Động cơ hạt nhân cho tàu vũ trụ

Nga đã và vẫn là nhà lãnh đạo trong lĩnh vực năng lượng hạt nhân không gian. Kinh nghiệm trong việc thiết kế, xây dựng, vận hành và hoạt động của tàu vũ trụ được trang bị với các nguồn năng lượng hạt nhân là các tổ chức như RSC "Năng lượng" và "Roskosmos". động cơ hạt nhân cho phép để vận hành máy bay trong nhiều năm, làm cho chúng phù hợp thực tế hơn nhiều lần.

kỷ lục lịch sử

Việc sử dụng năng lượng hạt nhân trong không gian không còn là một tiểu thuyết trong 70-tệ của thế kỷ trước. Các công cụ hạt nhân đầu tiên trong 1970-1988 đã được phóng vào không gian và sử dụng thành công trong không gian xe (SV) quan sát của "Mỹ-A". Chúng được áp dụng cho các hệ thống nhiệt điện của một nhà máy điện hạt nhân (NPP) "Buck" điện của 3 kW.

Trong giai đoạn 1987-1988 hai thiết bị "Plasma-A" với thermionic NPP "Topaz" 5 kW đã được không gian chuyến bay thử nghiệm, trong đó sức mạnh động cơ đẩy điện (ERE) từ nguồn điện hạt nhân được triển khai đầu tiên.

Một phức tạp của mặt đất thử nghiệm điện hạt nhân thermionic cài đặt hạt nhân "Yenisei" sức mạnh của 5 kW. Dựa trên những công nghệ các dự án phát triển thermionic công suất điện hạt nhân của 25-100 kW.

MB "Hercules"

RSC "Năng lượng" vào những năm 70 bắt đầu các nghiên cứu khoa học và thực tiễn, mục đích trong đó là tạo ra một động cơ không gian hạt nhân mạnh mẽ cho interorbital kéo (MB) "Hercules". Công việc dẫn đến nền tảng cho nhiều năm của động cơ đẩy điện hạt nhân (YAERDU) với công suất điện hạt nhân thermionic của một vài - hàng trăm kilowatt và năng lực đơn vị đẩy điện của hàng chục đến hàng trăm KW.

thông số thiết kế MB "Hercules":

• điện hữu ích của điện hạt nhân - 550 kW;
• cụ thể đẩy điện xung - 30 km / s;
• Điện lực đẩy lực đẩy - 26 H;
• tài nguyên NPP và động cơ đẩy điện - 16.000 giờ;
• làm việc cơ động cơ đẩy điện - xenon;
• trọng lượng (khô) kéo - 14,5-15,7 t, bao gồm NEI - 6,9 tấn.

đồng thời

Trong thế kỷ XXI đó là thời gian để tạo ra một động cơ hạt nhân mới cho không gian. Vào tháng Mười năm 2009, tại một cuộc họp của Ủy ban mới của Nga dự án "Sáng tạo vận tải và mô-đun năng lượng với một cài đặt megawatt-class của một cường quốc hạt nhân" đã được chính thức chấp thuận của Hội đồng Tổng thống cho hiện đại hóa và phát triển công nghệ của nền kinh tế của Nga. đang phát triển hàng đầu:

• nhà máy lò phản ứng - Công ty cổ phần "NIKIET".
• nhà máy điện hạt nhân với một mạch chuyển đổi điện tua bin khí, dựa trên động cơ đẩy điện và electrorocket YAERDU ion nói chung - SSC "Trung tâm nghiên cứu. M. V. Keldysha", mà còn có trách nhiệm tổ chức các chương trình phát triển của phương tiện giao thông và mô-đun năng lượng (TEM) như một toàn thể.
• RSC "Năng lượng" như một nhà thiết kế TEM chung phải phát triển một máy tự động với mô-đun này.

Đặc điểm của quá trình cài đặt mới

động cơ hạt nhân mới cho không gian Nga có kế hoạch để bắt đầu vận hành thương mại trong vài năm tới. đặc điểm dự kiến của tuabin khí YAERDU sau. Các lò phản ứng sử dụng làm mát bằng khí gây giống nhanh lò phản ứng, nhiệt độ của chất lỏng làm việc (một hỗn hợp của Ông / Xe) thì nhà máy - 1500 K, hiệu quả chuyển hoá nhiệt năng thành điện năng - 35%, bộ tản nhiệt kiểu mát - nhỏ giọt. Đơn vị Trọng lượng (lò phản ứng, bảo vệ bức xạ, và hệ thống chuyển đổi, nhưng không lạnh phát) - 6800 kg.

Space động cơ hạt nhân (năng lượng hạt nhân, năng lượng hạt nhân, cùng với EPS) kế hoạch để sử dụng:

• Là một phần của xe không gian trong tương lai.
• Làm nguồn điện cho hệ thống năng lượng tích cực và tàu vũ trụ.
• Để giải quyết hai vấn đề đầu tiên trong mô-đun vận tải và năng lượng để đảm bảo việc cung cấp các tàu vũ trụ electrorocket nặng và xe trên quỹ đạo làm việc và cung cấp năng lượng lâu dài hơn nữa của thiết bị.

Nguyên tắc hoạt động của động cơ hạt nhân

Dựa trên các quá trình tổng hợp các hạt nhân hay về việc sử dụng phân hạch năng lượng của nhiên liệu hạt nhân để tạo thành một lực đẩy phản lực. Phân biệt các loại cài đặt xung nổ và chất lỏng. Nhà máy nổ phát ra vào không gian quả bom nguyên tử thu nhỏ mà nổ một vài mét, vụ nổ đẩy con tàu về phía trước. Trên thực tế, các thiết bị như vậy không được sử dụng.

động cơ đẩy chất lỏng, mặt khác, từ lâu đã được phát triển và thử nghiệm. Quay trở lại những năm 60, các chuyên gia Liên Xô đã thiết kế một mô hình hoàn toàn khả thi RD-0410. Những hệ thống này được phát triển tại Hoa Kỳ. nguyên tắc của họ được dựa trên hệ thống sưởi của một hạt nhân mini-lò phản ứng chất lỏng, nó được chuyển thành hơi nước và tạo thành một dòng máy bay phản lực, mà đẩy tàu vũ trụ. Mặc dù thiết bị được gọi là một chất lỏng như chất lỏng làm việc, thường hydro được sử dụng. Một mục đích của hệ thống hạt nhân không gian - cung điện onboard mạng (thiết bị) tàu và vệ tinh.

thiết bị viễn thông nặng truyền thông không gian toàn cầu

Tại thời điểm này, công việc đang được tiến hành trên cơ hạt nhân cho không gian đó sẽ được sử dụng trong truyền thông không gian bộ máy nặng. RSC "Energia" đã được tiến hành nghiên cứu và thiết kế của hệ thống thông tin liên lạc không gian toàn cầu có tính cạnh tranh về kinh tế với điện thoại di động rẻ tiền mà được cho là để đạt được việc chuyển giao "tổng đài điện thoại" từ Trái đất vào không gian.

Các điều kiện tiên quyết cho sự sáng tạo của họ là:

• điền gần như hoàn toàn của các quỹ đạo địa tĩnh (GEO) vệ tinh hoạt động và thụ động;
• cạn kiệt nguồn tài nguyên tần số;
• kinh nghiệm tích cực của sự sáng tạo và khai thác thương mại của thông tin vệ tinh địa tĩnh "Yamal".

Khi bạn tạo ra một nền tảng "Yamal", giải pháp kỹ thuật mới đã được 95%, trong đó cho phép các thiết bị như vậy để trở nên cạnh tranh trên thị trường thế giới của các dịch vụ không gian.

Nó được giả định thay thế mô-đun với thiết bị truyền thông công nghệ khoảng bảy năm. Nó sẽ tạo ra một hệ thống đa 3-4 vệ tinh nặng lên quỹ đạo địa tĩnh với sự gia tăng về năng lượng điện tiêu thụ của họ. Ban đầu, các tàu vũ trụ đã được thiết kế trên cơ sở năng lượng mặt trời công suất 30-80 kW. Bước tiếp theo sẽ sử dụng động cơ hạt nhân 400 kW với lên đến một năm ở chế độ vận chuyển (đối với việc cung cấp các mô-đun cơ bản Tổng cục Thống kê) và 150-180 kW ở chế độ mở rộng hoạt động (ít nhất là 10-15 năm) như một nguồn năng lượng.

động cơ hạt nhân trong antimeteoritnoy bảo vệ Hệ thống Trái đất

Hoàn RKK "Năng lượng" trong nghiên cứu thiết kế cuối những năm 90 đã chỉ ra rằng trong việc tạo ra antimeteoritnoy hệ thống phòng thủ Trái đất từ các hạt nhân của sao chổi và tiểu hành tinh nhà máy điện hạt nhân và YAERDU có thể được sử dụng để:

1. Tạo ra một hệ thống để theo dõi quỹ đạo của tiểu hành tinh và sao chổi mà vượt qua quỹ đạo của Trái đất. Đối với điều này đề xuất để sắp xếp tàu vũ trụ đặc biệt trang bị thiết bị quang học và radar để phát hiện đối tượng nguy hiểm, tính toán các thông số của quỹ đạo của họ và nghiên cứu chính của đặc điểm của họ. Hệ thống động cơ không gian hạt nhân với hai chế độ công suất thermionic NPI 150 kW có thể tham gia. Cuộc sống của cô nên có ít nhất 10 năm.
2. Kiểm tra tác động (nhiệt hạch thiết bị nổ) đến bãi rác thiên thạch an toàn. YAERDU giao quyền lực của bộ máy kiểm tra để một tiểu hành tinh-đa giác phụ thuộc vào khối lượng của tải trọng giao (150-500 kW).
3. Giao tiếp xúc với tiêu chuẩn có nghĩa là (đánh chặn tổng khối lượng 15-50 tấn) cho tiếp cận với thế giới đối tượng nguy hiểm. Yêu cầu hạt nhân động cơ phản lực công suất 1-10 MW để giao cho một lần sạc nhiệt hạch tiểu hành tinh nguy hiểm, bề mặt trong đó vụ nổ do máy bay phản lực nguyên liệu thiên thạch có khả năng từ chối nó từ con đường nguy hiểm.

Cung cấp thiết bị nghiên cứu trong không gian sâu

Cung cấp thiết bị khoa học để đối tượng không gian (hành tinh xa xôi, sao chổi định kỳ, tiểu hành tinh) có thể được thực hiện với việc sử dụng không gian dựa trên giai đoạn LRE. Sử dụng động cơ hạt nhân cho các phương tiện không gian thực, khi đưa vào sản lượng công việc để quay quanh một thiên thể của vệ tinh, tiếp xúc trực tiếp với một thiên thể, việc lựa chọn các mẫu vật liệu và nghiên cứu khác đòi hỏi phải có sự gia tăng khối lượng phức tạp nghiên cứu, sự bao gồm của đầu cầu thang và giai đoạn cất cánh.

động cơ thông số

động cơ hạt nhân cho tàu vũ trụ phức tạp nghiên cứu sẽ mở rộng "bắt đầu cửa sổ" (do xả kiểm soát tốc độ làm việc của cơ thể), mà đơn giản hóa việc lập kế hoạch và làm giảm chi phí của dự án. Nghiên cứu được thực hiện bởi RSC "Energia", cho thấy YAERDU 150 kW với tối đa ba năm là một phương tiện đầy hứa hẹn của việc cung cấp các module trong không gian vành đai tiểu hành tinh.

Đồng thời việc cung cấp một đơn vị nghiên cứu quỹ đạo của hành tinh xa xôi của hệ mặt trời đòi hỏi sự gia tăng nguồn lực, một cài đặt hạt nhân lên đến 5-7 năm. Người ta đã chứng minh rằng YAERDU phức tạp với công suất khoảng 1 MW như một phần của nghiên cứu sẽ cho phép tàu vũ trụ tăng tốc giao hàng cho 5-7 năm tới quỹ đạo một vệ tinh nhân tạo hầu hết các hành tinh xa xôi, cỗ hành tinh trên bề mặt của các vệ tinh tự nhiên của những hành tinh này, và giao hàng trên mặt đất Trái đất với các sao chổi, tiểu hành tinh, sao Thủy và các vệ tinh của sao Mộc và sao Thổ.

lift thể tái sử dụng (MB)

Một trong những cách quan trọng nhất để nâng cao hiệu quả hoạt động vận tải trong không gian là yếu tố thể tái sử dụng của hệ thống giao thông. động cơ hạt nhân cho tàu vũ trụ năng lượng của ít nhất 500 kW cho phép bạn tạo kéo tái sử dụng và do đó cải thiện đáng kể hiệu quả của hệ thống giao thông không gian đa tầng. Đặc biệt hữu ích cho một hệ thống như vậy trong chương trình cung cấp một giao thông vận tải lớn hàng năm. Một ví dụ sẽ là một chương trình thám hiểm Mặt trăng với việc tạo ra và duy trì một cơ sở có người lái không ngừng gia tăng và phức công nghệ và công nghiệp thực nghiệm.

tính toán doanh thu

Theo các nghiên cứu thiết kế RSC "Energia", việc xây dựng các cơ sở trên mặt trăng sẽ được chuyển module nặng khoảng 10 tấn, quỹ đạo của Mặt Trăng -. 30 m Tổng số hàng hóa từ Trái đất trong việc xây dựng một căn cứ mặt trăng có người lái và đến thăm trạm quỹ đạo mặt trăng ước đạt 700-800 tấn và giao thông vận tải hàng năm cho hoạt động và phát triển của cơ sở - 400-500 m.

Tuy nhiên, nguyên tắc của động cơ hạt nhân không cho phép tàu chở hàng để giải tán một cách nhanh chóng. Do thời gian dài vận chuyển và do đó, thời gian đáng kể việc tìm kiếm vành đai bức xạ tải trọng không phải tất cả hàng hóa có thể được giao sử dụng tàu lai với động cơ hạt nhân. Do đó, hàng hóa có thể được cung cấp dựa trên YAERDU ước tính chỉ 100-300 tấn / năm.

hiệu quả kinh tế

Là một tiêu chí hiệu quả kinh tế hệ thống giao thông liên quỹ đạo đó là khuyến khích sử dụng các giá trị của chi phí đơn vị vận tải trên một đơn vị khối lượng của tải trọng (GHG) từ bề mặt của trái đất vào quỹ đạo mục tiêu. RSC "Energia" mô hình kinh tế và toán học, trong đó có tính đến các thành phần chính của các chi phí trong hệ thống giao thông đã được xây dựng:

• việc tạo ra và loại bỏ các đơn vị quỹ đạo kéo;
• để mua điều hành một cơ sở hạt nhân;
• chi phí hoạt động, cũng như cho R & D và các chi phí chi phí vốn càng tốt.

thông số chi phí phụ thuộc vào các thông số tối ưu của MB. Sử dụng mô hình này đã được nghiên cứu hiệu quả kinh tế so sánh về tái sử dụng kéo dựa sức mạnh YAERDU khoảng 1 mW và kéo dùng một lần trên cơ sở chất lỏng tiên tiến động cơ tên lửa trong chương trình để đảm bảo giao hàng đến quỹ đạo ở độ cao Trái Đất mặt trăng 100 km tải trọng tổng khối lượng 100 tấn / năm. Khi sử dụng tăng cường cùng khả năng vận chuyển nhiệm vụ bằng "Proton-M" và dvuhpuskovoy xây dựng mạch của chi phí vận chuyển cụ thể hệ thống giao thông trên một đơn vị khối lượng của tải trọng sử dụng kéo trên cơ sở động cơ hạt nhân sẽ thấp hơn ba lần so với khi sử dụng dùng một lần dựa trên tàu lai với động cơ tên lửa chất lỏng của các loại MM-3.

phần kết luận

động cơ đẩy hạt nhân hiệu quả cho không gian góp phần vào việc giải quyết các vấn đề môi trường của trái đất, chuyến bay của con người lên sao Hỏa, tạo ra một hệ thống truyền dẫn không dây năng lượng trong không gian, việc thực hiện chôn cất tăng cường bảo mật trong không gian rất nguy hiểm mặt đất chất thải phóng xạ năng lượng hạt nhân, việc tạo ra một căn cứ mặt trăng có người lái và sự phát triển thương mại của mặt trăng, để đảm bảo bảo vệ Trái đất khỏi nguy cơ thiên thạch và sao chổi.