מנועים גרעיניים לחללית

2024 מְחַבֵּר: Howard Calhoun | [email protected]. שונה לאחרונה: 2023-12-17 10:27

רוסיה הייתה ועודנה מובילה בתחום אנרגיית החלל הגרעינית. לארגונים כמו RSC Energia ו-Roskosmos יש ניסיון בתכנון, בנייה, שיגור והפעלת חלליות המצוידות במקור כוח גרעיני. מנוע גרעיני מאפשר להפעיל מטוסים במשך שנים רבות, ומגדיל את התאמתם המעשית פי כמה.

שיא היסטורי

השימוש באנרגיה גרעינית בחלל הפסיק להיות פנטזיה עוד בשנות ה-70 של המאה הקודמת. המנועים הגרעיניים הראשונים שוגרו לחלל בשנים 1970-1988 ופעלו בהצלחה על חללית התצפית US-A. הם השתמשו במערכת עם תחנת כוח גרעינית תרמו-חשמלית (NPP) "Buk" עם הספק חשמלי של 3 קילוואט.

בשנים 1987-1988, שני רכבי פלזמה-A עם תחנת כוח גרעינית תרמיונית של טופז בהספק של 5 קילוואט עברו ניסויי טיסה וחלל, במהלכם הונעו לראשונה מנועי רקטות חשמליים (EP) ממקור אנרגיה גרעיני.

השלימה קומפלקס של גרעין קרקעיבדיקות אנרגיה של המתקן הגרעיני התרמיוני "Yenisei" בהספק של 5 קילוואט. על בסיס טכנולוגיות אלו פותחו פרויקטים של תחנות כוח גרעיניות תרמיוניות בהספק של 25-100 קילוואט.

MB Hercules

בשנות ה-70, RSC Energia החלה במחקר מדעי ומעשי, שמטרתו הייתה ליצור מנוע חלל גרעיני רב עוצמה עבור הגוררת הבין-אורביטלית (MB) הרקולס. העבודה אפשרה לעשות רזרבה לשנים רבות במונחים של מערכת הנעה חשמלית גרעינית (NEP) עם תחנת כוח גרעינית תרמיונית בהספק של כמה עד מאות קילוואטים ומנועי רקטות חשמליים בהספק יחידות של עשרות ומאות של קילוואט.

פרמטרי עיצוב של MB "Hercules":

• הספק חשמלי נטו של תחנת כוח גרעינית – 550 קילוואט;
• דחף ספציפי של EPS – 30 קמ"ש;
• דחף מקרן – 26 N;
• משאב של תחנת כוח גרעינית והנעה חשמלית - 16,000 שעות;
• גוף העבודה של EPS – קסנון;
• משקל (יבש) של הגוררת - 14.5-15.7 טון, כולל תחנות כוח גרעיניות - 6.9 טון.

זמנים אחרונים

במאה ה-21, הגיע הזמן ליצור מנוע גרעיני חדש לחלל. באוקטובר 2009, בישיבת הוועדה תחת נשיא הפדרציה הרוסית למודרניזציה ופיתוח טכנולוגי של הכלכלה הרוסית, בוצע פרויקט רוסי חדש "יצירת מודול תחבורה ואנרגיה באמצעות תחנת כוח גרעינית בדרגת מגוואט" אושר רשמית. מפתחים מובילים הם:

• מפעל כורים – OJSC NIKIET.
• תחנת כוח גרעינית עם ערכת המרת אנרגיה של טורבינת גז, EPSעל בסיס מנועי טילים חשמליים יונים ומערכות הנעה גרעיניות בכללותן - המרכז המדעי הממלכתי "מרכז מחקר על שם א.י. M. V. Keldysh", שהוא גם הארגון האחראי לתוכנית הפיתוח של מודול התחבורה והאנרגיה (TEM) בכללותו.
• RKK Energia כמעצבת הכללית של TEM צריכה לפתח רכב אוטומטי עם מודול זה.

מאפייני ההתקנה החדשה

מנוע גרעיני חדש לחלל רוסיה מתכננת להכניס לפעולה מסחרית בשנים הקרובות. המאפיינים הצפויים של NEP של טורבינת הגז הם כדלקמן. בתור כור, נעשה שימוש בכור נויטרונים מהיר מקורר גז, טמפרטורת נוזל העבודה (תערובת He/Xe) מול הטורבינה היא 1500 K, יעילות המרת תרמית לאנרגיה חשמלית היא 35%, סוג של מצנן-רדיאטור הוא טפטוף. מסת יחידת הכוח (כור, מערכת הגנת קרינה והמרה, אך ללא הרדיאטור-רדיאטור) היא 6,800 ק ג.

מנועי חלל גרעיניים (NPP, NPP יחד עם EPS) מתוכננים לשמש:

• כחלק מרכבי חלל עתידיים.
• כמקורות חשמל עבור מתחמים עתירי אנרגיה וחלליות.
• לפתור את שתי המשימות הראשונות במודול התחבורה והאנרגיה כדי להבטיח משלוח רקטות חשמליות של חלליות כבדות וכלי רכב למסלולי עבודה ועוד אספקת חשמל ארוכת טווח לציוד שלהם.

עקרון הפעולה של הגרעיןמנוע

מבוסס או על היתוך של גרעינים, או על שימוש באנרגיית ביקוע של דלק גרעיני ליצירת דחף סילון. ישנם מתקנים מסוגי חומר נפץ ונוזל. מתקן הנפץ זורק לחלל פצצות אטום מיניאטוריות, שמתפוצצות למרחק של כמה מטרים, דוחפות את הספינה קדימה בגל נפץ. בפועל, עדיין לא נעשה שימוש במכשירים כאלה.

מנועים גרעיניים בדלק נוזלי, לעומת זאת, פותחו ונבדקו זה מכבר. עוד בשנות ה-60, מומחים סובייטים תכננו דגם RD-0410 בר ביצוע. מערכות דומות פותחו בארצות הברית. העיקרון שלהם מבוסס על חימום הנוזל עם מיני-כור גרעיני, הוא הופך לקיטור ויוצר זרם סילון, שדוחף את החללית. למרות שהמכשיר נקרא נוזל, מימן משמש בדרך כלל כנוזל העבודה. מטרה נוספת של מתקני חלל גרעיניים היא להפעיל את הרשת החשמלית (מכשירים) של ספינות ולוויינים.

רכבי טלקומוניקציה כבדים לתקשורת חלל גלובלית

כרגע מתבצעות עבודה על מנוע גרעיני לחלל, שמתוכנן לשמש ברכבי תקשורת חלל כבדים. RSC Energia ביצעה מחקר ופיתוח עיצובי של מערכת תקשורת חלל גלובלית תחרותית כלכלית עם תקשורת סלולרית זולה, שהייתה אמורה להיות מושגת על ידי העברת "תחנת הטלפון" מכדור הארץ לחלל.

התנאים המוקדמים ליצירתם הם:

• מילוי כמעט מלא של המסלול הגיאוסטציונרי (GSO) עם עבודה וחברים פסיביים;
• תשישות התדר;
• ניסיון חיובי ביצירה ושימוש מסחרי בלווייני מידע גיאוסטציוניים מסדרת Yamal.

בעת יצירת פלטפורמת Yamal, פתרונות טכניים חדשים היוו 95%, מה שאפשר לכלי רכב כאלה להפוך לתחרותיים בשוק שירותי החלל העולמי.

הוא צפוי להחליף מודולים בציוד תקשורת טכנולוגי בערך כל שבע שנים. זה יאפשר ליצור מערכות של 3-4 לווייני GEO רב-תכליתיים כבדים עם עלייה בהספק החשמלי הנצרך על ידם. בתחילה תוכננו חלליות על בסיס פאנלים סולאריים בהספק של 30-80 קילוואט. בשלב הבא, מתוכנן להשתמש במנועים גרעיניים של 400 קילוואט עם משאב של עד שנה במצב התחבורה (למסירת מודול הבסיס ל-GSO) וב-150-180 קילוואט במצב פעולה ארוך טווח (לפחות 10-15 שנים) כמקור חשמל.

מנועים גרעיניים במערכת ההגנה נגד מטאוריטים של כדור הארץ

מחקרי התכנון שבוצעו על ידי RSC Energia בסוף שנות ה-90 הראו כי ביצירת מערכת אנטי-מטאוריטים להגנה על כדור הארץ מפני גרעיני שביטים ואסטרואידים, ניתן לבצע מתקנים גרעיניים-חשמליים ומערכות הנעה גרעיניות. משמש עבור:

1. יצירת מערכת לניטור מסלולים של אסטרואידים ושביטים החוצים את מסלול כדור הארץ. לשם כך, מוצע לארגן חללית מיוחדת המצוידת בציוד אופטי ומכ"ם לגילוי עצמים מסוכנים,חישוב הפרמטרים של מסלוליהם ולימוד ראשוני של מאפייניהם. המערכת יכולה להשתמש במנוע חלל גרעיני עם תחנת כוח גרעינית תרמיונית דו-מודית בהספק של 150 קילוואט או יותר. המשאב שלו חייב להיות בן 10 שנים לפחות.
2. בדיקת אמצעי השפעה (פיצוץ של מכשיר תרמו-גרעיני) על אסטרואיד בטוח במצולע. הכוח של ה-NEP לספק את מכשיר הבדיקה לאתר בדיקת האסטרואידים תלוי במסה של המטען שנמסר (150-500 קילוואט).
3. משלוח אמצעי השפעה רגילים (מיירט במשקל כולל של 15-50 טון) לחפץ מסוכן המתקרב לכדור הארץ. מנוע סילון גרעיני בהספק של 1-10 מגוואט יידרש לספק מטען תרמו-גרעיני לאסטרואיד מסוכן, שפיצוץ פני השטח שלו, עקב זרם הסילון של חומר האסטרואיד, עלול להסיט אותו ממסלול מסוכן.

משלוח ציוד מחקר לחלל העמוק

משלוח של ציוד מדעי לאובייקטים בחלל (כוכבי לכת רחוקים, שביטים מחזוריים, אסטרואידים) יכול להתבצע באמצעות שלבי חלל המבוססים על LRE. רצוי להשתמש במנועים גרעיניים לחלליות כאשר המשימה היא כניסה למסלול של לוויין של גוף שמימי, מגע ישיר עם גוף שמימי, דגימת חומרים ומחקרים נוספים הדורשים הגדלת מסת מכלול המחקר, הכללת שלבי נחיתה והמראה.

פרמטרים מוטוריים

מנוע גרעיני לחלליתמתחם המחקר ירחיב את "חלון ההתחלה" (בשל קצב היציאה המבוקרת של נוזל העבודה), מה שמפשט את התכנון ומוזיל את עלות הפרויקט. מחקר שבוצע על ידי RSC Energia הראה שמערכת הנעה גרעינית של 150 קילוואט עם חיי שירות של עד שלוש שנים היא אמצעי מבטיח לספק מודולי חלל לחגורת האסטרואידים.

במקביל, אספקת מנגנון מחקר למסלולים של כוכבי לכת מרוחקים של מערכת השמש דורשת הגדלת המשאב של מתקן גרעיני כזה עד 5-7 שנים. הוכח כי מתחם בעל מערכת הנעה גרעינית בהספק של כ-1 MW כחלק מחללית מחקר יאפשר אספקה מואצת של לוויינים מלאכותיים של כוכבי הלכת הרחוקים ביותר, רוברים פלנטריים אל פני השטח של לוויינים טבעיים של כוכבי הלכת הללו. ומסירת אדמה משביטים, אסטרואידים, מרקורי וירחים של צדק ושבתאי.

גרירה לשימוש חוזר (MB)

אחת הדרכים החשובות ביותר להגביר את היעילות של פעולות התחבורה בחלל היא שימוש רב פעמי באלמנטים של מערכת התחבורה. מנוע גרעיני לחלליות בהספק של לפחות 500 קילוואט מאפשר ליצור גוררת רב פעמית ובכך להגביר משמעותית את היעילות של מערכת תחבורה חללית רב-חיבורית. מערכת כזו שימושית במיוחד בתוכנית להבטחת זרימת מטען שנתית גדולה. דוגמה לכך היא תוכנית חקירת הירח עם יצירה ותחזוקה של בסיס ראוי למגורים הגדל כל הזמן ומתחמי טכנולוגיה וייצור ניסויים.

חישוב מחזור מטענים

לפי לימודי עיצוב RKK"אנרגיה", במהלך בניית הבסיס, יש להעביר מודולים במשקל של כ-10 טון לפני השטח של הירח, עד 30 טון למסלול הירח. כדי להבטיח את תפקוד והתפתחות הבסיס - 400-500 t.

עם זאת, עקרון הפעולה של המנוע הגרעיני אינו מאפשר לפזר את הטרנספורטר במהירות מספקת. בשל זמן ההובלה הארוך ובהתאם, הזמן המשמעותי שמבלה המטען בחגורות הקרינה של כדור הארץ, לא ניתן להעביר את כל המטען באמצעות גוררות גרעיניות. לכן, זרימת המטען שניתן לספק על בסיס NEP נאמדת ב-100-300 טון בלבד לשנה.

יעילות עלויות

כקריטריון ליעילות הכלכלית של מערכת התחבורה הבין-מסלולית, רצוי להשתמש בערך עלות היחידה של הובלת יחידת מסה של מטען (PG) משטח כדור הארץ למסלול המטרה. RSC Energia פיתחה מודל כלכלי ומתמטי שלוקח בחשבון את מרכיבי העלויות העיקריים במערכת התחבורה:

• ליצור ולשגר מודולי משיכה למסלול;
• לרכישת מתקן גרעיני עובד;
• עלויות תפעול, כמו גם עלויות מו"פ ועלויות הון אפשריות.

אינדיקטורים לעלות תלויים בפרמטרים האופטימליים של ה-MB. באמצעות מודל זה, השוואהיעילות כלכלית של שימוש בגוררת רב פעמית המבוססת על NEP בהספק של כ-1 MW וגוררת חד פעמית המבוססת על מנועי טילים נוזליים מתקדמים בתוכנית לאספקת מטען במסה כוללת של 100 ט' לשנה מכדור הארץ למסלול הירח עם גובה של 100 ק מ. כאשר משתמשים באותו רכב שיגור בעל כושר נשיאה השווה ליכולת הנשיאה של רכב השיגור Proton-M ותכנית דו-שיגור לבניית מערכת הובלה, עלות היחידה של אספקת מסה יחידה של מטען באמצעות גוררת מונעת גרעינית. יהיה נמוך פי שלושה מאשר בשימוש בגררות חד פעמיות המבוססות על רקטות עם מנועי נוזלים מסוג DM-3.

מסקנה

מנוע גרעיני יעיל לחלל תורם לפתרון בעיות הסביבה של כדור הארץ, טיסה מאוישת למאדים, יצירת מערכת העברת כוח אלחוטית בחלל, יישום בבטיחות מוגברת של סילוק פסולת רדיואקטיבית מסוכנת במיוחד של קרקע. אנרגיה גרעינית בחלל, יצירת בסיס ירח ראוי למגורים והתחלת חקר תעשייתי של הירח, מה שמבטיח את ההגנה על כדור הארץ מפני סכנת אסטרואידים-שביטים.