Mga nuclear engine para sa spacecraft

2024 May -akda: Howard Calhoun | [email protected]. Huling binago: 2023-12-17 10:43

Ang Russia ay naging at nananatili pa ring nangunguna sa larangan ng nuclear space energy. Ang mga organisasyon tulad ng RSC Energia at Roskosmos ay may karanasan sa pagdidisenyo, pagbuo, paglulunsad at pagpapatakbo ng spacecraft na nilagyan ng nuclear power source. Ginagawang posible ng isang nuclear engine na magpatakbo ng sasakyang panghimpapawid sa loob ng maraming taon, na pinapataas ang kanilang praktikal na pagiging angkop nang maraming beses.

Makasaysayang tala

Ang paggamit ng nuclear energy sa kalawakan ay hindi na naging pantasya noong dekada 70 ng huling siglo. Ang mga unang nuclear engine ay inilunsad sa kalawakan noong 1970-1988 at matagumpay na pinatakbo sa US-A observation spacecraft. Gumamit sila ng system na may thermoelectric nuclear power plant (NPP) "Buk" na may electric power na 3 kW.

Noong 1987-1988, dalawang Plasma-A na sasakyan na may 5 kW Topaz thermionic nuclear power plant ang sumailalim sa paglipad at mga pagsubok sa kalawakan, kung saan ang mga electric rocket engine (EP) ay pinaandar mula sa isang nuclear energy source sa unang pagkakataon.

Nakumpleto ang isang complex ng ground-based nuclearmga pagsubok sa enerhiya ng thermionic nuclear installation na "Yenisei" na may kapasidad na 5 kW. Sa batayan ng mga teknolohiyang ito, binuo ang mga proyekto ng thermionic nuclear power plant na may kapasidad na 25-100 kW.

MB Hercules

Noong 1970s, sinimulan ng RSC Energia ang siyentipiko at praktikal na pananaliksik, ang layunin nito ay lumikha ng isang malakas na nuclear space engine para sa interorbital tug (MB) Hercules. Ang trabaho ay naging posible na gumawa ng isang reserba para sa maraming taon sa mga tuntunin ng isang nuclear electric propulsion system (NEP) na may isang thermionic nuclear power plant na may lakas na ilang hanggang daan-daang kilowatts at mga electric rocket engine na may yunit ng kapangyarihan na sampu at daan-daang ng kilowatts.

Mga parameter ng disenyo ng MB "Hercules":

• net electric power ng nuclear power plant – 550 kW;
• specific impulse ng EPS – 30 km/s;
• projector thrust – 26 N;
• resource ng nuclear power plant at electric propulsion - 16,000 oras;
• working body ng EPS – xenon;
• timbang (tuyo) ng tug - 14.5-15.7 tonelada, kabilang ang mga nuclear power plant - 6.9 tonelada.

Mga Kamakailang Panahon

Sa ika-21 siglo, oras na para lumikha ng bagong nuclear engine para sa kalawakan. Noong Oktubre 2009, sa isang pulong ng Komisyon sa ilalim ng Pangulo ng Russian Federation para sa modernisasyon at teknolohikal na pag-unlad ng ekonomiya ng Russia, isang bagong proyekto ng Russia na "Paglikha ng isang module ng transportasyon at enerhiya gamit ang isang megawatt-class na nuclear power plant" ay opisyal na naaprubahan. Ang mga nangungunang developer ay:

• Reactor plant – OJSC NIKIET.
• Nuclear power plant na may gas turbine energy conversion scheme, EPSsa batayan ng mga ion electric rocket engine at nuclear propulsion system sa kabuuan - State Scientific Center "Research Center na pinangalanang A. I. M. V. Keldysh", na isa ring responsableng organisasyon para sa development program ng transport and energy module (TEM) sa kabuuan.
• RKK Energia bilang pangkalahatang taga-disenyo ng TEM ay dapat bumuo ng isang awtomatikong sasakyan gamit ang module na ito.

Mga katangian ng bagong pag-install

Bagong nuclear engine para sa kalawakan Plano ng Russia na ilagay sa komersyal na operasyon sa mga darating na taon. Ang mga inaasahang katangian ng gas turbine NEP ay ang mga sumusunod. Bilang isang reactor, ginagamit ang isang gas-cooled fast neutron reactor, ang temperatura ng gumaganang fluid (He/Xe mixture) sa harap ng turbine ay 1500 K, ang kahusayan ng pag-convert ng thermal sa electrical energy ay 35%, ang uri ng ang cooler-radiator ay tumulo. Ang bigat ng power unit (reactor, radiation protection at conversion system, ngunit walang radiator-radiator) ay 6,800 kg.

Ang mga space nuclear engine (NPP, NPP kasama ang EPS) ay binalak na gamitin:

• Bilang bahagi ng mga sasakyan sa kalawakan sa hinaharap.
• Bilang mga pinagmumulan ng kuryente para sa mga kumplikadong enerhiya-intensive at spacecraft.
• Upang malutas ang unang dalawang gawain sa transport at energy module upang matiyak ang paghahatid ng electric rocket ng mabibigat na spacecraft at mga sasakyan sa gumaganang mga orbit at higit pang pangmatagalang supply ng kuryente sa kanilang kagamitan.

Ang prinsipyo ng pagpapatakbo ng nukleyarengine

Batay sa alinman sa pagsasanib ng nuclei, o sa paggamit ng fission energy ng nuclear fuel upang bumuo ng jet thrust. May mga pag-install ng pulse-explosive at mga uri ng likido. Ang explosive installation ay naghahagis ng maliliit na atomic bomb sa kalawakan, na kung saan, nagpapasabog sa layo na ilang metro, ay itulak ang barko pasulong na may isang paputok na alon. Sa pagsasagawa, hindi pa ginagamit ang mga naturang device.

Liquid-fueled nuclear engine, sa kabilang banda, ay matagal nang binuo at nasubok. Noong dekada 60, ang mga espesyalista ng Sobyet ay nagdisenyo ng isang magagamit na modelong RD-0410. Ang mga katulad na sistema ay binuo sa Estados Unidos. Ang kanilang prinsipyo ay batay sa pag-init ng likido gamit ang isang nuclear mini-reactor, ito ay nagiging singaw at bumubuo ng isang jet stream, na nagtutulak sa spacecraft. Kahit na ang aparato ay tinatawag na likido, ang hydrogen ay karaniwang ginagamit bilang gumaganang likido. Ang isa pang layunin ng mga pag-install ng nuclear space ay palakasin ang onboard na network ng kuryente (mga instrumento) ng mga barko at satellite.

Mga mabibigat na sasakyan sa telekomunikasyon para sa mga pandaigdigang komunikasyon sa kalawakan

Sa ngayon, isinasagawa ang trabaho sa isang nuclear engine para sa kalawakan, na pinaplanong gamitin sa mga sasakyang pangkomunikasyon ng heavy space. Ang RSC Energia ay nagsagawa ng pagsasaliksik at pagbuo ng disenyo ng isang pandaigdigang sistema ng komunikasyon sa kalawakan na mapagkumpitensya sa ekonomiya na may murang mga komunikasyong cellular, na dapat ay makamit sa pamamagitan ng paglilipat ng "istasyon ng telepono" mula sa Earth patungo sa kalawakan.

Ang mga kinakailangan para sa kanilang paglikha ay:

• halos kumpletong pagpuno ng geostationary orbit (GSO) sa pagtatrabaho atpassive na mga kasama;
• frequency exhaustion;
• positibong karanasan sa paglikha at komersyal na paggamit ng impormasyong geostationary satellite ng Yamal series.

Sa paggawa ng Yamal platform, ang mga bagong teknikal na solusyon ay umabot ng 95%, na nagbigay-daan sa mga naturang sasakyan na maging mapagkumpitensya sa pandaigdigang merkado ng mga serbisyo sa kalawakan.

Inaasahan na papalitan ang mga module ng mga teknolohikal na kagamitan sa komunikasyon humigit-kumulang bawat pitong taon. Gagawin nitong posible na lumikha ng mga sistema ng 3-4 na mabibigat na multifunctional na GEO satellite na may pagtaas sa kuryenteng natupok ng mga ito. Sa una, ang spacecraft ay dinisenyo batay sa mga solar panel na may kapasidad na 30-80 kW. Sa susunod na yugto, pinlano na gumamit ng 400 kW nuclear engine na may mapagkukunan ng hanggang isang taon sa transport mode (para sa paghahatid ng base module sa GSO) at 150-180 kW sa pangmatagalang mode ng operasyon (hindi bababa sa 10-15 taon) bilang pinagmumulan ng kuryente.

Mga nuclear engine sa sistema ng proteksyon laban sa meteorite ng Earth

Ang mga pag-aaral sa disenyo na isinagawa ng RSC Energia noong huling bahagi ng dekada 90 ay nagpakita na sa paglikha ng isang anti-meteorite system para sa pagprotekta sa Earth mula sa nuclei ng mga kometa at asteroid, ang nuclear-electric installation at nuclear propulsion system ay maaaring ginamit para sa:

1. Paggawa ng system para sa pagsubaybay sa mga trajectory ng mga asteroid at kometa na tumatawid sa orbit ng Earth. Upang gawin ito, iminungkahi na ayusin ang mga espesyal na spacecraft na nilagyan ng optical at radar na kagamitan para sa pag-detect ng mga mapanganib na bagay,pagkalkula ng mga parameter ng kanilang mga trajectory at pangunahing pag-aaral ng kanilang mga katangian. Maaaring gumamit ang system ng nuclear space engine na may dual-mode thermionic nuclear power plant na may lakas na 150 kW o higit pa. Ang mapagkukunan nito ay dapat na hindi bababa sa 10 taong gulang.
2. Pagsubok na paraan ng impluwensya (pagsabog ng isang thermonuclear device) sa isang polygon na ligtas na asteroid. Ang kapangyarihan ng NEP na ihatid ang pansubok na device sa asteroid test site ay depende sa bigat ng inihatid na payload (150-500 kW).
3. Paghahatid ng mga regular na paraan ng impluwensya (interceptor na may kabuuang timbang na 15-50 tonelada) sa isang mapanganib na bagay na papalapit sa Earth. Ang isang nuclear jet engine na may kapasidad na 1-10 MW ay kinakailangan upang maghatid ng isang thermonuclear charge sa isang mapanganib na asteroid, ang pagsabog sa ibabaw na kung saan, dahil sa jet stream ng materyal na asteroid, ay maaaring ilihis ito mula sa isang mapanganib na trajectory.

Paghahatid ng mga kagamitan sa pagsasaliksik sa malalim na espasyo

Ang paghahatid ng mga kagamitang pang-agham sa mga bagay sa kalawakan (malayong planeta, periodic comets, asteroids) ay maaaring isagawa gamit ang mga yugto ng kalawakan batay sa LRE. Maipapayo na gumamit ng mga nuclear engine para sa spacecraft kapag ang gawain ay pumasok sa orbit ng isang satellite ng isang celestial body, direktang kontak sa isang celestial body, sampling substance at iba pang mga pag-aaral na nangangailangan ng pagtaas sa masa ng research complex, ang pagsasama ng mga landing at take-off stages.

Mga parameter ng motor

Nuclear engine para sa spacecraftPalalawakin ng research complex ang "start window" (dahil sa kontroladong outflow rate ng working fluid), na nagpapadali sa pagpaplano at nagpapababa sa gastos ng proyekto. Ang pananaliksik na isinagawa ng RSC Energia ay nagpakita na ang isang 150 kW nuclear propulsion system na may buhay ng serbisyo na hanggang tatlong taon ay isang magandang paraan ng paghahatid ng mga module ng espasyo sa asteroid belt.

Kasabay nito, ang paghahatid ng isang research apparatus sa mga orbit ng malalayong planeta ng solar system ay nangangailangan ng pagtaas sa resource ng naturang nuclear installation hanggang 5-7 taon. Napatunayan na ang isang complex na may nuclear propulsion system na may lakas na humigit-kumulang 1 MW bilang bahagi ng isang research spacecraft ay magbibigay-daan para sa pinabilis na paghahatid ng mga artipisyal na satellite ng pinakamalayong planeta, mga planetary rover sa ibabaw ng natural na mga satellite ng mga planetang ito. at paghahatid ng lupa mula sa mga kometa, asteroid, Mercury at buwan ng Jupiter at Saturn.

Reusable tug (MB)

Isa sa pinakamahalagang paraan upang mapataas ang kahusayan ng mga operasyon ng transportasyon sa kalawakan ay ang magagamit muli ng mga elemento ng sistema ng transportasyon. Ang isang nuclear engine para sa spacecraft na may lakas na hindi bababa sa 500 kW ay ginagawang posible na lumikha ng isang magagamit muli na paghatak at sa gayon ay makabuluhang pinapataas ang kahusayan ng isang multi-link na sistema ng transportasyon sa espasyo. Ang ganitong sistema ay lalong kapaki-pakinabang sa isang programa upang matiyak ang malalaking taunang daloy ng kargamento. Ang isang halimbawa ay ang Moon exploration program na may paglikha at pagpapanatili ng patuloy na lumalagong habitable base at mga eksperimentong teknolohikal at production complex.

Pagkalkula ng cargo turnover

Ayon sa pag-aaral ng disenyo ng RKK"Energia", sa panahon ng pagtatayo ng base, ang mga module na tumitimbang ng humigit-kumulang 10 tonelada ay dapat ihatid sa ibabaw ng Buwan, hanggang sa 30 tonelada sa orbit ng Buwan. upang matiyak ang paggana at pag-unlad ng base - 400-500 t.

Gayunpaman, ang prinsipyo ng pagpapatakbo ng nuclear engine ay hindi nagpapahintulot na ikalat nang mabilis ang transporter. Dahil sa mahabang panahon ng transportasyon at, nang naaayon, ang makabuluhang oras na ginugol ng payload sa mga radiation belt ng Earth, hindi lahat ng kargamento ay maaaring maihatid gamit ang mga tugs na pinapagana ng nuklear. Samakatuwid, ang daloy ng kargamento na maaaring ibigay batay sa NEP ay tinatayang nasa 100-300 tonelada lamang/taon.

Episyente sa gastos

Bilang criterion para sa economic efficiency ng interorbital transport system, ipinapayong gamitin ang halaga ng unit cost ng transporting ng unit mass of payload (PG) mula sa ibabaw ng Earth patungo sa target na orbit. Ang RSC Energia ay bumuo ng isang modelong pang-ekonomiya at matematika na isinasaalang-alang ang mga pangunahing bahagi ng gastos sa sistema ng transportasyon:

• para gumawa at maglunsad ng mga tug modules sa orbit;
• para sa pagbili ng gumaganang nuclear installation;
• mga gastos sa pagpapatakbo, pati na rin ang mga gastos sa R&D at posibleng mga gastos sa kapital.

Ang mga indicator ng gastos ay nakadepende sa pinakamainam na parameter ng MB. Gamit ang modelong ito, isang comparativepang-ekonomiyang kahusayan ng paggamit ng magagamit muli na tug batay sa NEP na may lakas na humigit-kumulang 1 MW at isang disposable tug batay sa mga advanced na liquid rocket engine sa programa para sa paghahatid ng payload na may kabuuang mass na 100 t/taon mula sa Earth hanggang sa orbit ng Buwan na may taas na 100 km. Kapag gumagamit ng parehong sasakyang paglulunsad na may kapasidad na dala na katumbas ng kapasidad ng pagdadala ng sasakyang panglunsad ng Proton-M at isang scheme ng dalawang paglunsad para sa pagbuo ng isang sistema ng transportasyon, ang halaga ng yunit ng paghahatid ng isang yunit ng masa ng kargamento gamit ang isang nuclear-powered tug ay tatlong beses na mas mababa kaysa kapag gumagamit ng mga disposable tug batay sa mga rocket na may mga likidong makina na uri ng DM-3.

Konklusyon

Ang isang mahusay na nuclear engine para sa espasyo ay nag-aambag sa paglutas ng mga problemang pangkapaligiran ng Earth, manned flight sa Mars, paglikha ng wireless power transmission system sa kalawakan, pagpapatupad ng lubos na ligtas na pagtatapon ng lubhang mapanganib na radioactive waste mula sa ground-based na nuclear energy sa kalawakan, na lumilikha ng isang matitirahan na base ng buwan at nagsisimula ng pang-industriyang paggalugad ng Buwan, na tinitiyak ang proteksyon ng Earth mula sa panganib ng asteroid-comet.