības izmaksas, kā arī pētniecības un attīstības izmaksas un iespējamās kapitāla izmaksas.

Izmaksu rādītāji ir atkarīgi no MB optimālajiem parametriem. Izmantojot šo modeli, salīdzinošsekonomiskā efektivitāte, izmantojot atkārtoti lietojamu velkoni uz NEP bāzes ar jaudu aptuveni 1 MW un vienreizējās lietošanas velkoni, kura pamatā ir uzlaboti šķidro raķešu dzinēji programmā kravas ar kopējo masu 100 t/gadā nogādāšanai no Zemes uz Mēness orbītu ar 100 km augstumu. Izmantojot vienu un to pašu nesējraķeti, kuras kravnesība ir vienāda ar Proton-M nesējraķetes kravnesību un divu palaišanas shēmu transporta sistēmas izveidošanai, vienības izmaksas, kas saistītas ar lietderīgās kravas masas vienības piegādi, izmantojot kodolvelkoni. būs trīs reizes zemāks nekā izmantojot vienreizējās lietošanas velkoņus, kuru pamatā ir raķetes ar DM-3 tipa šķidro dzinēju.

Secinājums

Efektīvs kosmosa kodoldzinējs palīdz atrisināt Zemes vides problēmas, pilotējamu lidojumu uz Marsu, bezvadu elektropārvades sistēmas izveidi kosmosā, ar paaugstinātu drošību īstenojot īpaši bīstamu zemes radioaktīvo atkritumu apglabāšanu. kodolenerģija kosmosā, izveidojot apdzīvojamu Mēness bāzi un uzsākot rūpniecisku Mēness izpēti, nodrošinot Zemes aizsardzību no asteroīdu-komētas apdraudējuma.