Jaderné motory pro kosmické lodě

Rusko bylo a stále je lídrem v oblasti jaderné energetiky. Zkušenosti s navrhováním, výstavbou, uvedením do provozu a provozováním vesmírných vozidel vybavených jadernou energií zajišťují organizace jako RSC Energia a Roskosmos. Jaderný motor umožňuje provozovat letadla po mnoho let a opakovaně zvyšuje jejich praktickou užitečnost.

Historická kronika

Použijte jaderné energetiky ve vesmíru přestalo být fikce v 70. letech minulého století. První jaderné motory v letech 1970-1988 byly vypuštěny do vesmíru a úspěšně provozovány na kosmické lodi (US-A). Použili systém s elektrickou energií "Buk" s tepelnou elektrárnou (NPP) o výkonu 3 kW.

V roce 1987-1988 dvěma zařízeními „Plasma-A“ s thermionic JE „Topaz“ 5 kW byl letové testovací prostor, v němž byla poprvé realizována výkon elektrický pohon (ERE) od jaderného zdroje elektrické energie.

Byl proveden komplex testů pozemní jaderné energie s jaderným zařízením s výkonem 5 kW, Yenisei. Na základě těchto technologií byly vyvinuty projekty termionických jaderných agregátů o výkonu 25-100 kW.

MB "Hercules"

RSC „Energy“ v 70. letech začal vědecké a praktické výzkumy, jehož cílem bylo vytvořit silný jaderný motorovém prostoru pro meziočnicového remorkér (MB) „Hercules“. Práce vedla k založení pro mnoho let jaderného elektrický pohon (YAERDU) s thermionic jadernou energetickou kapacitu několika - set kilowattů a elektrická pohonná jednotka kapacitou desítek až stovek kilowattů.

Konstrukční parametry MB "Hercules":

• užitečný elektrický výkon jaderné elektrárny - 550 kW;
• specifický impuls ERDU je 30 km / s;
• Tah ERDU je 26 N;
• zdroj jaderných elektráren a elektráren - 16 000 h;
• pracovním prostředkem ERDU je xenon;
• hmotnost (suchá) remorkéru - 14,5-15,7 tun, včetně jaderných elektráren - 6,9 tuny.

Nejnovější čas

V 21. století je na čase vytvořit nový prostor pro jadernou energii. V říjnu 2009 na zasedání nového ruského projektu „Tvorba dopravní a energetické modulu s instalace megawatt třídy jaderné síly“ Komise byla oficiálně schválena Radou prezidentského pro modernizaci a technologický rozvoj ruské ekonomiky. Hlavní vývojáři jsou:

• Instalace reaktorů - JSC "NIKIET".
• Jaderná elektrárna se systémem přeměny plynové turbíny, ERDU založená na iontových elektrických pohonných motorech a YaREDU jako celku - SSC " MV Keldysh ", která je také zodpovědnou organizací pro program rozvoje modulu dopravy a energie (TEM) jako celku.
• RSC Energia jako generální projektant TEM by měl s tímto modulem vytvořit automatické zařízení.

Charakteristika nové instalace

Nový jaderný motor pro vesmír Rusko plánuje zahájit komerční provoz v nadcházejících letech. Předpokládané charakteristiky plynové turbíny YERDU jsou následující. Reaktor použitý reaktor rychle chovatel chlazený plynem, se teplota pracovní tekutiny (směs He / Xe) před turbínou - 1500 K, účinnosti přeměny tepelné energie na elektrickou energii, - 35%, radiátor typu chladiče - kapání. Měrná hmotnost (reaktor, radiační ochrany, a přeměny, ale bez chladícího zářičem) - 6800 kg.

Jsou plánovány kosmické jaderné motory (JE, JE spolu s ERDU):

• Jako součást budoucích vesmírných vozidel.
• Jako zdroje elektrické energie pro energeticky náročné komplexy a kosmické lodě.
• Řešení prvních dvou úkolů v dopravním a energetickém modulu zajišťuje dodávku elektrických raket těžkých kosmických lodí a vozidel do provozních drah a dalšího dlouhodobého napájení jejich zařízení.

Princip činnosti jaderného motoru

Je založen buď na syntéze jader nebo na využití štěpné energie jaderné palivo k vytvoření reaktivní tah. K dispozici jsou instalace pulzně-výbušných a tekutých typů. Výbušné zařízení vyhodí do vesmíru miniaturní atomové bomby, které se odpálí ve vzdálenosti několika metrů a vlna tlačí loď dopředu. V praxi se taková zařízení ještě nepoužívají.

Tepelné jaderné motory, na druhé straně, jsou již dlouho vyvinuty a testovány. V šedesátých letech vybudovali sovětští odborníci funkční model RD-0410. Podobné systémy byly vyvinuty v USA. Jejich princip je založen na ohřevu kapaliny jaderným minireaktorem, změní se na páru a vytvoří proudový proud, který tlačí kosmickou loď. I když se zařízení nazývá tekutina, jako pracovní médium se zpravidla používá vodík. Dalším určením instalací jaderných prostor je napájení palubní sítě (přístrojů) lodí a družic.

Těžké telekomunikační přístroje globální vesmírné komunikace

V současné době probíhá práce na jaderném motoru pro prostor, který je plánován pro použití v komunikacích těžkého prostoru. RSC „Energia“ Byly provedeny studie a návrhy globálního prostoru komunikačního systému je ekonomicky konkurenceschopné s levnou mobilní telefon, který měl dosáhnout převodu „telefonní ústředny“ ze Země do vesmíru.

Předpoklady pro jejich vytvoření jsou:

• praktické plné plnění geostacionární dráhy (GSO) operačními a pasivními družicemi;
• vyčerpání zdroje kmitočtu;
• pozitivní zkušenosti s tvorbou a komerčním využíváním geostacionárních satelitů řady Yamal.

Při vytváření platformy Yamal představovalo nové technické řešení 95%, což umožnilo těmto zařízením být konkurenceschopnými na světovém trhu vesmírných služeb.

Plánuje se nahradit moduly technologickým komunikačním zařízením přibližně každých sedm let. To by umožnilo vytvořit systémy 3-4 těžkých multifunkčních satelitů v GSO s nárůstem elektrické energie, kterou spotřebovávají. Původně byla navržena kosmická sonda na bázi solárních baterií o kapacitě 30-80 kW. V další etapě jsou jako zdroj elektrické energie plánovány jaderné motory o výkonu 400 kW se zdrojem až do jednoho roku v režimu dopravy (pro dodávku základního modulu GSO) a 150-180 kW v dlouhodobém provozu (nejméně 10-15 let).

Jaderné motory v systému antimeteorické ochrany Země

Dokončené RKK „Energy“ v designu výzkumu na konci 90. let se ukázalo, že při tvorbě antimeteoritnoy Earth obranného systému z jádra komety a asteroidy jaderných elektráren a YAERDU mohou být použity pro:

1. Vytvoření monitorovacího systému trajektorií asteroidů a komet překračujících oběžnou dráhu Země. Za tímto účelem je navrženo uspořádání speciálních kosmických lodí vybavených optickým a radarovým zařízením pro detekci nebezpečných objektů, výpočet parametrů jejich trajektorií a počáteční studium jejich charakteristik. V systému může být použit jaderný vesmírný motor s dvoumodernou termionickou jadernou elektrárnou o výkonu 150 kW. Jeho zdroj musí být nejméně 10 let starý.
2. Testy vlivu vlivu (výbuch termonukleárního zařízení) na prověřování bezpečného asteroidu. Výkon NERDU pro dodání testovacího zařízení na asteroid-polygon závisí na hmotnosti dodávaného užitečného zatížení (150-500 kW).
3. Dodání pravidelných akčních prostředků (stíhač s celkovou hmotností 15-50 tun) na nebezpečný předmět blížící se Zemi. Bude to jaderné proudový motor s výkonem 1 až 10 MW pro dodávku do nebezpečného asteroidu termonukleárního náboje, jehož povrchová exploze v důsledku trysky asteroidového materiálu bude schopna odklonit od nebezpečné trajektorie.

Dodávka výzkumného zařízení do vesmíru

Dodávka vědeckého vybavení do kosmických objektů (vzdálených planet, periodických komet, asteroidy) lze provádět s využitím vesmírných LRE etapách. Použití jaderných motorů pro kosmických dopravních prostředků je účelné, když dal na výstup úloh na oběžnou dráhu nebeské těleso družice, přímý kontakt s nebeského tělesa, výběr vzorků materiálu a dalších výzkumech, které vyžadují zvýšení hmotnosti výzkumný komplex, zahrnutí přistání a vzletu etapách.

Parametry motoru

Jaderný motor pro kosmickou loď výzkumného komplexu rozšíří "startovací okno" (kvůli řízenému průtoku pracovní tekutiny), což zjednodušuje plánování a snižuje náklady na projekt. Výzkum prováděný společností RSC Energia ukázal, že YaRDU o výkonu 150 kW s dobou životnosti až tři roky je slibným prostředkem k dodání prostorových modulů asteroidový pás.

Zároveň dodávka výzkumného týmu na oběžnou dráhu vzdálených planet sluneční soustavy vyžaduje zvýšení prostředků, jaderného zařízení až do 5-7 let. Je dokázáno, že YAERDU komplex s kapacitou cca 1 MW v rámci výzkumu umožní sonda urychlené zobrazování po dobu 5-7 let na oběžnou dráhu umělá družice nejvzdálenější planety, planetární Rovers povrchu přirozených satelitů těchto planet a doručení v přízemí Země s komety, planetky, Mercury a satelity Jupitera a Saturnu.

Opakovaně použitelný vlek (MB)

Jedním z nejdůležitějších způsobů, jak zlepšit efektivitu dopravních operací ve vesmíru, je mnohostranné využití prvků dopravního systému. Jaderný motor pro kosmické lodě o kapacitě nejméně 500 kW umožňuje vytvoření opakovaně použitelného remorkéru, čímž se výrazně zvyšuje účinnost multi-linkového dopravního systému. Obzvláště užitečný je takový systém v programu pro zajištění velkých ročních nákladových toků. Příkladem může být program rozvoje Měsíce vytvořením a udržováním neustále rostoucí obytné základny a experimentálních technologických a výrobních komplexů.

Výpočet obratu

Podle přípravné studie RSC „Energia“, stavba základny na Měsíci by měly být dodány moduly o hmotnosti asi 10 tun, oběžnou dráhu Měsíce. - 30 m Celkový náklad ze Země v konstrukci s posádkou lunární základny a navštívil lunární orbitální stanice se odhaduje na 700-800 tun a roční nákladní tok zajišťující fungování a rozvoj základny je 400-500 tun.

Zásada fungování jaderného motoru však neumožňuje rychlé odeslání přepravce. Kvůli dlouhé době přepravy, a tedy i značným časům zjištění užitečného zatížení v radiačních pásech Země, nemohou být všechny druhy nákladu dodány pomocí remorkérů s jaderným motorem. Proto je tok nákladů, který lze poskytnout na základě YERDA, odhadován pouze na 100-300 tun za rok.

Ekonomická účinnost

Jako kritérium pro ekonomickou efektivitu interorbitálního dopravního systému je vhodné použít hodnotu jednotkových nákladů na přepravu jednotky hmotnostní hmotnosti (GHG) z povrchu Země na cílovou oběžnou dráhu. RSC Energia vyvinula ekonomicko-matematický model, který bere v úvahu hlavní složky nákladů v dopravním systému:

• pro vytvoření a spouštění vlečných modulů;
• na nákup provozního jaderného zařízení;
• provozní náklady, jakož i náklady na výzkum a vývoj a případné kapitálové náklady.

Ukazatele nákladů závisí na optimálních parametrech MB. Pomocí tohoto modelu je srovnatelná nákladová efektivnost použití opakovaně použitelného vlečného člunu na bázi YaREDU s výkonem asi 1 MW a jednorázového remorkéru na základě slibné kapaliny raketové motory v programu pro zajištění dodávek ze Země na oběžnou dráhu Měsíce s výškou 100 km užitečného zatížení s celkovou hmotností 100 tun za rok. Při použití stejného booster nosnost rovnou daň „Proton-M“ a dvuhpuskovoy obvodu konstrukci konkrétních přepravních nákladů dopravního systému na jednotku hmotnosti nákladu pomocí zatahání na základě jaderné motoru bude třikrát nižší než při použití jednorázové remorkéry založené na raketách s kapalnými motory, jako je DM-3.

Závěr

Účinný jaderný pohon pro prostor přispívá k řešení ekologických problémů země, letu člověka na Mars, vytvoření systému bezdrátového přenosu energie ve vesmíru, provádění zabezpečených pohřbu ve vesmíru velmi nebezpečné radioaktivní odpad zemi jaderné energetiky, vytvoření posádkou lunární základny a obchodní rozvoj of the Moon, aby zajistily chránit Zemi před asteroidy a komety nebezpečí.