Ғарыш аппараттарына арналған ядролық қозғалтқыштар

2024 Автор: Howard Calhoun | [email protected]. Соңғы өзгертілген: 2023-12-17 10:33

Ресей ядролық ғарыштық энергетика саласындағы көшбасшы болды және әлі де болып қала береді. RSC Energia және Roskosmos сияқты ұйымдардың ядролық қуат көзімен жабдықталған ғарыш аппараттарын жобалау, құру, ұшыру және пайдалану тәжірибесі бар. Ядролық қозғалтқыш ұшақтарды көптеген жылдар бойы басқаруға мүмкіндік береді, бұл олардың практикалық жарамдылығын бірнеше есе арттырады.

Тарихи рекорд

Атом энергиясын ғарышта пайдалану өткен ғасырдың 70-жылдарында қиял болудан қалды. Алғашқы ядролық қозғалтқыштар 1970-1988 жылдары ғарышқа ұшырылды және АҚШ-А бақылау ғарыш аппаратында сәтті жұмыс істеді. Олар электр қуаты 3 кВт болатын «Бук» термоэлектрлік атом электр станциясы (АЭС) бар жүйені пайдаланды.

1987-1988 жылдары 5 кВт Топаз термиондық атом электр станциясы бар екі Plasma-A көлігі ұшу және ғарыштық сынақтардан өтті, оның барысында электр зымыран қозғалтқыштары (ЭҚ) алғаш рет ядролық энергия көзінен қуат алды.

Жердегі ядролық кешен аяқталдықуаты 5 кВт «Енисей» термиондық ядролық қондырғысының энергетикалық сынақтары. Осы технологиялар негізінде қуаты 25-100 кВт термионды атом электр станцияларының жобалары әзірленді.

МБ Геркулес

1970 жылдары RSC Energia ғылыми және практикалық зерттеулерді бастады, оның мақсаты орбиталық буксир (МБ) Геркулес үшін қуатты ядролық ғарыш қозғалтқышын жасау болды. Жұмыс қуаттылығы бірнеше жүздеген киловаттқа дейінгі термиондық атом электр станциясы және бірлік қуаты ондаған және жүздеген электр зымыран қозғалтқыштары бар ядролық электр қозғалтқыш жүйесі (НЭП) тұрғысынан көп жылдарға резерв жасауға мүмкіндік берді. киловатт.

"Геркулес" МБ дизайн параметрлері:

• атом электр станциясының таза электр қуаты – 550 кВт;
• EPS ерекше импульсі – 30 км/с;
• проектор күші – 26 N;
• атом электр станциясының ресурсы және электр қозғалтқышы - 16 000 сағат;
• EPS жұмыс органы – ксенон;
• сүйреткіштің салмағы (құрғақ) - 14,5-15,7 тонна, оның ішінде атом электр станциялары - 6,9 тонна.

Соңғы уақыт

ХХІ ғасырда ғарышқа жаңа ядролық қозғалтқыш жасаудың уақыты келді. 2009 жылғы қазанда Ресей Федерациясының Президенті жанындағы Ресей экономикасын жаңғырту және технологиялық дамыту жөніндегі комиссияның отырысында «Мегаватт класындағы атом электр станциясын пайдалана отырып көлік-энергетикалық модульді құру» жаңа ресейлік жобасы болды. ресми түрде бекітілді. Жетекші әзірлеушілер:

• Реакторлық қондырғы – NIKIET ААҚ.
• Газтурбиналық энергияны түрлендіру схемасы бар атом электр станциясы, EPSиондық электрлік зымыран қозғалтқыштары және тұтастай алғанда ядролық қозғаушы жүйелер негізінде - «А. И. М. В. Келдыш», ол сонымен бірге жалпы көліктік-энергетикалық модульді (ТЭМ) дамыту бағдарламасына жауапты ұйым болып табылады.
• RKK Energia TEM-тің бас дизайнері ретінде осы модульмен автоматты көлік жасауы керек.

Жаңа орнатудың сипаттамалары

Ғарышқа арналған жаңа ядролық қозғалтқыш Ресей алдағы жылдары коммерциялық пайдалануға енгізуді жоспарлап отыр. NEP газ турбинаның күтілетін сипаттамалары келесідей. Реактор ретінде газбен суытылатын жылдам нейтронды реактор қолданылады, турбина алдындағы жұмыс сұйықтығының температурасы (He/Xe қоспасы) 1500 К, жылуды электр энергиясына айналдыру ПӘК 35%, түрі салқындатқыш-радиатор тамшы. Қуат блогының массасы (реактор, радиациядан қорғау және конверсия жүйесі, бірақ радиатор-радиаторсыз) 6 800 кг.

Ғарыштық ядролық қозғалтқыштарды (АЭС, АЭС-пен бірге EPS) пайдалану жоспарлануда:

• Болашақ ғарыштық көліктердің бөлігі ретінде.
• Энергияны көп қажет ететін кешендер мен ғарыш аппараттары үшін электр энергиясының көзі ретінде.
• Ауыр ғарыш аппараттары мен көліктерді жұмыс орбиталарына электрлік зымыранмен жеткізуді және олардың жабдықтарын әрі қарай ұзақ мерзімді электрмен жабдықтауды қамтамасыз ету үшін көлік және энергетика модуліндегі алғашқы екі міндетті шешу.

Ядроның жұмыс істеу принципіқозғалтқыш

Ядролардың қосылуына немесе реактивті қозғалысты қалыптастыру үшін ядролық отынның бөліну энергиясын пайдалануға негізделген. Импульстік-жарылғыш және сұйық типті қондырғылар бар. Жарылғыш қондырғы ғарышқа миниатюралық атом бомбаларын лақтырады, олар бірнеше метр қашықтықта жарылып, жарылғыш толқынмен кемені алға қарай итереді. Іс жүзінде мұндай құрылғылар әлі пайдаланылмаған.

Сұйық отынмен жұмыс істейтін ядролық қозғалтқыштар бұрыннан жасалып, сынақтан өткен. Сонау 60-шы жылдары кеңестік мамандар RD-0410 жұмыс істейтін үлгісін жасады. Осыған ұқсас жүйелер Америка Құрама Штаттарында жасалған. Олардың принципі сұйықты ядролық мини-реактормен қыздыруға негізделген, ол буға айналады және ғарыш аппаратын итеретін реактивті ағынды құрайды. Құрылғы сұйық деп аталса да, әдетте жұмыс сұйықтығы ретінде сутегі қолданылады. Ядролық ғарыш қондырғыларының тағы бір мақсаты кемелер мен спутниктердің электр борттық желісін (құралдарын) қуаттандыру болып табылады.

Жаһандық ғарыштық байланысқа арналған ауыр телекоммуникациялық көліктер

Қазіргі уақытта ауыр ғарыштық байланыс көліктерінде пайдалану жоспарланатын ғарышқа арналған ядролық қозғалтқыш бойынша жұмыстар жүргізілуде. RSC Energia компаниясы «телефон станциясын» Жерден ғарышқа көшіру арқылы қол жеткізуге болатын арзан ұялы байланысы бар экономикалық бәсекеге қабілетті ғаламдық ғарыштық байланыс жүйесін зерттеу мен жобалауды жүзеге асырды.

Оларды жасаудың алғышарттары:

• геостационарлық орбитаны (GSO) жұмыс жәнепассивті серіктестер;
• жиілік сарқылуы;
• Ямал сериясының ақпараттық геостационарлық жерсеріктерін жасау және коммерциялық пайдаланудағы оң тәжірибе.

Yamal платформасын жасау кезінде жаңа техникалық шешімдер 95% құрады, бұл мұндай көліктердің әлемдік ғарыш қызметтері нарығында бәсекеге қабілетті болуына мүмкіндік берді.

Модульдерді шамамен жеті жыл сайын технологиялық байланыс жабдықтарымен ауыстыру күтілуде. Бұл тұтынылатын электр қуатын арттыра отырып, 3-4 ауыр көп функциялы GEO спутниктерінің жүйесін құруға мүмкіндік береді. Бастапқыда ғарыш аппараттары қуаттылығы 30-80 кВт күн батареялары негізінде жобаланған. Келесі кезеңде тасымалдау режимінде (базалық модульді ГСО-ға жеткізу үшін) бір жылға дейінгі ресурсы бар 400 кВт және ұзақ мерзімді жұмыс режимінде 150-180 кВт ядролық қозғалтқыштарды пайдалану жоспарлануда. (кем дегенде 10-15 жыл) электр энергиясының көзі ретінде.

Жердегі метеориттерге қарсы қорғаныс жүйесіндегі ядролық қозғалтқыштар

90-жылдардың аяғында RSC Energia жүргізген конструкторлық зерттеулер Жерді кометалар мен астероидтардың ядроларынан қорғауға арналған антиметеориттік жүйені құру кезінде ядролық-электр қондырғылары мен ядролық қозғаушы жүйелердің болуы мүмкін екенін көрсетті. үшін пайдаланылады:

1. Жер орбитасын кесіп өтетін астероидтар мен кометалардың траекторияларын бақылау жүйесін құру. Ол үшін қауіпті объектілерді анықтауға арналған оптикалық және радиолокациялық жабдықпен жабдықталған арнайы ғарыш аппараттарын ұйымдастыру ұсынылады,олардың траекторияларының параметрлерін есептеу және олардың сипаттамаларын алғашқы зерттеу. Жүйе қуаттылығы 150 кВт немесе одан да көп екі режимді термиондық атом электр станциясы бар ядролық ғарыш қозғалтқышын пайдалана алады. Оның ресурсы кемінде 10 жыл болуы керек.
2. Көпбұрышты қауіпсіз астероидқа әсер ету құралдарын сынау (термоядролық құрылғының жарылуы). Сынақ құрылғысын астероид сынақ алаңына жеткізу үшін NEP қуаты жеткізілетін пайдалы жүктің массасына байланысты (150-500 кВт).
3. Жерге жақындап келе жатқан қауіпті объектіге тұрақты әсер ету құралдарын (жалпы салмағы 15-50 тонна ұстағыш) жеткізу. Термоядролық зарядты қауіпті астероидқа жеткізу үшін қуаттылығы 1-10 МВт ядролық реактивті қозғалтқыш қажет болады, оның беткі жарылысы астероид материалының реактивті ағынының әсерінен оны қауіпті траекториядан бұрып жіберуі мүмкін.

Зерттеу жабдығын терең ғарышқа жеткізу

Ғылыми аппаратураны ғарыш объектілеріне жеткізу (алыс планеталар, мерзімді кометалар, астероидтар) LRE негізіндегі ғарыш сатыларын пайдалану арқылы жүзеге асырылуы мүмкін. Аспан денесінің спутнигінің орбитасына шығу, аспан денесімен тікелей байланыста болу, сынамаларды алу және зерттеу кешенінің массасын ұлғайтуды талап ететін басқа да зерттеулерді орындау міндеті тұрғанда ғарыш аппараттары үшін ядролық қозғалтқыштарды қолданған жөн. қону және ұшып көтерілу кезеңдерін қосу.

Мотор параметрлері

Ғарыш кемелеріне арналған ядролық қозғалтқышҒылыми-зерттеу кешені жоспарлауды жеңілдететін және жобаның құнын төмендететін «бастау терезесін» кеңейтеді (жұмыс сұйықтығының бақыланатын шығу жылдамдығына байланысты). RSC Energia жүргізген зерттеулер үш жылға дейін қызмет ету мерзімі бар 150 кВт ядролық қозғалтқыш жүйесі астероидтық белдеуге ғарыштық модульдерді жеткізудің перспективалы құралы екенін көрсетті.

Сонымен бірге Күн жүйесінің алыстағы планеталарының орбиталарына зерттеу аппаратын жеткізу мұндай ядролық қондырғының ресурсын 5-7 жылға дейін арттыруды талап етеді. Ғылыми-зерттеу ғарыш аппаратының құрамындағы қуаты шамамен 1 МВт ядролық қозғау жүйесі бар кешен ең алыстағы планеталардың жасанды серіктерін, планеталық роверлерді осы планеталардың табиғи серіктерінің бетіне жылдам жеткізуге мүмкіндік беретіні дәлелденді. және топырақты кометалардан, астероидтардан, Меркурийден және Юпитер мен Сатурнның серіктерінен жеткізу.

Қайта пайдалануға болатын буксир (МБ)

Ғарыштағы көлік операцияларының тиімділігін арттырудың маңызды жолдарының бірі – көлік жүйесінің элементтерін көп рет пайдалану болып табылады. Кемінде 500 кВт қуаты бар ғарыш аппараттарына арналған ядролық қозғалтқыш көп реттік буксирді жасауға және сол арқылы көп буынды ғарыштық көлік жүйесінің тиімділігін айтарлықтай арттыруға мүмкіндік береді. Мұндай жүйе үлкен жылдық жүк ағынын қамтамасыз ету бағдарламасында әсіресе пайдалы. Мысал ретінде тұрақты өсіп келе жатқан тұрғын үй базасы мен тәжірибелік технологиялық және өндірістік кешендерді құру және қолдау көрсетумен Айды барлау бағдарламасы болып табылады.

Жүк айналымын есептеу

РКК жобалау зерттеулеріне сәйкес«Энергия», базаны салу кезінде салмағы шамамен 10 тонна болатын модульдер Айдың бетіне, Айдың орбитасына 30 тоннаға дейін жеткізілуі керек. Базаның жұмыс істеуі мен дамуын қамтамасыз ету үшін - 400-500. т.

Алайда ядролық қозғалтқыштың жұмыс принципі тасымалдаушыны жеткілікті жылдам таратуға мүмкіндік бермейді. Тасымалдаудың ұзақ уақытына және сәйкесінше, пайдалы жүктің Жердің радиациялық белдеулерінде жұмсалуына байланысты барлық жүктерді ядролық буксирлер арқылы жеткізу мүмкін емес. Сондықтан ҰЭП негізінде қамтамасыз етілетін жүк ағыны жылына небәрі 100-300 тоннаға бағаланады.

Шығын тиімділігі

Орбитааралық көлік жүйесінің экономикалық тиімділігінің критерийі ретінде Жер бетінен мақсатты орбитаға пайдалы жүк массасын (ЖЖ) тасымалдаудың бірлік құнының мәнін қолданған жөн. RSC Energia көлік жүйесіндегі негізгі шығындар құрамдастарын ескеретін экономикалық-математикалық модельді әзірледі:

• сүйреткіш модульдерді жасау және орбитаға шығару үшін;
• жұмыс істейтін ядролық қондырғыны сатып алу үшін;
• операциялық шығындар, сондай-ақ ҒЗТКЖ және мүмкін күрделі шығындар.

Шығын көрсеткіштері МБ оңтайлы параметрлеріне байланысты. Осы үлгіні пайдалана отырып, салыстырмалыжалпы массасы жылына 100 т пайдалы жүкті Жерден Ай орбитасына жеткізу бағдарламасында қуаты шамамен 1 МВт болатын НЭП негізіндегі көп рет пайдаланылатын сүйреткіш және жетілдірілген сұйық зымыран қозғалтқыштары негізіндегі бір рет қолданылатын сүйреткіш пайдаланудың экономикалық тиімділігі биіктігі 100 км. Жүк көтергіштігі «Протон-М» зымыран тасығышының өткізу қабілетіне тең бір зымыран тасығышты және көлік жүйесін құрудың екі ұшыру схемасын пайдаланған кезде, ядролық буксирді пайдалана отырып, пайдалы жүктің масса бірлігін жеткізудің бірлігі құны DM-3 типті сұйық қозғалтқыштары бар зымырандар негізіндегі бір реттік буксирлерді пайдаланудан үш есе төмен болады.

Қорытынды

Ғарыш үшін тиімді ядролық қозғалтқыш Жердің экологиялық мәселелерін шешуге, адамның Марсқа ұшуына, ғарышта сымсыз қуат беру жүйесін құруға, жердегі аса қауіпті радиоактивті қалдықтарды кәдеге жаратуды жоғары қауіпсіздікпен жүзеге асыруға ықпал етеді. ғарышта ядролық энергия, өмір сүруге қолайлы Ай базасын құру және Айды өнеркәсіптік зерттеуді бастау, Жерді астероид-комета қауіпінен қорғауды қамтамасыз ету.