Motores nucleares para naves espaciais

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Última modificação: 2023-12-17 10:38

A Rússia foi e continua sendo líder no campo da energia espacial nuclear. Organizações como RSC Energia e Roskosmos têm experiência em projetar, construir, lançar e operar naves espaciais equipadas com uma fonte de energia nuclear. Um motor nuclear torna possível operar aeronaves por muitos anos, aumentando sua adequação prática muitas vezes.

Registro histórico

O uso da energia nuclear no espaço deixou de ser uma fantasia nos anos 70 do século passado. Os primeiros motores nucleares foram lançados ao espaço em 1970-1988 e operados com sucesso na espaçonave de observação US-A. Eles usaram um sistema com uma usina nuclear termoelétrica (NPP) "Buk" com potência elétrica de 3 kW.

Em 1987-1988, dois veículos Plasma-A com uma usina termiônica topázio de 5 kW passaram por testes de voo e espaciais, durante os quais motores de foguete elétricos (EP) foram alimentados a partir de uma fonte de energia nuclear pela primeira vez.

Completou um complexo de energia nuclear terrestretestes de energia da instalação nuclear termiônica "Yenisei" com capacidade de 5 kW. Com base nessas tecnologias, foram desenvolvidos projetos de usinas nucleares termiônicas com capacidade de 25-100 kW.

MB Hércules

Na década de 1970, a RSC Energia iniciou pesquisas científicas e práticas, cujo objetivo era criar um poderoso motor espacial nuclear para o rebocador interorbital (MB) Hércules. O trabalho permitiu fazer uma reserva por muitos anos em termos de um sistema de propulsão elétrica nuclear (NEP) com uma usina nuclear termiônica com potência de várias a centenas de quilowatts e motores de foguete elétricos com potência unitária de dezenas e centenas de quilowatts.

Parâmetros de design do MB "Hercules":

• energia elétrica líquida da usina nuclear – 550 kW;
• impulso específico do EPS – 30 km/s;
• impulso do projetor – 26 N;
• recurso de usina nuclear e propulsão elétrica - 16.000 horas;
• corpo de trabalho do EPS – xenônio;
• peso (seco) do rebocador - 14,5-15,7 toneladas, incluindo usinas nucleares - 6,9 toneladas.

Recentes

No século 21, é hora de criar um novo motor nuclear para o espaço. Em outubro de 2009, em uma reunião da Comissão sob a presidência da Federação Russa para a modernização e desenvolvimento tecnológico da economia russa, um novo projeto russo "Criação de um módulo de transporte e energia usando uma usina nuclear da classe megawatt" foi oficialmente aprovado. Os desenvolvedores principais são:

• Planta do reator – OJSC NIKIET.
• Central nuclear com um esquema de conversão de energia de turbina a gás, EPScom base em motores de foguetes elétricos de íons e sistemas de propulsão nuclear como um todo - Centro Científico do Estado “Centro de Pesquisa em homenagem a I. A. M. V. Keldysh”, que também é a organização responsável pelo programa de desenvolvimento do módulo de transporte e energia (TEM) como um todo.
• RKK Energia como projetista geral do TEM deve desenvolver um veículo automático com este módulo.

Características da nova instalação

Novo motor nuclear para o espaço A Rússia planeja colocar em operação comercial nos próximos anos. As características esperadas da turbina a gás NEP são as seguintes. Como reator, é usado um reator de nêutrons rápido refrigerado a gás, a temperatura do fluido de trabalho (mistura de He/Xe) na frente da turbina é de 1500 K, a eficiência de conversão de energia térmica em elétrica é de 35%, o tipo de radiador mais frio é gotejamento. A massa da unidade de potência (reator, proteção contra radiação e sistema de conversão, mas sem o radiador-radiador) é de 6.800 kg.

Motores nucleares espaciais (NPP, NPP junto com EPS) estão planejados para serem usados:

• Como parte de futuros veículos espaciais.
• Como fontes de eletricidade para complexos de uso intensivo de energia e naves espaciais.
• Resolver as duas primeiras tarefas no módulo de transporte e energia para garantir a entrega de foguetes elétricos de espaçonaves e veículos pesados para órbitas de trabalho e mais fornecimento de energia de longo prazo para seus equipamentos.

O princípio de funcionamento da energia nuclearmotor

Baseado na fusão de núcleos, ou no uso da energia de fissão do combustível nuclear para formar o impulso do jato. Existem instalações do tipo pulso-explosivo e líquido. A instalação explosiva lança bombas atômicas em miniatura no espaço, que, detonando a uma distância de vários metros, empurram o navio para frente com uma onda explosiva. Na prática, tais dispositivos ainda não são usados.

Os motores nucleares movidos a líquido, por outro lado, têm sido desenvolvidos e testados há muito tempo. Nos anos 60, especialistas soviéticos projetaram um modelo viável RD-0410. Sistemas semelhantes foram desenvolvidos nos Estados Unidos. Seu princípio é baseado no aquecimento do líquido com um mini-reator nuclear, ele se transforma em vapor e forma uma corrente de jato, que empurra a espaçonave. Embora o dispositivo seja chamado de líquido, o hidrogênio geralmente é usado como fluido de trabalho. Outra finalidade das instalações espaciais nucleares é alimentar a rede elétrica de bordo (instrumentos) de navios e satélites.

Veículos pesados de telecomunicações para comunicações espaciais globais

No momento, está em andamento o trabalho de um motor nuclear para o espaço, que está planejado para ser usado em veículos pesados de comunicação espacial. A RSC Energia realizou pesquisa e desenvolvimento de projeto de um sistema de comunicação espacial global economicamente competitivo com comunicações celulares baratas, o que deveria ser alcançado pela transferência da "estação telefônica" da Terra para o espaço.

Os pré-requisitos para sua criação são:

• preenchimento quase completo da órbita geoestacionária (GSO) com trabalho ecompanheiros passivos;
• exaustão de frequência;
• experiência positiva na criação e uso comercial de satélites geoestacionários de informação da série Yamal.

Ao criar a plataforma Yamal, as novas soluções técnicas representaram 95%, o que permitiu que esses veículos se tornassem competitivos no mercado global de serviços espaciais.

Está prevista a substituição dos módulos por equipamentos tecnológicos de comunicação aproximadamente a cada sete anos. Isso possibilitaria a criação de sistemas de 3-4 satélites GEO multifuncionais pesados com um aumento na energia elétrica consumida por eles. Inicialmente, as naves espaciais foram projetadas com base em painéis solares com capacidade de 30 a 80 kW. Na próxima etapa, está prevista a utilização de motores nucleares de 400 kW com recurso de até um ano no modo de transporte (para a entrega do módulo base ao GSO) e 150-180 kW no modo de operação de longo prazo (pelo menos 10-15 anos) como fonte de eletricidade.

Motores nucleares no sistema de proteção anti-meteoritos da Terra

Os estudos de projeto realizados pela RSC Energia no final dos anos 90 mostraram que na criação de um sistema anti-meteoritos para proteger a Terra dos núcleos de cometas e asteroides, instalações nuclear-elétricas e sistemas de propulsão nuclear podem ser usado para:

1. Criação de um sistema de monitoramento das trajetórias de asteroides e cometas que cruzam a órbita da Terra. Para fazer isso, propõe-se organizar naves espaciais especiais equipadas com equipamentos ópticos e de radar para detectar objetos perigosos,cálculo dos parâmetros de suas trajetórias e estudo primário de suas características. O sistema pode usar um motor espacial nuclear com uma usina nuclear termiônica de modo duplo com potência de 150 kW ou mais. Seu recurso deve ter pelo menos 10 anos.
2. Teste de meios de influência (explosão de um dispositivo termonuclear) em um asteroide poligonal seguro. O poder do NEP para entregar o dispositivo de teste ao local de teste do asteroide depende da massa da carga útil entregue (150-500 kW).
3. Entrega de meios regulares de influência (interceptor com um peso total de 15-50 toneladas) para um objeto perigoso que se aproxima da Terra. Um motor a jato nuclear com capacidade de 1-10 MW será necessário para fornecer uma carga termonuclear a um asteroide perigoso, cuja explosão na superfície, devido à corrente de jato do material do asteroide, pode desviá-lo de uma trajetória perigosa.

Entrega de equipamento de pesquisa ao espaço profundo

A entrega de equipamentos científicos para objetos espaciais (planetas distantes, cometas periódicos, asteroides) pode ser realizada usando estágios espaciais baseados em LRE. É aconselhável o uso de motores nucleares para naves espaciais quando a tarefa é entrar na órbita de um satélite de um corpo celeste, contato direto com um corpo celeste, amostragem de substâncias e outros estudos que exijam o aumento da massa do complexo de pesquisa, a inclusão de etapas de pouso e decolagem.

Parâmetros do motor

Motor nuclear para naves espaciaisO complexo de pesquisa ampliará a "janela de início" (devido à vazão controlada do fluido de trabalho), o que simplifica o planejamento e reduz o custo do projeto. Pesquisa realizada pela RSC Energia mostrou que um sistema de propulsão nuclear de 150 kW com vida útil de até três anos é um meio promissor de entregar módulos espaciais ao cinturão de asteroides.

Ao mesmo tempo, a entrega de um aparato de pesquisa nas órbitas de planetas distantes do sistema solar requer um aumento no recurso de tal instalação nuclear em até 5-7 anos. Ficou provado que um complexo com um sistema de propulsão nuclear com potência de cerca de 1 MW como parte de uma espaçonave de pesquisa permitirá a entrega acelerada de satélites artificiais dos planetas mais distantes, rovers planetários à superfície de satélites naturais desses planetas e entrega de solo de cometas, asteróides, Mercúrio e luas de Júpiter e Saturno.

Rebocador reutilizável (MB)

Uma das formas mais importantes de aumentar a eficiência das operações de transporte no espaço é o uso reutilizável de elementos do sistema de transporte. Um motor nuclear para naves espaciais com potência de pelo menos 500 kW torna possível criar um rebocador reutilizável e, assim, aumentar significativamente a eficiência de um sistema de transporte espacial multilink. Tal sistema é especialmente útil em um programa para garantir grandes fluxos anuais de carga. Um exemplo é o programa de exploração da Lua com a criação e manutenção de uma base habitável em constante crescimento e complexos tecnológicos e produtivos experimentais.

Cálculo do giro de carga

De acordo com estudos de design RKK"Energia", durante a construção da base, módulos pesando cerca de 10 toneladas devem ser entregues à superfície da Lua, até 30 toneladas na órbita da Lua. para garantir o funcionamento e desenvolvimento da base - 400-500 t.

No entanto, o princípio de funcionamento do motor nuclear não permite dispersar o transportador com rapidez suficiente. Devido ao longo tempo de transporte e, consequentemente, ao significativo tempo gasto pela carga útil nos cinturões de radiação da Terra, nem todas as cargas podem ser entregues usando rebocadores movidos a energia nuclear. Portanto, o fluxo de carga que pode ser fornecido com base no NEP é estimado em apenas 100-300 toneladas/ano.

Eficiência de custos

Como critério de eficiência econômica do sistema de transporte interorbital, é aconselhável utilizar o valor do custo unitário de transporte de uma unidade de massa de carga útil (PG) da superfície da Terra até a órbita alvo. A RSC Energia desenvolveu um modelo econômico e matemático que leva em consideração os principais componentes de custo do sistema de transporte:

• criar e lançar módulos de rebocadores em órbita;
• para a compra de uma instalação nuclear em funcionamento;
• custos operacionais, bem como custos de P&D e possíveis custos de capital.

Os indicadores de custo dependem dos parâmetros ótimos do MB. Usando este modelo, uma comparaçãoeficiência econômica do uso de um rebocador reutilizável baseado em NEP com potência de cerca de 1 MW e um rebocador descartável baseado em motores de foguetes líquidos avançados no programa de entrega de uma carga útil com uma massa total de 100 t/ano da Terra à órbita da Lua com uma altura de 100 km. Ao usar o mesmo veículo lançador com capacidade de carga igual à capacidade de carga do veículo lançador Proton-M e um esquema de dois lançamentos para a construção de um sistema de transporte, o custo unitário de entrega de uma unidade de massa de carga útil usando um rebocador movido a energia nuclear será três vezes menor do que ao usar rebocadores descartáveis baseados em foguetes com motores líquidos tipo DM-3.

Conclusão

Um motor nuclear eficiente para o espaço contribui para resolver os problemas ambientais da Terra, voo tripulado para Marte, criação de um sistema de transmissão de energia sem fio no espaço, implementação de descarte altamente seguro de resíduos radioativos altamente perigosos da energia nuclear terrestre no espaço, criando uma base lunar habitável e iniciando a exploração industrial da Lua, garantindo a proteção da Terra contra o perigo de asteroides e cometas.