Motori nucleari per veicoli spaziali

2024 Autore: Howard Calhoun | [email protected]. Ultima modifica: 2023-12-17 10:31

La Russia è stata e rimane tuttora un leader nel campo dell'energia nucleare spaziale. Organizzazioni come RSC Energia e Roskosmos hanno esperienza nella progettazione, costruzione, lancio e gestione di veicoli spaziali dotati di una fonte di energia nucleare. Un motore nucleare consente di far funzionare gli aerei per molti anni, aumentandone molte volte l'idoneità pratica.

Record storico

L'uso dell'energia nucleare nello spazio ha cessato di essere una fantasia negli anni '70 del secolo scorso. I primi motori nucleari furono lanciati nello spazio nel 1970-1988 e operarono con successo sulla navicella di osservazione USA-A. Hanno utilizzato un sistema con una centrale termoelettrica nucleare (NPP) "Buk" con una potenza elettrica di 3 kW.

Nel 1987-1988, due veicoli Plasma-A con una centrale nucleare termoionica Topaz da 5 kW sono stati sottoposti a test di volo e spaziali, durante i quali motori elettrici a razzo (EP) sono stati alimentati per la prima volta da una fonte di energia nucleare.

Completato un complesso nucleare terrestreprove energetiche dell'impianto nucleare termoionico "Yenisei" con una capacità di 5 kW. Sulla base di queste tecnologie sono stati sviluppati progetti di centrali nucleari termoioniche con una capacità di 25-100 kW.

MB Ercole

Negli anni '70, RSC Energia iniziò la ricerca scientifica e pratica, il cui scopo era creare un potente motore spaziale nucleare per il rimorchiatore interorbitale (MB) Hercules. Il lavoro ha permesso di creare una riserva per molti anni in termini di un sistema di propulsione elettrica nucleare (NEP) con una centrale nucleare termoionica con una potenza da diverse a centinaia di kilowatt e motori a razzo elettrici con una potenza unitaria di decine e centinaia di kilowatt.

Parametri di progettazione di MB "Hercules":

• potenza elettrica netta della centrale nucleare – 550 kW;
• impulso specifico di EPS – 30 km/s;
• spinta del proiettore – 26 N;
• risorsa di centrale nucleare e propulsione elettrica - 16.000 ore;
• corpo funzionante di EPS – xenon;
• peso (a secco) del rimorchiatore - 14,5-15,7 tonnellate, comprese le centrali nucleari - 6,9 tonnellate.

Tempi recenti

Nel 21° secolo, è tempo di creare un nuovo motore nucleare per lo spazio. Nell'ottobre 2009, in una riunione della Commissione presieduta dal Presidente della Federazione Russa per la modernizzazione e lo sviluppo tecnologico dell'economia russa, è stato lanciato un nuovo progetto russo "Creazione di un modulo di trasporto ed energia utilizzando una centrale nucleare di classe megawatt" ufficialmente approvato. Gli sviluppatori principali sono:

• Reattore impianto – OJSC NIKIET.
• Centrale nucleare con uno schema di conversione dell'energia di una turbina a gas, EPSsulla base di motori a razzo elettrico a ioni e sistemi di propulsione nucleare nel loro insieme - Centro scientifico statale "Centro di ricerca intitolato a A. I. M. V. Keldysh", che è anche l'organizzazione responsabile del programma di sviluppo del modulo trasporti ed energia (TEM) nel suo insieme.
• RKK Energia come progettista generale di TEM dovrebbe sviluppare un veicolo automatico con questo modulo.

Caratteristiche della nuova installazione

Nuovo motore nucleare per lo spazio La Russia prevede di entrare in funzione commerciale nei prossimi anni. Le caratteristiche attese della turbina a gas NEP sono le seguenti. Come reattore viene utilizzato un reattore a neutroni veloci raffreddato a gas, la temperatura del fluido di lavoro (miscela He/Xe) davanti alla turbina è di 1500 K, l'efficienza di conversione dell'energia termica in elettrica è del 35%, il tipo di il radiatore del radiatore è a goccia. La massa del propulsore (reattore, radioprotezione e sistema di conversione, ma senza radiatore-radiatore) è di 6.800 kg.

Si prevede l'uso di motori nucleari spaziali (NPP, NPP insieme a EPS):

• Come parte dei futuri veicoli spaziali.
• Come fonti di elettricità per complessi e veicoli spaziali ad alta intensità energetica.
• Risolvere i primi due compiti nel modulo di trasporto ed energia per garantire la consegna di razzi elettrici di veicoli spaziali pesanti e veicoli alle orbite di lavoro e ulteriore alimentazione a lungo termine alle loro apparecchiature.

Il principio di funzionamento del nuclearemotore

Basato sulla fusione di nuclei o sull'uso dell'energia di fissione del combustibile nucleare per formare la spinta del jet. Esistono installazioni di tipo esplosivo e liquido. L'installazione esplosiva lancia nello spazio bombe atomiche in miniatura che, esplodendo a una distanza di diversi metri, spingono la nave in avanti con un'onda esplosiva. In pratica, tali dispositivi non sono ancora utilizzati.

I motori nucleari alimentati a liquido, invece, sono da tempo sviluppati e testati. Negli anni '60, gli specialisti sovietici progettarono un modello praticabile RD-0410. Sistemi simili sono stati sviluppati negli Stati Uniti. Il loro principio si basa sul riscaldamento del liquido con un mini-reattore nucleare, si trasforma in vapore e forma una corrente a getto, che spinge la navicella spaziale. Sebbene il dispositivo sia chiamato liquido, l'idrogeno viene solitamente utilizzato come fluido di lavoro. Un altro scopo delle installazioni spaziali nucleari è alimentare la rete elettrica di bordo (strumenti) di navi e satelliti.

Veicoli per telecomunicazioni pesanti per comunicazioni spaziali globali

Al momento, sono in corso i lavori su un motore nucleare per lo spazio, che dovrebbe essere utilizzato in veicoli di comunicazione spaziale pesante. RSC Energia ha svolto attività di ricerca e sviluppo progettuale di un sistema di comunicazioni spaziali globali economicamente competitivo con comunicazioni cellulari a basso costo, che avrebbe dovuto essere ottenuto trasferendo la "stazione telefonica" dalla Terra allo spazio.

I prerequisiti per la loro creazione sono:

• riempimento quasi completo dell'orbita geostazionaria (GSO) con lavorazione ecompagni passivi;
• esaurimento della frequenza;
• esperienza positiva nella creazione e uso commerciale di satelliti geostazionari informativi della serie Yamal.

Durante la creazione della piattaforma Yamal, le nuove soluzioni tecniche rappresentavano il 95%, il che ha consentito a tali veicoli di diventare competitivi nel mercato globale dei servizi spaziali.

Si prevede di sostituire i moduli con apparecchiature di comunicazione tecnologica all'incirca ogni sette anni. Ciò consentirebbe di realizzare sistemi di 3-4 satelliti GEO multifunzionali pesanti con un aumento della potenza elettrica da essi consumata. Inizialmente, i veicoli spaziali sono stati progettati sulla base di pannelli solari con una capacità di 30-80 kW. Nella fase successiva, si prevede di utilizzare motori nucleari da 400 kW con una risorsa fino a un anno nella modalità di trasporto (per la consegna del modulo base al GSO) e 150-180 kW nella modalità operativa a lungo termine (almeno 10-15 anni) come fonte di elettricità

Motori nucleari nel sistema di protezione anti-meteorite terrestre

Gli studi progettuali svolti da RSC Energia alla fine degli anni '90 hanno mostrato che nella realizzazione di un sistema anti-meteorite per la protezione della Terra dai nuclei di comete e asteroidi, è possibile usato per:

1. Creazione di un sistema per il monitoraggio delle traiettorie di asteroidi e comete che attraversano l'orbita terrestre. Per fare ciò, si propone di predisporre veicoli spaziali speciali dotati di apparecchiature ottiche e radar per il rilevamento di oggetti pericolosi,calcolo dei parametri delle loro traiettorie e studio primario delle loro caratteristiche. Il sistema può utilizzare un motore spaziale nucleare con una centrale nucleare termoionica a doppia modalità con una potenza di 150 kW o più. La sua risorsa deve avere almeno 10 anni.
2. Test di mezzi di influenza (esplosione di un dispositivo termonucleare) su un asteroide poligonale sicuro. La potenza del NEP per fornire il dispositivo di prova al sito di prova dell'asteroide dipende dalla massa del carico utile erogato (150-500 kW).
3. Consegna di mezzi di influenza regolari (intercettore con un peso totale di 15-50 tonnellate) a un oggetto pericoloso in avvicinamento alla Terra. Sarà necessario un motore nucleare a reazione con una capacità di 1-10 MW per fornire una carica termonucleare a un pericoloso asteroide, la cui esplosione superficiale, a causa della corrente a getto del materiale dell'asteroide, può deviarlo da una traiettoria pericolosa.

Consegna di attrezzature di ricerca nello spazio profondo

La consegna di attrezzature scientifiche agli oggetti spaziali (pianeti lontani, comete periodiche, asteroidi) può essere effettuata utilizzando stadi spaziali basati su LRE. Si consiglia di utilizzare motori nucleari per veicoli spaziali quando il compito è quello di entrare nell'orbita di un satellite di un corpo celeste, il contatto diretto con un corpo celeste, il campionamento di sostanze e altri studi che richiedono un aumento della massa del complesso di ricerca, il inclusione delle fasi di atterraggio e decollo.

Parametri motore

Motore nucleare per veicoli spazialiIl complesso di ricerca amplierà la "finestra iniziale" (dovuta alla portata controllata del fluido di lavoro), che semplifica la pianificazione e riduce il costo del progetto. La ricerca condotta da RSC Energia ha mostrato che un sistema di propulsione nucleare da 150 kW con una vita utile fino a tre anni è un mezzo promettente per fornire moduli spaziali alla cintura degli asteroidi.

Allo stesso tempo, la consegna di un apparato di ricerca alle orbite di pianeti lontani del sistema solare richiede un aumento delle risorse di tale installazione nucleare fino a 5-7 anni. È stato dimostrato che un complesso con un sistema di propulsione nucleare con una potenza di circa 1 MW come parte di un veicolo spaziale di ricerca consentirà la consegna accelerata di satelliti artificiali dei pianeti più lontani, rover planetari sulla superficie dei satelliti naturali di questi pianeti e consegna del suolo da comete, asteroidi, Mercurio e lune di Giove e Saturno.

Rimorchiatore riutilizzabile (MB)

Uno dei modi più importanti per aumentare l'efficienza delle operazioni di trasporto nello spazio è l'uso riutilizzabile di elementi del sistema di trasporto. Un motore nucleare per veicoli spaziali con una potenza di almeno 500 kW consente di creare un rimorchiatore riutilizzabile e quindi aumentare significativamente l'efficienza di un sistema di trasporto spaziale multi-link. Un tale sistema è particolarmente utile in un programma per garantire grandi flussi di merci annuali. Un esempio è il programma di esplorazione della Luna con la creazione e il mantenimento di una base abitabile in costante crescita e di complessi tecnologici e produttivi sperimentali.

Calcolo del fatturato merci

Secondo gli studi di progettazione RKK"Energia", durante la costruzione della base, moduli del peso di circa 10 tonnellate dovrebbero essere consegnati sulla superficie della Luna, fino a 30 tonnellate nell'orbita della Luna. per garantire il funzionamento e lo sviluppo della base - 400-500 t.

Tuttavia, il principio di funzionamento del motore nucleare non consente di disperdere il trasportatore abbastanza velocemente. A causa del lungo tempo di trasporto e, di conseguenza, del notevole tempo trascorso dal carico utile nelle cinture di radiazioni della Terra, non tutto il carico può essere consegnato utilizzando rimorchiatori a propulsione nucleare. Pertanto, il flusso di carico che può essere fornito sulla base della NEP è stimato a sole 100-300 tonnellate/anno.

Efficienza dei costi

Come criterio per l'efficienza economica del sistema di trasporto interorbitale, è consigliabile utilizzare il valore del costo unitario del trasporto di una massa unitaria di carico utile (PG) dalla superficie terrestre all'orbita bersaglio. RSC Energia ha sviluppato un modello economico e matematico che tiene conto delle principali componenti di costo del sistema di trasporto:

• per creare e lanciare moduli di rimorchiatore in orbita;
• per l'acquisto di un impianto nucleare funzionante;
• costi operativi, nonché costi di ricerca e sviluppo e possibili costi di capitale.

Gli indicatori di costo dipendono dai parametri ottimali del MB. Utilizzando questo modello, un confrontoefficienza economica dell'utilizzo di un rimorchiatore riutilizzabile basato su NEP con una potenza di circa 1 MW e un rimorchiatore usa e getta basato su avanzati motori a razzo liquido nel programma per fornire un carico utile con una massa totale di 100 t/anno dalla Terra all'orbita della Luna con un' altezza di 100 km. Quando si utilizza lo stesso veicolo di lancio con una capacità di carico pari alla capacità di carico del veicolo di lancio Proton-M e uno schema a due lanci per la costruzione di un sistema di trasporto, il costo unitario di consegna di una massa unitaria di carico utile utilizzando un rimorchiatore a propulsione nucleare sarà tre volte inferiore rispetto a quando si utilizzano rimorchiatori usa e getta basati su razzi con motori a liquido tipo DM-3.

Conclusione

Un efficiente motore nucleare per lo spazio contribuisce a risolvere i problemi ambientali della Terra, il volo con equipaggio su Marte, creando un sistema di trasmissione di potenza senza fili nello spazio, implementando con maggiore sicurezza lo sm altimento di scorie radioattive particolarmente pericolose di terra energia nucleare nello spazio, creando una base lunare abitabile e avviando l'esplorazione industriale della Luna, assicurando la protezione della Terra dal rischio di una cometa asteroide.