Atommotoren für Raumfahrzeuge

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2023-12-17 10:23

Russland war und ist führend auf dem Gebiet der nuklearen Weltraumenergie. Organisationen wie RSC Energia und Roskosmos haben Erfahrung in der Entwicklung, dem Bau, dem Start und dem Betrieb von Raumfahrzeugen, die mit einer Kernenergiequelle ausgestattet sind. Ein Nuklearantrieb ermöglicht den Betrieb von Flugzeugen über viele Jahre und erhöht deren Praxistauglichkeit um ein Vielfaches.

Historische Aufzeichnung

Die Nutzung der Kernenergie im Weltraum war in den 70er Jahren des letzten Jahrhunderts keine Fantasie mehr. Die ersten Nuklearmotoren wurden zwischen 1970 und 1988 ins All geschossen und erfolgreich auf dem Beobachtungsraumschiff US-A betrieben. Sie verwendeten ein System mit einem thermoelektrischen Kernkraftwerk (KKW) "Buk" mit einer elektrischen Leistung von 3 kW.

In den Jahren 1987-1988 wurden zwei Plasma-A-Fahrzeuge mit einem 5-kW-Topaz-Thermionik-Kernkraftwerk Flug- und Weltraumtests unterzogen, bei denen elektrische Raketentriebwerke (EP) zum ersten Mal von einer Kernenergiequelle angetrieben wurden.

Fertigstellung eines bodengestützten NuklearkomplexesEnergietests der thermionischen Kernanlage "Yenisei" mit einer Leistung von 5 kW. Auf der Grundlage dieser Technologien wurden Projekte für thermionische Kernkraftwerke mit einer Leistung von 25-100 kW entwickelt.

MB Hercules

In den 1970er Jahren begann RSC Energia mit wissenschaftlicher und praktischer Forschung, deren Ziel es war, einen leistungsstarken nuklearen Weltraummotor für den interorbitalen Schlepper (MB) Hercules zu schaffen. Die Arbeit ermöglichte es, für viele Jahre eine Reserve in Bezug auf ein nukleares elektrisches Antriebssystem (NEP) mit einem thermionischen Kernkraftwerk mit einer Leistung von mehreren bis Hunderten von Kilowatt und elektrischen Raketentriebwerken mit einer Einheitsleistung von zehn und Hunderten zu machen Kilowatt.

Designparameter von MB "Hercules":

• elektrische Nettoleistung des Kernkraftwerks – 550 kW;
• spezifischer Impuls von EPS – 30 km/s;
• Projektorschub – 26 N;
• Ressource Kernkraftwerk und Elektroantrieb - 16.000 Stunden;
• Arbeitsgremium der EPS – Xenon;
• Gewicht (trocken) des Schleppers - 14,5-15,7 Tonnen, einschließlich Kernkraftwerke - 6,9 Tonnen.

Neueste Zeiten

Im 21. Jahrhundert ist es an der Zeit, einen neuen Nuklearmotor für den Weltraum zu entwickeln. Im Oktober 2009 wurde auf einer Sitzung der Kommission des Präsidenten der Russischen Föderation für die Modernisierung und technologische Entwicklung der russischen Wirtschaft ein neues russisches Projekt „Schaffung eines Transport- und Energiemoduls unter Verwendung eines Kernkraftwerks der Megawattklasse“vorgestellt offiziell zugelassen. Leitende Entwickler sind:

• Reaktoranlage – OJSC NIKIET.
• Kernkraftwerk mit einem Gasturbinen-Energieumwandlungssystem, EPSauf der Grundlage von ionenelektrischen Raketentriebwerken und Kernantriebssystemen als Ganzes - Staatliches Wissenschaftszentrum „Forschungszentrum benannt nach A. I. M. V. Keldysh“, die auch die verantwortliche Organisation für das Entwicklungsprogramm des Transport- und Energiemoduls (TEM) als Ganzes ist.
• RKK Energia als Generalkonstrukteur von TEM sollte mit diesem Modul ein automatisches Fahrzeug entwickeln.

Merkmale der Neuinstallation

Neuer Nuklearmotor für den Weltraum, den Russland in den kommenden Jahren in den kommerziellen Betrieb nehmen will. Die erwarteten Eigenschaften des Gasturbinen-NEP sind wie folgt. Als Reaktor wird ein gasgekühlter schneller Neutronenreaktor verwendet, die Temperatur des Arbeitsmediums (He/Xe-Gemisch) vor der Turbine beträgt 1500 K, der Wirkungsgrad der Umwandlung von thermischer in elektrische Energie beträgt 35 %, Typ Kühler-Kühler ist Tropf. Die Masse des Triebwerks (Reaktor, Strahlenschutz und Umwandlungssystem, aber ohne Radiator-Radiator) beträgt 6.800 kg.

Nuklearantriebe im Weltall (NPP, NPP zusammen mit EPS) sollen eingesetzt werden:

• Als Teil zukünftiger Raumfahrzeuge.
• Als Stromquellen für energieintensive Komplexe und Raumfahrzeuge.
• Lösen der ersten beiden Aufgaben im Transport- und Energiemodul, um die elektrische Raketenbeförderung schwerer Raumfahrzeuge und Fahrzeuge in Arbeitsumlaufbahnen und die weitere langfristige Stromversorgung ihrer Ausrüstung sicherzustellen.

Das Funktionsprinzip der KernkraftMotor

Basierend entweder auf der Verschmelzung von Kernen oder auf der Nutzung der Sp altenergie von Kernbrennstoff zur Bildung von Düsenschub. Es gibt Installationen von Puls-Explosiv- und Flüssigkeitstypen. Die Sprenganlage wirft Miniatur-Atombomben ins All, die in mehreren Metern Entfernung explodieren und das Schiff mit einer Explosionswelle nach vorne treiben. In der Praxis werden solche Geräte noch nicht verwendet.

Mit flüssigem Brennstoff betriebene Atommotoren hingegen sind seit langem entwickelt und getestet worden. Bereits in den 60er Jahren entwarfen sowjetische Spezialisten ein funktionsfähiges Modell RD-0410. Ähnliche Systeme wurden in den Vereinigten Staaten entwickelt. Ihr Prinzip basiert auf der Erwärmung der Flüssigkeit mit einem nuklearen Minireaktor, sie verwandelt sich in Dampf und bildet einen Jetstream, der das Raumschiff antreibt. Obwohl das Gerät als Flüssigkeit bezeichnet wird, wird normalerweise Wasserstoff als Arbeitsmedium verwendet. Ein weiterer Zweck nuklearer Weltraumanlagen ist die Stromversorgung des elektrischen Bordnetzes (Instrumente) von Schiffen und Satelliten.

Schwere Telekommunikationsfahrzeuge für die globale Weltraumkommunikation

Derzeit wird an einem Nuklearmotor für den Weltraum gearbeitet, der in schweren Raumkommunikationsfahrzeugen eingesetzt werden soll. RSC Energia führte Forschung und Designentwicklung eines wirtschaftlich wettbewerbsfähigen globalen Weltraumkommunikationssystems mit billiger Mobilfunkkommunikation durch, das durch die Übertragung der "Telefonstation" von der Erde in den Weltraum erreicht werden sollte.

Die Voraussetzungen für ihre Erstellung sind:

• nahezu vollständige Füllung der geostationären Umlaufbahn (GSO) mit Arbeits- undpassive Begleiter;
• Frequenzerschöpfung;
• positive Erfahrungen bei der Erstellung und kommerziellen Nutzung von geostationären Informationssatelliten der Jamal-Serie.

Bei der Schaffung der Yamal-Plattform entfielen 95 % auf neue technische Lösungen, die es solchen Fahrzeugen ermöglichten, auf dem globalen Markt für Weltraumdienste wettbewerbsfähig zu werden.

Es wird erwartet, dass etwa alle sieben Jahre Module durch technologische Kommunikationsausrüstung ersetzt werden. Dies würde es ermöglichen, Systeme von 3-4 schweren multifunktionalen GEO-Satelliten mit einer Erhöhung der von ihnen verbrauchten elektrischen Leistung zu schaffen. Ursprünglich wurden Raumfahrzeuge auf Basis von Solarmodulen mit einer Leistung von 30-80 kW entwickelt. In der nächsten Phase ist geplant, 400-kW-Atommotoren mit einer Ressource von bis zu einem Jahr im Transportmodus (für die Lieferung des Basismoduls an die GSO) und 150-180 kW im Langzeitbetriebsmodus einzusetzen (mindestens 10-15 Jahre) als Stromquelle

Atommotoren im Anti-Meteoriten-Schutzsystem der Erde

Die Ende der 90er Jahre von RSC Energia durchgeführten Designstudien zeigten, dass bei der Schaffung eines Anti-Meteoriten-Systems zum Schutz der Erde vor den Kernen von Kometen und Asteroiden nuklearelektrische Anlagen und nukleare Antriebssysteme eingesetzt werden können verwendet für:

1. Schaffung eines Systems zur Überwachung der Bahnen von Asteroiden und Kometen, die die Erdumlaufbahn kreuzen. Zu diesem Zweck wird vorgeschlagen, spezielle Raumfahrzeuge anzuordnen, die mit optischen und Radargeräten zur Erkennung gefährlicher Objekte ausgestattet sind. Berechnung der Parameter ihrer Bahnen und primäre Untersuchung ihrer Eigenschaften. Das System kann einen nuklearen Weltraummotor mit einem thermionischen Zweimodus-Kernkraftwerk mit einer Leistung von 150 kW oder mehr verwenden. Seine Ressource muss mindestens 10 Jahre alt sein.
2. Testen von Einflussmöglichkeiten (Explosion einer thermonuklearen Vorrichtung) auf einem polygonsicheren Asteroiden. Die Leistung des NEP, um das Testgerät zum Asteroiden-Testgelände zu bringen, hängt von der Masse der gelieferten Nutzlast ab (150-500 kW).
3. Lieferung eines regulären Einflussmittels (Abfangjäger mit einem Gesamtgewicht von 15-50 Tonnen) an ein gefährliches Objekt, das sich der Erde nähert. Ein Atomstrahltriebwerk mit einer Kapazität von 1-10 MW wird benötigt, um einen gefährlichen Asteroiden mit einer thermonuklearen Ladung zu versorgen, dessen Oberflächenexplosion aufgrund des Jetstreams des Asteroidenmaterials ihn von einer gefährlichen Flugbahn ablenken kann.

Lieferung von Forschungsgeräten in den Weltraum

Die Lieferung wissenschaftlicher Ausrüstung an Weltraumobjekte (entfernte Planeten, periodische Kometen, Asteroiden) kann mit Hilfe von LRE-basierten Raumstationen durchgeführt werden. Es ist ratsam, Kernmotoren für Raumfahrzeuge zu verwenden, wenn die Aufgabe darin besteht, in die Umlaufbahn eines Satelliten eines Himmelskörpers einzudringen, direkten Kontakt mit einem Himmelskörper aufzunehmen, Substanzen zu entnehmen und andere Studien durchzuführen, die eine Erhöhung der Masse des Forschungskomplexes erfordern Aufnahme von Lande- und Startbühnen.

Motorparameter

Atommotor für RaumfahrzeugeDer Forschungskomplex wird das "Startfenster" (aufgrund der kontrollierten Abflussrate des Arbeitsfluids) erweitern, was die Planung vereinfacht und die Kosten des Projekts senkt. Von RSC Energia durchgeführte Untersuchungen haben gezeigt, dass ein 150-kW-Nuklearantriebssystem mit einer Lebensdauer von bis zu drei Jahren ein vielversprechendes Mittel ist, um Weltraummodule in den Asteroidengürtel zu bringen.

Gleichzeitig erfordert die Lieferung eines Forschungsgeräts in die Umlaufbahnen entfernter Planeten des Sonnensystems eine Erhöhung der Ressourcen einer solchen Nuklearanlage um 5-7 Jahre. Es wurde bewiesen, dass ein Komplex mit einem Kernantriebssystem mit einer Leistung von etwa 1 MW als Teil eines Forschungsraumfahrzeugs eine beschleunigte Lieferung künstlicher Satelliten der entferntesten Planeten, Planetenrover an die Oberfläche natürlicher Satelliten dieser Planeten ermöglichen wird und Anlieferung von Erde von Kometen, Asteroiden, Merkur und Monden von Jupiter und Saturn.

Mehrwegschlepper (MB)

Eine der wichtigsten Möglichkeiten, die Effizienz von Transportvorgängen im Weltraum zu steigern, ist die wiederverwendbare Verwendung von Elementen des Transportsystems. Ein Nuklearmotor für Raumfahrzeuge mit einer Leistung von mindestens 500 kW ermöglicht es, einen wiederverwendbaren Schlepper zu schaffen und damit die Effizienz eines Multilink-Raumtransportsystems erheblich zu steigern. Ein solches System ist besonders nützlich in einem Programm zur Sicherstellung großer jährlicher Ladungsströme. Ein Beispiel ist das Mondexplorationsprogramm mit der Schaffung und Erh altung einer ständig wachsenden bewohnbaren Basis und experimenteller Technologie- und Produktionskomplexe.

Berechnung Frachtumschlag

Nach RKK-Designstudien"Energia", während des Baus der Basis sollten Module mit einem Gewicht von etwa 10 Tonnen an die Mondoberfläche geliefert werden, bis zu 30 Tonnen in die Umlaufbahn des Mondes, um das Funktionieren und die Entwicklung der Basis zu gewährleisten - 400-500 t.

Das Funktionsprinzip des Atommotors erlaubt es jedoch nicht, den Transporter schnell genug zu zerstreuen. Aufgrund der langen Transportzeit und der damit verbundenen erheblichen Verweildauer der Nutzlast in den Strahlungsgürteln der Erde können nicht alle Frachten mit nuklearbetriebenen Schleppern transportiert werden. Daher wird der Frachtfluss, der auf der Grundlage von NEP bereitgestellt werden kann, auf nur 100-300 Tonnen/Jahr geschätzt.

Kosteneffizienz

Als Kriterium für die Wirtschaftlichkeit des interorbitalen Transportsystems empfiehlt es sich, den Wert der Einheitskosten für den Transport einer Einheitsmasse der Nutzlast (PG) von der Erdoberfläche zum Zielorbit heranzuziehen. RSC Energia hat ein wirtschaftliches und mathematisches Modell entwickelt, das die Hauptkostenkomponenten im Transportsystem berücksichtigt:

• zum Erstellen und Starten von Schleppmodulen in den Orbit;
• für den Kauf einer funktionierenden Nuklearanlage;
• Betriebskosten sowie F&E-Kosten und mögliche Kapitalkosten.

Kostenindikatoren hängen von den optimalen Parametern des MB ab. Mit diesem Modell ein VergleichWirtschaftlichkeit des Einsatzes eines wiederverwendbaren Schleppers auf Basis von NEP mit einer Leistung von etwa 1 MW und eines Einwegschleppers auf Basis fortschrittlicher Flüssigkeitsraketentriebwerke im Programm zur Beförderung einer Nutzlast mit einer Gesamtmasse von 100 t/Jahr von der Erde in die Umlaufbahn des Mondes mit einer Höhe von 100 km. Bei Verwendung derselben Trägerrakete mit einer Tragfähigkeit, die der Tragfähigkeit der Proton-M-Trägerrakete entspricht, und einem Zwei-Start-Schema zum Bau eines Transportsystems die Einheitskosten für die Lieferung einer Einheitsmasse an Nutzlast mit einem nuklearbetriebenen Schlepper wird dreimal niedriger sein als bei Verwendung von Einwegschleppern auf Basis von Raketen mit Flüssigkeitsmotoren des Typs DM-3.

Schlussfolgerung

Ein effizienter Nuklearmotor für den Weltraum trägt zur Lösung der Umweltprobleme der Erde, zum bemannten Flug zum Mars, zur Schaffung eines drahtlosen Energieübertragungssystems im Weltraum bei und führt mit erhöhter Sicherheit die Entsorgung besonders gefährlicher radioaktiver Abfälle am Boden durch Kernenergie im Weltraum, Schaffung einer bewohnbaren Mondbasis und Beginn der industriellen Erforschung des Mondes, um den Schutz der Erde vor der Gefahr von Asteroiden und Kometen zu gewährleisten.