Motoare nucleare pentru nave spațiale

Rusia a fost și rămâne liderul în domeniul energiei din spațiul nuclear. Experiența proiectării, construirii, lansării și operării vehiculelor spațiale echipate cu o sursă de energie nucleară este asigurată de organizații precum RSC Energia și Roskosmos. Motorul nuclear face posibilă operarea aeronavelor timp de mulți ani, sporind în mod repetat utilitatea lor practică.

Cronică istorică

utilizarea energia nucleară în spațiu a încetat să mai fie ficțiune în anii `70 ai secolului trecut. Primele motoare nucleare din 1970-1988 au fost lansate în spațiu și operate cu succes pe nave spațiale "US-A". Ei au folosit un sistem cu o putere electrică de 3 kW pentru o centrală termoelectrică (NPP) "Buk".

În 1987-1988 două dispozitive „Plasma-A“, cu termionică CNE „Topaz“, 5 kW a fost spațiu de zbor-testare, în timpul căreia a fost pus în aplicare prima putere de propulsie electrică (ERE) de la sursa de energie nucleară.

Un complex de încercări terestre de putere nucleară a fost efectuat cu o instalație nucleară de termoizolare de 5 kW, Yenisei. Bazându-se pe aceste tehnologii, au fost dezvoltate proiecte de unități termo-energetice cu putere de 25-100 kW.

MB "Hercules"

RSC „Energia“ în anii `70 au început cercetările științifice și practice, al cărui scop a fost de a crea un motor puternic spațiu nuclear pentru interorbitală remorcher (MB) „Hercules“. Munca a dus la fundația de mai mulți ani de propulsie electrică nucleară (YAERDU) cu o capacitate de termionică putere nucleară de câteva sute de kilowați - și capacitatea de unitate de propulsie electrică de zeci până la sute de kilowați.

Parametrii de proiectare pentru MB "Hercules":

• puterea electrică utilă a centralei nucleare - 550 kW;
• impulsul specific al UERD este de 30 km / s;
• Propulsia ERDU este de 26 N;
• resursa centralelor nucleare și centralelor electrice - 16 000 h;
• mediul de lucru al ERDU este xenonul;
• greutatea (uscată) a remorcherului - 14,5-15,7 tone, inclusiv centralele nucleare - 6,9 tone.

Cel mai nou moment

În secolul XXI, este timpul să creați un nou motor nuclear pentru spațiu. În octombrie 2009, la o reuniune a Comisiei sub președintele Federației Ruse privind modernizarea și dezvoltarea tehnologică a economiei rusești, a fost aprobat oficial un nou proiect rusesc "Crearea unui modul de transport și energie utilizând un motor de putere nucleară de clasă megawatt". Dezvoltatorii principali sunt:

• Instalarea reactorului - SA "NIKIET".
• Centrala nucleară cu schemă de conversie a turbinei cu gaz, ERDU bazată pe motoare de propulsie ionică și YaREDU ca întreg - SSC " MV Keldysh ", care este, de asemenea, organizația responsabilă pentru programul de dezvoltare a modulului transport-energie (TEM) în ansamblu.
• RSC Energia ca designer general al TEM ar trebui să dezvolte un dispozitiv automat cu acest modul.

Caracteristicile noii instalații

Noul motor nuclear pentru spațiu Rusia intenționează să înceapă exploatarea comercială în următorii câțiva ani. Caracteristicile proiectate ale turbinei cu gaz YAERDU ce urmează. Reactorul ameliorator rapid reactor utilizat răcit cu gaz, temperatura fluidului de lucru (un amestec He / Xe) înainte de turbină - 1500 K, eficiența transformării energiei termice în energie electrică - 35%, de tip radiator cooler - picurare. Unitate Greutate (reactor, protecția împotriva radiațiilor, și sistemul de conversie, dar fără emițător de refrigerare) - 6800 kg.

Motoarele nucleare spațiale (NPP, NPP împreună cu ERDU) sunt planificate să fie utilizate:

• Ca parte a vehiculelor spațiale viitoare.
• Ca surse de energie electrică pentru complexe mari consumatoare de energie și nave spațiale.
• Pentru a rezolva primele două sarcini din modulul de transport și energie pentru a asigura livrarea rachetelor electrice ale navelor spațiale și vehiculelor grele către orbite operaționale și alimentarea ulterioară a echipamentelor lor pe termen lung.

Principiul funcționării unui motor nuclear

Se bazează fie pe sinteza nucleelor, fie pe utilizarea energiei de fisiune combustibil nuclear pentru a forma reactiv. Există instalații de tip puls-exploziv și lichid. Dispozitivul exploziv aruncă în spațiu bombe atomice miniatură, care sunt detonate la o distanță de câțiva metri, iar valul de explozie împinge nava înainte. În practică, astfel de dispozitive nu sunt încă utilizate.

Motoarele nucleare lichide, pe de altă parte, au fost dezvoltate și testate de mult timp. În anii `60, specialiștii sovietici au construit un model viabil RD-0410. Sisteme similare au fost dezvoltate în SUA. Principiul lor se bazează pe încălzirea lichidului printr-un mini-reactor nuclear, transformându-se în abur și formează un flux de jet, care împinge nava spațială. Deși dispozitivul este denumit lichid, ca mediu de lucru, de regulă se folosește hidrogen. O altă denumire a instalațiilor din spațiul nuclear este alimentarea cu energie a rețelei (instrumentelor) navelor și a sateliților.

Aparate de telecomunicații grele de comunicare spațială globală

În prezent, se lucrează la un motor nuclear pentru spațiu, care este planificat să fie utilizat în dispozitive de comunicații spațioase. RSC Energia a realizat dezvoltarea de cercetare și proiectare a sistemului de comunicații spațiale globale competitiv economic, cu o comunicare celulară ieftină, care trebuia să se realizeze prin transferarea "schimbului telefonic" de la Pământ la spațiu.

Cerințele pentru crearea lor sunt:

• practic umplerea completă a orbitei geostaționiste (GSO) de către sateliții operatori și pasivi;
• epuizarea resurselor de frecvență;
• experiență pozitivă în crearea și utilizarea comercială a sateliților de informații geostaționari din seria Yamal.

La crearea platformei Yamal, soluțiile tehnice noi au reprezentat 95%, ceea ce a permis ca astfel de dispozitive să devină competitive pe piața mondială a serviciilor spațiale.

Se planifică înlocuirea modulelor cu echipamente de comunicații tehnologice la fiecare șapte ani. Acest lucru ar permite crearea sistemelor de sateliți multifuncționali cu trei sau patru sarcini grele în GSO, cu o creștere a consumului de energie electrică pe care o consumă. Inițial, au fost proiectate nave spațiale bazate pe baterii solare cu o capacitate de 30-80 kW. În etapa următoare, sunt planificate ca surse de energie electrică motoarele de 400 kW cu o resursă de până la un an în modul de transport (pentru livrarea modulului de bază către GSO) și 150-180 kW în modul de funcționare pe termen lung (nu mai puțin de 10-15 ani).

Motoarele nucleare în sistemul de protecție antimeteoritică a Pământului

Finalizate de RSC Energia la sfârșitul anilor 1990, studiile de design au arătat că, în crearea unui sistem antimeteoritic pentru protejarea Pământului de nucleele și asteroizii cometari, centralele nucleare și centralele nucleare pot fi folosite pentru a:

1. Crearea unui sistem de monitorizare a traiectoriilor asteroizilor și a cometelor care traversează orbita Pământului. În acest scop, se propune aranjarea navelor spațiale speciale echipate cu echipament optic și radar pentru detectarea obiectelor periculoase, calcularea parametrilor traiectoriilor acestora și studiul inițial al caracteristicilor acestora. Un motor cu spațiu nuclear, cu o centrală termică nucleară dual-mode cu capacități de 150 kW, poate fi utilizat în sistem. Resursa trebuie să aibă cel puțin 10 ani.
2. Testarea mijloacelor de influență (explozie a unui dispozitiv termonuclear) pe un asteroid sigur proving. Puterea NERDU pentru livrarea unui dispozitiv de testare la un poligon de asteroizi depinde de masa sarcinii utile livrate (150-500 kW).
3. Livrarea de mijloace regulate de acțiune (interceptor cu o masă totală de 15-50 de tone) la obiectul periculos care se apropie de Pământ. Va lua nucleare cu jet de motor cu o putere de 1-10 MW pentru livrarea la un asteroid periculos al unei încărcături termonucleare, a cărei explozie de suprafață, datorită unui jet de material asteroid, va putea să o deflectă de pe o traiectorie periculoasă.

Livrarea echipamentelor de cercetare în spațiul cosmic

Livrare de echipament științific la obiecte spațiale (planete îndepărtate, comete periodice, asteroizi) poate fi realizată prin utilizarea de etape LRE bazate pe spațiu. Utilizați motoare nucleare pentru vehiculele spațiale este oportun, atunci când sunt puse la ieșirea sarcina de a orbita unui corp ceresc al satelitului, contactul direct cu un corp ceresc, selectarea probelor materiale și alte cercetări care necesită complexe de cercetare creștere în masă, includerea de aterizare și etapele de decolare.

Parametrii motorului

Motorul nuclear al navei spațiale a complexului de cercetare va extinde "fereastra de lansare" (datorită vitezei controlate a debitului fluidului de lucru), ceea ce simplifică planificarea și reduce costul proiectului. Cercetările efectuate de RSC Energia au arătat că YaRDU de 150 kW cu o durată de viață de până la trei ani reprezintă un mijloc promițător de a furniza module spațiale cureaua de asteroizi.

În același timp, livrarea unei unități de cercetare de la orbita planetelor îndepărtate ale sistemului solar necesită o creștere a resurselor, o instalație nucleară de până la 5-7 ani. Este dovedit faptul că complexul YAERDU cu o capacitate de aproximativ 1 MW, ca parte a cercetării va permite navei spațiale accelerate de livrare pentru 5-7 ani pentru a orbita un satelit artificial cele mai multe planete îndepărtate, robotii planetare pe suprafața sateliților naturali ai acestor planete, și de livrare pe teren Pământ cu comete, asteroizi, Mercur și sateliții lui Jupiter și Saturn.

Tug remorcabil (MB)

Una dintre cele mai importante modalități de îmbunătățire a eficienței operațiunilor de transport în spațiu este utilizarea multiplă a elementelor sistemului de transport. Un motor nuclear pentru nave spațiale cu o capacitate de cel puțin 500 kW permite crearea unui remorcher reutilizabil și, prin urmare, sporește semnificativ eficiența sistemului de transport cu spațiu multiplu. Este deosebit de util un astfel de sistem în cadrul programului de asigurare a fluxurilor mari de mărfuri anuale. Un exemplu poate fi un program de dezvoltare a lunii prin crearea și întreținerea unei baze locuite în continuă creștere și a unor complexe tehnologice și de producție experimentale.

Calculul cifrei de afaceri

Conform studiilor de proiectare RSC „Energia“, construcția bazei pe lună ar trebui să fie livrate module cu o greutate de aproximativ 10 de tone, orbita Lunii - 30 m. Marfă totală de pe Pământ în construirea unei baze lunare cu echipaj uman și a vizitat stația orbitală lunar este estimat la 700-800 de tone și un trafic anual de marfă pentru exploatarea și dezvoltarea bazei - 400-500 m.

Cu toate acestea, principiul de funcționare al unui motor nuclear nu permite expedierea suficient de repede a transportatorului. Datorită timpului lung de transport și, în consecință, a timpului considerabil de a găsi sarcina utilă în centurile de radiații ale Pământului, nu toate mărfurile pot fi livrate folosind remorchere cu un motor nuclear. Prin urmare, fluxul de marfă, care poate fi furnizat pe baza YERDA, este estimat la doar 100-300 tone / an.

Eficiența economică

Ca un criteriu pentru eficiența economică a sistemului de transport interorbital, este util să se utilizeze valoarea costului unitar al transportului unei unități de greutate a încărcăturii utile (GHG) de la suprafața Pământului la orbita țintă. RSC Energia a elaborat un model economico-matematic care ține cont de principalele componente ale costurilor în sistemul de transport:

• pentru crearea și lansarea modulelor remorcii;
• pentru achiziționarea unei instalații nucleare de lucru;
• costurile operaționale, precum și costurile de cercetare și dezvoltare și costurile de capital posibile.

Indicatorii de costuri depind de parametrii MB optimali. Folosind acest model, rentabilitatea comparativă a utilizării unui remorcher reutilizabil bazat pe YaREDU cu o putere de aproximativ 1 MW și remorcherul de unică folosință bazat pe lichid promițător motoare de rachetă 100 km sarcină utilă asigură livrarea programului de pe Pământ la înălțimea orbita Lunii din greutatea totală de 100 tone / an. Atunci când se utilizează același rapel capacitate taxe egale „Proton-M“ și dvuhpuskovoy de construcție de circuit din costurile de transport specifice sistemului de transport pe unitatea de masă a sarcinii utile folosind remorcher pe baza motorului nucleare va fi de trei ori mai mici decât atunci când se utilizează de unică folosință remorchere bazate pe rachete cu motoare lichide, cum ar fi DM-3.

producție

propulsie nucleară eficientă pentru spațiu contribuie la soluționarea problemelor de mediu ale pământului, zborul omului pe Marte, crearea unui sistem de transmisie wireless de energie în spațiu, punerea în aplicare a îngropării securitate îmbunătățită în spațiu extrem de periculos la sol a deșeurilor radioactive energiei nucleare, crearea unei baze lunare cu echipaj uman și dezvoltarea comercială a Lunii, pentru a se asigura protejează Pământul de pericol asteroid și cometa.