Kernmotoren voor ruimtevaartuigen

2024 Auteur: Howard Calhoun | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2023-12-17 10:36

Rusland was en blijft een leider op het gebied van nucleaire ruimte-energie. Organisaties zoals RSC Energia en Roskosmos hebben ervaring met het ontwerpen, bouwen, lanceren en bedienen van ruimtevaartuigen die zijn uitgerust met een kernenergiebron. Een kernmotor maakt het mogelijk om vliegtuigen jarenlang te besturen, waardoor hun praktische geschiktheid vele malen groter wordt.

Historisch record

Het gebruik van kernenergie in de ruimte was in de jaren 70 van de vorige eeuw geen fantasie meer. De eerste kernmotoren werden in 1970-1988 de ruimte in gelanceerd en met succes gebruikt op het Amerikaanse observatieruimtevaartuig. Ze gebruikten een systeem met een thermo-elektrische kerncentrale (NPP) "Buk" met een elektrisch vermogen van 3 kW.

In 1987-1988 ondergingen twee Plasma-A-voertuigen met een 5 kW Topaz thermionische kerncentrale vlieg- en ruimtetests, waarbij voor het eerst elektrische raketmotoren (EP) werden aangedreven door een nucleaire energiebron.

Voltooide een complex van op de grond gestationeerd nucleairenergietesten van de thermionische nucleaire installatie "Yenisei" met een vermogen van 5 kW. Op basis van deze technologieën zijn projecten van thermionische kerncentrales met een vermogen van 25-100 kW ontwikkeld.

MB Hercules

In de jaren 70 startte RSC Energia met wetenschappelijk en praktisch onderzoek, met als doel een krachtige nucleaire ruimtemotor te creëren voor de interorbitale sleepboot (MB) Hercules. Het werk maakte het mogelijk om voor vele jaren een reserve te maken in termen van een nucleair elektrisch voortstuwingssysteem (NEP) met een thermionische kerncentrale met een vermogen van enkele tot honderden kilowatts en elektrische raketmotoren met een eenheidsvermogen van tientallen en honderden van kilowatt.

Ontwerpparameters van MB "Hercules":

• netto elektrisch vermogen kerncentrale – 550 kW;
• specifieke impuls van EPS – 30 km/s;
• projector stuwkracht – 26 N;
• bron van kerncentrale en elektrische voortstuwing - 16.000 uur;
• werklichaam van EPS – xenon;
• gewicht (droog) van de sleepboot - 14,5-15,7 ton, inclusief kerncentrales - 6,9 ton.

Recente tijden

In de 21e eeuw is het tijd om een nieuwe nucleaire motor voor de ruimte te maken. In oktober 2009 werd tijdens een vergadering van de Commissie onder leiding van de president van de Russische Federatie voor de modernisering en technologische ontwikkeling van de Russische economie een nieuw Russisch project "Creatie van een transport- en energiemodule met behulp van een kerncentrale van megawatt-klasse" officieel goedgekeurd. Hoofdontwikkelaars zijn:

• Reactorfabriek – OJSC NIKIET.
• Kerncentrale met een energieconversieschema voor gasturbines, EPSop basis van ion-elektrische raketmotoren en nucleaire voortstuwingssystemen als geheel - State Scientific Center "Research Center vernoemd naar A. I. M. V. Keldysh”, die ook de verantwoordelijke organisatie is voor het ontwikkelingsprogramma van de transport- en energiemodule (TEM) als geheel.
• RKK Energia als algemeen ontwerper van TEM zou met deze module een automatisch voertuig moeten ontwikkelen.

Kenmerken van de nieuwe installatie

Nieuwe nucleaire motor voor ruimtevaart Rusland is van plan de komende jaren commercieel in gebruik te nemen. De verwachte kenmerken van de gasturbine NEP zijn als volgt. Als reactor wordt een gasgekoelde snelle neutronenreactor gebruikt, de temperatuur van de werkvloeistof (He/Xe-mengsel) voor de turbine is 1500 K, het rendement van de omzetting van thermische in elektrische energie is 35%, het type koeler-radiator is druppel. De massa van het aggregaat (reactor, stralingsbescherming en conversiesysteem, maar zonder radiator-radiator) is 6.800 kg.

Space-kernmotoren (NPP, NPP samen met EPS) zijn gepland om te worden gebruikt:

• Als onderdeel van toekomstige ruimtevoertuigen.
• Als elektriciteitsbron voor energie-intensieve complexen en ruimtevaartuigen.
• Om de eerste twee taken in de transport- en energiemodule op te lossen om te zorgen voor de levering van elektrische raketten van zware ruimtevaartuigen en voertuigen aan werkende banen en verdere langdurige stroomtoevoer naar hun apparatuur.

Het principe van de werking van nucleairmotor

Gebaseerd op de fusie van kernen, of op het gebruik van splijtingsenergie van nucleaire brandstof om jetstuwkracht te vormen. Er zijn installaties van het pulsexplosieve en vloeibare type. De explosieve installatie werpt miniatuur atoombommen de ruimte in, die op een afstand van enkele meters tot ontploffing brengen en het schip met een explosieve golf vooruit duwen. In de praktijk worden dergelijke apparaten nog niet gebruikt.

Vloeistofaangedreven kernmotoren daarentegen zijn al lang ontwikkeld en getest. In de jaren 60 ontwierpen Sovjet-specialisten een werkbaar model RD-0410. Soortgelijke systemen zijn ontwikkeld in de Verenigde Staten. Hun principe is gebaseerd op het verwarmen van de vloeistof met een nucleaire minireactor, het verandert in stoom en vormt een straalstroom, die het ruimtevaartuig voortstuwt. Hoewel het apparaat vloeibaar wordt genoemd, wordt meestal waterstof als werkvloeistof gebruikt. Een ander doel van nucleaire ruimte-installaties is om het elektrische netwerk (instrumenten) aan boord van schepen en satellieten van stroom te voorzien.

Zware telecommunicatievoertuigen voor wereldwijde ruimtecommunicatie

Op dit moment wordt er gewerkt aan een nucleaire motor voor de ruimte, die naar verwachting zal worden gebruikt in zware ruimtecommunicatievoertuigen. RSC Energia voerde onderzoek en ontwerpontwikkeling uit van een economisch concurrerend mondiaal ruimtecommunicatiesysteem met goedkope cellulaire communicatie, wat moest worden bereikt door het "telefoonstation" van de aarde naar de ruimte te verplaatsen.

De voorwaarden voor hun creatie zijn:

• bijna volledige vulling van de geostationaire baan (GSO) met werkende enpassieve metgezellen;
• frequentie-uitputting;
• positieve ervaring in het creëren en commercieel gebruik van informatie-geostationaire satellieten van de Yamal-serie.

Bij het creëren van het Yamal-platform waren 95% van de nieuwe technische oplossingen goed, waardoor dergelijke voertuigen concurrerend konden worden op de wereldwijde markt voor ruimtediensten.

Naar verwachting zullen modules ongeveer om de zeven jaar worden vervangen door technologische communicatieapparatuur. Dit zou het mogelijk maken om systemen van 3-4 zware multifunctionele GEO-satellieten te creëren met een toename van het door hen verbruikte elektrische vermogen. Aanvankelijk werden ruimtevaartuigen ontworpen op basis van zonnepanelen met een vermogen van 30-80 kW. In de volgende fase is het de bedoeling om kernmotoren van 400 kW te gebruiken met een capaciteit van maximaal een jaar in de transportmodus (voor de levering van de basismodule aan de GSO) en 150-180 kW in de langetermijnbedrijfsmodus (minstens 10-15 jaar) als elektriciteitsbron.

Kernmotoren in het anti-meteorietbeschermingssysteem van de aarde

De ontwerpstudies die eind jaren 90 door RSC Energia werden uitgevoerd, toonden aan dat bij de creatie van een anti-meteorietsysteem om de aarde te beschermen tegen de kernen van kometen en asteroïden, nucleair-elektrische installaties en nucleaire voortstuwingssystemen kunnen worden gebruikt voor:

1. Een systeem creëren voor het volgen van de banen van asteroïden en kometen die de baan van de aarde kruisen. Om dit te doen, wordt voorgesteld om speciale ruimtevaartuigen te plaatsen die zijn uitgerust met optische en radarapparatuur voor het detecteren van gevaarlijke objecten,berekening van de parameters van hun trajecten en primaire studie van hun kenmerken. Het systeem kan gebruik maken van een nucleaire ruimtemotor met een dual-mode thermionische kerncentrale met een vermogen van 150 kW of meer. De bron moet minstens 10 jaar oud zijn.
2. Beïnvloedingsmiddelen testen (explosie van een thermonucleair apparaat) op een polygoonveilige asteroïde. Het vermogen van de NEP om het testapparaat naar de asteroïde-testlocatie te brengen, hangt af van de massa van de geleverde nuttige lading (150-500 kW).
3. Levering van reguliere middelen van invloed (interceptor met een totaal gewicht van 15-50 ton) aan een gevaarlijk object dat de aarde nadert. Een nucleaire straalmotor met een capaciteit van 1-10 MW zal nodig zijn om een thermonucleaire lading te leveren aan een gevaarlijke asteroïde, waarvan de oppervlakte-explosie, als gevolg van de straalstroom van het asteroïde-materiaal, deze van een gevaarlijke baan kan doen afwijken.

Levering van onderzoeksapparatuur naar de verre ruimte

De levering van wetenschappelijke apparatuur aan ruimtevoorwerpen (verre planeten, periodieke kometen, asteroïden) kan worden uitgevoerd met behulp van ruimtetrappen op basis van LRE. Het is raadzaam om kernmotoren voor ruimtevaartuigen te gebruiken wanneer het de taak is om de baan van een satelliet van een hemellichaam binnen te gaan, direct contact met een hemellichaam, bemonstering van stoffen en andere studies die een vergroting van de massa van het onderzoekscomplex vereisen, de opname van landings- en startfasen.

Motorparameters

Kernmotor voor ruimtevaartuigenHet onderzoekscomplex zal het "startvenster" uitbreiden (vanwege de gecontroleerde uitstroomsnelheid van de werkvloeistof), wat de planning vereenvoudigt en de kosten van het project verlaagt. Onderzoek uitgevoerd door RSC Energia toonde aan dat een nucleair voortstuwingssysteem van 150 kW met een levensduur tot drie jaar een veelbelovende manier is om ruimtemodules naar de asteroïdengordel te brengen.

Tegelijkertijd vereist de levering van een onderzoeksapparaat aan de banen van verre planeten van het zonnestelsel een toename van de middelen van een dergelijke nucleaire installatie tot 5-7 jaar. Het is bewezen dat een complex met een nucleair voortstuwingssysteem met een vermogen van ongeveer 1 MW als onderdeel van een onderzoeksruimtevaartuig een versnelde levering van kunstmatige satellieten van de meest verre planeten, planetaire rovers naar het oppervlak van natuurlijke satellieten van deze planeten mogelijk zal maken en aanvoer van grond van kometen, asteroïden, Mercurius en manen van Jupiter en Saturnus.

Herbruikbare sleepboot (MB)

Een van de belangrijkste manieren om de efficiëntie van transportoperaties in de ruimte te vergroten, is het herbruikbare gebruik van elementen van het transportsysteem. Een kernmotor voor ruimtevaartuigen met een vermogen van minimaal 500 kW maakt het mogelijk om een herbruikbare sleepboot te creëren en daarmee de efficiëntie van een multi-link ruimtetransportsysteem aanzienlijk te verhogen. Een dergelijk systeem is vooral nuttig in een programma om grote jaarlijkse ladingstromen te verzekeren. Een voorbeeld is het maanverkenningsprogramma met het creëren en onderhouden van een constant groeiende bewoonbare basis en experimentele technologische en productiecomplexen.

Berekening vrachtomzet

Volgens RKK ontwerpstudies"Energia", tijdens de constructie van de basis, moeten modules met een gewicht van ongeveer 10 ton aan het oppervlak van de maan worden afgeleverd, tot 30 ton in de baan van de maan. om de werking en ontwikkeling van de basis te garanderen - 400-500 t.

Het werkingsprincipe van de kernmotor laat echter niet toe om de transporter snel genoeg te verspreiden. Vanwege de lange transportduur en bijgevolg de aanzienlijke tijd die de lading in de stralingsgordels van de aarde doorbrengt, kan niet alle lading worden afgeleverd met behulp van nucleair aangedreven sleepboten. Daarom wordt de ladingstroom die op basis van NEP kan worden geleverd geschat op slechts 100-300 ton/jaar.

Kostenefficiëntie

Als criterium voor de economische efficiëntie van het interorbitale transportsysteem, is het raadzaam om de waarde van de eenheidskosten te gebruiken voor het transporteren van een eenheidsmassa van nuttige lading (PG) van het aardoppervlak naar de doelbaan. RSC Energia ontwikkelde een economisch en wiskundig model dat rekening houdt met de belangrijkste kostencomponenten in het transportsysteem:

• om sleepbootmodules te maken en in een baan om de aarde te lanceren;
• voor de aankoop van een werkende nucleaire installatie;
• bedrijfskosten, evenals R&D-kosten en mogelijke kapitaalkosten.

Kostenindicatoren zijn afhankelijk van de optimale parameters van de MB. Met behulp van dit model kan een vergelijkendeeconomische efficiëntie van het gebruik van een herbruikbare sleepboot op basis van NEP met een vermogen van ongeveer 1 MW en een wegwerpsleepboot op basis van geavanceerde vloeibare raketmotoren in het programma voor het leveren van een nuttige lading met een totale massa van 100 t/jaar van de aarde naar de baan van de maan met een hoogte van 100 km. Bij gebruik van hetzelfde lanceervoertuig met een draagvermogen dat gelijk is aan het draagvermogen van het Proton-M-lanceervoertuig en een schema met twee lanceringen voor het bouwen van een transportsysteem, zijn de eenheidskosten voor het leveren van een eenheidsmassa van nuttige lading met behulp van een nucleair aangedreven sleepboot zal drie keer lager zijn dan bij gebruik van wegwerpsleepboten op basis van raketten met vloeistofmotoren type DM-3.

Conclusie

Een efficiënte nucleaire motor voor de ruimte draagt bij aan het oplossen van de milieuproblemen van de aarde, bemande vlucht naar Mars, het creëren van een draadloos krachtoverbrengingssysteem in de ruimte, het implementeren van zeer veilige verwijdering van zeer gevaarlijk radioactief afval van kernenergie op de grond in de ruimte, het creëren van een bewoonbare maanbasis en het starten van industriële verkenning van de maan, waardoor de aarde wordt beschermd tegen het gevaar van asteroïde-kometen.