Uzay aracı için nükleer motorlar

2024 Yazar: Howard Calhoun | [email protected]. Son düzenleme: 2023-12-17 10:43

Rusya, nükleer uzay enerjisi alanında lider olmuştur ve hala da öyledir. RSC Energia ve Roskosmos gibi kuruluşlar, bir nükleer güç kaynağıyla donatılmış uzay aracı tasarlama, inşa etme, fırlatma ve çalıştırma konusunda deneyime sahiptir. Bir nükleer motor, uçakların uzun yıllar çalıştırılmasını mümkün kılar ve pratik uygunluklarını birçok kez artırır.

Tarihsel kayıt

Uzayda nükleer enerji kullanımı geçen yüzyılın 70'lerinde bir fantezi olmaktan çıktı. İlk nükleer motorlar 1970-1988'de uzaya fırlatıldı ve US-A gözlem uzay aracında başarıyla çalıştırıldı. 3 kW elektrik gücüne sahip termoelektrik nükleer santral (NPP) "Buk" ile bir sistem kullandılar.

1987-1988'de, 5 kW Topaz termiyonik nükleer santrale sahip iki Plazma-A aracı, elektrikli roket motorlarının (EP) ilk kez bir nükleer enerji kaynağından çalıştırıldığı uçuş ve uzay testlerine tabi tutuldu.

Yer temelli bir nükleer kompleksi tamamladı5 kW kapasiteli termiyonik nükleer tesis "Yenisey"in enerji testleri. Bu teknolojilerin temelinde 25-100 kW kapasiteli termiyonik nükleer santrallerin projeleri geliştirildi.

MB Herkül

1970'lerde, RSC Energia, amacı yörüngeler arası römorkör (MB) Hercules için güçlü bir nükleer uzay motoru yaratmak olan bilimsel ve pratik araştırmalara başladı. Çalışma, birkaç ila yüzlerce kilovat gücünde bir termiyonik nükleer santral ve onlarca ve yüzlerce birim güce sahip elektrikli roket motorları olan bir nükleer elektrik tahrik sistemi (NEP) açısından uzun yıllar rezerv yapmayı mümkün kıldı. kilovat.

MB "Herkül"ün tasarım parametreleri:

• nükleer santralin net elektrik gücü – 550 kW;
• EPS'nin özgül dürtüsü – 30 km/s;
• projektör itişi – 26 N;
• nükleer santral ve elektrikli tahrik kaynağı - 16.000 saat;
• EPS'nin çalışan gövdesi – xenon;
• Römorkör ağırlığı (kuru) - nükleer santraller dahil 14,5-15,7 ton - 6,9 ton.

Son Zamanlar

21. yüzyılda uzay için yeni bir nükleer motor yaratmanın zamanı geldi. Ekim 2009'da, Rusya Federasyonu Başkanı'nın Rus ekonomisinin modernizasyonu ve teknolojik gelişimi için yaptığı bir Komisyon toplantısında, yeni bir Rus projesi "Megawatt sınıfı bir nükleer santral kullanarak bir ulaşım ve enerji modülünün oluşturulması" idi. resmi olarak onaylandı. Lider geliştiriciler:

• Reaktör tesisi – OJSC NIKIET.
• Gaz türbini enerji dönüşüm planına sahip nükleer santral, EPSbir bütün olarak iyon elektrikli roket motorları ve nükleer tahrik sistemleri temelinde - Devlet Bilim Merkezi “A. I. Aynı zamanda ulaştırma ve enerji modülünün (TEM) bir bütün olarak geliştirme programından sorumlu kuruluş olan M. V. Keldysh”.
• RKK Energia, TEM'in genel tasarımcısı olarak bu modül ile otomatik bir araç geliştirmeli.

Yeni kurulumun özellikleri

Uzay için yeni nükleer motor Rusya, önümüzdeki yıllarda ticari faaliyete geçirmeyi planlıyor. Gaz türbini NEP'nin beklenen özellikleri aşağıdaki gibidir. Reaktör olarak gaz soğutmalı hızlı nötron reaktörü kullanılmaktadır, türbin önündeki çalışma akışkanının (He/Xe karışımı) sıcaklığı 1500 K, ısıyı elektrik enerjisine dönüştürme verimi %35, soğutucu-radyatör damladır. Güç ünitesinin kütlesi (reaktör, radyasyondan korunma ve dönüştürme sistemi, ancak radyatör-radyatör hariç) 6.800 kg'dır.

Uzay nükleer motorlarının (NPP, EPS ile birlikte NPP) kullanılması planlanmaktadır:

• Gelecekteki uzay araçlarının bir parçası olarak.
• Enerji yoğun kompleksler ve uzay araçları için elektrik kaynakları olarak.
• Ağır uzay araçlarının ve araçların çalışma yörüngelerine elektrikli roket teslimatını ve ekipmanlarına daha fazla uzun vadeli güç beslemesini sağlamak için ulaşım ve enerji modülündeki ilk iki görevi çözmek.

Nükleerin çalışma prensibimotor

Ya çekirdeklerin füzyonuna ya da jet itişi oluşturmak için nükleer yakıtın fisyon enerjisinin kullanımına dayanır. Darbeli patlayıcı ve sıvı tip kurulumlar vardır. Patlayıcı kurulum, uzaya minyatür atom bombaları atar, bu da birkaç metre mesafede patlayarak gemiyi patlayıcı bir dalga ile ileri iter. Pratikte bu tür cihazlar henüz kullanılmamaktadır.

Sıvı yakıtlı nükleer motorlar ise uzun süredir geliştirilmiş ve test edilmiştir. 60'lı yıllarda, Sovyet uzmanları uygulanabilir bir RD-0410 modeli tasarladı. Benzer sistemler Amerika Birleşik Devletleri'nde geliştirilmiştir. İlkeleri, sıvıyı nükleer bir mini reaktörle ısıtmaya dayanır, buhara dönüşür ve uzay aracını iten bir jet akımı oluşturur. Cihaz sıvı olarak adlandırılsa da çalışma sıvısı olarak genellikle hidrojen kullanılır. Nükleer uzay kurulumlarının bir başka amacı, gemilerin ve uyduların elektrik yerleşik ağına (enstrümanlarına) güç sağlamaktır.

Küresel uzay iletişimi için ağır telekomünikasyon araçları

Şu anda ağır uzay iletişim araçlarında kullanılması planlanan uzay için nükleer motor üzerinde çalışmalar devam ediyor. RSC Energia, "telefon istasyonunu" Dünya'dan uzaya aktararak elde edilmesi gereken, ucuz hücresel iletişim ile ekonomik olarak rekabetçi bir küresel uzay iletişim sisteminin araştırma ve tasarım geliştirmesini gerçekleştirdi.

Yaratılmaları için önkoşullar:

• coğrafi yörüngenin (GSO) çalışma ve çalışma ile neredeyse tamamen doldurulmasıpasif arkadaşlar;
• frekans yorgunluğu;
• Yamal serisinin bilgi coğrafi uydularının oluşturulması ve ticari kullanımında olumlu deneyim.

Yamal platformunu oluştururken, yeni teknik çözümler %95'i oluşturdu ve bu tür araçların küresel uzay hizmetleri pazarında rekabet edebilmesini sağladı.

Yaklaşık yedi yılda bir modüllerin teknolojik iletişim ekipmanlarıyla değiştirilmesi bekleniyor. Bu, tükettikleri elektrik gücünde bir artışla 3-4 ağır çok işlevli GEO uydusu sistemleri oluşturmayı mümkün kılacaktır. Başlangıçta, uzay araçları 30-80 kW kapasiteli güneş panellerine dayalı olarak tasarlandı. Bir sonraki aşamada, taşıma modunda (temel modülün GSO'ya teslimi için) bir yıla kadar kaynağa sahip 400 kW nükleer motorların ve uzun vadeli çalışma modunda 150-180 kW kullanılması planlanmaktadır. (en az 10-15 yıl) bir elektrik kaynağı olarak.

Dünyanın meteorlara karşı koruma sistemindeki nükleer motorlar

90'ların sonlarında RSC Energia tarafından yürütülen tasarım çalışmaları, Dünya'yı kuyruklu yıldızların ve asteroitlerin çekirdeklerinden korumak için bir anti-göktaşı sisteminin oluşturulmasında, nükleer-elektrik tesisatları ve nükleer tahrik sistemlerinin olabileceğini gösterdi. için kullanılır:

1. Dünya'nın yörüngesini geçen asteroitlerin ve kuyruklu yıldızların yörüngelerini izlemek için bir sistem oluşturma. Bunu yapmak için, tehlikeli nesneleri tespit etmek için optik ve radar ekipmanı ile donatılmış özel uzay araçlarının düzenlenmesi önerilmektedir.yörüngelerinin parametrelerinin hesaplanması ve özelliklerinin birincil çalışması. Sistem, 150 kW veya daha fazla güce sahip çift modlu bir termiyonik nükleer santrale sahip bir nükleer uzay motoru kullanabilir. Kaynağı en az 10 yaşında olmalıdır.
2. Poligon güvenli bir asteroit üzerindeki etkinin (bir termonükleer cihazın patlaması) test edilmesi. NEP'in test cihazını asteroit test sahasına teslim etme gücü, teslim edilen yükün kütlesine (150-500 kW) bağlıdır.
3. Dünyaya yaklaşan tehlikeli bir nesneye düzenli etki araçlarının (toplam ağırlığı 15-50 ton olan önleyici) teslimi. 1-10 MW kapasiteli bir nükleer jet motoru, asteroid malzemesinin jet akımı nedeniyle yüzey patlaması onu tehlikeli bir yörüngeden saptırabilecek tehlikeli bir asteroide termonükleer bir yük sağlamak için gerekli olacaktır.

Derin uzaya araştırma ekipmanlarının teslimi

Bilimsel ekipmanın uzay nesnelerine (uzak gezegenler, periyodik kuyruklu yıldızlar, asteroitler) teslimi, LRE'ye dayalı uzay aşamaları kullanılarak gerçekleştirilebilir. Görev bir gök cismi uydusunun yörüngesine girmek, bir gök cismi ile doğrudan temas, örnekleme maddeleri ve araştırma kompleksinin kütlesinde bir artış gerektiren diğer çalışmalar olduğunda, uzay aracı için nükleer motorların kullanılması tavsiye edilir. iniş ve kalkış aşamalarının dahil edilmesi.

Motor parametreleri

Uzay aracı için nükleer motorAraştırma kompleksi, planlamayı basitleştiren ve projenin maliyetini az altan (çalışma sıvısının kontrollü çıkış hızı nedeniyle) "başlangıç penceresini" genişletecektir. RSC Energia tarafından yürütülen araştırma, üç yıla kadar hizmet ömrüne sahip 150 kW'lık bir nükleer tahrik sisteminin, uzay modüllerini asteroit kuşağına ulaştırmanın umut verici bir yolu olduğunu gösterdi.

Aynı zamanda, bir araştırma cihazının güneş sisteminin uzak gezegenlerinin yörüngelerine ulaştırılması, böyle bir nükleer tesisin kaynağında 5-7 yıla kadar bir artış gerektirir. Bir araştırma uzay aracının parçası olarak yaklaşık 1 MW gücünde bir nükleer tahrik sistemine sahip bir kompleksin, en uzak gezegenlerin yapay uydularının, bu gezegenlerin doğal uydularının yüzeyine gezegen gezicilerinin hızlandırılmış teslimine izin vereceği kanıtlanmıştır. ve kuyruklu yıldızlar, asteroitler, Merkür ve Jüpiter ve Satürn'ün uydularından toprak teslimi.

Yeniden kullanılabilir römorkör (MB)

Uzayda ulaşım operasyonlarının verimliliğini arttırmanın en önemli yollarından biri, ulaşım sistemi unsurlarının yeniden kullanılabilir kullanımıdır. En az 500 kW gücünde bir uzay aracı nükleer motoru, yeniden kullanılabilir bir römorkör oluşturmayı mümkün kılar ve böylece çok bağlantılı bir uzay taşıma sisteminin verimliliğini önemli ölçüde artırır. Böyle bir sistem, büyük yıllık kargo akışlarını sağlamak için bir programda özellikle yararlıdır. Bir örnek, sürekli büyüyen yaşanabilir bir üs ve deneysel teknolojik ve üretim komplekslerinin yaratılması ve bakımı ile Ay keşif programıdır.

Kargo cirosunun hesaplanması

RKK tasarım çalışmalarına göre"Energia", üssün inşası sırasında, yaklaşık 10 ton ağırlığındaki modüller Ay'ın yüzeyine, 30 tona kadar Ay yörüngesine teslim edilmelidir. üssün işleyişini ve gelişimini sağlamak için - 400-500 t.

Ancak, nükleer motorun çalışma prensibi, taşıyıcının yeterince hızlı dağılmasına izin vermez. Uzun nakliye süresi ve buna bağlı olarak, yükün Dünya'nın radyasyon kuşaklarında harcadığı önemli zaman nedeniyle, tüm kargolar nükleer enerjili römorkörler kullanılarak teslim edilemez. Bu nedenle, NEP bazında sağlanabilecek kargo akışının sadece 100-300 ton/yıl olduğu tahmin edilmektedir.

Maliyet verimliliği

Yörüngeler arası taşıma sisteminin ekonomik verimliliği için bir kriter olarak, Dünya yüzeyinden hedef yörüngeye bir birim yük kütlesini (PG) taşımanın birim maliyetinin değerinin kullanılması tavsiye edilir. RSC Energia, ulaşım sistemindeki ana maliyet bileşenlerini hesaba katan ekonomik ve matematiksel bir model geliştirdi:

• Römorkör modülleri oluşturmak ve yörüngeye fırlatmak için;
• çalışan bir nükleer tesisin satın alınması için;
• işletme maliyetleri, ayrıca Ar-Ge maliyetleri ve olası sermaye maliyetleri.

Maliyet göstergeleri, MB'nin optimal parametrelerine bağlıdır. Bu model kullanılarak karşılaştırmalıDünya'dan Ay'ın yörüngesine toplam kütlesi 100 t/yıl olan bir faydalı yükü ulaştırma programında yaklaşık 1 MW gücünde NEP'e dayalı yeniden kullanılabilir bir römorkör ve gelişmiş sıvı roket motorlarına dayalı tek kullanımlık bir römorkör kullanmanın ekonomik verimliliği 100 km yüksekliğe sahip. Proton-M fırlatma aracının taşıma kapasitesine eşit bir taşıma kapasitesine sahip aynı fırlatma aracını ve bir taşıma sistemi inşa etmek için iki fırlatma şemasını kullanırken, nükleer enerjili bir römorkör kullanarak bir birim yük kütlesi teslim etmenin birim maliyeti DM-3 tipi sıvı motorlu roketlere dayalı tek kullanımlık römorkörlerin kullanılmasından üç kat daha düşük olacaktır.

Sonuç

Uzay için verimli bir nükleer motor, Dünya'nın çevresel sorunlarının çözülmesine, Mars'a insanlı uçuş yapılmasına, uzayda kablosuz bir güç iletim sistemi oluşturulmasına, yer tabanlı nükleer enerjiden son derece tehlikeli radyoaktif atıkların son derece güvenli bir şekilde bertaraf edilmesine katkıda bulunur. uzayda, yaşanabilir bir ay üssü oluşturmak ve Ay'ın endüstriyel keşfine başlamak, Dünya'nın asteroit-kuyruklu yıldız tehlikesinden korunmasını sağlamak.