Enjin nuklear untuk kapal angkasa

2024 Pengarang: Howard Calhoun | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2023-12-17 10:36

Rusia telah dan masih kekal sebagai peneraju dalam bidang tenaga angkasa nuklear. Organisasi seperti RSC Energia dan Roskosmos mempunyai pengalaman dalam mereka bentuk, membina, melancarkan dan mengendalikan kapal angkasa yang dilengkapi dengan sumber tenaga nuklear. Enjin nuklear memungkinkan untuk mengendalikan pesawat selama bertahun-tahun, meningkatkan kesesuaian praktikalnya berkali-kali ganda.

Rekod sejarah

Penggunaan tenaga nuklear di angkasa lepas tidak lagi menjadi fantasi pada tahun 70-an abad yang lalu. Enjin nuklear pertama telah dilancarkan ke angkasa lepas pada 1970-1988 dan berjaya beroperasi pada kapal angkasa pemerhatian AS-A. Mereka menggunakan sistem dengan loji kuasa nuklear termoelektrik (NPP) "Buk" dengan kuasa elektrik 3 kW.

Pada 1987-1988, dua kenderaan Plasma-A dengan loji kuasa nuklear termionik Topaz 5 kW telah menjalani ujian penerbangan dan angkasa lepas, di mana enjin roket elektrik (EP) dikuasakan daripada sumber tenaga nuklear buat kali pertama.

Menyiapkan kompleks nuklear berasaskan daratujian tenaga pemasangan nuklear termionik "Yenisei" dengan kapasiti 5 kW. Berdasarkan teknologi ini, projek loji kuasa nuklear termionik dengan kapasiti 25-100 kW telah dibangunkan.

MB Hercules

Pada tahun 1970-an, RSC Energia memulakan penyelidikan saintifik dan praktikal, yang tujuannya adalah untuk mencipta enjin angkasa nuklear yang berkuasa untuk tarikan interorbital (MB) Hercules. Kerja itu memungkinkan untuk membuat simpanan selama bertahun-tahun dari segi sistem pendorong elektrik nuklear (DEB) dengan loji kuasa nuklear termionik dengan kuasa beberapa hingga ratusan kilowatt dan enjin roket elektrik dengan kuasa unit puluhan dan ratusan daripada kilowatt.

Parameter reka bentuk MB "Hercules":

• tenaga elektrik bersih loji kuasa nuklear – 550 kW;
• impuls khusus EPS – 30 km/s;
• tujahan projektor – 26 N;
• sumber loji tenaga nuklear dan pendorong elektrik - 16,000 jam;
• badan berfungsi EPS – xenon;
• berat (kering) kapal tunda - 14.5-15.7 tan, termasuk loji kuasa nuklear - 6.9 tan.

Kali Terkini

Pada abad ke-21, sudah tiba masanya untuk mencipta enjin nuklear baharu untuk ruang angkasa. Pada Oktober 2009, pada mesyuarat Suruhanjaya di bawah Presiden Persekutuan Rusia untuk pemodenan dan pembangunan teknologi ekonomi Rusia, projek baru Rusia "Penciptaan modul pengangkutan dan tenaga menggunakan loji kuasa nuklear kelas megawatt" telah diluluskan secara rasmi. Pemaju utama ialah:

• Loji reaktor – OJSC NIKIET.
• Loji kuasa nuklear dengan skim penukaran tenaga turbin gas, EPSberdasarkan enjin roket elektrik ion dan sistem pendorong nuklear secara keseluruhan - Pusat Saintifik Negeri "Pusat Penyelidikan dinamakan sempena A. I. M. V. Keldysh”, yang juga merupakan organisasi yang bertanggungjawab untuk program pembangunan modul pengangkutan dan tenaga (TEM) secara keseluruhan.
• RKK Energia sebagai pereka umum TEM harus membangunkan kenderaan automatik dengan modul ini.

Ciri-ciri pemasangan baharu

Enjin nuklear baharu untuk angkasa lepas Rusia merancang untuk beroperasi secara komersial pada tahun-tahun akan datang. Ciri-ciri jangkaan DEB turbin gas adalah seperti berikut. Sebagai reaktor, reaktor neutron cepat sejukan gas digunakan, suhu bendalir kerja (campuran He/Xe) di hadapan turbin ialah 1500 K, kecekapan menukar haba kepada tenaga elektrik ialah 35%, jenis penyejuk-radiator adalah titisan. Jisim unit kuasa (reaktor, perlindungan sinaran dan sistem penukaran, tetapi tanpa radiator-radiator) ialah 6,800 kg.

Enjin nuklear angkasa (NPP, NPP bersama EPS) dirancang untuk digunakan:

• Sebagai sebahagian daripada kenderaan angkasa masa hadapan.
• Sebagai sumber elektrik untuk kompleks intensif tenaga dan kapal angkasa.
• Untuk menyelesaikan dua tugas pertama dalam modul pengangkutan dan tenaga untuk memastikan penghantaran roket elektrik kapal angkasa dan kenderaan berat ke orbit yang berfungsi dan bekalan kuasa jangka panjang selanjutnya kepada peralatan mereka.

Prinsip operasi nuklearenjin

Berdasarkan sama ada pada pelakuran nukleus, atau pada penggunaan tenaga pembelahan bahan api nuklear untuk membentuk tujahan jet. Terdapat pemasangan jenis letupan nadi dan cecair. Pemasangan bahan letupan itu melemparkan bom atom kecil ke angkasa, yang, meletup pada jarak beberapa meter, menolak kapal ke hadapan dengan gelombang letupan. Dalam amalan, peranti sedemikian belum digunakan lagi.

Enjin nuklear bahan api cecair, sebaliknya, telah lama dibangunkan dan diuji. Pada tahun 60-an, pakar Soviet mereka bentuk model RD-0410 yang boleh digunakan. Sistem serupa telah dibangunkan di Amerika Syarikat. Prinsip mereka adalah berdasarkan memanaskan cecair dengan reaktor mini nuklear, ia bertukar menjadi wap dan membentuk aliran jet, yang menolak kapal angkasa. Walaupun peranti itu dipanggil cecair, hidrogen biasanya digunakan sebagai bendalir kerja. Satu lagi tujuan pemasangan angkasa nuklear adalah untuk membekalkan kuasa pada rangkaian (instrumen) elektrik di atas kapal dan satelit.

Kenderaan telekomunikasi berat untuk komunikasi angkasa global

Pada masa ini, kerja sedang dijalankan pada enjin nuklear untuk ruang angkasa, yang dirancang untuk digunakan dalam kenderaan komunikasi angkasa lepas. RSC Energia menjalankan penyelidikan dan pembangunan reka bentuk sistem komunikasi angkasa global yang berdaya saing dari segi ekonomi dengan komunikasi selular yang murah, yang sepatutnya dicapai dengan memindahkan "stesen telefon" dari Bumi ke angkasa.

Prasyarat untuk penciptaan mereka ialah:

• pengisian hampir lengkap orbit geostasioner (GSO) dengan kerja danteman pasif;
• kekerapan keletihan;
• pengalaman positif dalam penciptaan dan penggunaan komersil maklumat satelit geopegun siri Yamal.

Apabila mencipta platform Yamal, penyelesaian teknikal baharu menyumbang 95%, yang membolehkan kenderaan sedemikian menjadi kompetitif dalam pasaran perkhidmatan angkasa global.

Ia dijangka menggantikan modul dengan peralatan komunikasi teknologi kira-kira setiap tujuh tahun. Ini akan memungkinkan untuk mencipta sistem 3-4 satelit GEO pelbagai fungsi berat dengan peningkatan kuasa elektrik yang digunakan oleh mereka. Pada mulanya, kapal angkasa direka berdasarkan panel solar dengan kapasiti 30-80 kW. Pada peringkat seterusnya, ia dirancang untuk menggunakan enjin nuklear 400 kW dengan sumber sehingga satu tahun dalam mod pengangkutan (untuk penghantaran modul asas ke GSO) dan 150-180 kW dalam mod operasi jangka panjang (sekurang-kurangnya 10-15 tahun) sebagai sumber elektrik.

Enjin nuklear dalam sistem perlindungan anti-meteorit Bumi

Kajian reka bentuk yang dijalankan oleh RSC Energia pada akhir 90-an menunjukkan bahawa dalam penciptaan sistem anti-meteorit untuk melindungi Bumi daripada nukleus komet dan asteroid, pemasangan nuklear-elektrik dan sistem pendorongan nuklear boleh digunakan untuk:

1. Mencipta sistem untuk memantau trajektori asteroid dan komet yang melintasi orbit Bumi. Untuk melakukan ini, adalah dicadangkan untuk mengatur kapal angkasa khas yang dilengkapi dengan peralatan optik dan radar untuk mengesan objek berbahaya,pengiraan parameter trajektori mereka dan kajian utama ciri-ciri mereka. Sistem ini boleh menggunakan enjin angkasa nuklear dengan loji kuasa nuklear termionik dwi-mod dengan kuasa 150 kW atau lebih. Sumbernya mestilah sekurang-kurangnya 10 tahun.
2. Menguji cara pengaruh (letupan peranti termonuklear) pada asteroid selamat poligon. Kuasa DEB untuk menghantar peranti ujian ke tapak ujian asteroid bergantung pada jisim muatan yang dihantar (150-500 kW).
3. Penghantaran cara pengaruh biasa (pemintas dengan jumlah berat 15-50 tan) ke objek berbahaya yang menghampiri Bumi. Enjin jet nuklear berkapasiti 1-10 MW akan diperlukan untuk menghantar cas termonuklear ke asteroid berbahaya, letupan permukaan yang, disebabkan oleh aliran jet bahan asteroid, boleh memesongkannya daripada trajektori berbahaya.

Penghantaran peralatan penyelidikan ke angkasa lepas

Penghantaran peralatan saintifik ke objek angkasa (planet jauh, komet berkala, asteroid) boleh dilakukan menggunakan peringkat angkasa berdasarkan LRE. Adalah dinasihatkan untuk menggunakan enjin nuklear untuk kapal angkasa apabila tugasnya adalah untuk memasuki orbit satelit badan angkasa, hubungan langsung dengan badan angkasa, bahan pensampelan dan kajian lain yang memerlukan peningkatan jisim kompleks penyelidikan, kemasukan peringkat pendaratan dan berlepas.

Parameter motor

Enjin nuklear untuk kapal angkasaKompleks penyelidikan akan mengembangkan "tetingkap permulaan" (disebabkan oleh kadar aliran keluar terkawal cecair kerja), yang memudahkan perancangan dan mengurangkan kos projek. Penyelidikan yang dijalankan oleh RSC Energia menunjukkan bahawa sistem pendorongan nuklear 150 kW dengan hayat perkhidmatan sehingga tiga tahun adalah cara yang menjanjikan untuk menghantar modul angkasa ke tali pinggang asteroid.

Pada masa yang sama, penghantaran radas penyelidikan ke orbit planet jauh sistem suria memerlukan peningkatan dalam sumber pemasangan nuklear sedemikian sehingga 5-7 tahun. Telah terbukti bahawa kompleks dengan sistem pendorongan nuklear dengan kuasa kira-kira 1 MW sebagai sebahagian daripada kapal angkasa penyelidikan akan membolehkan penghantaran dipercepatkan satelit buatan planet yang paling jauh, pengembara planet ke permukaan satelit semula jadi planet-planet ini dan penghantaran tanah daripada komet, asteroid, Utarid dan bulan Musytari dan Zuhal.

Tarik tunda boleh guna semula (MB)

Salah satu cara paling penting untuk meningkatkan kecekapan operasi pengangkutan di angkasa ialah penggunaan semula elemen sistem pengangkutan. Enjin nuklear untuk kapal angkasa dengan kuasa sekurang-kurangnya 500 kW memungkinkan untuk mencipta tunda yang boleh diguna semula dan dengan itu meningkatkan kecekapan sistem pengangkutan angkasa berbilang pautan dengan ketara. Sistem sedemikian amat berguna dalam program untuk memastikan aliran kargo tahunan yang besar. Contohnya ialah program penerokaan Bulan dengan penciptaan dan penyelenggaraan pangkalan boleh huni yang sentiasa berkembang serta kompleks teknologi dan pengeluaran eksperimen.

Pengiraan pusing ganti kargo

Menurut kajian reka bentuk RKK"Energia", semasa pembinaan pangkalan, modul seberat kira-kira 10 tan harus dihantar ke permukaan Bulan, sehingga 30 tan ke orbit Bulan. untuk memastikan fungsi dan pembangunan pangkalan - 400-500 t.

Walau bagaimanapun, prinsip operasi enjin nuklear tidak membenarkan pengangkut menyuraikan dengan cukup cepat. Disebabkan oleh masa pengangkutan yang lama dan, oleh itu, masa penting yang dihabiskan oleh muatan dalam sabuk sinaran Bumi, tidak semua kargo boleh dihantar menggunakan kapal tunda berkuasa nuklear. Oleh itu, aliran kargo yang boleh disediakan berdasarkan DEB dianggarkan hanya 100-300 tan/tahun.

Kecekapan kos

Sebagai kriteria untuk kecekapan ekonomi sistem pengangkutan antara orbit, adalah dinasihatkan untuk menggunakan nilai kos unit untuk mengangkut satu unit jisim muatan (PG) dari permukaan Bumi ke orbit sasaran. RSC Energia membangunkan model ekonomi dan matematik yang mengambil kira komponen kos utama dalam sistem pengangkutan:

• untuk mencipta dan melancarkan modul tunda ke orbit;
• untuk pembelian pemasangan nuklear yang berfungsi;
• kos operasi, serta kos R&D dan kemungkinan kos modal.

Penunjuk kos bergantung pada parameter optimum MB. Menggunakan model ini, perbandingankecekapan ekonomi menggunakan tunda boleh guna semula berdasarkan DEB dengan kuasa kira-kira 1 MW dan tunda pakai buang berdasarkan enjin roket cecair canggih dalam program untuk menghantar muatan dengan jumlah jisim 100 t/tahun dari Bumi ke orbit Bulan dengan ketinggian 100 km. Apabila menggunakan kenderaan pelancar yang sama dengan kapasiti tampung yang sama dengan kapasiti tampung kenderaan pelancar Proton-M dan skim dua pelancaran untuk membina sistem pengangkutan, kos unit untuk menghantar satu unit jisim muatan menggunakan tunda berkuasa nuklear. akan menjadi tiga kali lebih rendah daripada apabila menggunakan tunda pakai buang berdasarkan roket dengan enjin cecair jenis DM-3.

Kesimpulan

Enjin nuklear yang cekap untuk ruang angkasa menyumbang kepada menyelesaikan masalah alam sekitar Bumi, penerbangan berawak ke Marikh, mewujudkan sistem penghantaran kuasa tanpa wayar di angkasa, melaksanakan dengan keselamatan yang lebih tinggi pelupusan sisa radioaktif yang berbahaya terutamanya berasaskan tanah tenaga nuklear di angkasa lepas, mewujudkan pangkalan bulan yang boleh didiami dan memulakan penerokaan industri Bulan, memastikan perlindungan Bumi daripada bahaya asteroid-komet.