Atommotorer til rumfartøjer

2024 Forfatter: Howard Calhoun | [email protected]. Sidst ændret: 2023-12-17 10:22

Rusland har været og er stadig førende inden for nuklear rumenergi. Organisationer som RSC Energia og Roskosmos har erfaring med at designe, bygge, opsende og betjene rumfartøjer udstyret med en atomkraftkilde. En nuklear motor gør det muligt at betjene fly i mange år, hvilket øger deres praktiske egnethed mange gange.

Historisk rekord

Brugen af atomenergi i rummet ophørte med at være en fantasi tilbage i 70'erne af forrige århundrede. De første atommotorer blev sendt ud i rummet i 1970-1988 og fungerede med succes på US-A observationsrumfartøjet. De brugte et system med et termoelektrisk atomkraftværk (NPP) "Buk" med en elektrisk effekt på 3 kW.

I 1987-1988 gennemgik to Plasma-A-køretøjer med et 5 kW Topaz termionisk atomkraftværk flyve- og rumforsøg, hvorunder elektriske raketmotorer (EP) blev drevet fra en atomenergikilde for første gang.

Fuldførte et kompleks af jordbaseret atomkraftenergitest af den termioniske nukleare installation "Yenisei" med en kapacitet på 5 kW. På basis af disse teknologier er der udviklet projekter af termioniske atomkraftværker med en kapacitet på 25-100 kW.

MB Hercules

I 1970'erne startede RSC Energia videnskabelig og praktisk forskning, hvis formål var at skabe en kraftfuld nuklear rummotor til den interorbitale slæbebåd (MB) Hercules. Arbejdet gjorde det muligt at lave en reserve i mange år i form af et nuklear elektrisk fremdriftssystem (NEP) med et termionisk atomkraftværk med en effekt på flere til hundreder af kilowatt og elektriske raketmotorer med en enhedseffekt på tiere og hundreder af kilowatt.

Designparametre for MB "Hercules":

• netto elektrisk kraft fra atomkraftværket – 550 kW;
• specifik impuls af EPS – 30 km/s;
• projektortryk – 26 N;
• ressource for atomkraftværk og elektrisk fremdrift - 16.000 timer;
• working body of EPS – xenon;
• vægt (tør) af slæbebåden - 14,5-15,7 tons, inklusive atomkraftværker - 6,9 tons.

Seneste tid

I det 21. århundrede er det tid til at skabe en ny nuklear motor til rummet. I oktober 2009, på et møde i Kommissionen under præsidenten for Den Russiske Føderation for modernisering og teknologisk udvikling af den russiske økonomi, blev et nyt russisk projekt "Oprettelse af et transport- og energimodul ved hjælp af et megawatt-klasse atomkraftværk" officielt godkendt. Lead udviklere er:

• Reaktoranlæg – OJSC NIKIET.
• Atomkraftværk med en gasturbine-energikonverteringsplan, EPSpå grundlag af ion-elektriske raketmotorer og nukleare fremdrivningssystemer som helhed - Statens videnskabelige center “Forskningscenter opkaldt efter A. I. M. V. Keldysh”, som også er den ansvarlige organisation for udviklingsprogrammet for transport- og energimodulet (TEM) som helhed.
• RKK Energia som den generelle designer af TEM bør udvikle et automatisk køretøj med dette modul.

Karakteristik af den nye installation

Ny nuklear motor til rummet Rusland planlægger at sætte i kommerciel drift i de kommende år. De forventede egenskaber for gasturbinen NEP er som følger. Som reaktor anvendes en gaskølet hurtig neutronreaktor, temperaturen af arbejdsvæsken (He/Xe-blandingen) foran turbinen er 1500 K, effektiviteten af at konvertere termisk til elektrisk energi er 35 %, typen af køler-radiator er dryp. Massen af kraftenheden (reaktor, strålingsbeskyttelse og konverteringssystem, men uden radiator-radiator) er 6.800 kg.

Space nukleare motorer (NPP, NPP sammen med EPS) er planlagt til at blive brugt:

• Som en del af fremtidige rumfartøjer.
• Som kilder til elektricitet til energiintensive komplekser og rumfartøjer.
• At løse de to første opgaver i transport- og energimodulet for at sikre elektrisk raketlevering af tunge rumfartøjer og køretøjer til arbejdsbaner og yderligere langsigtet strømforsyning til deres udstyr.

Princippet for nuklear driftmotor

Baseret enten på fusion af kerner eller på brugen af fissionsenergi fra nukleart brændsel til at danne jet-thrust. Der er installationer af pulseksplosive og væsketyper. Sprængstofinstallationen kaster miniature atombomber ud i rummet, som detonerer i flere meters afstand og skubber skibet fremad med en eksplosiv bølge. I praksis bruges sådanne enheder endnu ikke.

Flydende atommotorer er derimod længe blevet udviklet og testet. Tilbage i 60'erne designede sovjetiske specialister en brugbar model RD-0410. Lignende systemer er blevet udviklet i USA. Deres princip er baseret på at opvarme væsken med en nuklear minireaktor, den bliver til damp og danner en jetstrøm, som skubber rumfartøjet. Selvom enheden kaldes væske, bruges brint norm alt som arbejdsvæske. Et andet formål med nukleare ruminstallationer er at drive det elektriske netværk (instrumenter) ombord af skibe og satellitter.

Tunge telekommunikationskøretøjer til global rumkommunikation

I øjeblikket arbejdes der på en nuklear motor til rummet, som efter planen skal bruges i tunge rumkommunikationskøretøjer. RSC Energia udførte forskning og designudvikling af et økonomisk konkurrencedygtigt glob alt rumkommunikationssystem med billig cellulær kommunikation, hvilket skulle opnås ved at overføre "telefonstationen" fra Jorden til rummet.

Forudsætningerne for deres oprettelse er:

• næsten fuldstændig udfyldning af den geostationære bane (GSO) med arbejde ogpassive ledsagere;
• frekvensudmattelse;
• positiv erfaring med skabelse og kommerciel brug af geostationære informationssatellitter fra Yamal-serien.

Når Yamal-platformen blev oprettet, tegnede nye tekniske løsninger sig for 95 %, hvilket gjorde det muligt for sådanne køretøjer at blive konkurrencedygtige på det globale marked for rumtjenester.

Det forventes at udskifte moduler med teknologisk kommunikationsudstyr cirka hvert syvende år. Dette ville gøre det muligt at skabe systemer med 3-4 tunge multifunktionelle GEO-satellitter med en stigning i den elektriske strøm, som forbruges af dem. Oprindeligt blev rumfartøjer designet baseret på solpaneler med en kapacitet på 30-80 kW. På næste trin er det planlagt at bruge 400 kW nukleare motorer med en ressource på op til et år i transportformen (til levering af basismodulet til GSO) og 150-180 kW i den langsigtede driftstilstand (mindst 10-15 år) som en kilde til elektricitet

Atommotorer i Jordens anti-meteoritbeskyttelsessystem

Designundersøgelserne udført af RSC Energia i slutningen af 90'erne viste, at i skabelsen af et anti-meteoritsystem til beskyttelse af Jorden mod kernerne af kometer og asteroider, kan nuklear-elektriske installationer og nukleare fremdrivningssystemer brugt til:

1. Oprettelse af et system til overvågning af banerne for asteroider og kometer, der krydser jordens kredsløb. For at gøre dette foreslås det at arrangere specielle rumfartøjer udstyret med optisk og radarudstyr til at detektere farlige genstande,beregning af parametrene for deres baner og primær undersøgelse af deres karakteristika. Systemet kan bruge en nuklear rummotor med et dual-mode termionisk atomkraftværk med en effekt på 150 kW eller mere. Dens ressource skal være mindst 10 år gammel.
2. Test af indflydelsesmidler (eksplosion af en termonuklear enhed) på en polygonsikker asteroide. NEP'ens kraft til at levere testenheden til asteroideteststedet afhænger af massen af den leverede nyttelast (150-500 kW).
3. Levering af almindelige indflydelsesmidler (interceptor med en totalvægt på 15-50 tons) til en farlig genstand, der nærmer sig Jorden. En nuklear jetmotor med en kapacitet på 1-10 MW vil være påkrævet for at levere en termonuklear ladning til en farlig asteroide, hvis overfladeeksplosion, på grund af jetstrømmen af asteroidematerialet, kan aflede den fra en farlig bane.

Levering af forskningsudstyr til det dybe rum

Levering af videnskabeligt udstyr til rumobjekter (fjern planeter, periodiske kometer, asteroider) kan udføres ved hjælp af rumstadier baseret på LRE. Det er tilrådeligt at bruge nukleare motorer til rumfartøjer, når opgaven er at komme ind i kredsløbet om en satellit af et himmellegeme, direkte kontakt med et himmellegeme, prøveudtagning af stoffer og andre undersøgelser, der kræver en stigning i massen af forskningskomplekset, medtagelse af landings- og startstadier.

Motorparametre

Atommotor til rumfartøjerForskningskomplekset vil udvide "startvinduet" (på grund af den kontrollerede udstrømningshastighed af arbejdsvæsken), hvilket forenkler planlægningen og reducerer omkostningerne ved projektet. Forskning udført af RSC Energia viste, at et 150 kW nukleart fremdriftssystem med en levetid på op til tre år er et lovende middel til at levere rummoduler til asteroidebæltet.

Samtidig kræver leveringen af et forskningsapparat til kredsløbene om fjerne planeter i solsystemet en forøgelse af ressourcen for en sådan nuklear installation i op til 5-7 år. Det er blevet bevist, at et kompleks med et nukleart fremdriftssystem med en effekt på omkring 1 MW som en del af et forskningsrumfartøj vil give mulighed for accelereret levering af kunstige satellitter fra de fjerneste planeter, planetariske rovere til overfladen af disse planeters naturlige satellitter og levering af jord fra kometer, asteroider, Merkur og Jupiters og Saturns måner.

Genanvendelig slæbebåd (MB)

En af de vigtigste måder at øge effektiviteten af transportoperationer i rummet er genanvendelig brug af elementer i transportsystemet. En nuklear motor til rumfartøjer med en effekt på mindst 500 kW gør det muligt at skabe en genanvendelig slæbebåd og derved øge effektiviteten af et multi-link rumtransportsystem markant. Et sådant system er især nyttigt i et program til at sikre store årlige fragtstrømme. Et eksempel er måneudforskningsprogrammet med skabelse og vedligeholdelse af en konstant voksende beboelig base og eksperimentelle teknologiske og produktionskomplekser.

Beregning af lastomsætning

Ifølge RKK designundersøgelser"Energia", under konstruktionen af basen, skal moduler, der vejer omkring 10 tons, leveres til Månens overflade, op til 30 tons ind i Månens kredsløb. for at sikre basens funktion og udvikling - 400-500 t.

Princippet for driften af atommotoren tillader imidlertid ikke at sprede transportøren hurtigt nok. På grund af den lange transporttid og dermed den betydelige tid, nyttelasten bruger i Jordens strålingsbælter, kan ikke al last leveres med atomdrevne slæbebåde. Derfor er det godsflow, der kan tilvejebringes på basis af NEP, estimeret til kun 100-300 tons/år.

Omkostningseffektivitet

Som et kriterium for den økonomiske effektivitet af det interorbitale transportsystem, er det tilrådeligt at bruge værdien af enhedsomkostningerne ved at transportere en enhedsmasse af nyttelast (PG) fra jordens overflade til målbanen. RSC Energia udviklede en økonomisk og matematisk model, der tager højde for de vigtigste omkostningskomponenter i transportsystemet:

• for at oprette og starte slæbebådsmoduler i kredsløb;
• til køb af en fungerende nuklear installation;
• driftsomkostninger samt F&U-omkostninger og mulige kapitalomkostninger.

Omkostningsindikatorer afhænger af de optimale parametre for MB. Ved hjælp af denne model, en sammenligningøkonomisk effektivitet ved at bruge en genanvendelig slæbebåd baseret på NEP med en effekt på omkring 1 MW og en engangsslæbebåd baseret på avancerede flydende raketmotorer i programmet til at levere en nyttelast med en samlet masse på 100 t/år fra Jorden til Månens kredsløb med en højde på 100 km. Ved brug af samme løfteraket med en bæreevne svarende til bærekapaciteten af Proton-M løfteraket og en to-lanceringsordning til konstruktion af et transportsystem, enhedsomkostningerne ved at levere en enhedsmasse af nyttelast ved hjælp af en atomdrevet slæbebåd vil være tre gange lavere end ved brug af engangsslæbebåde baseret på raketter med flydende motorer type DM-3.

Konklusion

En effektiv nuklear motor til rummet bidrager til at løse jordens miljøproblemer, bemandet flyvning til Mars, skabe et trådløst kraftoverførselssystem i rummet, implementere med øget sikkerhed bortskaffelse af særligt farligt radioaktivt affald af jordbaseret atomenergi i rummet, skaber en beboelig månebase og starter industriel udforskning af Månen, hvilket sikrer beskyttelsen af Jorden mod fare for asteroide-kometer.