Kosmik gəmilər üçün nüvə mühərrikləri

2024 Müəllif: Howard Calhoun | [email protected]. Son dəyişdirildi: 2023-12-17 10:18

Rusiya nüvə kosmik enerji sahəsində lider olub və indi də lider olaraq qalır. RSC Energia və Roskosmos kimi təşkilatlar nüvə enerjisi mənbəyi ilə təchiz edilmiş kosmik gəmilərin layihələndirilməsi, qurulması, buraxılması və istismarı sahəsində təcrübəyə malikdirlər. Nüvə mühərriki təyyarələri uzun illər idarə etməyə imkan verir və onların praktiki uyğunluğunu dəfələrlə artırır.

Tarixi rekord

Kosmosda nüvə enerjisindən istifadə ötən əsrin 70-ci illərində fantaziya olmaqdan çıxdı. İlk nüvə mühərrikləri 1970-1988-ci illərdə kosmosa buraxılıb və ABŞ-A müşahidə kosmik gəmisində uğurla fəaliyyət göstərib. Onlar 3 kVt elektrik gücü olan "Buk" termoelektrik nüvə elektrik stansiyası (AES) olan sistemdən istifadə ediblər.

1987-1988-ci illərdə 5 kVt gücündə Topaz termion atom elektrik stansiyasına malik iki Plazma-A avtomobili uçuş və kosmos sınaqlarından keçirildi, bu sınaqlar zamanı ilk dəfə olaraq elektrik raket mühərrikləri (EP) nüvə enerjisi mənbəyindən qidalandı.

Yerüstü nüvə kompleksi tamamlandıgücü 5 kVt olan "Yenisey" termion nüvə qurğusunun enerji sınaqları. Bu texnologiyalar əsasında 25-100 kVt gücündə termion atom elektrik stansiyalarının layihələri hazırlanmışdır.

MB Hercules

1970-ci illərdə RSC Energia elmi və praktiki tədqiqatlara başladı, onun məqsədi orbitlərarası yedək (MB) Hercules üçün güclü nüvə kosmik mühərriki yaratmaq idi. İş bir neçə yüz kilovat gücündə termion nüvə elektrik stansiyası və onlarla və yüzlərlə vahid gücü olan elektrik raket mühərrikləri ilə nüvə elektrik mühərriki sistemi (NEP) baxımından uzun illər ehtiyat yaratmağa imkan verdi. kilovat.

MB "Hercules" dizayn parametrləri:

• atom elektrik stansiyasının xalis elektrik enerjisi – 550 kVt;
• EPS-in xüsusi impulsu – 30 km/s;
• proyektorun itkisi – 26 N;
• nüvə elektrik stansiyasının və elektrik mühərrikinin resursu - 16.000 saat;
• EPS-in işçi orqanı – ksenon;
• yedək çəkisi (quru) - 14,5-15,7 ton, o cümlədən atom elektrik stansiyaları - 6,9 ton.

Son Dəfələr

21-ci əsrdə kosmos üçün yeni nüvə mühərriki yaratmağın vaxtıdır. 2009-cu ilin oktyabrında Rusiya Federasiyasının Prezidenti yanında Rusiya iqtisadiyyatının modernləşdirilməsi və texnoloji inkişafı üzrə Komissiyanın iclasında yeni Rusiya layihəsi "Meqavat sinifli atom elektrik stansiyasından istifadə edərək nəqliyyat və enerji modulunun yaradılması" rəsmi təsdiq. Aparıcı tərtibatçılar bunlardır:

• Reaktor zavodu – NIKIET ASC.
• Qaz turbinli enerjiyə çevrilmə sxemi olan atom elektrik stansiyası, EPSion elektrik raket mühərrikləri və bütövlükdə nüvə hərəkət sistemləri əsasında - Dövlət Elmi Mərkəzi “A. İ. M. V. Keldış”, həm də bütövlükdə nəqliyyat və enerji modulunun (TEM) inkişaf proqramına cavabdeh təşkilatdır.
• RKK Energia TEM-in baş dizayneri olaraq bu modulla avtomatik avtomobil hazırlamalıdır.

Yeni quraşdırmanın xüsusiyyətləri

Kosmos üçün yeni nüvə mühərriki Rusiya yaxın illərdə kommersiya istifadəsinə verməyi planlaşdırır. NEP qaz turbininin gözlənilən xüsusiyyətləri aşağıdakılardır. Reaktor kimi qazla soyudulan sürətli neytron reaktorundan istifadə olunur, turbinin qarşısında işləyən mayenin temperaturu (He/Xe qarışığı) 1500 K, istilik enerjisini elektrik enerjisinə çevirmək səmərəliliyi 35%, növü soyuducu-radiator damcıdır. Enerji blokunun kütləsi (reaktor, radiasiyadan qorunma və çevrilmə sistemi, lakin radiator-radiator olmadan) 6800 kq.

Kosmik nüvə mühərriklərinin (AES, AES ilə birlikdə EPS) istifadəsi planlaşdırılır:

• Gələcək kosmik vasitələrin bir hissəsi kimi.
• Enerji tutumlu komplekslər və kosmik gəmilər üçün elektrik enerjisi mənbələri kimi.
• Ağır kosmik gəmilərin və nəqliyyat vasitələrinin işləyən orbitlərə elektrik raketlə çatdırılmasını və onların avadanlıqlarının daha uzunmüddətli enerji təchizatını təmin etmək üçün nəqliyyat və enerji modulunda ilk iki vəzifəni həll etmək.

Nüvənin işləmə prinsipimühərrik

Nüvələrin birləşməsinə, ya da reaktiv təkan yaratmaq üçün nüvə yanacağının parçalanma enerjisindən istifadəyə əsaslanır. Pulse-partlayıcı və maye tipli qurğular var. Partlayıcı qurğu kosmosa miniatür atom bombaları atır, bu da bir neçə metr məsafədə partlayaraq gəmini partlayıcı dalğa ilə irəli itələyir. Praktikada bu cür cihazlar hələ istifadə edilmir.

Maye yanacaqla işləyən nüvə mühərrikləri isə çoxdan hazırlanmış və sınaqdan keçirilmişdir. 60-cı illərdə sovet mütəxəssisləri işləyə bilən RD-0410 modelini hazırladılar. Oxşar sistemlər ABŞ-da işlənib hazırlanmışdır. Onların prinsipi mayenin nüvə mini-reaktoru ilə qızdırılmasına əsaslanır, buxara çevrilir və kosmik gəmini itələyən reaktiv axın əmələ gətirir. Cihaz maye adlansa da, adətən hidrogen işlək maye kimi istifadə olunur. Nüvə kosmik qurğularının digər məqsədi gəmilərin və peyklərin elektrik bort şəbəkəsini (alətlərini) gücləndirməkdir.

Qlobal kosmik rabitə üçün ağır telekommunikasiya vasitələri

Hazırda ağır kosmik rabitə vasitələrində istifadə edilməsi planlaşdırılan kosmos üçün nüvə mühərriki üzərində iş gedir. RSC Energia ucuz mobil rabitə ilə iqtisadi cəhətdən rəqabətədavamlı qlobal kosmik rabitə sisteminin tədqiqatını və layihələndirilməsini həyata keçirmişdir ki, bu da "telefon stansiyasının" Yerdən kosmosa köçürülməsi ilə əldə edilməli idi.

Onların yaradılması üçün ilkin şərtlər bunlardır:

• geostasionar orbitin (GSO) iş vəpassiv yoldaşlar;
• tezlik tükənməsi;
• Yamal seriyasının informasiya geostasionar peyklərinin yaradılması və kommersiya istifadəsində müsbət təcrübə.

Yamal platforması yaradılarkən yeni texniki həllər 95% təşkil edirdi ki, bu da belə nəqliyyat vasitələrinin qlobal kosmik xidmətlər bazarında rəqabətədavamlı olmasına imkan yaratdı.

Təxminən yeddi ildən bir modulların texnoloji kommunikasiya avadanlıqları ilə əvəzlənməsi gözlənilir. Bu, istehlak olunan elektrik enerjisini artırmaqla 3-4 ağır çoxfunksiyalı GEO peyklərinin sistemlərini yaratmağa imkan verəcəkdir. İlkin olaraq kosmik gəmilər 30-80 kVt gücündə günəş panelləri əsasında dizayn edilmişdir. Növbəti mərhələdə nəqliyyat rejimində (baza modulunun GSO-ya çatdırılması üçün) bir ilədək resurslu 400 kVt-luq, uzunmüddətli iş rejimində isə 150-180 kVt gücündə nüvə mühərriklərindən istifadə edilməsi planlaşdırılır. (ən azı 10-15 il) elektrik enerjisi mənbəyi kimi.

Yerin meteorit əleyhinə müdafiə sistemindəki nüvə mühərrikləri

90-cı illərin sonlarında RSC Energia tərəfindən həyata keçirilən dizayn tədqiqatları göstərdi ki, Yer kürəsini kometlərin və asteroidlərin nüvələrindən qorumaq üçün anti-meteorit sisteminin yaradılması zamanı nüvə-elektrik qurğuları və nüvə hərəkəti sistemləri ola bilər. üçün istifadə olunur:

1. Yer orbitindən keçən asteroidlərin və kometaların trayektoriyalarının monitorinqi üçün sistemin yaradılması. Bunun üçün təhlükəli obyektlərin aşkarlanması üçün optik və radar avadanlıqları ilə təchiz edilmiş xüsusi kosmik gəmilərin təşkili təklif edilir.onların trayektoriyalarının parametrlərinin hesablanması və xüsusiyyətlərinin ilkin öyrənilməsi. Sistem 150 kVt və ya daha çox gücü olan ikili rejimli termion nüvə elektrik stansiyasına malik nüvə kosmik mühərrikindən istifadə edə bilər. Onun resursu ən azı 10 illik olmalıdır.
2. Çoxbucaqlı təhlükəsiz asteroidə təsir vasitələrinin sınaqdan keçirilməsi (termonüvə qurğusunun partlaması). NEP-in sınaq cihazını asteroid sınaq sahəsinə çatdırmaq gücü çatdırılan faydalı yükün kütləsindən (150-500 kVt) asılıdır.
3. Yerə yaxınlaşan təhlükəli obyektə müntəzəm təsir vasitələrinin (ümumi çəkisi 15-50 ton olan kəsici) çatdırılması. Təhlükəli asteroidə termonüvə yükü çatdırmaq üçün gücü 1-10 MVt olan reaktiv nüvə reaktiv mühərriki tələb olunacaq, onun səthi partlaması asteroid materialının reaktiv axını səbəbindən onu təhlükəli trayektoriyadan yayındıra bilər.

Tədqiqat avadanlığının dərin kosmosa çatdırılması

Elmi avadanlıqların kosmik obyektlərə (uzaq planetlər, dövri kometlər, asteroidlər) çatdırılması LRE əsasında kosmik mərhələlərdən istifadə etməklə həyata keçirilə bilər. Məqsəd bir göy cisminin peykinin orbitinə çıxmaq, göy cismi ilə birbaşa təmasda olmaq, nümunələr götürmək və tədqiqat kompleksinin kütləsinin artırılmasını tələb edən digər tədqiqatlar olduqda, kosmik gəmilər üçün nüvə mühərriklərindən istifadə etmək məqsədəuyğundur. eniş və qalxma mərhələlərinin daxil edilməsi.

Motor parametrləri

Kosmik gəmi üçün nüvə mühərrikiTədqiqat kompleksi "başlanğıc pəncərəsini" genişləndirəcək (işçi mayenin idarə olunan axın sürətinə görə), bu, planlaşdırmanı asanlaşdırır və layihənin dəyərini azaldır. RSC Energia tərəfindən aparılan tədqiqatlar göstərdi ki, üç ilə qədər xidmət müddəti olan 150 kVt-lıq nüvə hərəkəti sistemi kosmik modulları asteroid qurşağına çatdırmaq üçün perspektivli vasitədir.

Eyni zamanda, tədqiqat aparatının Günəş sisteminin uzaq planetlərinin orbitlərinə çatdırılması belə nüvə qurğusunun resursunun 5-7 ilə qədər artırılmasını tələb edir. Sübut edilmişdir ki, tədqiqat kosmik gəmisinin tərkibində təxminən 1 MVt gücündə nüvə hərəkəti sisteminə malik kompleks ən uzaq planetlərin süni peyklərini, planetar roverləri bu planetlərin təbii peyklərinin səthinə sürətlə çatdırmağa imkan verəcəkdir. və kometlərdən, asteroidlərdən, Merkuridən və Yupiter və Saturnun peyklərindən torpağın çatdırılması.

Yenidən istifadə edilə bilən yedək (MB)

Kosmosda nəqliyyat əməliyyatlarının səmərəliliyini artırmağın ən mühüm yollarından biri nəqliyyat sisteminin elementlərinin təkrar istifadə oluna bilən istifadəsidir. Ən azı 500 kVt gücündə kosmik gəmilər üçün nüvə mühərriki təkrar istifadə edilə bilən yedək yaratmağa və bununla da çox keçidli kosmik nəqliyyat sisteminin səmərəliliyini əhəmiyyətli dərəcədə artırmağa imkan verir. Belə bir sistem böyük illik yük axınlarını təmin etmək üçün proqramda xüsusilə faydalıdır. Buna misal olaraq daim artan yaşayış üçün əlverişli baza və eksperimental texnoloji və istehsal komplekslərinin yaradılması və saxlanılması ilə Ayın kəşfiyyatı proqramı göstərilə bilər.

Yük dövriyyəsinin hesablanması

RKK dizayn tədqiqatlarına görə"Enerji" bazanın tikintisi zamanı Ayın səthinə, 30 tona qədər Ayın orbitinə 10 ton ağırlığında modullar çatdırılmalıdır. bazanın işləməsini və inkişafını təmin etmək üçün - 400-500 t.

Lakin nüvə mühərrikinin işləmə prinsipi daşıyıcının kifayət qədər tez dağılmasına imkan vermir. Uzun daşınma müddətinə və müvafiq olaraq Yerin radiasiya kəmərlərində faydalı yükün sərf etdiyi əhəmiyyətli vaxta görə, bütün yükləri nüvə enerjisi ilə işləyən yedəklərdən istifadə etməklə çatdırmaq mümkün deyil. Buna görə də NEP əsasında təmin edilə bilən yük axını cəmi 100-300 ton/il qiymətləndirilir.

Xərc səmərəliliyi

Orbitlərarası nəqliyyat sisteminin iqtisadi səmərəliliyinin meyarı kimi faydalı yükün vahid kütləsinin (PG) Yer səthindən hədəf orbitə daşınması üçün vahid xərcin dəyərindən istifadə etmək məqsədəuyğundur. RSC Energia nəqliyyat sistemində əsas xərc komponentlərini nəzərə alan iqtisadi və riyazi model işləyib hazırlayıb:

• yedək modulları yaratmaq və orbitə çıxarmaq üçün;
• işləyən nüvə qurğusunun alınması üçün;
• əməliyyat məsrəfləri, eləcə də R&D xərcləri və mümkün kapital xərcləri.

Xərc göstəriciləri MB-nin optimal parametrlərindən asılıdır. Bu modeldən istifadə edərək, müqayisəliÜmumi kütləsi ildə 100 t olan faydalı yükün Yerdən Ayın orbitinə çatdırılması proqramında təxminən 1 MVt gücündə NEP-ə əsaslanan təkrar istifadə edilə bilən yedək və təkmil maye raket mühərriklərinə əsaslanan birdəfəlik yedəkdən istifadənin iqtisadi səmərəliliyi 100 km hündürlüyü ilə. Proton-M daşıyıcı raketinin daşıma qabiliyyətinə bərabər daşıma qabiliyyətinə malik eyni daşıyıcı raketdən və nəqliyyat sisteminin qurulması üçün iki buraxılış sxemindən istifadə edərkən, nüvə enerjisi ilə işləyən yedək gəmisindən istifadə edərək faydalı yükün vahid kütləsinin çatdırılmasının vahid dəyəri. DM-3 tipli maye mühərrikli raketlərə əsaslanan birdəfəlik yedək gəmilərindən istifadə ilə müqayisədə üç dəfə az olacaq.

Nəticə

Kosmos üçün səmərəli nüvə mühərriki Yer kürəsinin ekoloji problemlərinin həllinə, insanın Marsa uçuşuna, kosmosda naqilsiz enerji ötürmə sisteminin yaradılmasına, yüksək təhlükəsizliklə yerüstü radioaktiv tullantıların utilizasiyasının həyata keçirilməsinə töhfə verir. kosmosda nüvə enerjisi, yaşayış üçün əlverişli Ay bazası yaratmaq və Ayın sənaye tədqiqinə başlamaq, Yerin asteroid-kometa təhlükəsindən qorunmasını təmin etmək.