Ядзерныя рухавікі для касмічных караблёў

Расія была і цяпер застаецца лідэрам у галіне ядзернай касмічнай энергетыкі. Вопыт праектавання, будаўніцтва, запуску і эксплуатацыі касмічных апаратаў, аснашчаных ядзернай крыніцай электраэнергіі, маюць такія арганізацыі, як РКК «Энергія» і «Раскосмас». Ядзерны рухавік дазваляе эксплуатаваць лятальныя апараты многія гады, шматкроць павялічваючы іх практычную прыгоднасць.

Гістарычная летапіс

Выкарыстанне ядзернай энергетыкі ў космасе перастала быць фантастыкай яшчэ ў 70-х гадах мінулага стагоддзя. Першыя ядзерныя рухавікі ў 1970-1988 запускаліся ў космас і паспяхова эксплуатаваліся на касмічных апаратах (КА) назірання «ВУС-А». У іх ўжывалася сістэма з тэрмаэлектрычныя ядзерна-энергетычнай усталёўкай (ЯЭУ) «Бук» электрычнай магутнасцю 3 кВт.

У 1987-1988 два апараты «Плазма-А» з термоэмиссионной ЯЭУ «Тапаз» магутнасцю 5 кВт прайшлі лётна-касмічныя выпрабаванні, падчас якіх упершыню было ажыццёўлена харчаванне электроракетных рухавікоў (ЭРД) ад ядзернай крыніцы энергіі.

Выкананы комплекс наземных ядзерна-энергетычных выпрабаванняў термоэмиссионной ядзернай усталяваннем «Енісей» магутнасцю 5 кВт. На аснове гэтых тэхналогій распрацаваны праекты термоэмиссионных ЯЭУ магутнасцю 25-100 кВт.

МБ «Геркулес»

РКК «Энергія» ў 70-х пачала навукова-практычным пошуках, мэтай якіх было стварыць магутны ядзерны касмічны рухавік для межорбитального буксіра (МБ) «Геркулес». Працы дазволілі зрабіць аснову на многія гады ў частцы ядзернай электроракетной рухальнай ўстаноўкі (ЯЭРДУ) з термоэмиссионной ЯЭУ магутнасцю некалькі - сотняў кілават і электроракетных рухавікоў адзінкавай магутнасцю дзясяткі і сотні кілават.

Праектныя параметры МБ «Геркулес»:

• карысная электрычная магутнасць ЯЭУ - 550 кВт;
• удзельная імпульс ЭРДУ - 30 км / с;
• цяга ЭРДУ - 26 Н;
• рэсурс ЯЭУ і ЭРДУ - за 16 000 ч;
• рабочае цела ЭРДУ - ксенон;
• маса (сухая) буксіра - 14,5-15,7 т, у тым ліку ЯЭУ - 6,9 т.

найноўшы час

У XXI стагоддзі настаў час стварыць новы ядзерны рухавік для космасу. У кастрычніку 2009 года на пасяджэнні Камісіі пры прэзідэнце РФ па мадэрнізацыі і тэхналагічным развіцці эканомікі Расіі быў афіцыйна зацверджаны новы расійскі праект «Стварэнне транспартна-энергетычнага модуля з выкарыстаннем ядзернай энергодвигательной ўстаноўкі мегаваттного класа». Галаўнымі распрацоўшчыкамі з'яўляюцца:

• Рэактарнай устаноўкі - ААТ «НИКИЭТ».
• Ядзерна-энергетычнай устаноўкі з газатурбіннай схемай пераўтварэння энергіі, ЭРДУ на аснове іённых электроракетных рухавікоў і ЯЭРДУ ў цэлым - ГНЦ «Даследчы цэнтр ім. М. В. Келдыша », які з'яўляецца таксама адказнай арганізацыяй па праграме распрацоўкі транспартна-энергетычнага модуля (ТЭМ) у цэлым.
• РКК «Энергія» у якасці генеральнага канструктара ТЭМ павінна распрацаваць аўтаматычны апарат з гэтым модулем.

Характарыстыкі новай устаноўкі

Новы ядзерны рухавік для космасу Расія плануе запусціць у камерцыйную эксплуатацыю ў бліжэйшыя гады. Меркаваныя характарыстыкі газатурбіннай ЯЭРДУ наступныя. У якасці рэактара выкарыстоўваецца газоохлаждаемый рэактар на хуткіх нейтронах, тэмпература працоўнага цела (сумесь He / Xe) перад турбінай - 1500 Да, ККД пераўтварэння цеплавой ў электрычную энергію - 35%, тып халадзільніка-выпраменьвальніка - кропельным. Маса энергаблока (рэактар, радыяцыйная абарона і сістэма пераўтварэнні, але без халадзільніка-выпраменьвальніка) - 6 800 кг.

Касмічныя ядзерныя рухавікі (ЯЭУ, ЯЭУ сумесна з ЭРДУ) плануецца выкарыстоўваць:

• У складзе будучых касмічных транспартных сродкаў.
• Як крыніц электраэнергіі для энергаёмістых комплексаў і касмічных апаратаў.
• Для вырашэння першых двух задач у транспартна-энергетычным модулі па забеспячэнні электроракетной дастаўкі цяжкіх касмічных караблёў і апаратаў на рабочыя арбіты і далейшае працяглы энергазабеспячэнне іх апаратуры.

Прынцып працы ядзернага рухавіка

Грунтуецца альбо на сінтэзе ядраў, альбо на выкарыстанні энергіі дзялення ядзернага паліва для фарміравання рэактыўнай цягі. Адрозніваюць ўстаноўкі імпульсна-выбуховага і вадкаснага тыпаў. Выбухная ўстаноўка выкідвае ў космас мініяцюрныя атамныя бомбы, якія детонируя на адлегласьці некалькіх мэтраў, выбухны хваляй штурхаюць карабель наперад. На практыцы такія прылады пакуль не выкарыстоўваюцца.

Вадкасныя ядзерныя рухавікі, насупраць, даўно распрацаваны і выпрабаваныя. Яшчэ ў 60-х гадах савецкія спецыялісты сканструявалі працаздольную мадэль РД-0410. Падобныя сістэмы распрацоўваліся і ў ЗША. Іх прынцып заснаваны на награванні вадкасці ядзернай міні-рэактарам, яна ператвараецца ў пар і фармуе рэактыўную брую, якая і штурхае касмічны апарат. Хоць лад называюць вадкасным, у якасці рабочага цела, як правіла, выкарыстоўваюць вадарод. Яшчэ адно прызначэнне ядзерных касмічных установак - харчаванне электрычнай бартавы сеткі (прыбораў) караблёў і спадарожнікаў.

Цяжкія тэлекамунікацыйныя апараты глабальнай касмічнай сувязі

На дадзены момант вядуцца работы па ядзерным рухавіку для космасу, які плануецца выкарыстоўваць у цяжкіх апаратах касмічнай сувязі. РКК «Энергія» былі выкананы даследаванні і праектныя распрацоўкі сістэмы глабальнай касмічнай сувязі эканамічна канкурэнтаздольнай з таннай сотавай сувяззю, што меркавалася дасягнуць пераносам «тэлефоннай станцыі» з Зямлі ў космас.

Перадумовамі да іх стварэння з'яўляюцца:

• практычна поўнае запаўненне геастацыянарнай арбіты (ГСО) працуюць і пасіўнымі спадарожнікамі;
• вычарпанне частотнага рэсурсу;
• станоўчы вопыт стварэння і камерцыйнага выкарыстання інфармацыйных геастацыянарнай спадарожнікаў серыі «Ямал».

Пры стварэнні платформы «Ямал» новыя тэхнічныя рашэнні склалі 95%, што і дазволіла такім апаратам стаць канкурэнтаздольнымі на сусветным рынку касмічных паслуг.

Мяркуецца замена модуляў з тэхналагічным сувязным абсталяваннем прыкладна кожныя сем гадоў. Гэта дазволіла б ствараць сістэмы з 3-4 цяжкіх шматфункцыянальных спадарожнікаў на ГСО з павелічэннем спажыванай імі электрычнай магутнасці. Першапачаткова былі спраектаваны КА на аснове сонечных батарэй магутнасцю 30-80 кВт. На наступным этапе ў якасці крыніцы электраэнергіі плануецца выкарыстоўваць ядзерныя рухавікі на 400 кВт з рэсурсам да аднаго года ў транспартным рэжыме (для дастаўкі базавага модуля на ГСО) і 150-180 кВт у рэжыме працяглага функцыянавання (не менш 10-15 гадоў).

Ядзерныя рухавікі ў сістэме антиметеоритной абароны Зямлі

Выкананыя РКК «Энергія» у канцы 90-х праектныя даследаванні паказалі, што ў стварэнні антиметеоритной сістэмы абароны Зямлі ад ядраў камет і астэроідаў ядзерна-электрычныя ўстаноўкі і ЯЭРДУ могуць быць выкарыстаны для:

1. Стварэння сістэмы маніторынгу траекторый астэроідаў і камет, якія перасякаюць арбіту Зямлі. Для гэтага прапануецца расставіць спецыяльныя касмічныя апараты, абсталяваныя аптычнай і радыёлакацыйнай апаратурай для выяўлення небяспечных аб'ектаў, вылічэнні параметраў іх траекторый і першаснага даследавання іх характарыстык. У сістэме можа быць задзейнічаны ядзерны касмічны рухавік з двухрежимной термоэмиссионной ЯЭУ магутнасцямі ад 150 кВт. Яе рэсурс павінен быць не менш за 10 гадоў.
2. Выпрабаванні сродкаў ўздзеяння (выбух тэрмаядзернага прылады) на палігон бяспечным астэроідзе. Магутнасць ЯЭРДУ для дастаўкі выпрабавальнага прылады да астэроід-палігону залежыць ад масы які дастаўляецца карыснага грузу (150-500 кВт).
3. Дастаўкі штатных сродкаў ўздзеяння (перахопніка сумарнай масай 15-50 т) да надыходзячым да Зямлі небяспечнаму аб'екту. Спатрэбіцца ядзерны рэактыўны рухавік магутнасцю 1-10 МВт для дастаўкі да небяспечнага астэроід тэрмаядзернага зарада, павярхоўны выбух якога за кошт рэактыўнай бруі матэрыялу астэроіда зможа адхіліць яго ад небяспечнай траекторыі.

Дастаўка даследчага абсталявання ў далёкі космас

Дастаўка навуковага абсталявання да касмічным аб'ектах (далёкіх планет, перыядычным каметам, астэроідаў) можа ажыццяўляцца з выкарыстаннем касмічных прыступак на аснове ЖРД. Ўжываць ядзерныя рухавікі для касмічных апаратаў мэтазгодна, калі ставіцца задача выхаду на арбіту спадарожніка нябеснага цела, прамога кантакту з нябесным целам, адбору пробаў рэчываў і іншых даследаванняў, якія патрабуюць павелічэння масы даследчага комплексу, уключэння ў яго пасадачнай і ўзлётнай прыступак.

параметры рухавікоў

Ядзерны рухавік для касмічных караблёў даследчага комплексу дасць магчымасць пашырыць «акно старту» (з прычыны кіраванай хуткасці заканчэння рабочага цела), што спрашчае планаванне і зніжае цану праекта. Даследаванні, выкананыя РКК «Энергія», паказалі, што ЯЭРДУ 150 кВт з рэсурсам да трох гадоў з'яўляецца перспектыўным сродкам дастаўкі касмічных модуляў ў пояс астэроідаў.

У той жа час дастаўка даследчага апарата на арбіты далёкіх планет Сонечнай сістэмы патрабуе павелічэння рэсурсу такой ядзернай ўстаноўкі да 5-7 гадоў. Даказана, што комплекс з ЯЭРДУ магутнасцю парадку 1 МВт ў складзе даследчага КА дазволіць забяспечыць паскораную дастаўку за 5-7 гадоў на арбіты штучных спадарожнікаў найбольш аддаленых планет, планетоход на паверхню натуральных спадарожнікаў гэтых планет і дастаўку на Зямлю грунту з камет, астэроідаў, Меркурыя і спадарожнікаў Юпітэра і Сатурна.

Шматразовы буксір (МБ)

Адным з найважнейшых спосабаў павышэння эфектыўнасці транспартных аперацый у космасе з'яўляецца шматразовае выкарыстанне элементаў транспартнай сістэмы. Ядзерны рухавік для касмічных караблёў магутнасцю не менш за 500 кВт дазваляе стварыць шматразовы буксір і тым самым значна павысіць эфектыўнасць многозвенных касмічнай транспартнай сістэмы. Асабліва карысная такая сістэма ў праграме забеспячэння вялікіх гадавых грузапатокаў. Прыкладам можа стаць праграма асваення Месяца са стварэннем і абслугоўваннем пастаянна нарошчваць заселенай базы і эксперыментальных тэхналагічных і вытворчых комплексаў.

Разлік грузаабароту

Згодна з праектным прапрацоўкі РКК «Энергія», пры будаўніцтве базы на паверхню Месяца павінны дастаўляцца модулі масай каля 10 т, на арбіту Месяца - да 30 т. Сумарны грузапаток з Зямлі пры будаўніцтве заселенай месяцовай базы і наведвальнай месяцовай арбітальнай станцыі ацэньваецца ў 700-800 т , а гадавы грузапаток для забеспячэння функцыянавання і развіцця базы - 400-500 т.

Аднак прынцып працы ядзернага рухавіка не дазваляе разагнаць Транспартнік досыць хутка. З-за доўгага часу транспарціроўкі і, адпаведна, значнага часу знаходжання карыснага грузу ў радыяцыйных паясах Зямлі не ўсе грузы могуць быць дастаўлены з выкарыстаннем буксіраў з ядзернай рухавіком. Таму грузапаток, які можа быць забяспечаны на аснове ЯЭРДУ, ацэньваецца толькі ў 100-300 т / год.

эканамічная эфектыўнасць

У якасці крытэрыю эканамічнай эфектыўнасці межорбитальной транспартнай сістэмы мэтазгодна выкарыстаць значэнне ўдзельнай кошту транспарціроўкі адзінкі масы карыснага грузу (ПГ) з паверхні Зямлі на мэтавую арбіту. РКК «Энергія» была распрацавана эканоміка-матэматычная мадэль, якая ўлічвае асноўныя складнікі выдаткаў у транспартнай сістэме:

• на стварэнне і вывядзенне на арбіту модуляў буксіра;
• на закупку рабочай ядзернай ўстаноўкі;
• эксплуатацыйныя выдаткі, а таксама выдаткі на правядзенне НДВКП і магчымыя капітальныя выдаткі.

Вартасныя паказчыкі залежаць ад аптымальных параметраў МБ. З выкарыстаннем гэтай мадэлі была даследавана параўнальная эканамічная эфектыўнасць прымянення шматразовага буксіра на аснове ЯЭРДУ магутнасцю парадку 1 МВт і аднаразовага буксіра на аснове перспектыўных вадкасных ракетных рухавікоў у праграме забеспячэння дастаўкі з Зямлі на арбіту Месяца вышынёй 100 км карыснага грузу сумарнай масай 100 т / год. Пры выкарыстанні адной і той жа ракеты-носьбіта грузападымальнасцю, роўнай грузападымальнасці РН «Протон-М», і двухпусковой схемы пабудовы транспартнай сістэмы удзельная кошт дастаўкі адзінкі масы карыснага грузу з дапамогай буксіра на аснове ядзернага рухавіка будзе ў тры разы ніжэй, чым пры выкарыстанні аднаразовых буксіраў на аснове ракет з вадкаснымі рухавікамі тыпу ДМ-3.

выснову

Эфектыўны ядзерны рухавік для космасу спрыяе вырашэнню экалагічных праблем Зямлі, палёту чалавека да Марса, стварэнні сістэмы бесправадной перадачы энергіі ў космасе, рэалізацыі з падвышанай бяспекай пахавання ў космасе асабліва небяспечных радыеактыўных адходаў наземнай атамнай энергетыкі, стварэнню заселенай месяцовай базы і пачатку прамысловага асваення Месяца, забеспячэнню абароны Зямлі ад астероидно-кометной небяспекі.