Tuumamootorid kosmoselaevadele

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2023-12-17 10:25

Venemaa on olnud ja on endiselt juhtival kohal tuumaenergia kosmoseenergia vallas. Sellistel organisatsioonidel nagu RSC Energia ja Roskosmos on kogemusi tuumaenergiaallikaga varustatud kosmoselaevade projekteerimisel, ehitamisel, käivitamisel ja käitamisel. Tuumamootor võimaldab õhusõidukeid kasutada aastaid, suurendades nende praktilist sobivust kordades.

Ajalooline rekord

Tuumaenergia kasutamine kosmoses lakkas olemast fantaasia juba eelmise sajandi 70. aastatel. Esimesed tuumamootorid lennutati kosmosesse aastatel 1970–1988 ja need töötasid eduk alt US-A vaatluskosmoselaeval. Nad kasutasid süsteemi termoelektrilise tuumaelektrijaamaga (NPP) "Buk", mille elektrivõimsus oli 3 kW.

Aastatel 1987–1988 läbisid kaks Plasma-A sõidukit 5 kW võimsusega Topaasi termoelektrilise tuumaelektrijaamaga lennu- ja kosmosekatsed, mille käigus kasutati esimest korda tuumaenergiaallikast elektrilisi rakettmootoreid (EP).

Valmis maapealse tuumaenergia kompleksi5 kW võimsusega termotuumarajatise "Jenissei" energiakatsetused. Nende tehnoloogiate alusel on välja töötatud 25-100 kW võimsusega termotuumaelektrijaamade projektid.

MB Hercules

1970. aastatel alustas RSC Energia teaduslikke ja praktilisi uuringuid, mille eesmärk oli luua orbitaalsele puksiirile (MB) Hercules võimas tuumaruumimootor. Töö võimaldas teha mitmeks aastaks reservi tuumaelektri jõusüsteemi (NEP) osas mitme kuni sadade kilovatise võimsusega termotuumajaama ning kümnete ja sadade ühikuvõimsusega elektriliste rakettmootoritega. kilovatti.

MB "Hercules" disainiparameetrid:

• tuumajaama netoelektrivõimsus – 550 kW;
• EPS-i spetsiifiline impulss – 30 km/s;
• projektori tõukejõud – 26 N;
• tuumajaama ja elektrijõu ressurss - 16 000 tundi;
• EPS-i töökorpus – ksenoon;
• puksiiri kaal (kuiv) - 14,5-15,7 tonni, sh tuumaelektrijaamad - 6,9 tonni.

Viimased ajad

21. sajandil on aeg luua kosmose jaoks uus tuumamootor. 2009. aasta oktoobris toimus Vene Föderatsiooni presidendi juures Venemaa majanduse moderniseerimise ja tehnoloogilise arendamise komisjoni koosolekul Venemaa uus projekt "Megavatt-klassi tuumaelektrijaama abil transpordi- ja energiamooduli loomine". ametlikult heaks kiidetud. Juhtarendajad on:

• Reaktoritehas – OJSC NIKIET.
• Gaasiturbiini energia muundamise skeemiga tuumaelektrijaam, EPSioonelektriliste rakettmootorite ja tuumajõusüsteemide alusel tervikuna - Riiklik Teaduskeskus “A. I. nimeline uurimiskeskus. M. V. Keldysh”, mis on ka transpordi- ja energiamooduli (TEM) arendusprogrammi kui terviku eest vastutav organisatsioon.
• RKK Energia kui TEM-i peakonstruktor peaks selle mooduliga välja töötama automaatsõiduki.

Uue installatsiooni omadused

Uus tuumamootor kosmosesse Venemaa kavatseb lähiaastatel kommertskasutusele võtta. Gaasiturbiini NEP eeldatavad omadused on järgmised. Reaktorina kasutatakse gaasjahutusega kiirneutronreaktorit, töövedeliku (He/Xe segu) temperatuur turbiini ees on 1500 K, soojuse elektrienergiaks muundamise kasutegur 35%, tüüp jahuti-radiaator on tilkuv. Jõuallika mass (reaktor, kiirguskaitse- ja konversioonisüsteem, kuid ilma radiaatori-radiaatorita) on 6800 kg.

Kosmose tuumamootoreid (NJ, NPP koos EPS-iga) plaanitakse kasutada:

• Tulevaste kosmosesõidukite osana.
• Elektriallikana energiamahukatele kompleksidele ja kosmoselaevadele.
• Lahendada kaks esimest ülesannet transpordi- ja energiamoodulis, et tagada raskete kosmoselaevade ja sõidukite elektrirakettide toimetamine tööorbiitidele ning nende seadmete edasine pikaajaline toide.

Tuumaenergia tööpõhimõtemootor

Põhineb kas tuumade ühinemisel või tuumakütuse lõhustumisenergia kasutamisel reaktiivmootori tõukejõu moodustamiseks. Olemas on impulss-plahvatusohtlikke ja vedelaid seadmeid. Lõhkepaigaldis paiskab kosmosesse miniatuurseid aatomipomme, mis mitme meetri kaugusel plahvatades lükkavad laeva plahvatusliku lainega edasi. Praktikas selliseid seadmeid veel ei kasutata.

Vedelkütusel töötavaid tuumamootoreid on seevastu juba ammu arendatud ja testitud. 60ndatel kujundasid Nõukogude spetsialistid toimiva mudeli RD-0410. Sarnased süsteemid on välja töötatud Ameerika Ühendriikides. Nende põhimõte põhineb vedeliku kuumutamisel tuuma-minireaktoriga, see muutub auruks ja moodustab joa, mis surub kosmoselaeva. Kuigi seadet nimetatakse vedelaks, kasutatakse töövedelikuna tavaliselt vesinikku. Tuumakosmoseseadmete teine eesmärk on varustada laevade ja satelliitide parda elektrivõrku (instrumente).

Rasked telekommunikatsioonisõidukid ülemaailmseks kosmosekommunikatsiooniks

Hetkel käib töö kosmose jaoks mõeldud tuumamootori kallal, mida plaanitakse kasutada rasketes kosmosesidesõidukites. RSC Energia viis läbi majanduslikult konkurentsivõimelise, odava mobiilsidega globaalse kosmosesidesüsteemi uurimis- ja disainiarenduse, mis pidi saavutama "telefonijaama" üleviimisega Ma alt kosmosesse.

Nende loomise eeltingimused on:

• geostatsionaarse orbiidi (GSO) peaaegu täielik täitmine töö- japassiivsed kaaslased;
• sageduse ammendumine;
• positiivne kogemus Yamali seeria geostatsionaarsete teabesatelliitide loomisel ja ärilisel kasutamisel.

Jamali platvormi loomisel moodustasid uued tehnilised lahendused 95%, mis võimaldas sellistel sõidukitel muutuda konkurentsivõimeliseks globaalsel kosmoseteenuste turul.

Moodulid asendatakse tehnoloogiliste sideseadmetega ligikaudu iga seitsme aasta järel. See võimaldaks luua süsteeme 3-4 raskest multifunktsionaalsest GEO satelliidist koos nende tarbitava elektrienergia kasvuga. Algselt konstrueeriti kosmoselaevad 30-80 kW võimsusega päikesepaneelide baasil. Järgmises etapis on kavas kasutada 400 kW võimsusega kuni üheaastase ressursiga tuumamootoreid transpordirežiimis (baasmooduli tarnimiseks GSO-le) ja 150-180 kW pikaajalisel töörežiimil. (vähem alt 10-15 aastat) elektriallikana.

Tuumamootorid Maa meteoriidivastases kaitsesüsteemis

RSC Energia poolt 90ndate lõpus läbi viidud disainiuuringud näitasid, et meteoriidivastase süsteemi loomisel, mis kaitseb Maad komeetide ja asteroidide tuumade eest, saab tuumaelektriseadmeid ja tuumajõusüsteeme kasutatud:

1. Maa orbiiti ületavate asteroidide ja komeetide trajektooride jälgimise süsteemi loomine. Selleks tehakse ettepanek korraldada ohtlike objektide tuvastamiseks spetsiaalsed optiliste ja radariseadmetega varustatud kosmoselaevad,nende trajektooride parameetrite arvutamine ja nende omaduste esmane uurimine. Süsteem võib kasutada tuumaruumi mootorit koos kaherežiimilise termilise tuumaelektrijaamaga, mille võimsus on 150 kW või rohkem. Selle ressurss peab olema vähem alt 10 aastat vana.
2. Mõjuvahendite (termotuumaseadme plahvatus) katsetamine polügoonilisel ohutul asteroidil. NEP-i võimsus katseseadme asteroidikatsetuspaika toimetamiseks sõltub tarnitud kasuliku koorma massist (150–500 kW).
3. Regulaarse mõjutusvahendi (püstija kogumassiga 15-50 tonni) kohaletoimetamine Maale lähenevale ohtlikule objektile. Ohtlikule asteroidile tuleb termotuumalaengu toimetamiseks 1-10 MW võimsusega tuumareaktiivmootor, mille pinnaplahvatus võib asteroidi materjali joa toimel selle ohtlikult trajektoorilt kõrvale kalduda.

Uurimisseadmete kohaletoimetamine süvakosmosesse

Teadusliku varustuse kohaletoimetamine kosmoseobjektidele (kauged planeedid, perioodilised komeedid, asteroidid) saab läbi viia LRE-l põhinevate kosmoseetappide abil. Tuumamootoreid on soovitav kasutada kosmoselaevadel, kui ülesandeks on siseneda taevakeha satelliidi orbiidile, otsekontakt taevakehaga, ainete proovide võtmine ja muud uuringud, mis nõuavad uurimiskompleksi massi suurendamist, maandumis- ja õhkutõusmisetappide kaasamine.

Mootori parameetrid

Tuumamootor kosmoselaevadeleUurimiskompleks laiendab "algusakent" (töövedeliku kontrollitud väljavoolukiiruse tõttu), mis lihtsustab planeerimist ja vähendab projekti maksumust. RSC Energia läbiviidud uuringud näitasid, et 150 kW tuumajõusüsteem, mille kasutusiga on kuni kolm aastat, on paljulubav vahend kosmosemoodulite asteroidide vööle toimetamiseks.

Samas nõuab uurimisaparaadi toimetamine Päikesesüsteemi kaugete planeetide orbiitidele sellise tuumarajatise ressursi suurendamist kuni 5-7 aastaks. On tõestatud, et umbes 1 MW võimsusega tuumajõusüsteemiga kompleks teadusuuringute kosmoseaparaadi osana võimaldab kiiremini toimetada kõige kaugemate planeetide tehissatelliite, planeetide kulgureid nende planeetide looduslike satelliitide pinnale. ja pinnase kohaletoimetamine komeetidelt, asteroididelt, Merkuurilt ning Jupiteri ja Saturni kuudelt.

Korduskasutatav puksiiri (MB)

Üks olulisemaid viise transporditoimingute tõhustamiseks kosmoses on transpordisüsteemi elementide korduvkasutus. Vähem alt 500 kW võimsusega kosmoselaevade tuumamootor võimaldab luua korduvkasutatavat puksiiri ja seeläbi oluliselt tõsta mitmelülilise kosmosetranspordisüsteemi efektiivsust. Selline süsteem on eriti kasulik programmis, mis tagab iga-aastased suured kaubavood. Näiteks võib tuua Kuu uurimisprogrammi koos pidev alt kasvava elamiskõlbliku baasi ning eksperimentaalsete tehnoloogiliste ja tootmiskomplekside loomise ja hooldamisega.

Kaubakäibe arvestus

RKK disainiuuringute järgi"Energia", baasi ehitamise käigus tuleks Kuu pinnale toimetada ca 10 tonni kaaluvad moodulid, Kuu orbiidile kuni 30 tonni.baasi toimimise ja arengu tagamiseks - 400-500 t.

Tuumamootori tööpõhimõte ei võimalda aga transportijat piisav alt kiiresti laiali ajada. Pika transpordiaja ja sellest tulenev alt kasuliku koormuse olulise aja tõttu Maa kiirgusvööndites ei saa kogu lasti kohale toimetada tuumajõul töötavate puksiiridega. Seetõttu on NEP-i alusel tagatav kaubavoog hinnanguliselt vaid 100-300 tonni aastas.

Tõhusus

Orbitaalse transpordisüsteemi majandusliku efektiivsuse kriteeriumina on soovitatav kasutada Maa pinn alt sihtorbiidile ühikulise kasuliku koormuse massi (PG) transportimise ühikukulu väärtust. RSC Energia töötas välja majandusliku ja matemaatilise mudeli, mis võtab arvesse transpordisüsteemi peamisi kulukomponente:

• puksiirimoodulite loomiseks ja orbiidile viimiseks;
• töötava tuumarajatise ostmiseks;
• tegevuskulud, samuti uurimis- ja arenduskulud ning võimalikud kapitalikulud.

Kulunäitajad sõltuvad MB optimaalsetest parameetritest. Seda mudelit kasutades võrdlevNEP-l põhineva korduvkasutatava puksiiri, mille võimsus on umbes 1 MW, ja ühekordselt kasutatava täiustatud vedelrakettmootoritel põhineva puksiiri kasutamise majanduslik efektiivsus programmis kasuliku koorma kogumassiga 100 t/aastas toimetamiseks Maast Kuu orbiidile. kõrgusega 100 km. Kui kasutatakse sama kanderaketti kandevõimega, mis on võrdne kandevõimega Proton-M kandevõimega, ja kahe stardi skeemi transpordisüsteemi ehitamiseks, on kasuliku koormuse ühikumassi kohaletoimetamise ühikukulu tuumajõul töötava puksiiri abil. on kolm korda madalam kui DM-3 tüüpi vedelmootoriga rakettidel põhinevate ühekordsete puksiiride kasutamisel.

Järeldus

Kosmose jaoks mõeldud tõhus tuumamootor aitab kaasa Maa keskkonnaprobleemide lahendamisele, mehitatud lendudele Marsile, kosmoses juhtmevaba jõuülekandesüsteemi loomisele, eriti ohtlike maapealsete radioaktiivsete jäätmete kõrvaldamisele suurema ohutusega. tuumaenergia kosmoses, luues elamiskõlbliku Kuu baasi ja alustades Kuu tööstuslikku uurimist, tagades Maa kaitse asteroidi-komeedi ohu eest.