Космостук аппараттар үчүн өзөктүк кыймылдаткычтар

2024 Автор: Howard Calhoun | [email protected]. Акыркы өзгөртүү: 2023-12-17 10:34

Орусия ядролук космостук энергетика тармагында лидер болуп келген жана болуп кала берет. RSC Energia жана Roskosmos сыяктуу уюмдар атомдук энергия булагы менен жабдылган космостук аппараттарды долбоорлоо, куруу, учуруу жана иштетүү тажрыйбасына ээ. Ядролук кыймылдаткыч учактарды көп жылдар бою иштетүүгө мүмкүндүк берип, алардын практикалык жарамдуулугун бир нече эсеге жогорулатат.

Тарыхый рекорд

Атомдук энергияны космосто пайдалануу өткөн кылымдын 70-жылдары эле фантазия болбой калган. Биринчи ядролук кыймылдаткычтар 1970-1988-жылдары космоско учурулган жана АКШ-А байкоочу космостук аппаратында ийгиликтүү иштеген. Алар электр кубаттуулугу 3 кВт болгон «Бук» термоэлектрдик атомдук электр станциясы (АЭС) менен системаны колдонушкан.

1987-1988-жылдары 5 кВт Топаз термиондук атомдук электр станциясы бар эки Plasma-A унаасы учуу жана космостук сыноолордон өткөн, анын жүрүшүндө ракеталык электр кыймылдаткычтары (ЭП) биринчи жолу өзөктүк энергия булагынан кубатталган.

Жер үстүндөгү өзөктүк комплексти куруу аяктадыкубаттуулугу 5 кВт болгон «Енисей» термиондук ядролук установкасынын энергетикалык сыноолору. Бул технологиялардын негизинде кубаттуулугу 25-100 кВт болгон термиондук атомдук электр станцияларынын долбоорлору иштелип чыккан.

МБ Геркулес

1970-жылдары RSC Energia илимий жана практикалык изилдөөлөрдү баштаган, анын максаты орбиталык буксир (МБ) Геркулес үчүн кубаттуу ядролук космос кыймылдаткычын түзүү болгон. Иш бир нечеден жүздөгөн киловатт кубаттуулуктагы термиондук атомдук электр станциясы жана кубаттуулугу ондогон жана жүздөгөн электр ракета кыймылдаткычтары бар ядролук электр кыймылдаткыч системасы (НЭП) жагынан көп жылдар бою резерв түзүүгө мүмкүндүк берди. киловатт.

МБ "Геркулес" дизайн параметрлери:

• АЭСтин таза электр энергиясы – 550 кВт;
• EPSтин өзгөчө импульсу – 30 км/сек;
• проектордун тартылышы – 26 N;
• атомдук электр станциясынын ресурсу жана электр кыймылдаткычы - 16 000 саат;
• ЭПСтин жумушчу органы – ксенон;
• буксирдин салмагы (кургак) - 14,5-15,7 тонна, анын ичинде атомдук электр станциялары - 6,9 тонна.

Акыркы убактар

21-кылымда космос үчүн жаңы өзөктүк кыймылдаткычты түзүү мезгили келди. 2009-жылдын октябрында Россия Федерациясынын Президентине караштуу Россиянын экономикасын модернизациялоо жана технологиялык өнүктүрүү боюнча Комиссиянын отурумунда «Мегаватт классындагы атомдук электр станциясын колдонуу менен транспорттук-энергетикалык модулду түзүү» жаңы орус долбоору расмий түрдө бекитилген. Алдынкы иштеп чыгуучулар:

• Реактордук станция – NIKIET ААК.
• Газ турбиналык энергияны өзгөртүү схемасы бар атомдук электр станциясы, EPSиондук электр-ракеталык кыймылдаткычтардын жана жалпысынан ядролук кыймылдаткыч системалардын базасында - Мамлекеттик илимий борбор А. И. М. В. Келдыш», ал жалпысынан транспорттук-энергетикалык модулдун (ТЭМ) өнүгүү программасы үчүн жооптуу уюм болуп саналат.
• RKK Energia TEMдин башкы дизайнери катары бул модулу менен автоматтык унааны иштеп чыгышы керек.

Жаңы орнотуунун мүнөздөмөлөрү

Космос үчүн жаңы өзөктүк кыймылдаткыч Россия жакынкы жылдарда коммерциялык ишке киргизүүнү пландаштырууда. NEP газ турбинанын күтүлгөн мүнөздөмөлөрү төмөнкүдөй. Реактор катары газ менен муздатуучу тез нейтрондук реактор колдонулат, турбинанын алдындагы жумушчу суюктуктун температурасы (He/Xe аралашмасы) 1500 К, жылуулукту электр энергиясына айландыруу эффективдүүлүгү 35%, түрү муздаткыч-радиатор тамчы болуп саналат. Энергетикалык блоктун массасы (реактор, радиациядан коргоо жана конверсия системасы, бирок радиатор-радиаторсуз) 6800 кг.

Космостук өзөктүк кыймылдаткычтарды (АЭС, АЭС менен бирге EPS) колдонуу пландаштырылууда:

• Келечектеги космостук унаалардын бир бөлүгү катары.
• Энергияны көп талап кылган комплекстер жана космостук аппараттар үчүн электр энергиясынын булагы катары.
• Оор космос кораблдерин жана транспорт каражаттарын жумушчу орбиталарга электр ракетасы менен жеткирүүнү жана алардын жабдууларын андан ары узак мөөнөттүү электр энергиясы менен камсыздоону камсыз кылуу боюнча транспорттук-энергетикалык модулдун биринчи эки милдети чечилсин.

Ядролук иштөө принцибикыймылдаткыч

Ядролордун биригүүсүнө, же реактивдүү кыймылды түзүү үчүн ядролук отундун бөлүнүү энергиясын колдонууга негизделген. Импульстук-жардыргыч жана суюк типтеги установкалар бар. Жардыруучу түзүлүш космоско миниатюралык атомдук бомбаларды ыргытат, алар бир нече метр аралыкта жарылып, кемени жарылуучу толкун менен алдыга түртөт. Иш жүзүндө мындай түзмөктөр азырынча колдонула элек.

Суюк отун менен иштеген өзөктүк кыймылдаткычтар болсо көптөн бери иштелип чыккан жана сыналган. 60-жылдары советтик адистер РД-0410 үлгүсүн иштеп чыгышкан. Ушундай эле системалар АКШда да иштелип чыккан. Алардын принциби суюктукту ядролук мини-реактор менен ысытууга негизделген, ал бууга айланып, реактивдүү агымды пайда кылат, ал космостук аппаратты түртөт. Аппарат суюк деп аталса да, көбүнчө жумушчу суюктук катары суутек колдонулат. Ядролук космостук установкалардын дагы бир максаты - кемелердин жана спутниктердин электр борт тармагын (инструменттерин) энергия менен камсыз кылуу.

Глобалдык космостук байланыш үчүн оор телекоммуникациялык унаалар

Учурда оор космостук байланыш машиналарында колдонулушу пландаштырылган космостук ядролук кыймылдаткычтын үстүндө иштер жүрүп жатат. RSC Energia компаниясы "телефон станциясын" Жерден космоско которуу аркылуу жетиши керек болгон арзан уюлдук байланышы бар экономикалык атаандаштыкка жөндөмдүү глобалдык космостук байланыш системасын изилдөө жана долбоорлоо иштерин жүргүздү.

Аларды түзүү үчүн зарыл шарттар:

• геостационардык орбитаны (GSO) жумушчу жанапассивдүү шериктештер;
• жыштыктын чарчашы;
• Ямал сериясындагы маалыматтык геостационардык спутниктерди түзүү жана коммерциялык колдонуудагы позитивдүү тажрыйба.

Yamal платформасын түзүүдө жаңы техникалык чечимдер 95% түздү, бул мындай унаалардын дүйнөлүк космостук кызматтар рыногунда атаандаштыкка жөндөмдүү болууга мүмкүндүк берди.

Болжол менен ар бир жети жылда модулдарды технологиялык байланыш жабдуулары менен алмаштыруу күтүлүүдө. Бул 3-4 оор көп функциялуу GEO спутниктеринин системаларын, алар керектеген электр энергиясын көбөйтүү менен түзүүгө мүмкүндүк берет. Алгач космостук аппараттар кубаттуулугу 30-80 кВт болгон күн батареяларынын негизинде иштелип чыккан. Кийинки этапта транспорттук режимде бир жылга чейинки ресурсу бар 400 кВт ядролук кыймылдаткычтарды (базалык модулду ГСОго жеткирүү үчүн) жана узак мөөнөттүү иштөө режиминде 150-180 кВт колдонуу пландаштырылууда. (кеминде 10-15 жыл) электр энергиясынын булагы катары.

Жердеги метеориттерге каршы коргоо системасындагы өзөктүк кыймылдаткычтар

90-жылдардын аягында RSC Energia тарабынан жүргүзүлгөн долбоордук изилдөөлөр көрсөткөндөй, Жерди кометалардын жана астероиддердин өзөктөрүнөн коргоо үчүн антиметеориттик системаны түзүүдө өзөктүк-электрдик түзүлүштөр жана ядролук кыймылдаткыч системалар болушу мүмкүн. үчүн колдонулат:

1. Жердин орбитасын кесип өткөн астероиддердин жана кометалардын траекторияларына байкоо жүргүзүү системасын түзүү. Бул үчүн коркунучтуу объектилерди аныктоо үчүн оптикалык жана радар жабдуулары менен жабдылган атайын космостук аппараттарды уюштуруу сунушталууда.алардын траекторияларынын параметрлерин эсептөө жана алардын мүнөздөмөлөрүн алгачкы изилдөө. Система кубаттуулугу 150 кВт же андан ашык болгон кош режимдеги термиондук атомдук электр станциясы бар ядролук космос кыймылдаткычын колдоно алат. Анын булагы 10 жылдан кем эмес болушу керек.
2. Көп бурчтуу коопсуз астероидге таасир этүүнүн (термоядролук түзүлүштүн жарылышы) сыноочу каражаттары. Сыноочу аппаратты астероидди сыноо аянтына жеткирүү үчүн NEPтин күчү жеткирилген пайдалуу жүктүн массасына (150-500 кВт) көз каранды.
3. Жерге жакындап келе жаткан коркунучтуу объектиге үзгүлтүксүз таасир этүүчү каражаттарды (жалпы салмагы 15-50 тонна болгон тосмолоочу) жеткирүү. Коркунучтуу астероидге термоядролук зарядды жеткирүү үчүн кубаттуулугу 1-10 МВт болгон ядролук реактивдүү кыймылдаткыч керек болот, анын үстүнкү жарылуусу астероиддик материалдын реактивдүү агымынан улам аны коркунучтуу траекториядан буруп кетиши мүмкүн.

Изилдөө жабдууларын терең космоско жеткирүү

Илимий аппаратураны космостук объектилерге (алыскы планеталар, мезгилдүү кометалар, астероиддер) жеткирүү LREнин негизинде космостук этаптарды колдонуу менен жүргүзүлүшү мүмкүн. Асман телосунун спутнигинин орбитасына чыгуу, асман телосу менен түздөн-түз байланышта, үлгүлөрдү алууда жана изилдөө комплексинин массасын көбөйтүүнү талап кылган башка изилдөөлөр болгондо, космостук аппараттар үчүн ядролук кыймылдаткычтарды колдонуу максатка ылайыктуу. конуу жана учуу этаптарын камтуу.

Мотор параметрлери

Космостук аппараттар үчүн өзөктүк кыймылдаткычИлимий-изилдөө комплекси «старт терезесин» кеңейтет (жумушчу суюктуктун башкарылуучу агып чыгуу ылдамдыгына байланыштуу), бул пландаштырууну жөнөкөйлөтөт жана долбоордун наркын төмөндөтөт. RSC Energia тарабынан жүргүзүлгөн изилдөөлөр көрсөткөндөй, 150 кВттык өзөктүк кыймылдаткыч системасы үч жылга чейинки кызмат мөөнөтү менен астероиддик алкактарга космостук модулдарды жеткирүүнүн келечектүү каражаты болуп саналат.

Муну менен бирге кун системасынын алыскы планеталарынын орбиталарына илимий аппаратураны жеткируу мындай ядролук установканын ресурсун 5-7 жылга чейин кебейтуу-ну талап кылат. Илимий-изилдеечу космос кораблинин составында кубаттуулугу 1 МВт жакын ядролук кыймылдаткыч системасы бар комплекс эц алыскы планеталардын жасалма спутниктерин, бул планеталардын табигый спутниктеринин бетине планетардык роверлерди тездетип жеткирууге мумкундук бере тургандыгы далилденди. жана топуракты кометалардан, астероиддерден, Меркурийден жана Юпитер менен Сатурндун жандоочуларынан жеткирүү.

Кайта колдонулуучу буксир (МБ)

Космостогу транспорттук операциялардын эффективдуулугун жогорулатуунун маанилуу жолдорунун бири транспорттук системанын элементтерин кайра пайдалануу болуп саналат. Кубаттуулугу кеминде 500 кВт болгон космос кораблдери учун ядролук кыймылдаткыч кайра колдонууга жарамдуу буксирди тузууге жана ошону менен коп звенолуу космостук транспорт системасынын эффективдуулугун бир кыйла жогорулатууга мумкундук берет. Мындай система чоң жылдык жүк агымын камсыз кылуу программасында өзгөчө пайдалуу. Мисал катары тынымсыз өсүп жаткан турак жай базасын жана эксперименталдык технологиялык жана өндүрүштүк комплекстерди түзүү жана колдоо менен Айды чалгындоо программасы болуп саналат.

Жүк жүгүртүүнү эсептөө

РККнын долбоорлоо изилдөөлөрүнө ылайык«Энергия», базаны курууда салмагы 10 тоннага жакын модулдар Айдын бетине, Айдын орбитасына 30 тоннага чейин жеткирилиши керек, базанын иштешин жана өнүгүшүн камсыз кылуу үчүн - 400-500 т.

Бирок, ядролук кыймылдаткычтын иштөө принциби транспортерди жетишерлик тез таркатууга мүмкүндүк бербейт. Ташуу узак убакытка жана ошого жараша Жердин радиациялык тилкелериндеги пайдалуу жүктүн олуттуу убактысына байланыштуу ядролук буксирлердин жардамы менен бардык жүктөрдү жеткирүү мүмкүн эмес. Демек, НЭПтин негизинде камсыз боло турган жүк агымы жылына 100-300 тоннага гана бааланат.

Чыгымдардын натыйжалуулугу

Орбиталар аралык транспорт системасынын экономикалык эффективдүүлүгүнүн критерийи катары Жердин бетинен максаттуу орбитага пайдалуу жүктүн бирдигинин массасын (ЖБ) ташуунун бирдик наркынын маанисин пайдалануу максатка ылайыктуу. RSC Energia транспорт системасындагы негизги чыгымдардын компоненттерин эске алган экономикалык жана математикалык моделди иштеп чыкты:

• буксирлик модулдарды түзүү жана орбитага чыгаруу үчүн;
• жумушчу өзөктүк түзүлүштү сатып алуу үчүн;
• операциялык чыгымдар, ошондой эле R&D чыгымдары жана мүмкүн болуучу капиталдык чыгымдар.

Чыгым көрсөткүчтөрү МБнын оптималдуу параметрлеринен көз каранды. Бул моделди колдонуу менен салыштырууЖалпы массасы жылына 100 т болгон пайдалуу жүктү Жерден Айдын орбитасына жеткирүү программасында болжол менен 1 МВт кубаттуулуктагы НЭПтин негизинде көп жолу колдонулуучу буксирди жана прогрессивдүү суюк ракета кыймылдаткычтарынын негизинде бир жолу колдонулуучу буксирди колдонуунун экономикалык эффективдүүлүгү бийиктиги 100 км. «Протон-М» ташуучу аппаратынын көтөрүү жөндөмдүүлүгүнө барабар алып жүрүүчү бир эле ташуучу аппаратты жана транспорттук системаны куруунун эки учуруу схемасын колдонууда ядролук буксирди колдонуу менен пайдалуу жүктүн бирдигинин массасын жеткирүүнүн бирдигине кеткен чыгым DM-3 тибиндеги суюк кыймылдаткычтары бар ракеталарга негизделген бир жолу колдонулуучу сүйрөөчүлөрдү колдонууга караганда үч эсе аз болот.

Тыянак

Космос үчүн эффективдүү өзөктүк кыймылдаткыч Жердин экологиялык көйгөйлөрүн чечүүгө, адамдын Марска учуусуна, космосто электр энергиясын зымсыз өткөрүү системасын түзүүгө, жер үстүндөгү өзгөчө коркунучтуу радиоактивдүү калдыктарды жок кылууну күчөтүлгөн коопсуздук менен ишке ашырууга салым кошот. космосто ядролук энергия, жашоого ылайыктуу Ай базасын түзүү жана Айды өнөр жайлык изилдөөнү баштоо, Жерди астероид-комета коркунучунан коргоону камсыз кылуу.