موتورهای هسته ای برای فضاپیماها

2024 نویسنده: Howard Calhoun | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2023-12-17 10:25

روسیه پیشرو در زمینه انرژی فضایی هسته ای بوده و همچنان باقی می ماند. سازمان هایی مانند RSC Energia و Roskosmos دارای تجربه در طراحی، ساخت، پرتاب و بهره برداری از فضاپیماهای مجهز به منبع انرژی هسته ای هستند. یک موتور هسته ای امکان استفاده از هواپیما را برای سالیان متمادی فراهم می کند و شایستگی عملی آنها را چندین برابر افزایش می دهد.

سوابق تاریخی

استفاده از انرژی هسته ای در فضا در دهه ۷۰ قرن گذشته دیگر یک خیال پردازی نبود. اولین موتورهای هسته ای در سال های 1970-1988 به فضا پرتاب شدند و با موفقیت در فضاپیمای رصدی US-A کار کردند. آنها از سیستمی با نیروگاه هسته ای ترموالکتریک (NPP) "Buk" با توان الکتریکی 3 کیلووات استفاده کردند.

در سالهای 1987-1988، دو وسیله نقلیه پلاسما-A با نیروگاه هسته ای ترمیونیک توپاز 5 کیلوواتی تحت آزمایشات پروازی و فضایی قرار گرفتند که طی آن موتورهای موشک الکتریکی (EP) برای اولین بار از یک منبع انرژی هسته ای تغذیه شدند.

مجموعه ای از هسته های زمینی را تکمیل کردآزمایش انرژی تاسیسات هسته ای ترمیونیک "ینیسی" با ظرفیت 5 کیلو وات. بر اساس این فناوری ها، پروژه های نیروگاه های هسته ای ترمیونی با ظرفیت 25 تا 100 کیلووات توسعه یافته است.

MB هرکول

در دهه 1970، RSC Energia تحقیقات علمی و عملی را آغاز کرد که هدف آن ایجاد یک موتور فضایی هسته ای قدرتمند برای یدک کش بین مداری (MB) Hercules بود. این کار امکان ایجاد ذخیره ای را برای سالیان متمادی از نظر یک سیستم پیشرانه الکتریکی هسته ای (NEP) با یک نیروگاه هسته ای ترمیونیک با توان چند تا صد کیلووات و موتورهای موشک برقی با توان واحد ده ها و صدها فراهم کرد. کیلووات.

پارامترهای طراحی مگابایت "Hercules":

• قدرت خالص برق نیروگاه هسته ای - 550 کیلو وات؛
• ضربه خاص EPS - 30 کیلومتر بر ثانیه؛
• رانش پروژکتور - 26 نیوتن؛
• منبع نیروگاه هسته ای و نیروی محرکه الکتریکی - 16000 ساعت؛
• بدنه کار EPS – زنون؛
• وزن (خشک) یدک کش - 14.5-15.7 تن، با احتساب نیروگاه های هسته ای - 6.9 تن.

زمان های اخیر

در قرن بیست و یکم، زمان ایجاد یک موتور هسته ای جدید برای فضا فرا رسیده است. در اکتبر 2009، در جلسه کمیسیون تحت ریاست جمهوری فدراسیون روسیه برای نوسازی و توسعه فناوری اقتصاد روسیه، پروژه جدید روسیه "ایجاد یک ماژول حمل و نقل و انرژی با استفاده از یک نیروگاه هسته ای کلاس مگاوات" ارائه شد. به طور رسمی تایید شده است. توسعه دهندگان اصلی عبارتند از:

• کارخانه راکتور – OJSC NIKIET.
• نیروگاه هسته ای با طرح تبدیل انرژی توربین گاز، EPSبر اساس موتورهای موشک الکتریکی یونی و سیستم های پیشران هسته ای به طور کلی - مرکز علمی دولتی "مرکز تحقیقاتی به نام A. I. M. V. Keldysh، که همچنین سازمان مسئول برنامه توسعه واحد حمل و نقل و انرژی (TEM) به طور کلی است.
• RKK Energia به عنوان طراح عمومی TEM باید یک وسیله نقلیه خودکار با این ماژول توسعه دهد.

ویژگی های نصب جدید

موتور هسته ای جدید برای فضا روسیه قصد دارد در سال های آینده به بهره برداری تجاری برسد. مشخصات مورد انتظار از توربین گاز NEP به شرح زیر است. به عنوان یک راکتور، از یک راکتور نوترونی سریع خنک‌شده با گاز استفاده می‌شود، دمای سیال کار (مخلوط He/Xe) در جلوی توربین 1500 کلوین است، راندمان تبدیل حرارتی به انرژی الکتریکی 35 درصد، نوع کولر-رادیاتور قطره ای است. جرم واحد نیرو (راکتور، حفاظت در برابر تشعشع و سیستم تبدیل، اما بدون رادیاتور-رادیاتور) 6800 کیلوگرم است.

موتورهای هسته ای فضایی (NPP، NPP همراه با EPS) برنامه ریزی شده است:

• به عنوان بخشی از وسایل نقلیه فضایی آینده.
• به عنوان منابع الکتریسیته برای مجتمع های انرژی بر و فضاپیماها.
• برای حل دو وظیفه اول در ماژول حمل و نقل و انرژی برای اطمینان از تحویل موشک های الکتریکی فضاپیماها و وسایل نقلیه سنگین به مدارهای کاری و تامین برق طولانی مدت بیشتر برای تجهیزات آنها.

اصل عملکرد هسته ایموتور

بر اساس همجوشی هسته ها یا استفاده از انرژی شکافت سوخت هسته ای برای تشکیل نیروی رانش جت. تاسیساتی از انواع پالس منفجره و مایع وجود دارد. این تاسیسات انفجاری بمب های اتمی مینیاتوری را به فضا پرتاب می کند که با انفجار در فاصله چند متری، کشتی را با موجی انفجاری به جلو می راند. در عمل، چنین دستگاه هایی هنوز مورد استفاده قرار نمی گیرند.

از طرف دیگر موتورهای هسته ای با سوخت مایع مدت هاست که توسعه یافته و آزمایش شده اند. در دهه 60، متخصصان شوروی مدل قابل اجرا RD-0410 را طراحی کردند. سیستم های مشابهی در ایالات متحده توسعه یافته است. اصل آنها بر اساس گرم کردن مایع با یک راکتور کوچک هسته ای است، آن را به بخار تبدیل می کند و جریان جت را تشکیل می دهد که فضاپیما را هل می دهد. اگرچه این دستگاه مایع نامیده می شود، اما معمولاً از هیدروژن به عنوان سیال کار استفاده می شود. یکی دیگر از اهداف تاسیسات فضایی هسته‌ای تامین انرژی شبکه الکتریکی (ابزار) کشتی‌ها و ماهواره‌ها است.

وسایل نقلیه سنگین مخابراتی برای ارتباطات فضایی جهانی

در حال حاضر کار روی یک موتور هسته ای برای فضا در حال انجام است که قرار است در وسایل نقلیه ارتباطی فضایی سنگین استفاده شود. RSC Energia تحقیق و توسعه طراحی یک سیستم ارتباطات فضایی جهانی رقابتی اقتصادی را با ارتباطات سلولی ارزان انجام داد که قرار بود با انتقال "ایستگاه تلفن" از زمین به فضا محقق شود.

پیش نیازهای ایجاد آنها عبارتند از:

• پر کردن تقریبا کامل مدار زمین ثابت (GSO) با کار وهمراهان منفعل؛
• فرسودگی فرکانس؛
• تجربه مثبت در ایجاد و استفاده تجاری از ماهواره های اطلاعاتی زمین ثابت سری یامال.

هنگام ایجاد پلت فرم Yamal، راه حل های فنی جدید 95٪ را به خود اختصاص دادند که به چنین وسایل نقلیه ای اجازه داد تا در بازار جهانی خدمات فضایی رقابتی شوند.

انتظار می رود تقریباً هر هفت سال یک بار ماژول ها را با تجهیزات ارتباطی فناوری جایگزین کند. این امکان ایجاد سیستم هایی از 3-4 ماهواره GEO چند منظوره سنگین را با افزایش توان الکتریکی مصرفی آنها فراهم می کند. در ابتدا فضاپیماها بر اساس پنل های خورشیدی با ظرفیت 30-80 کیلووات طراحی شدند. در مرحله بعدی، برنامه ریزی شده است که از موتورهای هسته ای 400 کیلووات با منبع حداکثر یک سال در حالت حمل و نقل (برای تحویل ماژول پایه به GSO) و 150-180 کیلو وات در حالت عملیات طولانی مدت استفاده شود. (حداقل 10-15 سال) به عنوان منبع برق.

موتورهای هسته ای در سیستم حفاظت از شهاب سنگ زمین

مطالعات طراحی انجام شده توسط RSC Energia در اواخر دهه 90 نشان داد که در ایجاد یک سیستم ضد شهاب سنگ برای محافظت از زمین در برابر هسته دنباله دارها و سیارک ها، تاسیسات هسته ای-الکتریکی و سیستم های پیشران هسته ای می توان استفاده شده برای:

1. ایجاد سیستمی برای نظارت بر مسیر سیارک ها و دنباله دارهایی که از مدار زمین عبور می کنند. برای انجام این کار، پیشنهاد می شود فضاپیماهای ویژه مجهز به تجهیزات نوری و راداری برای شناسایی اشیاء خطرناک ترتیب داده شود.محاسبه پارامترهای مسیر آنها و مطالعه اولیه ویژگی های آنها. این سیستم می تواند از یک موتور فضایی هسته ای با نیروگاه هسته ای ترمیونیک دو حالته با توان 150 کیلووات یا بیشتر استفاده کند. منبع آن باید حداقل 10 سال قدمت داشته باشد.
2. آزمایش ابزار نفوذ (انفجار یک دستگاه گرما هسته ای) روی یک سیارک ایمن چندضلعی. قدرت NEP برای تحویل دستگاه آزمایش به محل آزمایش سیارک به جرم محموله تحویلی (150-500 کیلووات) بستگی دارد.
3. تحویل وسایل نفوذ منظم (رهگیر با وزن کل 15-50 تن) به یک جسم خطرناک در حال نزدیک شدن به زمین. یک موتور جت هسته ای با ظرفیت 1-10 مگاوات برای رساندن بار گرما هسته ای به یک سیارک خطرناک مورد نیاز است که انفجار سطحی آن به دلیل جریان جت ماده سیارک می تواند آن را از مسیر خطرناک منحرف کند.

تحویل تجهیزات تحقیقاتی به فضای عمیق

تحویل تجهیزات علمی به اجرام فضایی (سیاره های دوردست، دنباله دارهای دوره ای، سیارک ها) را می توان با استفاده از مراحل فضایی مبتنی بر LRE انجام داد. استفاده از موتورهای هسته ای برای فضاپیماها در زمانی که وظیفه ورود به مدار ماهواره یک جرم آسمانی، تماس مستقیم با یک جرم آسمانی، نمونه برداری از مواد و سایر مطالعاتی است که نیاز به افزایش جرم مجموعه تحقیقاتی دارد، توصیه می شود. شامل مراحل فرود و برخاستن.

پارامترهای موتور

موتور هسته ای برای فضاپیمامجموعه تحقیقاتی "پنجره شروع" را گسترش می دهد (به دلیل نرخ خروج کنترل شده سیال کار)، که برنامه ریزی را ساده می کند و هزینه پروژه را کاهش می دهد. تحقیقات انجام شده توسط RSC Energia نشان داد که یک سیستم پیشرانه هسته ای 150 کیلوواتی با عمر مفید تا سه سال وسیله ای امیدوارکننده برای رساندن ماژول های فضایی به کمربند سیارکی است.

در عین حال، تحویل یک دستگاه تحقیقاتی به مدار سیارات دوردست منظومه شمسی مستلزم افزایش منابع چنین تاسیسات هسته ای تا 5-7 سال است. ثابت شده است که مجموعه ای با یک سیستم رانش هسته ای با قدرت حدود 1 مگاوات به عنوان بخشی از یک فضاپیمای تحقیقاتی امکان تحویل سریع ماهواره های مصنوعی دورترین سیارات، مریخ نوردهای سیاره ای را به سطح ماهواره های طبیعی این سیارات می دهد. و تحویل خاک از دنباله دارها، سیارک ها، عطارد و قمرهای مشتری و زحل.

کشنده قابل استفاده مجدد (MB)

یکی از مهم ترین راه های افزایش کارایی عملیات حمل و نقل در فضا، استفاده مجدد از عناصر سیستم حمل و نقل است. یک موتور هسته ای برای فضاپیما با قدرت حداقل 500 کیلووات، ایجاد یک یدک کش قابل استفاده مجدد را امکان پذیر می کند و در نتیجه کارایی یک سیستم حمل و نقل فضایی چند پیوندی را به میزان قابل توجهی افزایش می دهد. چنین سیستمی مخصوصاً در برنامه ای برای اطمینان از جریان های محموله سالانه بزرگ مفید است. به عنوان مثال، برنامه اکتشاف ماه با ایجاد و نگهداری یک پایگاه قابل سکونت دائما در حال رشد و مجتمع های فناوری و تولید آزمایشی است.

محاسبه گردش محموله

طبق مطالعات طراحی RKK"Energia"، در طول ساخت پایگاه، ماژول هایی با وزن حدود 10 تن باید به سطح ماه تحویل داده شوند، تا 30 تن در مدار ماه قرار گیرند. برای اطمینان از عملکرد و توسعه پایگاه - 400-500 t.

با این حال، اصل کارکرد موتور هسته ای اجازه نمی دهد که انتقال دهنده به سرعت کافی پراکنده شود. با توجه به زمان طولانی حمل و نقل و بر این اساس، زمان قابل توجهی که محموله در کمربندهای تشعشعی زمین صرف می کند، نمی توان تمام محموله ها را با استفاده از یدک کش های هسته ای تحویل داد. بنابراین، جریان محموله ای که می توان بر اساس NEP ارائه کرد، تنها 100-300 تن در سال برآورد می شود.

کارایی هزینه

به عنوان معیاری برای کارایی اقتصادی سیستم حمل و نقل بین مداری، توصیه می شود از ارزش واحد هزینه حمل واحد جرم محموله (PG) از سطح زمین به مدار هدف استفاده شود. RSC Energia یک مدل اقتصادی و ریاضی ایجاد کرد که اجزای اصلی هزینه در سیستم حمل و نقل را در نظر می گیرد:

• برای ایجاد و راه اندازی ماژول های یدک کش در مدار؛
• برای خرید تاسیسات هسته ای فعال؛
• هزینه های عملیاتی، همچنین هزینه های تحقیق و توسعه و هزینه های سرمایه ای احتمالی.

شاخص‌های هزینه به پارامترهای بهینه مگابایت بستگی دارد. با استفاده از این مدل، یک مقایسهبهره وری اقتصادی استفاده از یدک کش قابل استفاده مجدد مبتنی بر NEP با توان حدود 1 مگاوات و یدک کش یکبار مصرف مبتنی بر موتورهای موشک مایع پیشرفته در برنامه انتقال محموله با جرم کل 100 تن در سال از زمین به مدار ماه با ارتفاع 100 کیلومتر. هنگام استفاده از همان پرتابگر با ظرفیت حمل برابر با ظرفیت حمل پرتاب کننده پروتون-M و طرح دو پرتاب برای ساخت سیستم حمل و نقل، هزینه واحد تحویل یک واحد جرم محموله با استفاده از یدک کش هسته ای. سه برابر کمتر از استفاده از یدک کش های یکبار مصرف مبتنی بر موشک با موتورهای مایع نوع DM-3 خواهد بود.

نتیجه گیری

موتور هسته ای کارآمد برای فضا به حل مشکلات زیست محیطی زمین کمک می کند، پرواز سرنشین دار به مریخ، ایجاد یک سیستم انتقال انرژی بی سیم در فضا، اجرای با ایمنی بیشتر دفع زباله های رادیواکتیو خطرناک زمینی. انرژی هسته ای در فضا، ایجاد یک پایگاه ماه قابل سکونت و شروع اکتشاف صنعتی در ماه، تضمین حفاظت از زمین در برابر خطر سیارک-دنباله دار.