Động cơ hạt nhân cho tàu vũ trụ

2024 Tác giả: Howard Calhoun | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2023-12-17 10:44

Nga đã và vẫn là nước đi đầu trong lĩnh vực năng lượng vũ trụ hạt nhân. Các tổ chức như RSC Energia và Roskosmos có kinh nghiệm thiết kế, xây dựng, phóng và vận hành tàu vũ trụ được trang bị nguồn năng lượng hạt nhân. Động cơ hạt nhân giúp máy bay có thể vận hành trong nhiều năm, tăng tính phù hợp thực tế của chúng lên nhiều lần.

Ghi chép lịch sử

Việc sử dụng năng lượng hạt nhân trong không gian đã không còn là điều viển vông trong những năm 70 của thế kỷ trước. Những động cơ hạt nhân đầu tiên được phóng lên vũ trụ vào những năm 1970-1988 và vận hành thành công trên tàu vũ trụ quan sát US-A. Họ đã sử dụng một hệ thống có nhà máy điện hạt nhân nhiệt điện (NPP) "Buk" với công suất điện 3 kW.

Năm 1987-1988, hai phương tiện Plasma-A với nhà máy điện hạt nhân nhiệt điện Topaz công suất 5 kW đã trải qua các chuyến bay và thử nghiệm không gian, trong đó động cơ tên lửa điện (EP) lần đầu tiên được cung cấp năng lượng từ nguồn năng lượng hạt nhân.

Đã hoàn thành một tổ hợp hạt nhân trên mặt đấtcác thử nghiệm năng lượng của cơ sở lắp đặt hạt nhân nhiệt điện "Yenisei" với công suất 5 kW. Trên cơ sở các công nghệ này, các dự án nhà máy điện hạt nhân nhiệt điện có công suất từ 25-100 kw đã được phát triển.

MB Hercules

Vào những năm 1970, RSC Energia bắt đầu nghiên cứu khoa học và thực tiễn, với mục đích là tạo ra một động cơ vũ trụ hạt nhân mạnh mẽ cho tàu kéo quỹ đạo xuyên tâm (MB) Hercules. Công trình này giúp dự trữ trong nhiều năm cho hệ thống đẩy điện hạt nhân (NEP) với nhà máy điện hạt nhân nhiệt điện có công suất từ vài đến hàng trăm kilowatt và động cơ tên lửa điện có công suất đơn vị hàng chục và hàng trăm. trên kilowatt.

Thông số thiết kế của MB "Hercules":

• điện ròng của nhà máy điện hạt nhân - 550 kW;
• xung cụ thể của EPS - 30 km / s;
• lực đẩy máy chiếu - 26 N;
• tài nguyên của nhà máy điện hạt nhân và động cơ điện - 16.000 giờ;
• thân làm việc của EPS - xenon;
• trọng lượng (khô) của tàu kéo - 14,5-15,7 tấn, bao gồm cả nhà máy điện hạt nhân - 6,9 tấn.

Thời gian gần đây

Trong thế kỷ 21, đã đến lúc tạo ra một động cơ hạt nhân mới cho không gian. Vào tháng 10 năm 2009, tại một cuộc họp của Ủy ban thuộc Tổng thống Liên bang Nga về hiện đại hóa và phát triển công nghệ của nền kinh tế Nga, một dự án mới của Nga "Tạo mô-đun vận tải và năng lượng sử dụng nhà máy điện hạt nhân cấp megawatt" đã được thực hiện. chính thức được phê duyệt. Các nhà phát triển hàng đầu là:

• Nhà máy lò phản ứng - OJSC NIKIET.
• Nhà máy điện hạt nhân với sơ đồ chuyển đổi năng lượng tuabin khí, EPStrên cơ sở tổng thể động cơ tên lửa điện ion và hệ thống đẩy hạt nhân - Trung tâm Khoa học Nhà nước “Trung tâm Nghiên cứu mang tên A. I. M. V. Keldysh”, cũng là tổ chức chịu trách nhiệm về chương trình phát triển toàn bộ mô-đun vận tải và năng lượng (TEM).
• RKK Energia với tư cách là nhà thiết kế chung của TEM nên phát triển xe số tự động với mô-đun này.

Đặc điểm của cài đặt mới

Động cơ hạt nhân mới cho vũ trụ Nga dự kiến đưa vào vận hành thương mại trong những năm tới. Các đặc tính mong đợi của tuabin khí NEP như sau. Là lò phản ứng, người ta sử dụng lò phản ứng nơtron nhanh làm mát bằng khí, nhiệt độ của chất lỏng làm việc (hỗn hợp He / Xe) trước tuabin là 1500 K, hiệu suất chuyển nhiệt thành điện năng là 35%, loại bộ làm mát-tản nhiệt nhỏ giọt. Khối lượng của bộ nguồn (lò phản ứng, hệ thống chuyển đổi và bảo vệ bức xạ, nhưng không có bộ tản nhiệt-tản nhiệt) là 6.800 kg.

Động cơ hạt nhân vũ trụ (NPP, NPP cùng với EPS) được lên kế hoạch sử dụng:

• Là một phần của các phương tiện vũ trụ trong tương lai.
• Là nguồn cung cấp điện cho các tổ hợp và tàu vũ trụ sử dụng nhiều năng lượng.
• Để giải quyết hai nhiệm vụ đầu tiên trong mô-đun vận tải và năng lượng để đảm bảo đưa tên lửa điện của tàu vũ trụ hạng nặng và phương tiện lên quỹ đạo hoạt động và cung cấp năng lượng lâu dài hơn nữa cho thiết bị của chúng.

Nguyên lý hoạt động của hạt nhânđộng cơ

Dựa trên sự hợp nhất của các hạt nhân, hoặc dựa trên việc sử dụng năng lượng phân hạch của nhiên liệu hạt nhân để tạo thành lực đẩy phản lực. Có lắp đặt các loại nổ xung và chất lỏng. Việc lắp đặt chất nổ ném những quả bom nguyên tử thu nhỏ vào không gian, phát nổ ở khoảng cách vài mét, đẩy con tàu về phía trước với một làn sóng nổ. Trên thực tế, những thiết bị như vậy vẫn chưa được sử dụng.

Mặt khác,Động cơ hạt nhân sử dụng nhiên liệu lỏng, đã được phát triển và thử nghiệm từ lâu. Quay trở lại những năm 60, các chuyên gia Liên Xô đã thiết kế một mẫu RD-0410 khả thi. Các hệ thống tương tự đã được phát triển ở Hoa Kỳ. Nguyên lý của chúng dựa trên việc đốt nóng chất lỏng bằng một lò phản ứng mini hạt nhân, nó biến thành hơi nước và tạo thành dòng phản lực, có tác dụng đẩy tàu vũ trụ. Mặc dù thiết bị được gọi là chất lỏng, hydro thường được sử dụng làm chất lỏng hoạt động. Một mục đích khác của việc lắp đặt không gian hạt nhân là cung cấp năng lượng cho mạng lưới điện trên tàu (thiết bị) của tàu và vệ tinh.

Phương tiện viễn thông hạng nặng cho thông tin liên lạc không gian toàn cầu

Hiện tại, động cơ hạt nhân dành cho không gian đang được tiến hành, được lên kế hoạch sử dụng trong các phương tiện liên lạc vũ trụ hạng nặng. RSC Energia đã tiến hành nghiên cứu và phát triển thiết kế một hệ thống liên lạc không gian toàn cầu có tính cạnh tranh kinh tế với liên lạc di động giá rẻ, được cho là đạt được bằng cách chuyển "trạm điện thoại" từ Trái đất lên không gian.

Điều kiện tiên quyết để tạo ra họ là:

• lấp đầy gần như hoàn toàn quỹ đạo địa tĩnh (GSO) với hoạt động vàđồng hành bị động;
• kiệt tần;
• kinh nghiệm tích cực trong việc tạo ra và sử dụng thương mại các vệ tinh thông tin địa tĩnh của dòng Yamal.

Khi tạo ra nền tảng Yamal, các giải pháp kỹ thuật mới chiếm 95%, cho phép những phương tiện như vậy trở nên cạnh tranh trên thị trường dịch vụ vũ trụ toàn cầu.

Dự kiến sẽ thay thế các mô-đun bằng thiết bị truyền thông công nghệ khoảng bảy năm một lần. Điều này giúp chúng ta có thể tạo ra các hệ thống gồm 3-4 vệ tinh GEO đa chức năng hạng nặng với mức tăng điện năng tiêu thụ của chúng. Ban đầu, tàu vũ trụ được thiết kế dựa trên các tấm pin mặt trời có công suất từ 30-80 kW. Ở giai đoạn tiếp theo, nó được lên kế hoạch sử dụng động cơ hạt nhân 400 kW với tài nguyên lên đến một năm ở chế độ vận tải (để chuyển giao mô-đun cơ sở cho TCTK) và 150-180 kW ở chế độ vận hành dài hạn. (ít nhất 10-15 năm) làm nguồn điện.

Động cơ hạt nhân trong hệ thống bảo vệ chống thiên thạch của Trái đất

Các nghiên cứu thiết kế được thực hiện bởi RSC Energia vào cuối những năm 90 cho thấy rằng trong việc tạo ra một hệ thống chống thiên thạch để bảo vệ Trái đất khỏi hạt nhân của sao chổi và tiểu hành tinh, hệ thống điện hạt nhân và hệ thống đẩy hạt nhân có thể được sử dụng cho:

1. Tạo một hệ thống giám sát quỹ đạo của các tiểu hành tinh và sao chổi băng qua quỹ đạo Trái đất. Để làm được điều này, đề xuất bố trí các tàu vũ trụ đặc biệt được trang bị thiết bị quang học và radar để phát hiện các vật thể nguy hiểm,tính toán các tham số của quỹ đạo của chúng và nghiên cứu cơ bản về các đặc điểm của chúng. Hệ thống có thể sử dụng động cơ vũ trụ hạt nhân với nhà máy điện hạt nhân nhiệt điện hai chế độ có công suất 150 kw trở lên. Tài nguyên của nó phải có ít nhất 10 năm tuổi.
2. Thử nghiệm phương tiện ảnh hưởng (vụ nổ của thiết bị nhiệt hạch) lên một tiểu hành tinh an toàn đa giác. Sức mạnh của NEP để đưa thiết bị thử nghiệm đến địa điểm thử nghiệm tiểu hành tinh phụ thuộc vào khối lượng của trọng tải được giao (150-500 kW).
3. Phân phối phương tiện gây ảnh hưởng thông thường (thiết bị đánh chặn có tổng trọng lượng từ 15-50 tấn) tới một vật thể nguy hiểm đang tiến gần Trái đất. Một động cơ phản lực hạt nhân có công suất từ 1-10 MW sẽ được yêu cầu để cung cấp điện tích nhiệt hạch tới một tiểu hành tinh nguy hiểm, vụ nổ bề mặt do dòng phản lực của vật chất làm tiểu hành tinh có thể làm chệch hướng nó khỏi một quỹ đạo nguy hiểm.

Giao thiết bị nghiên cứu đến không gian sâu

Việc cung cấp thiết bị khoa học cho các vật thể không gian (hành tinh xa xôi, sao chổi tuần hoàn, tiểu hành tinh) có thể được thực hiện bằng cách sử dụng các giai đoạn không gian dựa trên LRE. Nên sử dụng động cơ hạt nhân cho tàu vũ trụ khi có nhiệm vụ đi vào quỹ đạo vệ tinh của thiên thể, tiếp xúc trực tiếp với thiên thể, lấy mẫu chất và các nghiên cứu khác đòi hỏi khối lượng của tổ hợp nghiên cứu tăng lên, bao gồm các giai đoạn hạ cánh và cất cánh.

Thông số động cơ

Động cơ hạt nhân cho tàu vũ trụTổ hợp nghiên cứu sẽ mở rộng "cửa sổ bắt đầu" (do tốc độ dòng chảy được kiểm soát của chất lỏng làm việc), giúp đơn giản hóa việc lập kế hoạch và giảm chi phí của dự án. Nghiên cứu do RSC Energia thực hiện cho thấy hệ thống đẩy hạt nhân 150 kW có tuổi thọ lên đến ba năm là một phương tiện đầy hứa hẹn để cung cấp các mô-đun không gian cho vành đai tiểu hành tinh.

Đồng thời, việc đưa một thiết bị nghiên cứu đến quỹ đạo của các hành tinh xa xôi của hệ mặt trời đòi hỏi phải tăng nguồn tài nguyên của việc lắp đặt hạt nhân như vậy lên đến 5-7 năm. Người ta đã chứng minh rằng một khu phức hợp với hệ thống đẩy hạt nhân có công suất khoảng 1 MW như một phần của tàu vũ trụ nghiên cứu sẽ cho phép đưa các vệ tinh nhân tạo của các hành tinh xa nhất, các hành tinh lên bề mặt của các vệ tinh tự nhiên của các hành tinh này một cách nhanh chóng. và vận chuyển đất từ sao chổi, tiểu hành tinh, sao Thủy và các vệ tinh của sao Mộc và sao Thổ.

Kéo tái sử dụng (MB)

Một trong những cách quan trọng nhất để tăng hiệu quả của hoạt động vận tải trong không gian là sử dụng tái sử dụng các phần tử của hệ thống giao thông. Động cơ hạt nhân cho tàu vũ trụ có công suất ít nhất 500 kW giúp nó có thể tạo ra một lực kéo có thể tái sử dụng và do đó làm tăng đáng kể hiệu quả của hệ thống vận tải vũ trụ đa liên kết. Một hệ thống như vậy đặc biệt hữu ích trong chương trình đảm bảo lưu lượng hàng hóa lớn hàng năm. Một ví dụ là chương trình thám hiểm Mặt trăng với việc tạo ra và duy trì một căn cứ có thể sinh sống được liên tục phát triển và các tổ hợp công nghệ và sản xuất thử nghiệm.

Tính doanh thu hàng hóa

Theo nghiên cứu thiết kế RKK"Energia", trong quá trình xây dựng căn cứ, các mô-đun nặng khoảng 10 tấn cần được đưa lên bề mặt của Mặt trăng, tối đa 30 tấn vào quỹ đạo của Mặt trăng. Để đảm bảo hoạt động và phát triển của căn cứ - 400-500 t.

Tuy nhiên, nguyên lý hoạt động của động cơ hạt nhân không cho phép phân tán lực lượng vận chuyển đủ nhanh. Do thời gian vận chuyển dài và do đó, thời gian đáng kể của trọng tải trong các vành đai bức xạ của Trái đất, không phải tất cả hàng hóa đều có thể được vận chuyển bằng tàu kéo chạy bằng năng lượng hạt nhân. Do đó, lưu lượng hàng hóa có thể được cung cấp trên cơ sở NEP ước tính chỉ khoảng 100-300 tấn / năm.

Tiết kiệm chi phí

Là tiêu chí cho hiệu quả kinh tế của hệ thống vận chuyển liên quỹ đạo, nên sử dụng giá trị của đơn giá vận chuyển một đơn vị khối lượng tải trọng (PG) từ bề mặt Trái đất đến quỹ đạo mục tiêu. RSC Energia đã phát triển một mô hình kinh tế và toán học có tính đến các thành phần chi phí chính trong hệ thống giao thông:

• để tạo và phóng mô-đun kéo vào quỹ đạo;
• để mua một cài đặt hạt nhân đang hoạt động;
• chi phí vận hành, cũng như chi phí R&D và chi phí vốn có thể có.

Các chỉ số chi phí phụ thuộc vào các thông số tối ưu của MB. Sử dụng mô hình này, một so sánhhiệu quả kinh tế của việc sử dụng tàu kéo có thể tái sử dụng dựa trên NEP với công suất khoảng 1 MW và tàu kéo dùng một lần dựa trên động cơ tên lửa lỏng tiên tiến trong chương trình chuyển tải có tổng khối lượng 100 tấn / năm từ Trái đất lên quỹ đạo Mặt trăng với độ cao 100 km. Khi sử dụng cùng một phương tiện phóng có sức chở bằng sức chở của phương tiện phóng Proton-M và phương án hai bệ phóng để xây dựng một hệ thống vận tải, thì đơn giá của việc cung cấp một đơn vị khối lượng trọng tải bằng cách sử dụng một tàu kéo chạy bằng năng lượng hạt nhân sẽ thấp hơn ba lần so với khi sử dụng tàu kéo dùng một lần dựa trên tên lửa có động cơ chất lỏng loại DM-3.

Kết

Một động cơ hạt nhân hiệu quả cho không gian góp phần giải quyết các vấn đề môi trường của Trái đất, chuyến bay có người lái lên sao Hỏa, tạo ra hệ thống truyền tải điện không dây trong không gian, thực hiện xử lý an toàn cao chất thải phóng xạ nguy hại cao từ năng lượng hạt nhân trên mặt đất trong không gian, tạo ra một căn cứ có thể sinh sống trên Mặt Trăng và bắt đầu công nghiệp khám phá Mặt Trăng, đảm bảo bảo vệ Trái Đất khỏi nguy cơ tiểu hành tinh-sao chổi.