ბირთვული ძრავები კოსმოსური ხომალდებისთვის

2024 ავტორი: Howard Calhoun | [email protected]. ბოლოს შეცვლილი: 2023-12-17 10:32

რუსეთი იყო და რჩება ლიდერი ბირთვული კოსმოსური ენერგიის სფეროში. ისეთ ორგანიზაციებს, როგორიცაა RSC Energia და Roskosmos, აქვთ გამოცდილება ბირთვული ენერგიის წყაროებით აღჭურვილი კოსმოსური ხომალდების დიზაინის, აშენების, გაშვებისა და ექსპლუატაციის საქმეში. ბირთვული ძრავა შესაძლებელს ხდის თვითმფრინავების ოპერირებას მრავალი წლის განმავლობაში, რამდენჯერმე გაზრდის მათ პრაქტიკულ ვარგისიანობას.

ისტორიული ჩანაწერი

ატომური ენერგიის გამოყენება კოსმოსში შეწყდა ფანტაზიად ჯერ კიდევ გასული საუკუნის 70-იან წლებში. პირველი ბირთვული ძრავები კოსმოსში 1970-1988 წლებში გაუშვეს და წარმატებით მოქმედებდნენ US-A სადამკვირვებლო კოსმოსურ ხომალდზე. მათ გამოიყენეს სისტემა თერმოელექტრული ატომური ელექტროსადგურით (NPP) "Buk" ელექტროენერგიის 3 კვტ..

1987-1988 წლებში ორი Plasma-A მანქანა 5 კვტ ტოპაზის თერმიონული ატომური ელექტროსადგურით გაიარა ფრენის და კოსმოსური ტესტები, რომლის დროსაც ელექტრო სარაკეტო ძრავები (EP) პირველად იკვებებოდა ბირთვული ენერგიის წყაროდან.

დაასრულა მიწისზედა ბირთვული კომპლექსი5 კვტ სიმძლავრის თერმიონული ბირთვული დანადგარის „ენისეის“ენერგეტიკული გამოცდები. ამ ტექნოლოგიების საფუძველზე შემუშავდა 25-100 კვტ სიმძლავრის თერმიონული ატომური ელექტროსადგურების პროექტები..

MB Hercules

1970-იან წლებში RSC Energia-მ დაიწყო სამეცნიერო და პრაქტიკული კვლევები, რომლის მიზანი იყო მძლავრი ბირთვული კოსმოსური ძრავის შექმნა ინტერორბიტალური ბუქსირით (MB) Hercules-ისთვის. სამუშაომ შესაძლებელი გახადა რეზერვის შექმნა მრავალი წლის განმავლობაში ბირთვული ელექტროძრავის სისტემის (NEP) თვალსაზრისით თერმიონული ატომური ელექტროსადგურით, რომლის სიმძლავრეა რამდენიმე ასეულ კილოვატამდე და ელექტრო სარაკეტო ძრავებით, ერთეულის სიმძლავრით ათობით და ასეულობით. კილოვატი.

მბაიტი "Hercules"-ის დიზაინის პარამეტრები:

• ატომური ელექტროსადგურის წმინდა ელექტროენერგია – 550 კვტ;
• სპეციფიკური იმპულსი EPS - 30 კმ/წმ;
• პროექტორის ბიძგი – 26 N;
• ატომური ელექტროსადგურისა და ელექტროძრავის რესურსი - 16000 საათი;
• EPS-ის სამუშაო სხეული - ქსენონი;
• ბუქსირის წონა (მშრალი) - 14,5-15,7 ტონა, ატომური ელექტროსადგურების ჩათვლით - 6,9 ტონა.

ბოლო დრო

21-ე საუკუნეში დროა შევქმნათ ახალი ბირთვული ძრავა კოსმოსისთვის. 2009 წლის ოქტომბერში, რუსეთის ფედერაციის პრეზიდენტთან არსებული კომისიის სხდომაზე რუსეთის ეკონომიკის მოდერნიზაციისა და ტექნოლოგიური განვითარების მიზნით, განხორციელდა ახალი რუსული პროექტი "ტრანსპორტისა და ენერგეტიკული მოდულის შექმნა მეგავატის კლასის ატომური ელექტროსადგურის გამოყენებით". ოფიციალურად დამტკიცებული. წამყვანი დეველოპერები არიან:

• რეაქტორის ქარხანა – OJSC NIKIET.
• ატომური ელექტროსადგური გაზის ტურბინის ენერგიის კონვერტაციის სქემით, EPSიონური ელექტრო სარაკეტო ძრავების და მთლიანად ბირთვული ამძრავი სისტემების ბაზაზე - სახელმწიფო სამეცნიერო ცენტრი „კვლევითი ცენტრი ა.ი. M. V. Keldysh”, რომელიც ასევე არის პასუხისმგებელი ორგანიზაცია მთლიანად ტრანსპორტისა და ენერგეტიკული მოდულის (TEM) განვითარების პროგრამაზე.
• RKK Energia-მ, როგორც TEM-ის გენერალურმა დიზაინერმა, უნდა განავითაროს ავტომატური მანქანა ამ მოდულით.

ახალი ინსტალაციის მახასიათებლები

ახალი ბირთვული ძრავა კოსმოსისთვის რუსეთი გეგმავს კომერციულ ექსპლუატაციაში შესვლას უახლოეს წლებში. გაზის ტურბინის NEP-ის მოსალოდნელი მახასიათებლები შემდეგია. რეაქტორად გამოიყენება გაზით გაგრილებული სწრაფი ნეიტრონული რეაქტორი, სამუშაო სითხის (He/Xe ნარევი) ტემპერატურა ტურბინის წინ არის 1500 K, თერმული ელექტრულ ენერგიად გადაქცევის ეფექტურობა 35%, ტიპი. ქულერ-რადიატორი არის წვეთოვანი. ენერგობლოკის მასა (რეაქტორი, რადიაციული დაცვა და კონვერტაციის სისტემა, მაგრამ რადიატორის რადიატორის გარეშე) არის 6800 კგ.

დაგეგმილია კოსმოსური ბირთვული ძრავების (NPP, NPP ერთად EPS) გამოყენება:

• როგორც მომავალი კოსმოსური მანქანების ნაწილი.
• როგორც ელექტროენერგიის წყარო ენერგო ინტენსიური კომპლექსებისა და კოსმოსური ხომალდებისთვის.
• სატრანსპორტო და ენერგეტიკული მოდულის პირველი ორი ამოცანის გადასაჭრელად, რათა უზრუნველყოს მძიმე კოსმოსური ხომალდების და მანქანების ელექტრო რაკეტების მიწოდება სამუშაო ორბიტებზე და შემდგომი გრძელვადიანი ელექტრომომარაგება მათი აღჭურვილობისთვის.

ატომური მოქმედების პრინციპიძრავა

დაფუძნებულია ან ბირთვების შერწყმაზე, ან ბირთვული საწვავის დაშლის ენერგიის გამოყენებაზე რეაქტიული ბიძგის ფორმირებისთვის. არის იმპულსური ფეთქებადი და თხევადი ტიპის დანადგარები. ასაფეთქებელი ინსტალაცია კოსმოსში ისვრის მინიატურულ ატომურ ბომბებს, რომლებიც რამდენიმე მეტრის მანძილზე აფეთქდებიან, ფეთქებადი ტალღით წინ უბიძგებენ გემს. პრაქტიკაში, ასეთი მოწყობილობები ჯერ არ გამოიყენება.

მეორეს მხრივ, თხევად საწვავზე მომუშავე ბირთვული ძრავები დიდი ხანია შემუშავებული და გამოცდილია. ჯერ კიდევ 60-იან წლებში საბჭოთა სპეციალისტებმა შეიმუშავეს მოქმედი მოდელი RD-0410. მსგავსი სისტემები შემუშავებულია შეერთებულ შტატებში. მათი პრინციპი ემყარება სითხის გაცხელებას ბირთვული მინირეაქტორით, ის იქცევა ორთქლად და აყალიბებს რეაქტიულ ნაკადს, რომელიც უბიძგებს კოსმოსურ ხომალდს. მიუხედავად იმისა, რომ მოწყობილობას თხევადს უწოდებენ, წყალბადი ჩვეულებრივ გამოიყენება როგორც სამუშაო სითხე. ბირთვული კოსმოსური დანადგარების კიდევ ერთი დანიშნულებაა გემებისა და თანამგზავრების ელექტრო საბორტო ქსელის (ინსტრუმენტების) კვება.

მძიმე სატელეკომუნიკაციო მანქანები გლობალური კოსმოსური კომუნიკაციებისთვის

ამ დროისთვის მიმდინარეობს მუშაობა კოსმოსური ბირთვული ძრავის შექმნაზე, რომლის გამოყენებაც იგეგმება მძიმე კოსმოსურ საკომუნიკაციო მანქანებში. RSC Energia-მ ჩაატარა ეკონომიკურად კონკურენტუნარიანი გლობალური კოსმოსური საკომუნიკაციო სისტემის კვლევა და დიზაინის შემუშავება იაფი ფიჭური კომუნიკაციებით, რაც უნდა მიღწეულიყო „სატელეფონო სადგურის“დედამიწიდან კოსმოსში გადატანით.

მათი შექმნის წინაპირობაა:

• გეოსტაციონარული ორბიტის (GSO) თითქმის სრული შევსება სამუშაო დაპასიური კომპანიონები;
• სიხშირის ამოწურვა;
• დადებითი გამოცდილება Yamal-ის სერიის საინფორმაციო გეოსტაციონარული თანამგზავრების შექმნისა და კომერციული გამოყენების საქმეში.

Yamal პლატფორმის შექმნისას, ახალმა ტექნიკურმა გადაწყვეტილებებმა შეადგინა 95%, რამაც საშუალება მისცა ასეთ მანქანებს გამხდარიყვნენ კონკურენტუნარიანი კოსმოსური სერვისების გლობალურ ბაზარზე.

მოსალოდნელია მოდულების შეცვლა ტექნოლოგიური საკომუნიკაციო აღჭურვილობით დაახლოებით ყოველ შვიდ წელიწადში ერთხელ. ეს შესაძლებელს გახდის 3-4 მძიმე მრავალფუნქციური GEO თანამგზავრის სისტემების შექმნას მათ მიერ მოხმარებული ელექტროენერგიის გაზრდით. თავდაპირველად, კოსმოსური ხომალდები 30-80 კვტ სიმძლავრის მზის პანელებზე დაყრდნობით შეიქმნა. შემდეგ ეტაპზე დაგეგმილია 400 კვტ სიმძლავრის ბირთვული ძრავების გამოყენება ერთ წლამდე რესურსით სატრანსპორტო რეჟიმში (საბაზისო მოდულის GSO-სთვის მიწოდებისთვის) და 150-180 კვტ გრძელვადიანი მუშაობის რეჟიმში. (მინიმუმ 10-15 წელი) როგორც ელექტროენერგიის წყარო.

ბირთვული ძრავები დედამიწის საწინააღმდეგო მეტეორიტის დაცვის სისტემაში

RSC Energia-ს მიერ 90-იანი წლების ბოლოს ჩატარებულმა საპროექტო კვლევებმა აჩვენა, რომ ანტიმეტეორიტული სისტემის შექმნისას, რომელიც იცავს დედამიწას კომეტებისა და ასტეროიდების ბირთვებისგან, ატომურ-ელექტრო დანადგარები და ატომური მამოძრავებელი სისტემები შეიძლება იყოს. გამოიყენება:

1. მიწის ორბიტაზე გადამკვეთი ასტეროიდების და კომეტების ტრაექტორიების მონიტორინგის სისტემის შექმნა. ამისათვის შემოთავაზებულია სპეციალური კოსმოსური ხომალდის მოწყობა, რომელიც აღჭურვილია ოპტიკური და სარადარო აღჭურვილობით საშიში ობიექტების გამოსავლენად.მათი ტრაექტორიების პარამეტრების გამოთვლა და მათი მახასიათებლების პირველადი შესწავლა. სისტემას შეუძლია გამოიყენოს ბირთვული კოსმოსური ძრავა ორრეჟიმიანი თერმიონული ატომური ელექტროსადგურით, რომლის სიმძლავრეა 150 კვტ ან მეტი. მისი რესურსი უნდა იყოს მინიმუმ 10 წლის.
2. გავლენის საშუალებების ტესტირება (თერმობირთვული მოწყობილობის აფეთქება) პოლიგონის უსაფრთხო ასტეროიდზე. NEP-ის სიმძლავრე ასტეროიდის ტესტირების ადგილზე სატესტო მოწყობილობის მიწოდებაზე დამოკიდებულია მიწოდებული დატვირთვის მასაზე (150-500 კვტ).
3. რეგულარული ზემოქმედების საშუალებების (ჩამჭრელი ჯამური მასით 15-50 ტონა) მიწოდება დედამიწასთან მიახლოებულ საშიშ ობიექტს. 1-10 მგვტ სიმძლავრის ბირთვული რეაქტიული ძრავა საჭირო იქნება თერმობირთვული მუხტის მიწოდებისთვის სახიფათო ასტეროიდისთვის, რომლის ზედაპირულმა აფეთქებამ, ასტეროიდის მასალის რეაქტიული ნაკადის გამო, შეიძლება გადააგდოს იგი საშიში ტრაექტორიიდან.

კვლევითი აღჭურვილობის მიწოდება ღრმა სივრცეში

მეცნიერული აღჭურვილობის მიწოდება კოსმოსურ ობიექტებზე (შორეული პლანეტები, პერიოდული კომეტები, ასტეროიდები) შეიძლება განხორციელდეს LRE-ზე დაფუძნებული კოსმოსური ეტაპების გამოყენებით. მიზანშეწონილია გამოიყენოთ ბირთვული ძრავები კოსმოსური ხომალდებისთვის, როდესაც ამოცანაა ციური სხეულის თანამგზავრის ორბიტაზე შესვლა, ციურ სხეულთან პირდაპირი კონტაქტი, ნივთიერებების აღება და სხვა კვლევები, რომლებიც საჭიროებენ კვლევითი კომპლექსის მასის გაზრდას, დაშვებისა და აფრენის ეტაპების ჩართვა.

ძრავის პარამეტრები

ბირთვული ძრავა კოსმოსური ხომალდისთვისკვლევითი კომპლექსი გააფართოვებს „საწყის ფანჯარას“(მუშა სითხის კონტროლირებადი გადინების სიჩქარის გამო), რაც ამარტივებს დაგეგმვას და ამცირებს პროექტის ღირებულებას. RSC Energia-ს მიერ ჩატარებულმა კვლევამ აჩვენა, რომ 150 კვტ სიმძლავრის ატომური მამოძრავებელი სისტემა სამ წლამდე მომსახურების ვადით არის პერსპექტიული საშუალება ასტეროიდების სარტყელში კოსმოსური მოდულების მიწოდებისთვის.

ამავდროულად, მზის სისტემის შორეული პლანეტების ორბიტებზე კვლევითი აპარატის მიწოდება მოითხოვს ასეთი ბირთვული დანადგარის რესურსის გაზრდას 5-7 წლამდე. დადასტურდა, რომ კომპლექსი ატომური მამოძრავებელი სისტემით, რომლის სიმძლავრეა დაახლოებით 1 მეგავატი, როგორც კვლევითი კოსმოსური ხომალდის ნაწილი, საშუალებას მისცემს ყველაზე შორეული პლანეტების ხელოვნური თანამგზავრების, პლანეტარული როვერების დაჩქარებულ მიწოდებას ამ პლანეტების ბუნებრივი თანამგზავრების ზედაპირზე. და ნიადაგის მიწოდება კომეტებიდან, ასტეროიდები, მერკური და იუპიტერისა და სატურნის მთვარეები.

ბევრად გამოყენებადი ბუქსირი (MB)

სივრცეში სატრანსპორტო ოპერაციების ეფექტურობის გაზრდის ერთ-ერთი ყველაზე მნიშვნელოვანი გზა არის სატრანსპორტო სისტემის ელემენტების მრავალჯერადი გამოყენება. კოსმოსური ხომალდისთვის ბირთვული ძრავა, რომლის სიმძლავრეა მინიმუმ 500 კვტ, შესაძლებელს ხდის მრავალჯერადი გამოყენების ბუქსირის შექმნას და ამით მნიშვნელოვნად გაზრდის კოსმოსური სატრანსპორტო სისტემის მრავალ რგოლს. ასეთი სისტემა განსაკუთრებით გამოსადეგია პროგრამაში დიდი წლიური ტვირთის ნაკადების უზრუნველსაყოფად. ამის მაგალითია მთვარის საძიებო პროგრამა მუდმივად მზარდი საცხოვრებელი ბაზის და ექსპერიმენტული ტექნოლოგიური და საწარმოო კომპლექსების შექმნით და შენარჩუნებით.

ტვირთბრუნვის გაანგარიშება

RKK დიზაინის კვლევების მიხედვით"ენერგია", ბაზის აგების დროს მთვარის ზედაპირზე უნდა მიიტანონ დაახლოებით 10 ტონა მასის მოდულები, მთვარის ორბიტაზე 30 ტონამდე. ბაზის ფუნქციონირებისა და განვითარების უზრუნველსაყოფად - 400-500 t.

თუმცა, ბირთვული ძრავის მუშაობის პრინციპი არ იძლევა საშუალებას, რომ გადამზიდი სწრაფად დაარბიოს. ტრანსპორტირების ხანგრძლივი დროისა და, შესაბამისად, დედამიწის რადიაციულ სარტყლებში ტვირთამწეობის მიერ გატარებული მნიშვნელოვანი დროის გამო, ყველა ტვირთის მიწოდება არ შეიძლება ატომური ენერგიით მომუშავე ბუქსირების გამოყენებით. ამრიგად, ტვირთის ნაკადი, რომელიც შეიძლება უზრუნველყოფილი იყოს NEP-ის საფუძველზე, შეფასებულია მხოლოდ 100-300 ტონა/წელიწადში.

ხარჯების ეფექტურობა

როგორც ორბიტალური სატრანსპორტო სისტემის ეკონომიკური ეფექტურობის კრიტერიუმი, მიზანშეწონილია გამოიყენოთ ტვირთის ერთეული მასის (PG) ტრანსპორტირების ღირებულება დედამიწის ზედაპირიდან სამიზნე ორბიტამდე. RSC Energia-მ შეიმუშავა ეკონომიკური და მათემატიკური მოდელი, რომელიც ითვალისწინებს სატრანსპორტო სისტემაში ღირებულების ძირითად კომპონენტებს:

• ორბიტაზე ბუქსირის მოდულების შესაქმნელად და გასაშვებად;
• მუშა ბირთვული დანადგარის შესაძენად;
• ოპერაციული ხარჯები, ასევე R&D ხარჯები და შესაძლო კაპიტალის ხარჯები.

ღირებულების ინდიკატორები დამოკიდებულია MB-ის ოპტიმალურ პარამეტრებზე. ამ მოდელის გამოყენებით, შედარებითიNEP-ზე დაფუძნებული მრავალჯერადი ბუქსირის გამოყენების ეკონომიკური ეფექტურობა, რომლის სიმძლავრეა დაახლოებით 1 მეგავატი და ერთჯერადი ბუქსირი, რომელიც დაფუძნებულია მოწინავე თხევად სარაკეტო ძრავებზე, პროგრამაში დედამიწიდან მთვარის ორბიტამდე 100 ტ/წლიური მასის ტვირთის მიწოდებისთვის. 100 კმ სიმაღლით. ერთი და იგივე გამშვები სატრანსპორტო საშუალების გამოყენებისას, რომლის ტევადობა ტოლია Proton-M გამშვები სატრანსპორტო საშუალების ტარების სიმძლავრესთან და სატრანსპორტო სისტემის ასაგებად ორი გაშვების სქემით, ატომური ბუქსირის გამოყენებით ტვირთამწეობის ერთეული მასის მიწოდების ერთეული ღირებულება. სამჯერ დაბალი იქნება, ვიდრე DM-3 ტიპის თხევადი ძრავების მქონე რაკეტებზე დაფუძნებული ერთჯერადი ბუქსირების გამოყენებისას.

დასკვნა

კოსმოსისთვის ეფექტური ბირთვული ძრავა ხელს უწყობს დედამიწის გარემოსდაცვითი პრობლემების გადაჭრას, პილოტირებულ ფრენას მარსზე, უსადენო ელექტროგადამცემი სისტემის შექმნას კოსმოსში, გაზრდილი უსაფრთხოებით ახორციელებს სახმელეთო განსაკუთრებით საშიში რადიოაქტიური ნარჩენების განადგურებას. ბირთვული ენერგია კოსმოსში, სასიცოცხლო მთვარის ბაზის შექმნა და მთვარის სამრეწველო კვლევის დაწყება, დედამიწის დაცვა ასტეროიდ-კომეტას საფრთხისგან.