Ядрени двигатели за космически кораби

Русия беше и все още е лидер в областта на енергията на ядреното пространство. Опитът в проектирането, изграждането, пускането в експлоатация и експлоатацията на космически превозни средства, оборудвани с ядрен енергиен източник, се осигурява от организации като RSC Energia и Roskosmos. Ядреният двигател дава възможност за експлоатация на въздухоплавателните средства в продължение на много години, като многократно увеличава тяхната практическа полезност.

Историческа хроника

Използването на ядрена енергия в космоса е престанало да бъде фантастика през 70-те години на миналия век. Първите ядрени двигатели през 1970-1988 г. бяха пуснати в космоса и успешно експлоатирани на космически кораб (US) "US-A". Те използват система с електрическа мощност от 3 кВт с термоелектрическа атомна електроцентрала (АЕЦ) "Бук".

През 1987-1988 г. две устройства "Плазма-А" с атомна електроцентрала "Топаз" с мощност от 5 kW преминаха космическите полетни изпитания, през които първата електроенергия беше доставена от ядрения енергиен източник.

Извършен е комплекс от тестове за ядрена енергетика с 5 кВт ядрено съоръжение "Йенисей". Въз основа на тези технологии са разработени проекти на термични ядрени мощности с мощност 25-100 kW.

MB "Херкулес"

RSC Energia започна научни и практически изследвания през 70-те години на миналия век, чиято цел беше да се създаде мощен двигател с ядрен космос за междукорпусния влекач "Херкулес". Работата позволява да се запази в продължение на много години резерв в част от системата за ядрено електрическо задвижване (JAERDU) с термична ядрена централа с мощност от няколкостотин киловата и електрически двигатели с мощност от десетки и стотици киловатци.

Дизайн параметри на MB "Херкулес":

• Полезна електроенергия на атомната електроцентрала - 550 кВт;
• Специфичният импулс на ERDU е 30 km / s;
• Напрежението на ERDU е 26 N;
• Ресурсът на атомните електроцентрали и електроцентрали е 16 000 часа;
• Работната среда на ERDU е ксенон;
• Масата (суха) на влекача е 14,5-15,7 тона, включително атомната електроцентрала - 6,9 тона.

Най-новото време

През 21 век е време да се създаде нов ядрен двигател за космоса. През октомври 2009 г. по време на срещата на Комисията под председателството на Руската федерация за модернизация и технологично развитие на руската икономика беше официално одобрен нов руски проект "Създаване на транспортно-енергиен модул с използване на двигател с ядрена мощност от мегават клас". Основните разработчици са:

• Реакторна инсталация - АД "НИКИЕТ".
• Атомна електроцентрала със схема за преобразуване на мощността на газовата турбина, ERDU, базирана на йонни електрически двигатели и YaREDU като цяло - SSC " MV Keldysh ", която също е отговорен орган за програмата за развитие на модула транспортно-енергиен (ТЕМ) като цяло.
• RSC Energia като генерален дизайнер на TEM трябва да разработи автоматично устройство с този модул.

Характеристики на новата инсталация

Нов ядрен двигател за космоса Русия планира да влезе в търговска експлоатация през следващите години. Очакваните характеристики на газовата турбина YERDU са както следва. Реакторът е газ-охладен бърз неутронен реактор, температурата на работната течност (смес He / Xe) пред турбината е 1500 К, ефективността на преобразуване на топлинната енергия в електрическа енергия е 35%, капката на излъчвателя-излъчвател. Теглото на мощността (реактор, система за радиационна защита и конверсия, но без радиатор-радиатор) е 6 800 кг.

Предвижда се използването на космически атомни двигатели (АЕЦ, АЕЦ заедно с ЕРДУ):

• Като част от бъдещите космически превозни средства.
• Като източници на електроенергия за енергоемки комплекси и космически кораби.
• За да се решат първите две задачи в транспортния и енергиен модул, за да се осигури доставката на тежки космически кораби и превозни средства с електрическа ракета на работните орбити и по-нататъшното дългосрочно захранване на тяхното оборудване.

Принцип на действие на ядрения двигател

Тя се основава или на синтеза на ядра, или на използването на ядрена енергия за делене, за да се образува реактивна тяга. Има инсталации от импулсни експлозиви и течни типове. Експлозивното устройство хвърля миниатюрни атомни бомби в космоса, които се взривяват на разстояние от няколко метра, а взривната вълна бута кораба напред. На практика такива устройства все още не се използват.

Течните ядрени двигатели, от друга страна, отдавна са разработени и тествани. През 60-те години съветските специалисти са построили работещ модел RD-0410. Подобни системи бяха разработени в САЩ. Техният принцип се основава на нагряване на течността с ядрен миниреактор, той се превръща в пара и образува струя, която изстрелва космическия кораб. Въпреки че устройството се нарича течност, като работна среда, като правило се използва водород. Друго предназначение на ядрените инсталации е електрозахранването на електрическата бордова мрежа (уреди) на кораби и спътници.

Тежък телекомуникационен апарат за глобална космическа комуникация

В момента се работи по ядрен двигател за космос, който се планира да бъде използван в устройства за комуникация с тежки пространства. RSC Energia извърши проучване и разработване на глобалната космическа комуникационна система, конкурентно конкурентоспособна с евтината клетъчна комуникация, която се очаква да бъде постигната чрез прехвърляне на "телефонната централа" от Земята в космоса.

Предпоставки за тяхното създаване са:

• На практика пълното запълване на геостационарната орбита (GSO) чрез операционни и пасивни спътници;
• Изчерпване на честотния ресурс;
• Положителен опит в създаването и използването на геостационарни сателити за информация от серията Yamal.

При създаването на платформата "Ямал" новите технически решения възлизат на 95%, което позволява на такива устройства да станат конкурентоспособни на световния пазар на космически услуги.

Планира се да се заменят модулите с технологично оборудване за комуникация на всеки седем години. Това би позволило създаването на системи от 3-4 тежкотоварни многофункционални сателити в GSO с увеличаване на електрическата енергия, която те консумират. Първоначално са проектирани космически кораби, базирани на слънчеви батерии с мощност 30-80 kW. На следващия етап се планират да бъдат използвани като източник на електроенергия 400 кВт ядрени двигатели с живот до 1 година в режим на транспорт (за доставка на основния модул към GSO) и 150-180 kW в режим на дългосрочна експлоатация (не по-малко от 10-15 години).

Ядрени двигатели в системата на антиметеоритична защита на Земята

Завършени от RSC Energia в края на 90-те години, изследванията в областта на дизайна показват, че при създаването на анти-метеоритична система за защита на Земята от комета и астероидите атомните електроцентрали и атомните електроцентрали могат да бъдат използвани за:

1. Създаване на система за мониторинг на траекториите на астероиди и комети, пресичащи орбитата на Земята. За тази цел се предлага да се организират специални космически кораби, оборудвани с оптично и радарно оборудване за откриване на опасни обекти, изчисляване на параметрите на техните траектории и първоначално проучване на техните характеристики. В системата може да се използва ядрен космически двигател с термоядрена атомна електроцентрала с мощност от 150 kW. Неговият ресурс трябва да е на поне 10 години.
2. Изпитвания на средства за влияние (експлозия на термоядрени устройства) върху доказан безопасен астероид. Силата на NERDU за доставянето на тестовото устройство на астрономичния полигон зависи от масата на доставения полезен товар (150-500 kW).
3. Доставки на редовни средства за действие (прехващачи с обща маса от 15-50 тона) към опасния обект, който се приближава до Земята. Ядрен реактивен двигател с мощност от 1 до 10 MW ще бъде необходим, за да достави термоядрен заряд на опасен астероид, чиято повърхностна експлозия, поради струя от астероиден материал, ще може да го отклони от опасна траектория.

Доставка на научно оборудване до космическото пространство

Доставката на научно оборудване на космически обекти (отдалечени планети, периодични комети, астероиди) може да се осъществи, като се използват пространствени етапи, базирани на LPRE. Използването на ядрени двигатели за космически превозни средства е препоръчително, когато задачата е да навлязат в орбитата на спътник от небесното тяло, директен контакт с небесното тяло, извадки и други изследвания, които изискват увеличаване на масата на изследователския комплекс, включително етапи на кацане и излитане.

Параметри на двигателя

Ядреният двигател за космическите кораби на изследователския комплекс ще разшири "прозореца за изстрелване" (поради контролирания дебит на работния флуид), което опростява планирането и намалява цената на проекта. Изследванията, извършени от RSC Energia, показаха, че 150 kW YaRDU с живот до три години е обещаващо средство за доставка на космически модули на астероидния пояс.

В същото време предаването на изследователския апарат на орбитите на далечните планети на слънчевата система изисква увеличаване на живота на такава ядрена инсталация до 5-7 години. Доказано е, че комплекс с ядрена мощност от 1 MW, като част от изследователски сателит, ще позволи ускорена доставка за 5-7 години на орбитите на изкуствени сателити на най-отдалечените планети, планетата до повърхността на естествените спътници на тези планети и доставянето на Земята от комети, астероиди, Сателитите на Юпитер и Сатурн.

Повторно използваем влекач (MB)

Един от най-важните начини за подобряване на ефективността на транспортните операции в космоса е многократното използване на елементите на транспортната система. Ядрен двигател за космически кораби с мощност най-малко 500 kW позволява създаването на влекач за многократна употреба и по този начин значително увеличава ефективността на системата за космически транспорт с многовръзки. Особено полезна е такава система в програмата за осигуряване на големи годишни товарни потоци. Пример може да бъде програма за развитие на луната чрез създаване и поддържане на постоянно нарастваща обитаема база и експериментални технологични и производствени комплекси.

Изчисляване на оборота

Според проектантските проучвания на RSC Energia, когато се изгражда база на повърхността на Луната, трябва да бъдат доставени модули с маса от около 10 тона или до 30 тона на лунната орбита. Общият товарен трафик от Земята по време на изграждането на обитаемата лунна база и посетената лунна орбитална станция се оценява на 700-800 тона , И годишният товарен поток за експлоатация и развитие на базата е 400-500 тона.

Принципът на действие на ядрения двигател обаче не позволява достатъчно бързо изпращане на превозвача. Поради продължителното време за транспортиране и съответно значителното време за намиране на полезния товар в радиационните пояси на Земята, не всички товари могат да бъдат доставени с влекачи с ядрен двигател. Следователно, товарният поток, който може да бъде осигурен въз основа на YERDA, се оценява на едва 100-300 тона годишно.

Икономическа ефективност

Като критерий за икономическа ефективност на системата за междуорбитален транспорт е целесъобразно да се използва стойността на единичните разходи за транспортиране на единица тегло от полезно натоварване (ПГ) от повърхността на Земята до целевата орбита. RSC Energia разработи икономически-математически модел, който отчита основните компоненти на разходите в транспортната система:

• За създаване и пускане в експлоатация на влекачите;
• За закупуване на работеща ядрена инсталация;
• Оперативни разходи, както и разходи за НИРД и възможни капиталови разходи.

Индикаторите за разходите зависят от оптималните MB параметри. Използвайки този модел, в програмата се изследва сравнителната рентабилност на използването на повторно използван вагон на базата на YaRDU с мощност от 1 MW и влекач за еднократна употреба въз основа на модерни ракетни двигатели с течно гориво, за да се осигури доставката от земната повърхност до орбитата на Луната с височина 100 km полезен товар с обща маса 100 тона годишно. При използване на една и съща носеща ракета с товароносимост, равна на тази на Proton-M LV и двустепенна схема за изграждане на транспортната система, специфичната цена на доставяне на единица полезен товар от влекач въз основа на ядрен двигател ще бъде три пъти по-ниска, Влекачи, базирани на ракети с течни двигатели като DM-3.

заключение

Ефективният ядрен двигател за космоса допринася за решаването на екологичните проблеми на Земята, полета на човека към Марс, създаването на безжична енергийна система в Космоса, осъществяването на високо опасното изхвърляне на високо опасни радиоактивни отпадъци от сухоземната атомна енергия в космическото пространство, създаването на обитавана лунна база и началото на индустриалното развитие на Луната, Защита на Земята от опасност от астероидна комета.