Kosmik kemalar uchun yadro dvigatellari

2024 Muallif: Howard Calhoun | [email protected]. Oxirgi o'zgartirilgan: 2023-12-17 10:44

Rossiya yadroviy kosmik energiya sohasida yetakchi boʻlgan va hozir ham shunday boʻlib qolmoqda. RSC Energia va Roskosmos kabi tashkilotlar yadroviy energiya manbai bilan jihozlangan kosmik kemalarni loyihalash, qurish, uchirish va ishlatish tajribasiga ega. Yadro dvigateli samolyotlarni ko‘p yillar davomida ishlatish imkonini beradi va ularning amaliy yaroqliligini ko‘p marta oshiradi.

Tarixiy rekord

Kosmosda yadro energiyasidan foydalanish o'tgan asrning 70-yillarida fantaziya bo'lishni to'xtatdi. Birinchi yadro dvigatellari 1970-1988 yillarda koinotga uchirilgan va AQSh-A kuzatuv kemasida muvaffaqiyatli ishlagan. Ular 3 kVt elektr quvvatiga ega "Buk" termoelektrik atom elektr stansiyasi (AES) tizimidan foydalanganlar.

1987-1988 yillarda 5 kVt quvvatga ega Topaz termion atom elektr stansiyasiga ega ikkita Plazma-A avtomobili parvoz va kosmik sinovlardan o'tkazildi, bunda birinchi marta elektr raketa dvigatellari (EP) yadroviy energiya manbasidan quvvat oldi.

Yerga asoslangan yadro majmuasi qurib bitkazildi5 kVt quvvatga ega "Yenisey" termion yadroviy qurilmasining energiya sinovlari. Ushbu texnologiyalar asosida 25-100 kVt quvvatga ega termion atom elektr stansiyalari loyihalari ishlab chiqilgan.

MB Hercules

1970-yillarda RSC Energia ilmiy va amaliy tadqiqotlarni boshladi, uning maqsadi Herkules interorbital tortuvchi (MB) uchun kuchli yadro kosmik dvigatelini yaratish edi. Ish quvvati bir necha yuzlab kilovattgacha bo'lgan termion atom elektr stantsiyasi va birlik quvvatiga o'nlab va yuzlab elektr raketa dvigatellari bilan yadro elektr harakatlantiruvchi tizimi (NEP) nuqtai nazaridan ko'p yillar davomida zaxira yaratishga imkon berdi. kilovatt.

MB "Hercules" dizayn parametrlari:

• atom elektr stansiyasining aniq elektr quvvati – 550 kVt;
• EPSning maxsus impulsi – 30 km/s;
• proyektorning surish kuchi – 26 N;
• atom elektr stansiyasi va elektr harakatlanish manbasi - 16000 soat;
• EPS ning ishchi organi – ksenon;
• tugmaning og'irligi (quruq) - 14,5-15,7 tonna, shu jumladan atom elektr stansiyalari - 6,9 tonna.

Oxirgi vaqtlar

XXI asrda koinot uchun yangi yadro dvigatelini yaratish vaqti keldi. 2009 yil oktyabr oyida Rossiya Federatsiyasi Prezidenti huzuridagi Rossiya iqtisodiyotini modernizatsiya qilish va texnologik rivojlantirish komissiyasining yig'ilishida "Megavatt toifali atom elektr stantsiyasidan foydalangan holda transport-energetika modulini yaratish" yangi Rossiya loyihasi qabul qilindi. rasman tasdiqlangan. Etakchi ishlab chiquvchilar:

• Reaktor zavodi – NIKIET OAJ.
• Gaz turbinali energiya konvertatsiya sxemasiga ega atom elektr stantsiyasi, EPSionli elektr raketa dvigatellari va umuman yadro harakat tizimlari asosida - A. I. nomidagi Davlat ilmiy-tadqiqot markazi. M. V. Keldysh”, shuningdek, transport-energetika modulini (TEM) rivojlantirish dasturi uchun mas'ul tashkilot hisoblanadi.
• RKK Energia TEM bosh dizayneri sifatida ushbu modulga ega avtomatik avtomobil ishlab chiqishi kerak.

Yangi oʻrnatish xususiyatlari

Koinot uchun yangi yadro dvigateli Rossiya yaqin yillarda tijorat foydalanishga topshirishni rejalashtirmoqda. NEP gaz turbinasining kutilayotgan xarakteristikalari quyidagilardan iborat. Reaktor sifatida gaz bilan sovutiladigan tez neytronli reaktor ishlatiladi, turbina oldidagi ishchi suyuqlikning harorati (He/Xe aralashmasi) 1500 K, issiqlikni elektr energiyasiga aylantirish samaradorligi 35%, turi. sovutgich-radiator tomchilab turadi. Quvvat blokining massasi (reaktor, radiatsiyadan himoya qilish va konversiya tizimi, lekin radiator-radiatorsiz) 6800 kg.

Kosmik yadro dvigatellaridan (AES, AES bilan birgalikda EPS) foydalanish rejalashtirilgan:

• Kelajak kosmik transport vositalarining bir qismi sifatida.
• Energiyani koʻp talab qiluvchi komplekslar va kosmik kemalar uchun elektr energiyasi manbalari sifatida.
• Transport va energetika modulidagi dastlabki ikkita vazifani hal qilish uchun ogʻir kosmik kemalar va transport vositalarini ishchi orbitalarga elektr-raketa bilan yetkazilishini va ularning jihozlarini uzoq muddatli quvvat bilan taʼminlashni taʼminlash.

Yadroning ishlash printsipidvigatel

Yadrolarning birlashishiga yoki reaktiv zarba hosil qilish uchun yadro yoqilg'isining parchalanish energiyasidan foydalanishga asoslangan. Impuls-portlovchi va suyuqlik turlarini o'rnatish mavjud. Portlovchi qurilma kosmosga miniatyura atom bombalarini tashlaydi, ular bir necha metr masofada portlab, kemani portlovchi to'lqin bilan oldinga siljitadi. Amalda bunday qurilmalar hali ishlatilmaydi.

Suyuq yoqilg'ida ishlaydigan yadro dvigatellari esa uzoq vaqtdan beri ishlab chiqilgan va sinovdan o'tgan. 60-yillarda sovet mutaxassislari ishlaydigan RD-0410 modelini ishlab chiqdilar. Shunga o'xshash tizimlar Qo'shma Shtatlarda ishlab chiqilgan. Ularning printsipi suyuqlikni yadroviy mini-reaktor bilan isitishga asoslangan bo'lib, u bug'ga aylanadi va reaktiv oqim hosil qiladi, bu esa kosmik kemani itaradi. Qurilma suyuqlik deb ataladigan bo'lsa-da, vodorod odatda ishchi suyuqlik sifatida ishlatiladi. Yadroviy kosmik qurilmalarning yana bir maqsadi kemalar va sun'iy yo'ldoshlarning elektr bort tarmog'ini (asboblarini) quvvatlantirishdir.

Global kosmik aloqa uchun ogʻir telekommunikatsiya vositalari

Hozirda ogʻir kosmik aloqa vositalarida qoʻllanilishi rejalashtirilgan koinot uchun yadro dvigateli ustida ish olib borilmoqda. RSC Energia arzon uyali aloqaga ega iqtisodiy raqobatbardosh global kosmik aloqa tizimini tadqiq qilish va loyihalashtirishni amalga oshirdi, bunga "telefon stantsiyasini" Yerdan koinotga o'tkazish orqali erishish kerak edi.

Ularni yaratish uchun zarur shartlar:

• geostatsionar orbita (GSO) ishchi vapassiv hamrohlar;
• chastotaning charchashi;
• Yamal seriyasining axborot geostatsionar sun'iy yo'ldoshlarini yaratish va ulardan tijorat maqsadlarida foydalanish bo'yicha ijobiy tajriba.

Yamal platformasini yaratishda yangi texnik echimlar 95% ni tashkil etdi, bu esa bunday transport vositalarining global kosmik xizmatlar bozorida raqobatbardosh boʻlishiga imkon berdi.

Taxminan har yetti yilda modullarni texnologik aloqa uskunalariga almashtirish kutilmoqda. Bu 3-4 ta og'ir ko'p funktsiyali GEO sun'iy yo'ldoshlari tizimini yaratish, ular tomonidan iste'mol qilinadigan elektr energiyasini oshirish imkonini beradi. Dastlab kosmik kemalar 30-80 kVt quvvatga ega quyosh panellari asosida ishlab chiqilgan. Keyingi bosqichda transport rejimida (asosiy modulni GSO ga yetkazib berish uchun) bir yilgacha resursga ega 400 kVt quvvatga ega va uzoq muddatli ish rejimida 150-180 kVt quvvatga ega yadro dvigatellaridan foydalanish rejalashtirilgan. (kamida 10-15 yil) elektr energiyasi manbai sifatida.

Yerning meteoritlarga qarshi himoya tizimidagi yadro dvigatellari

90-yillarning oxirlarida RSC Energia tomonidan amalga oshirilgan dizayn tadqiqotlari shuni ko'rsatdiki, Yerni kometalar va asteroidlar yadrolaridan himoya qilish uchun antimeteorit tizimini yaratishda yadroviy elektr inshootlari va yadro harakat tizimlarini yaratish mumkin. uchun ishlatiladi:

1. Yer orbitasini kesib o'tuvchi asteroidlar va kometalarning traektoriyalarini kuzatish tizimini yaratish. Buning uchun xavfli ob'ektlarni aniqlash uchun optik va radar uskunalari bilan jihozlangan maxsus kosmik kemalarni tashkil etish taklif qilinmoqda.ularning traektoriyalarining parametrlarini hisoblash va ularning xususiyatlarini birlamchi o'rganish. Tizim 150 kVt va undan ortiq quvvatga ega ikki rejimli termion atom elektr stantsiyasiga ega bo'lgan yadro kosmik dvigatelidan foydalanishi mumkin. Uning resursi kamida 10 yillik boʻlishi kerak.
2. Koʻpburchak xavfsiz asteroidga taʼsir qilish vositalarini (termoyadroviy qurilmaning portlashi) sinovdan oʻtkazish. NEPning sinov qurilmasini asteroid sinov maydonchasiga yetkazib berish quvvati yetkazilgan foydali yukning massasiga (150-500 kVt) bog'liq.
3. Yerga yaqinlashayotgan xavfli ob'ektga muntazam ta'sir qilish vositalarini (umumiy og'irligi 15-50 tonna bo'lgan tutqichni) etkazib berish. Xavfli asteroidga termoyadro zaryadini yetkazish uchun quvvati 1-10 MVt bo'lgan yadro reaktiv dvigateli kerak bo'ladi, uning sirt portlashi asteroid materialining reaktiv oqimi tufayli uni xavfli traektoriyadan burishi mumkin.

Tadqiqot uskunasini chuqur fazoga yetkazish

Ilmiy asbob-uskunalarni kosmik ob'ektlarga (uzoq sayyoralar, davriy kometalar, asteroidlar) etkazib berish LRE asosidagi kosmik bosqichlar yordamida amalga oshirilishi mumkin. Osmon jismining sun'iy yo'ldoshi orbitasiga chiqish, samoviy jism bilan to'g'ridan-to'g'ri aloqa qilish, moddalardan namuna olish va tadqiqot majmuasi massasini ko'paytirishni talab qiladigan boshqa tadqiqotlar, kosmik kemalar uchun yadro dvigatellaridan foydalanish tavsiya etiladi. qo‘nish va uchish bosqichlarini kiritish.

Dvigatel parametrlari

Kosmik kemalar uchun yadro dvigateliTadqiqot majmuasi “boshlash oynasi”ni kengaytiradi (ishchi suyuqlikning boshqariladigan chiqish tezligi hisobiga), bu rejalashtirishni soddalashtiradi va loyiha narxini pasaytiradi. RSC Energia tomonidan olib borilgan tadqiqotlar shuni ko'rsatdiki, xizmat muddati uch yilgacha bo'lgan 150 kVt quvvatga ega yadroviy harakatlantiruvchi tizim kosmik modullarni asteroid kamariga etkazishning istiqbolli vositasidir.

Shu bilan birga, tadqiqot apparatini Quyosh tizimining olis sayyoralari orbitalariga yetkazish bunday yadroviy inshootning resurslarini 5-7 yilgacha oshirishni talab qiladi. Tadqiqot kosmik kemasining bir qismi sifatida quvvati taxminan 1 MVt bo'lgan yadro harakat tizimiga ega bo'lgan kompleks eng uzoq sayyoralarning sun'iy yo'ldoshlarini, sayyora roverlarini ushbu sayyoralarning tabiiy sun'iy yo'ldoshlari yuzasiga tezlashtirish imkonini berishi isbotlangan. va kometalar, asteroidlar, Merkuriy va Yupiter va Saturn yo'ldoshlaridan tuproq yetkazib berish.

Qayta foydalanish mumkin tormoz (MB)

Kosmosdagi transport operatsiyalari samaradorligini oshirishning eng muhim usullaridan biri transport tizimining elementlaridan qayta foydalanish mumkin. Kamida 500 kVt quvvatga ega kosmik kemalar uchun yadroviy dvigatel qayta foydalanish mumkin bo'lgan tirgakni yaratishga imkon beradi va shu bilan ko'p tarmoqli kosmik transport tizimining samaradorligini sezilarli darajada oshiradi. Bunday tizim, ayniqsa, yillik katta yuk oqimlarini ta'minlash dasturida foydalidir. Bunga doimiy ravishda o'sib borayotgan yashash uchun qulay baza va eksperimental texnologik va ishlab chiqarish majmualarini yaratish va ularga xizmat ko'rsatish bilan Oyni o'rganish dasturi misol bo'la oladi.

Yuk aylanmasini hisoblash

RKK dizayn tadqiqotlariga ko'ra"Energia", bazani qurishda og'irligi 10 tonnaga yaqin bo'lgan modullarni Oy yuzasiga, 30 tonnagacha Oy orbitasiga etkazish kerak. bazaning ishlashi va rivojlanishini ta'minlash uchun - 400-500. t.

Ammo yadro dvigatelining ishlash printsipi tashuvchini yetarlicha tez tarqatishga imkon bermaydi. Tashishning uzoq muddati va shunga mos ravishda Yerning radiatsiya kamarlarida foydali yukning ko'p vaqt sarflanishi sababli, barcha yuklarni yadroviy tirgaklar yordamida etkazib berish mumkin emas. Shuning uchun NEP asosida ta'minlanishi mumkin bo'lgan yuk oqimi yiliga atigi 100-300 tonnani tashkil etadi.

Xarajat samaradorligi

Orbitalararo transport tizimining iqtisodiy samaradorligi mezoni sifatida foydali yukning birlik massasini (PG) Yer yuzasidan maqsadli orbitaga tashish birligi qiymatining qiymatidan foydalanish maqsadga muvofiqdir. RSC Energia transport tizimidagi asosiy xarajat komponentlarini hisobga olgan iqtisodiy va matematik modelni ishlab chiqdi:

• orbitaga tortish modullarini yaratish va uchirish;
• ishlaydigan yadro qurilmasini sotib olish uchun;
• operatsion xarajatlar, shuningdek, ilmiy-tadqiqot xarajatlari va mumkin boʻlgan kapital xarajatlar.

Xarajat ko'rsatkichlari MB ning optimal parametrlariga bog'liq. Ushbu modeldan foydalanib, qiyosiyUmumiy massasi yiliga 100 t bo‘lgan foydali yukni Yerdan Oy orbitasiga yetkazish dasturida taxminan 1 MVt quvvatga ega NEP asosidagi qayta ishlatiladigan tirgak va ilg‘or suyuq raketa dvigatellari asosidagi bir martalik tirgakdan foydalanishning iqtisodiy samaradorligi. balandligi 100 km. Yuk ko'tarish quvvati Proton-M raketasining yuk ko'tarish quvvatiga teng bo'lgan bir xil raketadan va transport tizimini qurishning ikkita uchirma sxemasidan foydalanilganda, yadroviy yuk tashuvchisi yordamida foydali yukning birlik massasini etkazib berish birligi qiymati. DM-3 tipidagi suyuq dvigatelli raketalarga asoslangan bir martalik tirgichlardan foydalanishga qaraganda uch baravar past bo'ladi.

Xulosa

Kosmos uchun samarali yadro dvigateli Yerning ekologik muammolarini hal qilishga, Marsga odamning parvoziga, koinotda simsiz elektr uzatish tizimini yaratishga, yerdagi yadro energiyasidan oʻta xavfli radioaktiv chiqindilarni xavfsiz utilizatsiya qilishni amalga oshirishga yordam beradi. kosmosda yashash uchun qulay Oy bazasini yaratish va Oyni sanoat tadqiqini boshlash, Yerni asteroid-kometa xavfidan himoya qilishni ta'minlash.