Atommotorer for romfartøy

2024 Forfatter: Howard Calhoun | [email protected]. Sist endret: 2023-12-17 10:37

Russland har vært og er fortsatt ledende innen kjernefysisk romenergi. Organisasjoner som RSC Energia og Roskosmos har erfaring med å designe, bygge, lansere og betjene romfartøyer utstyrt med en kjernekraftkilde. En atommotor gjør det mulig å operere fly i mange år, og øker deres praktiske egnethet mange ganger.

Historisk rekord

Bruken av kjernekraft i verdensrommet sluttet å være en fantasi tilbake på 70-tallet av forrige århundre. De første kjernefysiske motorene ble skutt opp i verdensrommet i 1970-1988 og opererte med suksess på US-A observasjonsromfartøyet. De brukte et system med et termoelektrisk kjernekraftverk (NPP) "Buk" med en elektrisk effekt på 3 kW.

I 1987-1988 gjennomgikk to Plasma-A-kjøretøyer med et 5 kW Topaz termionisk atomkraftverk fly- og romtester, hvor elektriske rakettmotorer (EP) ble drevet fra en kjernefysisk energikilde for første gang.

Fullførte et kompleks av bakkebasert atomkraftenergitester av den termioniske atominstallasjonen "Yenisei" med en kapasitet på 5 kW. På grunnlag av disse teknologiene er det utviklet prosjekter av termioniske kjernekraftverk med en kapasitet på 25-100 kW.

MB Hercules

På 1970-tallet startet RSC Energia vitenskapelig og praktisk forskning, hvis formål var å lage en kraftig kjernefysisk rommotor for den interorbitale slepebåten (MB) Hercules. Arbeidet gjorde det mulig å lage en reserve i mange år i form av et kjernefysisk elektrisk fremdriftssystem (NEP) med et termionisk kjernekraftverk med en effekt på flere til hundrevis av kilowatt og elektriske rakettmotorer med en enhetseffekt på titalls og hundrevis av kilowatt.

Designparametere for MB "Hercules":

• netto elektrisk kraft til kjernekraftverk – 550 kW;
• spesifikk impuls av EPS – 30 km/s;
• projektorkraft – 26 N;
• ressurs for kjernekraftverk og elektrisk fremdrift - 16 000 timer;
• working body of EPS – xenon;
• vekt (tørr) av slepebåten - 14,5-15,7 tonn, inkludert kjernekraftverk - 6,9 tonn.

Nylige tider

I det 21. århundre er det på tide å lage en ny atommotor for verdensrommet. I oktober 2009, på et møte i kommisjonen under presidenten for den russiske føderasjonen for modernisering og teknologisk utvikling av den russiske økonomien, ble et nytt russisk prosjekt "Opprettelse av en transport- og energimodul ved bruk av et atomkraftverk i megawattklasse" offisielt godkjent. Hovedutviklere er:

• Reaktoranlegg – OJSC NIKIET.
• Kjernekraftverk med gassturbinenergikonvertering, EPSpå grunnlag av ionelektriske rakettmotorer og kjernefysiske fremdriftssystemer som helhet - State Scientific Center “Research Center oppk alt etter A. I. M. V. Keldysh”, som også er ansvarlig organisasjon for utviklingsprogrammet for transport- og energimodulen (TEM) som helhet.
• RKK Energia som generell designer av TEM bør utvikle et automatisk kjøretøy med denne modulen.

Kjennetegn ved den nye installasjonen

Ny atommotor for romfart Russland planlegger å sette i kommersiell drift i årene som kommer. De forventede egenskapene til gassturbinen NEP er som følger. Som reaktor brukes en gasskjølt hurtignøytronreaktor, temperaturen på arbeidsvæsken (He/Xe-blandingen) foran turbinen er 1500 K, effektiviteten av å konvertere termisk til elektrisk energi er 35 %, typen av kjøler-radiator er drypp. Massen til kraftenheten (reaktor, strålevern og konverteringssystem, men uten radiator-radiator) er 6 800 kg.

Kjernefysiske rommotorer (NPP, NPP sammen med EPS) er planlagt brukt:

• Som en del av fremtidige romfartøyer.
• Som kilder til elektrisitet for energikrevende komplekser og romfartøy.
• Å løse de to første oppgavene i transport- og energimodulen for å sikre elektrisk rakettlevering av tunge romfartøyer og kjøretøy til arbeidsbaner og videre langsiktig strømforsyning til utstyret deres.

Prinsippet for drift av kjernekraftmotor

Basert enten på fusjon av kjerner, eller på bruk av fisjonsenergi av kjernebrensel for å danne jet-thrust. Det finnes installasjoner av pulseksplosive og væsketyper. Den eksplosive installasjonen kaster miniatyratombomber ut i rommet, som detonerer på flere meters avstand og skyver skipet fremover med en eksplosiv bølge. I praksis brukes ikke slike enheter ennå.

Væskedrevne atommotorer har derimot lenge vært utviklet og testet. Tilbake på 60-tallet designet sovjetiske spesialister en brukbar modell RD-0410. Lignende systemer er utviklet i USA. Prinsippet deres er basert på å varme opp væsken med en kjernefysisk minireaktor, den blir til damp og danner en jetstrøm, som skyver romfartøyet. Selv om enheten kalles væske, brukes vanligvis hydrogen som arbeidsvæske. Et annet formål med kjernefysiske rominstallasjoner er å drive det elektriske nettverket ombord (instrumenter) til skip og satellitter.

Tunge telekommunikasjonskjøretøyer for global romkommunikasjon

For øyeblikket pågår arbeidet med en atommotor for verdensrommet, som er planlagt brukt i tunge romkommunikasjonskjøretøyer. RSC Energia utførte forskning og designutvikling av et økonomisk konkurransedyktig glob alt romkommunikasjonssystem med billig mobilkommunikasjon, som skulle oppnås ved å overføre "telefonstasjonen" fra jorden til verdensrommet.

Forutsetningene for deres opprettelse er:

• nesten fullstendig fylling av geostasjonær bane (GSO) med arbeid ogpassive følgesvenner;
• frekvensutmattelse;
• positiv erfaring med opprettelse og kommersiell bruk av geostasjonære informasjonssatellitter i Yamal-serien.

Når Yamal-plattformen ble opprettet, utgjorde nye tekniske løsninger 95 %, noe som gjorde at slike kjøretøy ble konkurransedyktige på det globale romtjenestemarkedet.

Det forventes å erstatte moduler med teknologisk kommunikasjonsutstyr omtrent hvert syvende år. Dette vil gjøre det mulig å lage systemer med 3-4 tunge multifunksjonelle GEO-satellitter med en økning i den elektriske kraften som forbrukes av dem. Opprinnelig ble romfartøy designet basert på solcellepaneler med en kapasitet på 30-80 kW. På neste trinn er det planlagt å bruke 400 kW atommotorer med en ressurs på opptil ett år i transportmodus (for levering av basismodulen til GSO) og 150-180 kW i langsiktig driftsmodus (minst 10-15 år) som strømkilde

Atommotorer i jordens antimeteorittbeskyttelsessystem

Designstudiene utført av RSC Energia på slutten av 90-tallet viste at i etableringen av et antimeteorittsystem for å beskytte jorden mot kjernene til kometer og asteroider, kan atomelektriske installasjoner og kjernefysiske fremdriftssystemer brukt til:

1. Opprette et system for å overvåke banene til asteroider og kometer som krysser jordens bane. For å gjøre dette foreslås det å arrangere spesielle romfartøyer utstyrt med optisk og radarutstyr for å oppdage farlige gjenstander,beregning av parametrene for deres baner og primær studie av deres egenskaper. Systemet kan bruke en kjernefysisk rommotor med et dual-mode termionisk kjernekraftverk med en effekt på 150 kW eller mer. Ressursen må være minst 10 år gammel.
2. Test påvirkningsmidler (eksplosjon av en termonukleær enhet) på en polygonsikker asteroide. Kraften til NEP til å levere testenheten til asteroideteststedet avhenger av massen til den leverte nyttelasten (150–500 kW).
3. Levering av vanlige påvirkningsmidler (avskjærer med en totalvekt på 15-50 tonn) til en farlig gjenstand som nærmer seg jorden. En kjernefysisk jetmotor med en kapasitet på 1-10 MW vil være nødvendig for å levere en termonukleær ladning til en farlig asteroide, hvis overflateeksplosjon, på grunn av jetstrømmen til asteroidematerialet, kan avlede den fra en farlig bane.

Levering av forskningsutstyr til verdensrommet

Levering av vitenskapelig utstyr til romobjekter (fjernplaneter, periodiske kometer, asteroider) kan utføres ved bruk av romstadier basert på LRE. Det er tilrådelig å bruke kjernefysiske motorer for romfartøy når oppgaven er å gå inn i banen til en satellitt til et himmellegeme, direkte kontakt med et himmellegeme, prøvetaking av stoffer og andre studier som krever en økning i massen til forskningskomplekset, inkludering av landings- og startetapper.

Motorparametere

Atommotor for romfartøyForskningskomplekset vil utvide "startvinduet" (på grunn av den kontrollerte utstrømningshastigheten til arbeidsvæsken), noe som forenkler planleggingen og reduserer kostnadene for prosjektet. Forskning utført av RSC Energia viste at et 150 kW kjernefysisk fremdriftssystem med en levetid på opptil tre år er et lovende middel for å levere rommoduler til asteroidebeltet.

Samtidig krever levering av et forskningsapparat til banene til fjerne planeter i solsystemet en økning i ressursen til en slik atominstallasjon i opptil 5-7 år. Det er bevist at et kompleks med et kjernefysisk fremdriftssystem med en effekt på omtrent 1 MW som en del av et forskningsromfartøy vil tillate akselerert levering av kunstige satellitter fra de fjerneste planetene, planetariske rovere til overflaten av naturlige satellitter til disse planetene og levering av jord fra kometer, asteroider, Merkur og månene til Jupiter og Saturn.

Gjenbrukbar slepebåt (MB)

En av de viktigste måtene å effektivisere transportoperasjoner i rommet er gjenbruk av elementer i transportsystemet. En kjernefysisk motor for romfartøy med en effekt på minst 500 kW gjør det mulig å lage en gjenbrukbar slepebåt og dermed øke effektiviteten til et flerleddet romtransportsystem betydelig. Et slikt system er spesielt nyttig i et program for å sikre store årlige lastestrømmer. Et eksempel er måneutforskningsprogrammet med etablering og vedlikehold av en stadig voksende beboelig base og eksperimentelle teknologiske og produksjonskomplekser.

Beregning av lastomsetning

Ifølge RKK designstudier"Energia", under byggingen av basen, skal moduler som veier rundt 10 tonn leveres til overflaten av månen, opptil 30 tonn inn i månens bane. for å sikre funksjon og utvikling av basen - 400-500 t.

Prinsippet for drift av atommotoren tillater imidlertid ikke å spre transportøren raskt nok. På grunn av den lange transporttiden og følgelig den betydelige tiden nyttelasten bruker i strålingsbeltene på jorden, kan ikke all last leveres med atomdrevne slepebåter. Derfor er lastestrømmen som kan gis på grunnlag av NEP estimert til bare 100-300 tonn/år.

Kostnadseffektivitet

Som et kriterium for den økonomiske effektiviteten til det interorbitale transportsystemet, er det tilrådelig å bruke verdien av enhetskostnaden for å transportere en enhetsmasse av nyttelast (PG) fra jordoverflaten til målbanen. RSC Energia utviklet en økonomisk og matematisk modell som tar hensyn til hovedkostnadskomponentene i transportsystemet:

• for å lage og lansere slepebåtmoduler i bane;
• for kjøp av en fungerende atominstallasjon;
• driftskostnader, samt FoU-kostnader og mulige kapitalkostnader.

Kostnadsindikatorer avhenger av de optimale parameterne til MB. Ved å bruke denne modellen, en komparativøkonomisk effektivitet ved å bruke en gjenbrukbar slepebåt basert på NEP med en effekt på ca. 1 MW og en engangsslepebåt basert på avanserte flytende rakettmotorer i programmet for å levere en nyttelast med en totalmasse på 100 t/år fra jorden til månens bane med en høyde på 100 km. Ved bruk av samme utskytningsfartøy med en bærekapasitet lik bærekapasiteten til Proton-M utskytningsfartøyet og en to-utskytningsordning for å bygge et transportsystem, enhetskostnaden for å levere en enhetsmasse av nyttelast ved bruk av en atomdrevet slepebåt vil være tre ganger lavere enn ved bruk av engangsslepebåter basert på raketter med flytende motorer type DM-3.

Konklusjon

En effektiv kjernefysisk motor for verdensrommet bidrar til å løse jordens miljøproblemer, bemannet flyreise til Mars, skape et trådløst kraftoverføringssystem i verdensrommet, implementere svært sikker deponering av svært farlig radioaktivt avfall fra bakkebasert atomenergi i verdensrommet, skaper en beboelig månebase og starter industriell utforskning av månen, og sikrer beskyttelse av jorden mot fare for asteroide-kometer.