محركات نووية للمركبات الفضائية

2024 مؤلف: Howard Calhoun | [email protected]. آخر تعديل: 2023-12-17 10:18

روسيا كانت ولا تزال رائدة في مجال الطاقة الفضائية النووية. تتمتع منظمات مثل RSC Energia و Roskosmos بخبرة في تصميم وبناء وإطلاق وتشغيل المركبات الفضائية المجهزة بمصدر للطاقة النووية. يجعل المحرك النووي من الممكن تشغيل الطائرات لسنوات عديدة ، مما يزيد من ملاءمتها العملية عدة مرات.

سجل تاريخي

لم يعد استخدام الطاقة النووية في الفضاء مجرد خيال في السبعينيات من القرن الماضي. تم إطلاق المحركات النووية الأولى إلى الفضاء في 1970-1988 وتم تشغيلها بنجاح على متن المركبة الفضائية US-A للمراقبة. استخدموا نظامًا مع محطة طاقة نووية كهربائية حرارية (NPP) "Buk" بطاقة كهربائية تبلغ 3 كيلوواط.

في 1987-1988 ، خضعت مركبتان من طراز Plasma-A مع محطة طاقة نووية حرارية توباز 5 كيلو وات لاختبارات طيران وفضاء ، تم خلالها تشغيل محركات الصواريخ الكهربائية (EP) من مصدر للطاقة النووية لأول مرة.

الانتهاء من مجمع نووي أرضياختبارات الطاقة للمنشأة النووية الحرارية "ينيسي" بقدرة 5 كيلوواط. على أساس هذه التقنيات ، تم تطوير مشاريع محطات الطاقة النووية الحرارية بقدرة 25-100 كيلوواط.

ميغابايت هرقل

في السبعينيات ، بدأت RSC Energia بحثًا علميًا وعمليًا ، كان الغرض منه إنشاء محرك فضاء نووي قوي للقاطرة بين المدارات (MB) Hercules. جعل العمل من الممكن عمل احتياطي لسنوات عديدة من حيث نظام الدفع الكهربائي النووي (NEP) مع محطة طاقة نووية حرارية بطاقة عدة إلى مئات الكيلوات ومحركات الصواريخ الكهربائية بوحدة قوة من عشرات والمئات كيلووات.

معلمات تصميم ميغا بايت "هرقل":

• صافي الطاقة الكهربائية لمحطة الطاقة النووية - 550 كيلوواط ؛
• الدافع المحدد لـ EPS - 30 كم / ثانية ؛
• توجه جهاز العرض - 26 N ؛
• مورد لمحطة الطاقة النووية والدفع الكهربائي - 16000 ساعة ؛
• هيئة العمل من EPS - زينون ؛
• الوزن (الجاف) للقاطرة - 14.5-15.7 طن ، بما في ذلك محطات الطاقة النووية - 6.9 طن.

الأوقات الأخيرة

في القرن الحادي والعشرين ، حان الوقت لإنشاء محرك نووي جديد للفضاء. في تشرين الأول / أكتوبر 2009 ، في اجتماع للجنة برئاسة رئيس الاتحاد الروسي لتحديث الاقتصاد الروسي وتطويره التكنولوجي ، تم تنفيذ مشروع روسي جديد بعنوان "إنشاء وحدة نقل وطاقة باستخدام محطة طاقة نووية من فئة ميغاوات" تمت الموافقة عليها رسميًا. المطورون الرئيسيون هم:

• مصنع مفاعل - OJSC NIKIET.
• محطة للطاقة النووية مع مخطط تحويل طاقة توربينات الغاز ، EPSعلى أساس محركات الصواريخ الكهربائية الأيونية وأنظمة الدفع النووية ككل - مركز أبحاث الولاية "سمي على اسم A. I. M. V. Keldysh "، وهي أيضًا المنظمة المسؤولة عن برنامج تطوير وحدة النقل والطاقة (TEM) ككل.
• يجب على RKK Energia كمصمم عام لـ TEM تطوير مركبة آلية مع هذه الوحدة.

خصائص التثبيت الجديد

محرك نووي جديد للفضاء تخطط روسيا لبدء التشغيل التجاري في السنوات المقبلة. الخصائص المتوقعة للتوربينات الغازية NEP هي كما يلي. كمفاعل ، يتم استخدام مفاعل نيوتروني سريع مبرد بالغاز ، درجة حرارة مائع العمل (خليط He / Xe) أمام التوربينات هي 1500 كلفن ، كفاءة التحويل الحراري إلى طاقة كهربائية 35٪ ، نوع المبرد المبرد بالتنقيط. كتلة وحدة الطاقة (المفاعل ، نظام الحماية من الإشعاع والتحويل ، ولكن بدون المبرد) هي 6800 كجم.

تم التخطيط لاستخدام المحركات النووية الفضائية (NPP و NPP مع EPS):

• كجزء من المركبات الفضائية المستقبلية.
• كمصادر للكهرباء للمجمعات كثيفة الاستهلاك للطاقة والمركبات الفضائية.
• لحل المهمتين الأوليين في وحدة النقل والطاقة لضمان توصيل الصواريخ الكهربائية للمركبات الفضائية الثقيلة والمركبات إلى مدارات العمل والمزيد من الإمداد بالطاقة على المدى الطويل لمعداتهم.

مبدأ التشغيل النوويالمحرك

يعتمد إما على اندماج النوى ، أو على استخدام الطاقة الانشطارية للوقود النووي لتشكيل الدفع النفاث. هناك تركيبات من أنواع المتفجرات النبضية والسائلة. تقوم المنشأة المتفجرة بإلقاء قنابل ذرية مصغرة في الفضاء ، والتي تنفجر على مسافة عدة أمتار ، وتدفع السفينة إلى الأمام بموجة متفجرة. من الناحية العملية ، لم يتم استخدام هذه الأجهزة بعد.

المحركات النووية التي تعمل بالوقود السائل ، من ناحية أخرى ، تم تطويرها واختبارها منذ فترة طويلة. مرة أخرى في الستينيات ، صمم المتخصصون السوفييت نموذجًا عمليًا RD-0410. تم تطوير أنظمة مماثلة في الولايات المتحدة. يعتمد مبدأهم على تسخين السائل بمفاعل نووي صغير ، يتحول إلى بخار ويشكل تيارًا نفاثًا يدفع المركبة الفضائية. على الرغم من أن الجهاز يسمى سائلًا ، إلا أنه عادةً ما يستخدم الهيدروجين كسائل عامل. الغرض الآخر للمنشآت الفضائية النووية هو تزويد الشبكة الكهربائية على متن السفن (الأدوات) بالطاقة والأقمار الصناعية.

مركبات اتصالات ثقيلة للاتصالات الفضائية العالمية

في الوقت الحالي ، يجري العمل على محرك نووي للفضاء ، من المقرر استخدامه في مركبات الاتصالات الفضائية الثقيلة. أجرت شركة RSC Energia بحثًا وتطويرًا لنظام اتصالات فضائية عالميًا تنافسيًا اقتصاديًا مع اتصالات خلوية رخيصة ، كان من المفترض أن يتحقق من خلال نقل "محطة الهاتف" من الأرض إلى الفضاء.

المتطلبات الأساسية لإنشائها هي:

• شبه كامل ملء المدار الثابت بالنسبة للأرض (GSO) مع العمل والصحابة السلبيون ؛
• استنفاد التردد ؛
• تجربة إيجابية في إنشاء واستخدام معلومات الأقمار الصناعية الثابتة بالنسبة للأرض لسلسلة يامال.

عند إنشاء منصة Yamal ، شكلت الحلول التقنية الجديدة 95٪ ، مما سمح لمثل هذه المركبات بأن تصبح تنافسية في سوق خدمات الفضاء العالمي.

من المتوقع استبدال الوحدات بمعدات الاتصالات التكنولوجية كل سبع سنوات تقريبًا. وهذا من شأنه أن يجعل من الممكن إنشاء أنظمة مكونة من 3-4 أقمار صناعية ثقيلة متعددة الوظائف مع زيادة الطاقة الكهربائية التي تستهلكها. في البداية ، تم تصميم المركبة الفضائية على أساس الألواح الشمسية بسعة 30-80 كيلوواط. في المرحلة التالية ، من المخطط استخدام محركات نووية بقدرة 400 كيلوواط مع مورد يصل إلى عام واحد في وضع النقل (لتسليم الوحدة الأساسية إلى GSO) و 150-180 كيلوواط في وضع التشغيل طويل المدى (10-15 سنة على الأقل) كمصدر للكهرباء

محركات نووية في نظام حماية الأرض من النيازك

أظهرت دراسات التصميم التي أجرتها RSC Energia في أواخر التسعينيات أنه عند إنشاء نظام مضاد للنيازك لحماية الأرض من نوى المذنبات والكويكبات ، يمكن أن تكون التركيبات الكهربائية النووية وأنظمة الدفع النووية يستخدم من أجل:

1. إنشاء نظام لرصد مسارات الكويكبات والمذنبات التي تعبر مدار الأرض. للقيام بذلك ، يُقترح ترتيب مركبة فضائية خاصة مزودة بمعدات بصرية ورادارية لاكتشاف الأجسام الخطرة ،حساب معلمات مساراتها والدراسة الأولية لخصائصها. يمكن للنظام أن يستخدم محركًا فضائيًا نوويًا بمحطة طاقة نووية حرارية ثنائية الوضع بقوة 150 كيلو وات أو أكثر. يجب ألا يقل عمر موردها عن 10 سنوات.
2. اختبار وسائل التأثير (انفجار جهاز نووي حراري) على كويكب آمن على شكل مضلع. تعتمد قدرة NEP على توصيل جهاز الاختبار إلى موقع اختبار الكويكب على كتلة الحمولة التي تم تسليمها (150-500 كيلوواط).
3. إيصال وسائل التأثير العادية (معترض بوزن إجمالي 15-50 طنًا) لجسم خطير يقترب من الأرض. ستكون هناك حاجة إلى محرك نفاث نووي بسعة 1-10 ميغاواط لإيصال شحنة نووية حرارية إلى كويكب خطير ، يمكن أن يؤدي انفجاره السطحي ، بسبب التيار النفاث لمادة الكويكب ، إلى انحرافه عن مسار خطير.

تسليم معدات البحث إلى الفضاء السحيق

يمكن تسليم المعدات العلمية للأجسام الفضائية (الكواكب البعيدة ، المذنبات الدورية ، الكويكبات) باستخدام مراحل الفضاء على أساس LRE. يُنصح باستخدام المحركات النووية للمركبات الفضائية عندما تكون المهمة هي الدخول في مدار قمر صناعي لجرم سماوي ، والاتصال المباشر بجرم سماوي ، وأخذ عينات من المواد والدراسات الأخرى التي تتطلب زيادة في كتلة مجمع البحث ، إدراج مراحل الهبوط والإقلاع.

معلمات المحرك

محرك نووي للمركبة الفضائيةسيقوم مجمع البحث بتوسيع "نافذة البداية" (بسبب معدل التدفق الخارج المتحكم به لسائل العمل) ، مما يبسط التخطيط ويقلل من تكلفة المشروع. أظهرت الأبحاث التي أجرتها RSC Energia أن نظام الدفع النووي بقدرة 150 كيلوواط مع عمر خدمة يصل إلى ثلاث سنوات هو وسيلة واعدة لتوصيل وحدات فضائية إلى حزام الكويكبات.

في نفس الوقت ، يتطلب إيصال جهاز بحث إلى مدارات الكواكب البعيدة في النظام الشمسي زيادة موارد مثل هذا التركيب النووي حتى 5-7 سنوات. لقد ثبت أن المجمع الذي يحتوي على نظام دفع نووي بقوة حوالي 1 ميغاواط كجزء من مركبة فضائية بحثية سيسمح بتسليم سريع للأقمار الصناعية من الكواكب البعيدة والمركبات الكوكبية إلى سطح الأقمار الصناعية الطبيعية لهذه الكواكب وتسليم التربة من المذنبات والكويكبات وعطارد وأقمار كوكب المشتري وزحل.

قاطرة قابلة لإعادة الاستخدام (MB)

من أهم الطرق لزيادة كفاءة عمليات النقل في الفضاء الاستخدام القابل لإعادة الاستخدام لعناصر نظام النقل. يتيح المحرك النووي للمركبة الفضائية بقوة 500 كيلوواط على الأقل إنشاء قاطرة قابلة لإعادة الاستخدام وبالتالي زيادة كفاءة نظام النقل الفضائي متعدد الوصلات بشكل كبير. مثل هذا النظام مفيد بشكل خاص في برنامج لضمان تدفقات البضائع السنوية الكبيرة. مثال على ذلك هو برنامج استكشاف القمر مع إنشاء وصيانة قاعدة صالحة للسكن تنمو باستمرار ومجمعات تكنولوجية وإنتاجية تجريبية.

حساب دوران البضائع

وفقًا لدراسات تصميم RKK"Energia" ، أثناء بناء القاعدة ، يجب تسليم الوحدات التي تزن حوالي 10 أطنان إلى سطح القمر ، حتى 30 طنًا في مدار القمر. لضمان عمل القاعدة وتطويرها - 400-500 ر

ومع ذلك ، فإن مبدأ تشغيل المحرك النووي لا يسمح بتفريق الناقل بسرعة كافية. نظرًا لطول وقت النقل ، وبالتالي ، الوقت الكبير الذي تقضيه الحمولة في الأحزمة الإشعاعية للأرض ، لا يمكن تسليم جميع البضائع باستخدام القاطرات التي تعمل بالطاقة النووية. لذلك ، فإن تدفق البضائع الذي يمكن توفيره على أساس NEP يقدر بـ 100-300 طن / سنة فقط.

كفاءة التكلفة

كمعيار للكفاءة الاقتصادية لنظام النقل بين المدارات ، يُنصح باستخدام قيمة تكلفة الوحدة لنقل كتلة وحدة الحمولة الصافية (PG) من سطح الأرض إلى المدار المستهدف. طورت شركة RSC Energia نموذجًا اقتصاديًا ورياضيًا يأخذ في الاعتبار مكونات التكلفة الرئيسية في نظام النقل:

• لإنشاء وتشغيل وحدات السحب في المدار ؛
• لشراء منشأة نووية عاملة ؛
• تكاليف التشغيل ، بالإضافة إلى تكاليف البحث والتطوير وتكاليف رأس المال المحتملة.

تعتمد مؤشرات التكلفة على المعلمات المثلى للميجابايت. باستخدام هذا النموذج ، مقارنالكفاءة الاقتصادية لاستخدام قاطرة قابلة لإعادة الاستخدام تعتمد على NEP بقوة حوالي 1 ميغاواط وقاطرة يمكن التخلص منها بناءً على محركات صاروخية سائلة متقدمة في البرنامج لتوصيل حمولة بكتلة إجمالية تبلغ 100 طن / سنة من الأرض إلى مدار القمر بارتفاع 100 كم. عند استخدام نفس مركبة الإطلاق ذات القدرة الاستيعابية التي تساوي القدرة الاستيعابية لمركبة الإطلاق Proton-M ونظام الإطلاق الثنائي لبناء نظام نقل ، فإن تكلفة الوحدة لنقل كتلة وحدة الحمولة الصافية باستخدام قاطرة تعمل بالطاقة النووية سيكون أقل بثلاث مرات من استخدام القاطرات التي تستخدم لمرة واحدة على أساس الصواريخ ذات المحركات السائلة من النوع DM-3.

الخلاصة

محرك نووي فعال للفضاء يساهم في حل المشاكل البيئية للأرض ، رحلة مأهولة إلى المريخ ، إنشاء نظام نقل طاقة لاسلكي في الفضاء ، تنفيذ مع زيادة الأمان في التخلص من النفايات المشعة الخطرة بشكل خاص من الأرض الطاقة النووية في الفضاء ، وإنشاء قاعدة قمرية صالحة للسكن وبدء الاستكشاف الصناعي للقمر ، مما يضمن حماية الأرض من خطر الكويكبات.