Motors nuclears per a naus espacials

2024 Autora: Howard Calhoun | [email protected]. Última modificació: 2023-12-17 10:21

Rússia ha estat i segueix sent un líder en el camp de l'energia espacial nuclear. Organitzacions com RSC Energia i Roskosmos tenen experiència en el disseny, construcció, llançament i operació de naus espacials equipades amb una font d'energia nuclear. Un motor nuclear permet operar avions durant molts anys, augmentant-ne moltes vegades la idoneïtat pràctica.

Rècord històric

L'ús de l'energia nuclear a l'espai va deixar de ser una fantasia als anys 70 del segle passat. Els primers motors nuclears es van llançar a l'espai entre 1970 i 1988 i van funcionar amb èxit a la nau espacial d'observació US-A. Van utilitzar un sistema amb una central nuclear termoelèctrica (CNP) "Buk" amb una potència elèctrica de 3 kW.

El 1987-1988, dos vehicles de Plasma-A amb una central nuclear termoiònica Topaz de 5 kW es van sotmetre a proves de vol i espais, durant les quals els motors de coets elèctrics (EP) es van alimentar per primera vegada amb una font d'energia nuclear.

Va completar un complex de nuclears terrestresproves energètiques de la instal·lació nuclear termoiònica "Yenisei" amb una capacitat de 5 kW. Sobre la base d'aquestes tecnologies, s'han desenvolupat projectes de centrals nuclears termoiòniques amb una capacitat de 25-100 kW.

MB Hèrcules

A la dècada de 1970, RSC Energia va iniciar una investigació científica i pràctica, el propòsit de la qual era crear un potent motor espacial nuclear per al remolcador interorbital (MB) Hèrcules. El treball va permetre fer una reserva durant molts anys en termes d'un sistema de propulsió elèctrica nuclear (NEP) amb una central nuclear termoiònica amb una potència de diversos a centenars de quilowatts i motors de coets elèctrics amb una potència unitària de desenes i centenars. de quilowatts.

Paràmetres de disseny de MB "Hèrcules":

• potència elèctrica neta de la central nuclear: 550 kW;
• impuls específic de l'EPS – 30 km/s;
• empenta del projector – 26 N;
• recurs de central nuclear i propulsió elèctrica - 16.000 hores;
• cos de treball d'EPS – xenó;
• pes (sec) del remolcador - 14,5-15,7 tones, incloses les centrals nuclears - 6,9 tones.

Varis recents

Al segle XXI, és hora de crear un nou motor nuclear per a l'espai. L'octubre de 2009, en una reunió de la Comissió sota el càrrec del president de la Federació Russa per a la modernització i el desenvolupament tecnològic de l'economia russa, es va crear un nou projecte rus "Creació d'un mòdul de transport i energia amb una central nuclear de classe megawatt" aprovat oficialment. Els desenvolupadors principals són:

• Planta de reactors – OJSC NIKIET.
• Central nuclear amb un esquema de conversió d'energia de turbina de gas, EPSsobre la base de motors de coets elèctrics iònics i sistemes de propulsió nuclear en conjunt - Centre Científic Estatal "Centre de Recerca amb el nom d'A. I. M. V. Keldysh”, que també és l'organització responsable del programa de desenvolupament del mòdul de transport i energia (TEM) en conjunt.
• RKK Energia com a dissenyador general de TEM hauria de desenvolupar un vehicle automàtic amb aquest mòdul.

Característiques de la nova instal·lació

Nou motor nuclear per a l'espai Rússia té previst posar-lo en funcionament comercial en els propers anys. Les característiques esperades de la turbina de gas NEP són les següents. Com a reactor, s'utilitza un reactor de neutrons ràpids refrigerat per gas, la temperatura del fluid de treball (mescla He/Xe) davant de la turbina és de 1500 K, l'eficiència de conversió d'energia tèrmica en elèctrica és del 35%, el tipus de el refrigerador-radiador és per degoteig. La massa de la unitat de potència (reactor, sistema de protecció contra la radiació i conversió, però sense el radiador-radiador) és de 6.800 kg.

Es preveu que s'utilitzin motors nuclears espacials (NPP, NPP juntament amb EPS):

• Com a part dels futurs vehicles espacials.
• Com a fonts d'electricitat per a complexos i naus espacials que consumeixen molta energia.
• Per resoldre les dues primeres tasques del mòdul de transport i energia per garantir el lliurament de coets elèctrics de naus espacials pesades i vehicles a òrbites de treball i més subministrament d'energia a llarg termini als seus equips.

El principi de funcionament de la nuclearmotor

Basat en la fusió de nuclis o en l'ús de l'energia de fissió del combustible nuclear per formar empenta de raig. Hi ha instal·lacions de tipus polsos explosius i líquids. La instal·lació explosiva llança bombes atòmiques en miniatura a l'espai que, detonant a una distància de diversos metres, empenyen la nau cap endavant amb una ona explosiva. A la pràctica, aquests dispositius encara no s'utilitzen.

Els motors nuclears de combustible líquid, en canvi, s'han desenvolupat i provat des de fa temps. A la dècada dels 60, els especialistes soviètics van dissenyar un model viable RD-0410. Als Estats Units s'han desenvolupat sistemes similars. El seu principi es basa en escalfar el líquid amb un mini-reactor nuclear, es converteix en vapor i forma un corrent en raig, que empeny la nau espacial. Tot i que el dispositiu s'anomena líquid, normalment s'utilitza hidrogen com a fluid de treball. Un altre propòsit de les instal·lacions espacials nuclears és alimentar la xarxa elèctrica a bord (instruments) de vaixells i satèl·lits.

Vehicles de telecomunicacions pesats per a comunicacions espacials globals

En aquests moments, s'està treballant en un motor nuclear per a l'espai, que està previst que s'utilitzi en vehicles pesats de comunicació espacial. RSC Energia va dur a terme la investigació i el desenvolupament del disseny d'un sistema de comunicacions espacials global econòmicament competitiu amb comunicacions cel·lulars barates, que se suposava que s'havia d'aconseguir transferint l'"estació telefònica" de la Terra a l'espai..

Els requisits previs per a la seva creació són:

• ompliment gairebé complet de l'òrbita geoestacionària (GSO) amb treball icompanys passius;
• esgotament de freqüència;
• experiència positiva en la creació i l'ús comercial de satèl·lits geoestacionaris d'informació de la sèrie Yamal.

Quan es va crear la plataforma Yamal, les noves solucions tècniques van representar el 95%, cosa que va permetre que aquests vehicles es fessin competitius al mercat mundial de serveis espacials.

Es preveu substituir mòduls per equips de comunicacions tecnològiques aproximadament cada set anys. Això permetria crear sistemes de 3-4 satèl·lits GEO multifuncionals pesats amb un augment de l'energia elèctrica que consumeixen. Inicialment, les naus espacials es van dissenyar a partir de plaques solars amb una capacitat de 30-80 kW. En la següent etapa, es preveu utilitzar motors nuclears de 400 kW amb un recurs de fins a un any en mode de transport (per al lliurament del mòdul base a la GSO) i 150-180 kW en mode de funcionament a llarg termini. (almenys 10-15 anys) com a font d'electricitat.

Motors nuclears al sistema de protecció antimeteorits de la Terra

Els estudis de disseny realitzats per RSC Energia a finals dels anys 90 van demostrar que en la creació d'un sistema antimeteorits per protegir la Terra dels nuclis de cometes i asteroides, es poden fer instal·lacions nuclear-elèctriques i sistemes de propulsió nuclear. utilitzat per a:

1. Creació d'un sistema de seguiment de les trajectòries dels asteroides i cometes que creuen l'òrbita de la Terra. Per fer-ho, es proposa organitzar naus espacials especials equipades amb equips òptics i de radar per detectar objectes perillosos,càlcul dels paràmetres de les seves trajectòries i estudi primari de les seves característiques. El sistema pot utilitzar un motor espacial nuclear amb una central nuclear termoiònica de mode dual amb una potència de 150 kW o més. El seu recurs ha de tenir almenys 10 anys.
2. Prova de mitjans d'influència (explosió d'un dispositiu termonuclear) en un asteroide segur per a polígons. La potència del NEP per lliurar el dispositiu de prova al lloc de prova d'asteroides depèn de la massa de la càrrega útil lliurada (150-500 kW).
3. Lliurament de mitjans d'influència habituals (interceptor amb un pes total de 15-50 tones) a un objecte perillós que s'acosta a la Terra. Es necessitarà un motor de reacció nuclear amb una capacitat d'1-10 MW per lliurar una càrrega termonuclear a un asteroide perillós, l'explosió superficial del qual, a causa del corrent en raig del material de l'asteroide, pot desviar-lo d'una trajectòria perillosa.

Lliurament d'equips de recerca a l'espai profund

El lliurament d'equips científics a objectes espacials (planetes llunyans, cometes periòdics, asteroides) es pot dur a terme mitjançant etapes espacials basades en LRE. És aconsellable utilitzar motors nuclears per a naus espacials quan la tasca és entrar a l'òrbita d'un satèl·lit d'un cos celeste, contacte directe amb un cos celeste, mostreig de substàncies i altres estudis que requereixin un augment de la massa del complex d'investigació, el inclusió de les etapes d'aterratge i enlairament.

Paràmetres del motor

Motor nuclear per a naus espacialsEl complex de recerca ampliarà la "finestra d'inici" (a causa de la velocitat de sortida controlada del fluid de treball), que simplifica la planificació i redueix el cost del projecte. La investigació realitzada per RSC Energia va demostrar que un sistema de propulsió nuclear de 150 kW amb una vida útil de fins a tres anys és un mitjà prometedor per lliurar mòduls espacials al cinturó d'asteroides..

Al mateix temps, el lliurament d'un aparell de recerca a les òrbites de planetes llunyans del sistema solar requereix un augment dels recursos d'aquesta instal·lació nuclear fins a 5-7 anys. S'ha demostrat que un complex amb un sistema de propulsió nuclear amb una potència d'aproximadament 1 MW com a part d'una nau espacial de recerca permetrà el lliurament accelerat de satèl·lits artificials dels planetes més llunyans, rovers planetaris a la superfície dels satèl·lits naturals d'aquests planetes. i lliurament de sòl dels cometes, asteroides, Mercuri i les llunes de Júpiter i Saturn.

Remolcador reutilitzable (MB)

Una de les maneres més importants d'augmentar l'eficiència de les operacions de transport a l'espai és l'ús reutilitzable d'elements del sistema de transport. Un motor nuclear per a naus espacials amb una potència d'almenys 500 kW permet crear un remolcador reutilitzable i, per tant, augmentar significativament l'eficiència d'un sistema de transport espacial multienllaç. Aquest sistema és especialment útil en un programa per garantir grans fluxos anuals de càrrega. Un exemple és el programa d'exploració de la Lluna amb la creació i el manteniment d'una base habitable en constant creixement i complexos tecnològics i de producció experimentals.

Càlcul de la facturació de càrrega

Segons estudis de disseny de RKK"Energia", durant la construcció de la base, els mòduls que pesen unes 10 tones s'han de lliurar a la superfície de la Lluna, fins a 30 tones a l'òrbita de la Lluna. per garantir el funcionament i el desenvolupament de la base - 400-500 t.

No obstant això, el principi de funcionament del motor nuclear no permet dispersar el transportador amb prou rapidesa. A causa del llarg temps de transport i, en conseqüència, del temps important que passa la càrrega útil als cinturons de radiació de la Terra, no tota la càrrega es pot lliurar amb remolcadors d'energia nuclear. Per tant, el flux de càrrega que es pot proporcionar sobre la base de NEP s'estima en només 100-300 tones/any.

Eficiència de costos

Com a criteri per a l'eficiència econòmica del sistema de transport interorbital, s'aconsella utilitzar el valor del cost unitari de transport d'una unitat de massa de càrrega útil (PG) des de la superfície terrestre fins a l'òrbita objectiu. RSC Energia va desenvolupar un model econòmic i matemàtic que té en compte els principals components de costos del sistema de transport:

• per crear i posar en òrbita mòduls remolcadors;
• per la compra d'una instal·lació nuclear en funcionament;
• costos d'explotació, així com els costos d'R+D i els possibles costos de capital.

Els indicadors de cost depenen dels paràmetres òptims del MB. Utilitzant aquest model, una comparativaeficiència econòmica d'utilitzar un remolcador reutilitzable basat en NEP amb una potència d'aproximadament 1 MW i un remolcador d'un sol ús basat en motors de coets líquids avançats en el programa per lliurar una càrrega útil amb una massa total de 100 t/any des de la Terra fins a l'òrbita de la Lluna. amb una alçada de 100 km. Quan s'utilitza el mateix vehicle de llançament amb una capacitat de càrrega igual a la capacitat de càrrega del vehicle de llançament Proton-M i un esquema de dos llançaments per a la construcció d'un sistema de transport, el cost unitari de lliurament d'una unitat de massa de càrrega útil amb un remolcador d'energia nuclear serà tres vegades menor que quan s'utilitzen remolcadors d'un sol ús a base de coets amb motors líquids tipus DM-3.

Conclusió

Un motor nuclear eficient per a l'espai contribueix a resoldre els problemes ambientals de la Terra, el vol tripulat a Mart, la creació d'un sistema de transmissió d'energia sense fil a l'espai, la implementació amb més seguretat de l'eliminació de residus radioactius especialment perillosos de la terra. energia nuclear a l'espai, creant una base lunar habitable i iniciant l'exploració industrial de la Lluna, garantint la protecció de la Terra contra el perill d'asteroides cometes.