Kernenjins vir ruimtetuie

2024 Outeur: Howard Calhoun | [email protected]. Laas verander: 2023-12-17 10:16

Rusland was en bly steeds 'n leier op die gebied van kernruimte-energie. Organisasies soos RSC Energia en Roskosmos het ondervinding in die ontwerp, bou, lansering en bedryf van ruimtetuie wat met 'n kernkragbron toegerus is. 'n Kernenjin maak dit moontlik om vliegtuie vir baie jare te bestuur, wat hul praktiese geskiktheid baie keer verhoog.

Historiese rekord

Die gebruik van kernenergie in die ruimte het in die 70's van die vorige eeu opgehou om 'n fantasie te wees. Die eerste kernenjins is in 1970-1988 na die ruimte gelanseer en het suksesvol op die US-A-waarnemingsruimtetuig bedryf. Hulle het 'n stelsel gebruik met 'n termo-elektriese kernkragsentrale (NPP) "Buk" met 'n elektriese krag van 3 kW.

In 1987-1988 het twee Plasma-A-voertuie met 'n 5 kW Topaz-termioniese kernkragsentrale vlug- en ruimtetoetse ondergaan, waartydens elektriese vuurpylenjins (EP) vir die eerste keer van 'n kernenergiebron aangedryf is.

Het 'n kompleks van grondgebaseerde kernkrag voltooienergietoetse van die termioniese kerninstallasie "Yenisei" met 'n kapasiteit van 5 kW. Op grond van hierdie tegnologieë is projekte van termioniese kernkragsentrales met 'n kapasiteit van 25-100 kW ontwikkel.

MB Hercules

In die 1970's het RSC Energia met wetenskaplike en praktiese navorsing begin, waarvan die doel was om 'n kragtige kernruimte-enjin vir die interorbitale sleepboot (MB) Hercules te skep. Die werk het dit moontlik gemaak om 'n reserwe vir baie jare te maak in terme van 'n kern elektriese aandrywingstelsel (NEP) met 'n termioniese kernkragsentrale met 'n drywing van etlike tot honderde kilowatt en elektriese vuurpylenjins met 'n eenheidsdrywing van tiene en honderde van kilowatt.

Ontwerpparameters van MB "Hercules":

• netto elektriese krag van kernkragsentrale – 550 kW;
• spesifieke impuls van VPA – 30 km/s;
• projektordruk – 26 N;
• hulpbron van kernkragsentrale en elektriese aandrywing - 16 000 uur;
• werkliggaam van EPS – xenon;
• gewig (droog) van die sleepboot - 14,5-15,7 ton, insluitend kernkragsentrales - 6,9 ton.

Onlangse tye

In die 21ste eeu is dit tyd om 'n nuwe kernenjin vir die ruimte te skep. In Oktober 2009, tydens 'n vergadering van die Kommissie onder die President van die Russiese Federasie vir die modernisering en tegnologiese ontwikkeling van die Russiese ekonomie, is 'n nuwe Russiese projek "Skepping van 'n vervoer- en energiemodule met behulp van 'n megawatt-klas kernkragsentrale" amptelik goedgekeur. Hoofontwikkelaars is:

• Reaktoraanleg – OJSC NIKIET.
• Kernkragsentrale met 'n gasturbine-energieomskakelingskema, EPSop die basis van ioon-elektriese vuurpylenjins en kernaandrywingstelsels as geheel - Staatswetenskaplike Sentrum “Navorsingsentrum vernoem na A. I. M. V. Keldysh”, wat ook die verantwoordelike organisasie is vir die ontwikkelingsprogram van die vervoer- en energiemodule (TEM) as geheel.
• RKK Energia as die algemene ontwerper van TEM behoort 'n outomatiese voertuig met hierdie module te ontwikkel.

Kenmerke van die nuwe installasie

Nuwe kernenjin vir die ruimte Rusland beplan om in die komende jare in kommersiële bedryf te gaan. Die verwagte eienskappe van die gasturbine NEP is soos volg. As 'n reaktor word 'n gasverkoelde vinnige neutronreaktor gebruik, die temperatuur van die werkvloeistof (He/Xe-mengsel) voor die turbine is 1500 K, die doeltreffendheid van die omskakeling van termiese in elektriese energie is 35%, die tipe koeler-radiator is drup. Die massa van die krageenheid (reaktor, stralingsbeskerming en omskakelingstelsel, maar sonder die verkoeler-verkoeler) is 6 800 kg.

Ruimte-kernenjins (NPP, NPP saam met EPS) word beplan om gebruik te word:

• As deel van toekomstige ruimtevoertuie.
• As bronne van elektrisiteit vir energie-intensiewe komplekse en ruimtetuie.
• Om die eerste twee take in die vervoer- en energiemodule op te los om die elektriese vuurpyllewering van swaar ruimtetuie en voertuie na werkende wentelbane en verdere langtermynkragtoevoer na hul toerusting te verseker.

Die beginsel van werking van kernkragenjin

Gebaseer óf op die samesmelting van kerne, óf op die gebruik van splytingsenergie van kernbrandstof om straalstoot te vorm. Daar is installasies van pols-plofstof- en vloeistoftipes. Die plofbare installasie gooi miniatuur atoombomme in die ruimte, wat, wat op 'n afstand van 'n paar meter ontplof, die skip vorentoe stoot met 'n plofbare golf. In die praktyk word sulke toestelle nog nie gebruik nie.

Vloeistof-aangedrewe kernenjins, aan die ander kant, is lankal ontwikkel en getoets. Terug in die 60's het Sowjet-spesialiste 'n werkbare model RD-0410 ontwerp. Soortgelyke stelsels is in die Verenigde State ontwikkel. Hul beginsel is gebaseer op die verhitting van die vloeistof met 'n kern-minireaktor, dit verander in stoom en vorm 'n straalstroom, wat die ruimtetuig stoot. Alhoewel die toestel vloeistof genoem word, word waterstof gewoonlik as die werksvloeistof gebruik. Nog 'n doel van kernruimte-installasies is om die elektriese aanboordnetwerk (instrumente) van skepe en satelliete van krag te voorsien.

Swaar telekommunikasievoertuie vir globale ruimtekommunikasie

Op die oomblik word daar gewerk aan 'n kernenjin vir ruimte, wat beplan word om in swaar ruimtekommunikasievoertuie gebruik te word. RSC Energia het navorsing en ontwerpontwikkeling gedoen van 'n ekonomies mededingende globale ruimtekommunikasiestelsel met goedkoop sellulêre kommunikasie, wat veronderstel was om bereik te word deur die "telefoonstasie" van die Aarde na die ruimte oor te dra.

Die voorvereistes vir hul skepping is:

• byna volledige vulling van die geostasionêre wentelbaan (GSO) met werkende enpassiewe metgeselle;
• frekwensie-uitputting;
• positiewe ervaring in die skepping en kommersiële gebruik van geostasionêre inligtingsatelliete van die Yamal-reeks.

Toe die Yamal-platform geskep is, was nuwe tegniese oplossings verantwoordelik vir 95%, wat sulke voertuie in staat gestel het om mededingend te word in die globale ruimtedienstemark.

Daar word verwag om modules ongeveer elke sewe jaar met tegnologiese kommunikasietoerusting te vervang. Dit sal dit moontlik maak om stelsels van 3-4 swaar multifunksionele GEO-satelliete te skep met 'n toename in die elektriese krag wat deur hulle verbruik word. Aanvanklik is ruimtetuie ontwerp op grond van sonpanele met 'n kapasiteit van 30-80 kW. In die volgende stadium word beplan om 400 kW-kernenjins met 'n hulpbron van tot een jaar in die vervoermodus (vir die lewering van die basismodule aan die GSO) en 150-180 kW in die langtermynbedryfsmodus te gebruik (ten minste 10-15 jaar) as 'n bron van elektrisiteit

Kernenjins in die Aarde se anti-meteorietbeskermingstelsel

Die ontwerpstudies wat RSC Energia in die laat 90's uitgevoer het, het getoon dat in die skepping van 'n anti-meteorietstelsel vir die beskerming van die Aarde teen die kerne van komete en asteroïdes, kern-elektriese installasies en kernaandrywingstelsels kan word gebruik vir:

1. Skep 'n stelsel vir die monitering van die bane van asteroïdes en komete wat die Aarde se wentelbaan kruis. Om dit te doen, word voorgestel om spesiale ruimtetuie te reël wat toegerus is met optiese en radartoerusting om gevaarlike voorwerpe op te spoor,berekening van die parameters van hul bane en primêre studie van hul eienskappe. Die stelsel kan 'n kernruimte-enjin met 'n dubbelmodus termioniese kernkragsentrale met 'n drywing van 150 kW of meer gebruik. Sy hulpbron moet minstens 10 jaar oud wees.
2. Toets middel van invloed (ontploffing van 'n termonukleêre toestel) op 'n veelhoek veilige asteroïde. Die krag van die NEP om die toetstoestel na die asteroïde-toetsplek te lewer hang af van die massa van die gelewerde loonvrag (150-500 kW).
3. Lewering van gereelde middele van invloed (onderskepper met 'n totale gewig van 15-50 ton) aan 'n gevaarlike voorwerp wat die Aarde nader. 'n Kernstraalenjin met 'n kapasiteit van 1-10 MW sal nodig wees om 'n termonukleêre lading aan 'n gevaarlike asteroïde te lewer, waarvan die oppervlakontploffing, as gevolg van die straalstroom van die asteroïdemateriaal, dit van 'n gevaarlike baan kan afbuig.

Lewering van navorsingstoerusting na diep ruimte

Lewering van wetenskaplike toerusting aan ruimtevoorwerpe (verre planete, periodieke komete, asteroïdes) kan uitgevoer word deur ruimtestadiums gebaseer op LRE te gebruik. Dit is raadsaam om kernenjins vir ruimtetuie te gebruik wanneer die taak is om die baan van 'n satelliet van 'n hemelliggaam binne te gaan, direkte kontak met 'n hemelliggaam, monsterneming van stowwe en ander studies wat 'n toename in die massa van die navorsingskompleks vereis, die insluiting van landings- en opstygfases.

Motorparameters

Kernenjin vir ruimtetuieDie navorsingskompleks sal die "beginvenster" uitbrei (as gevolg van die beheerde uitvloeitempo van die werkvloeistof), wat beplanning vergemaklik en die koste van die projek verminder. Navorsing wat deur RSC Energia uitgevoer is, het getoon dat 'n 150 kW-kernaandrywingstelsel met 'n lewensduur van tot drie jaar 'n belowende manier is om ruimtemodules aan die asteroïdegordel te lewer.

Terselfdertyd vereis die aflewering van 'n navorsingsapparaat aan die bane van verre planete van die sonnestelsel 'n toename in die hulpbron van so 'n kerninstallasie tot 5-7 jaar. Dit is bewys dat 'n kompleks met 'n kernaandrywingstelsel met 'n krag van ongeveer 1 MW as deel van 'n navorsingsruimtetuig die versnelde lewering van kunsmatige satelliete van die verste planete, planetêre rovers na die oppervlak van natuurlike satelliete van hierdie planete sal moontlik maak. en lewering van grond vanaf komete, asteroïdes, Mercurius en mane van Jupiter en Saturnus.

Herbruikbare sleepboot (MB)

Een van die belangrikste maniere om die doeltreffendheid van vervoerbedrywighede in die ruimte te verhoog, is die herbruikbare gebruik van elemente van die vervoerstelsel.’n Kernenjin vir ruimtetuie met’n drywing van minstens 500 kW maak dit moontlik om’n herbruikbare sleepboot te skep en sodoende die doeltreffendheid van’n veelskakel-ruimtevervoerstelsel aansienlik te verhoog. So 'n stelsel is veral nuttig in 'n program om groot jaarlikse vragvloei te verseker. 'n Voorbeeld is die Maanverkenningsprogram met die skepping en instandhouding van 'n voortdurend groeiende bewoonbare basis en eksperimentele tegnologiese en produksiekomplekse.

Berekening van vragomset

Volgens RKK-ontwerpstudies"Energia", tydens die konstruksie van die basis, moet modules wat ongeveer 10 ton weeg, na die oppervlak van die Maan afgelewer word, tot 30 ton in die wentelbaan van die Maan. om die funksionering en ontwikkeling van die basis te verseker - 400-500 t.

Die beginsel van werking van die kernenjin laat egter nie toe om die vervoerder vinnig genoeg te versprei nie. As gevolg van die lang tyd van vervoer en dienooreenkomstig die aansienlike tyd wat die loonvrag in die bestralingsgordels van die Aarde spandeer, kan nie alle vrag met behulp van kernaangedrewe sleepbote afgelewer word nie. Daarom word die vragvloei wat op grond van NEP verskaf kan word op slegs 100-300 ton/jaar geskat.

Kostedoeltreffendheid

As 'n maatstaf vir die ekonomiese doeltreffendheid van die interorbitale vervoerstelsel, is dit raadsaam om die waarde van die eenheidskoste van die vervoer van 'n eenheidsmassa loonvrag (PG) vanaf die Aarde se oppervlak na die teikenbaan te gebruik. RSC Energia het 'n ekonomiese en wiskundige model ontwikkel wat die hoofkostekomponente in die vervoerstelsel in ag neem:

• om sleepbootmodules te skep en in 'n wentelbaan te lanseer;
• vir die aankoop van 'n werkende kerninstallasie;
• bedryfskoste, sowel as R&D-koste en moontlike kapitaalkoste.

Koste-aanwysers hang af van die optimale parameters van die MB. Met behulp van hierdie model, 'n vergelykendeekonomiese doeltreffendheid van die gebruik van 'n herbruikbare sleepboot gebaseer op NEP met 'n krag van ongeveer 1 MW en 'n weggooibare sleepboot gebaseer op gevorderde vloeibare vuurpyl enjins in die program vir die lewering van 'n loonvrag met 'n totale massa van 100 t/jaar vanaf die Aarde na die Maan se wentelbaan met 'n hoogte van 100 km. Wanneer dieselfde lanseervoertuig gebruik word met 'n drakrag gelykstaande aan die drakrag van die Proton-M-lanseringsvoertuig en 'n tweelanseringskema vir die konstruksie van 'n vervoerstelsel, die eenheidskoste van die lewering van 'n eenheidsmassa loonvrag met 'n kernaangedrewe sleepboot sal drie keer laer wees as wanneer weggooisleepbote gebruik word gebaseer op vuurpyle met vloeistofenjins tipe DM-3.

Gevolgtrekking

'n Doeltreffende kernenjin vir die ruimte dra by tot die oplossing van die omgewingsprobleme van die Aarde, bemande vlug na Mars, die skep van 'n draadlose kragoordragstelsel in die ruimte, implementeer met verhoogde veiligheid die wegdoening van veral gevaarlike radioaktiewe afval van grondgebaseerde afval. kernenergie in die ruimte, skep 'n bewoonbare maanbasis en begin industriële verkenning van die Maan, wat die beskerming van die Aarde teen asteroïde-komeetgevaar verseker.