เครื่องยนต์นิวเคลียร์สำหรับยานอวกาศ

2024 ผู้เขียน: Howard Calhoun | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2023-12-17 10:42

รัสเซียเป็นและยังคงเป็นผู้นำด้านพลังงานนิวเคลียร์ในอวกาศ องค์กรต่างๆ เช่น RSC Energia และ Roskosmos มีประสบการณ์ในการออกแบบ สร้าง ปล่อย และใช้งานยานอวกาศที่ติดตั้งแหล่งพลังงานนิวเคลียร์ เครื่องยนต์นิวเคลียร์ทำให้ใช้งานเครื่องบินได้หลายปี เพิ่มความเหมาะสมในการใช้งานได้หลายเท่า

บันทึกประวัติศาสตร์

การใช้พลังงานนิวเคลียร์ในอวกาศหยุดเป็นเพียงจินตนาการในทศวรรษที่ 70 ของศตวรรษที่ผ่านมา เครื่องยนต์นิวเคลียร์เครื่องแรกถูกปล่อยสู่อวกาศในปี 2513-2531 และดำเนินการบนยานอวกาศสำรวจ US-A ได้สำเร็จ พวกเขาใช้ระบบที่มีโรงไฟฟ้านิวเคลียร์แบบเทอร์โมอิเล็กทริก (NPP) "บุก" ที่มีกำลังไฟฟ้า 3 กิโลวัตต์

ในปี 2530-2531 ยานเกราะพลาสม่าเอสองคันที่มีโรงไฟฟ้านิวเคลียร์แบบใช้ความร้อน Topaz ขนาด 5 กิโลวัตต์ ได้ทำการทดสอบการบินและอวกาศ ในระหว่างนั้นเครื่องยนต์จรวดไฟฟ้า (EP) ได้รับพลังงานจากแหล่งพลังงานนิวเคลียร์เป็นครั้งแรก

เสร็จสิ้นความซับซ้อนของนิวเคลียร์ภาคพื้นดินการทดสอบพลังงานของการติดตั้งนิวเคลียร์แบบใช้ความร้อน "Yenisei" ที่มีความจุ 5 กิโลวัตต์ บนพื้นฐานของเทคโนโลยีเหล่านี้ ได้มีการพัฒนาโครงการของโรงไฟฟ้านิวเคลียร์แบบใช้ความร้อนที่มีความจุ 25-100 กิโลวัตต์

MB เฮอร์คิวลิส

ในปี 1970 RSC Energia ได้เริ่มการวิจัยทางวิทยาศาสตร์และเชิงปฏิบัติ โดยมีวัตถุประสงค์เพื่อสร้างเครื่องยนต์อวกาศนิวเคลียร์อันทรงพลังสำหรับยานอวกาศ Hercules (MB) Hercules งานนี้ทำให้สามารถสำรองเป็นเวลาหลายปีในแง่ของระบบขับเคลื่อนไฟฟ้านิวเคลียร์ (NEP) กับโรงไฟฟ้านิวเคลียร์แบบเทอร์มิโอนิกที่มีกำลังหลายถึงหลายร้อยกิโลวัตต์และเครื่องยนต์จรวดไฟฟ้าที่มีกำลังหน่วยหลักสิบและหลายร้อย ของกิโลวัตต์

ออกแบบพารามิเตอร์ของ MB "Hercules":

• กำลังไฟฟ้าสุทธิของโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ – 550 กิโลวัตต์;
• แรงกระตุ้นเฉพาะของ EPS – 30 km/s;
• แรงขับของโปรเจ็กเตอร์ – 26 N;
• ทรัพยากรของโรงไฟฟ้านิวเคลียร์และระบบขับเคลื่อนไฟฟ้า - 16,000 ชั่วโมง;
• การทำงานของ EPS – xenon;
• น้ำหนัก (แห้ง) ของลากจูง - 14.5-15.7 ตัน รวมโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ - 6.9 ตัน

ล่าสุด

ในศตวรรษที่ 21 ถึงเวลาสร้างเครื่องยนต์นิวเคลียร์ใหม่สำหรับอวกาศ ในเดือนตุลาคม 2552 ในการประชุมของคณะกรรมาธิการภายใต้ประธานาธิบดีแห่งสหพันธรัฐรัสเซียเพื่อความทันสมัยและการพัฒนาเทคโนโลยีของเศรษฐกิจรัสเซีย โครงการใหม่ของรัสเซีย "การสร้างโมดูลการขนส่งและพลังงานโดยใช้โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ระดับเมกะวัตต์" คือ ได้รับการอนุมัติอย่างเป็นทางการ นักพัฒนาหลักคือ:

• เครื่องปฏิกรณ์ – OJSC NIKIET.
• โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ที่มีโครงการแปลงพลังงานกังหันก๊าซ EPSบนพื้นฐานของเครื่องยนต์จรวดไฟฟ้าไอออนและระบบขับเคลื่อนนิวเคลียร์โดยรวม - ศูนย์วิทยาศาสตร์แห่งรัฐ "ศูนย์วิจัยที่ได้รับการตั้งชื่อตาม A. I. M. V. Keldysh” ซึ่งเป็นองค์กรที่รับผิดชอบโครงการพัฒนาโมดูลการขนส่งและพลังงาน (TEM) โดยรวมด้วย
• RKK Energia ในฐานะผู้ออกแบบทั่วไปของ TEM ควรพัฒนายานยนต์อัตโนมัติด้วยโมดูลนี้

ลักษณะของการติดตั้งใหม่

เครื่องยนต์นิวเคลียร์ใหม่สำหรับอวกาศ รัสเซียวางแผนที่จะดำเนินการเชิงพาณิชย์ในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า ลักษณะที่คาดหวังของ NEP กังหันก๊าซมีดังนี้ เครื่องปฏิกรณ์นิวตรอนเร็วระบายความร้อนด้วยแก๊สเป็นเครื่องปฏิกรณ์ อุณหภูมิของของไหลทำงาน (ส่วนผสม He/Xe) ที่หน้ากังหันคือ 1500 K ประสิทธิภาพการแปลงความร้อนเป็นพลังงานไฟฟ้า 35% ประเภทของ หม้อน้ำเย็นเป็นแบบหยด มวลของหน่วยพลังงาน (เครื่องปฏิกรณ์ ระบบป้องกันรังสี และการแปลง แต่ไม่มีหม้อน้ำ-หม้อน้ำ) คือ 6,800 กก.

เครื่องยนต์นิวเคลียร์อวกาศ (NPP, NPP ร่วมกับ EPS) วางแผนที่จะใช้:

• เป็นส่วนหนึ่งของยานอวกาศในอนาคต
• เป็นแหล่งพลังงานไฟฟ้าสำหรับอาคารและยานอวกาศที่ใช้พลังงานมาก
• เพื่อแก้ปัญหาสองงานแรกในโมดูลการขนส่งและพลังงานเพื่อให้แน่ใจว่ามีการส่งจรวดไฟฟ้าของยานอวกาศหนักและยานพาหนะไปยังวงโคจรที่ใช้งานและการจ่ายไฟระยะยาวเพิ่มเติมไปยังอุปกรณ์ของพวกเขา

หลักการทำงานของนิวเคลียร์เครื่องยนต์

ขึ้นอยู่กับการรวมตัวของนิวเคลียสหรือการใช้พลังงานฟิชชันของเชื้อเพลิงนิวเคลียร์เพื่อสร้างแรงขับของไอพ่น มีการติดตั้งประเภทพัลส์ระเบิดและของเหลว การติดตั้งระเบิดจะขว้างระเบิดปรมาณูขนาดเล็กออกสู่อวกาศ ซึ่งทำให้เกิดการระเบิดในระยะห่างหลายเมตร ผลักเรือไปข้างหน้าด้วยคลื่นระเบิด ในทางปฏิบัติ อุปกรณ์ดังกล่าวยังไม่ได้ใช้

ในทางกลับกัน เครื่องยนต์นิวเคลียร์ที่ใช้เชื้อเพลิงเหลวได้รับการพัฒนาและทดสอบมาอย่างยาวนาน ย้อนกลับไปในยุค 60 ผู้เชี่ยวชาญของสหภาพโซเวียตได้ออกแบบแบบจำลองที่ใช้งานได้ RD-0410 ระบบที่คล้ายกันได้รับการพัฒนาในสหรัฐอเมริกา หลักการของพวกเขาอยู่บนพื้นฐานของการให้ความร้อนของเหลวด้วยเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ขนาดเล็ก มันจะกลายเป็นไอน้ำและก่อตัวเป็นกระแสเจ็ตซึ่งผลักยานอวกาศ แม้ว่าอุปกรณ์จะเรียกว่าของเหลว แต่มักใช้ไฮโดรเจนเป็นของเหลวทำงาน จุดประสงค์อีกประการของการติดตั้งพื้นที่นิวเคลียร์คือการจ่ายไฟให้กับเครือข่ายไฟฟ้าบนเรือ (เครื่องมือ) ของเรือและดาวเทียม

ยานพาหนะโทรคมนาคมหนักสำหรับการสื่อสารในอวกาศทั่วโลก

ในขณะนี้ งานกำลังดำเนินการเกี่ยวกับเครื่องยนต์นิวเคลียร์สำหรับอวกาศ ซึ่งวางแผนที่จะใช้ในยานพาหนะสื่อสารอวกาศขนาดใหญ่ RSC Energia ดำเนินการวิจัยและพัฒนาการออกแบบระบบการสื่อสารในอวกาศระดับโลกที่มีการแข่งขันทางเศรษฐกิจด้วยการสื่อสารแบบเซลลูลาร์ราคาถูก ซึ่งควรจะทำได้โดยการโอน "สถานีโทรศัพท์" จาก Earth สู่อวกาศ

ข้อกำหนดเบื้องต้นสำหรับการสร้างคือ:

• การเติมโคจรของ geostationary orbit (GSO) เกือบสมบูรณ์ด้วยการทำงานและสหายแบบพาสซีฟ;
• ความถี่อ่อนเพลีย;
• ประสบการณ์เชิงบวกในการสร้างและการใช้งานเชิงพาณิชย์ของข้อมูลดาวเทียม geostationary ของซีรี่ส์ Yamal

เมื่อสร้างแพลตฟอร์ม Yamal โซลูชันทางเทคนิคใหม่คิดเป็น 95% ซึ่งทำให้ยานพาหนะดังกล่าวสามารถแข่งขันในตลาดบริการอวกาศทั่วโลกได้

คาดว่าจะเปลี่ยนโมดูลด้วยอุปกรณ์สื่อสารทางเทคโนโลยีทุก ๆ เจ็ดปี ซึ่งจะทำให้สามารถสร้างระบบของดาวเทียม GEO แบบมัลติฟังก์ชั่นขนาดใหญ่ 3-4 ดวงด้วยการใช้พลังงานไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้น ในขั้นต้น ยานอวกาศได้รับการออกแบบโดยใช้แผงโซลาร์เซลล์ที่มีความจุ 30-80 กิโลวัตต์ ในขั้นตอนต่อไป มีการวางแผนที่จะใช้เครื่องยนต์นิวเคลียร์ขนาด 400 กิโลวัตต์พร้อมทรัพยากรนานถึงหนึ่งปีในโหมดการขนส่ง (สำหรับการส่งมอบโมดูลฐานไปยัง GSO) และ 150-180 กิโลวัตต์ในโหมดการทำงานระยะยาว (อย่างน้อย 10-15 ปี) เป็นแหล่งผลิตไฟฟ้า

เครื่องยนต์นิวเคลียร์ในระบบป้องกันอุกกาบาตของโลก

การศึกษาการออกแบบที่ดำเนินการโดย RSC Energia ในช่วงปลายทศวรรษ 90 แสดงให้เห็นว่าในการสร้างระบบต่อต้านอุกกาบาตเพื่อปกป้องโลกจากนิวเคลียสของดาวหางและดาวเคราะห์น้อย การติดตั้งไฟฟ้านิวเคลียร์และระบบขับเคลื่อนนิวเคลียร์สามารถทำได้ ใช้สำหรับ:

1. การสร้างระบบตรวจสอบการโคจรของดาวเคราะห์น้อยและดาวหางที่โคจรผ่านวงโคจรของโลก ในการทำเช่นนี้เสนอให้จัดยานอวกาศพิเศษที่ติดตั้งอุปกรณ์ออปติคัลและเรดาร์เพื่อตรวจจับวัตถุอันตรายการคำนวณค่าพารามิเตอร์ของวิถีและการศึกษาเบื้องต้นเกี่ยวกับลักษณะเฉพาะ ระบบสามารถใช้เครื่องยนต์อวกาศนิวเคลียร์กับโรงไฟฟ้านิวเคลียร์แบบใช้ความร้อนแบบสองโหมดที่มีกำลัง 150 กิโลวัตต์ขึ้นไป ทรัพยากรต้องมีอายุอย่างน้อย 10 ปี
2. วิธีทดสอบอิทธิพล (การระเบิดของอุปกรณ์เทอร์โมนิวเคลียร์) บนดาวเคราะห์น้อยที่ปลอดภัยรูปหลายเหลี่ยม พลังของ NEP ในการส่งอุปกรณ์ทดสอบไปยังพื้นที่ทดสอบดาวเคราะห์น้อยนั้นขึ้นอยู่กับมวลของน้ำหนักบรรทุกที่ส่ง (150-500 kW)
3. ส่งวิถีปกติ (เครื่องสกัดกั้นที่มีน้ำหนักรวม 15-50 ตัน) ไปยังวัตถุอันตรายที่เข้าใกล้โลก เครื่องยนต์ไอพ่นนิวเคลียร์ที่มีความจุ 1-10 เมกะวัตต์จะต้องส่งประจุเทอร์โมนิวเคลียร์ไปยังดาวเคราะห์น้อยที่เป็นอันตราย การระเบิดที่พื้นผิวซึ่งเกิดจากกระแสเจ็ทของวัสดุดาวเคราะห์น้อย สามารถเบี่ยงเบนมันจากวิถีที่เป็นอันตราย

จัดส่งอุปกรณ์วิจัยสู่ห้วงอวกาศ

การส่งอุปกรณ์วิทยาศาสตร์ไปยังวัตถุในอวกาศ (ดาวเคราะห์ที่อยู่ห่างไกล ดาวหางเป็นระยะ ดาวเคราะห์น้อย) สามารถทำได้โดยใช้ขั้นตอนอวกาศตาม LRE ขอแนะนำให้ใช้เครื่องยนต์นิวเคลียร์สำหรับยานอวกาศเมื่อภารกิจคือการเข้าสู่วงโคจรของดาวเทียมของเทห์ฟากฟ้า การสัมผัสโดยตรงกับเทห์ฟากฟ้า สารสุ่มตัวอย่าง และการศึกษาอื่น ๆ ที่ต้องการเพิ่มมวลของศูนย์วิจัย รวมขั้นตอนการขึ้นและลง

พารามิเตอร์ของมอเตอร์

เครื่องยนต์นิวเคลียร์สำหรับยานอวกาศศูนย์การวิจัยจะขยาย "หน้าต่างเริ่มต้น" (เนื่องจากอัตราการไหลออกของสารทำงานที่ควบคุมได้) ซึ่งช่วยลดความยุ่งยากในการวางแผนและลดต้นทุนของโครงการ การวิจัยที่ดำเนินการโดย RSC Energia แสดงให้เห็นว่าระบบขับเคลื่อนนิวเคลียร์ 150 กิโลวัตต์ที่มีอายุการใช้งานนานถึงสามปีเป็นวิธีที่มีแนวโน้มในการส่งโมดูลอวกาศไปยังแถบดาวเคราะห์น้อย

ในขณะเดียวกัน การส่งมอบเครื่องมือวิจัยไปยังวงโคจรของดาวเคราะห์ที่ห่างไกลของระบบสุริยะนั้นต้องการการเพิ่มทรัพยากรในการติดตั้งนิวเคลียร์ดังกล่าวนานถึง 5-7 ปี ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าคอมเพล็กซ์ที่มีระบบขับเคลื่อนนิวเคลียร์ที่มีกำลังประมาณ 1 เมกะวัตต์ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของยานอวกาศวิจัยจะช่วยให้ส่งดาวเทียมเทียมของดาวเคราะห์ที่อยู่ห่างไกลที่สุดได้เร็วยิ่งขึ้น ยานสำรวจดาวเคราะห์ไปยังพื้นผิวของดาวเทียมธรรมชาติของดาวเคราะห์เหล่านี้ และการส่งมอบดินจากดาวหาง ดาวเคราะห์น้อย ดาวพุธ และดวงจันทร์ของดาวพฤหัสบดีและดาวเสาร์

ลากจูงแบบใช้ซ้ำได้ (MB)

วิธีที่สำคัญที่สุดวิธีหนึ่งในการเพิ่มประสิทธิภาพการดำเนินการขนส่งในอวกาศคือการใช้องค์ประกอบของระบบขนส่งที่นำกลับมาใช้ใหม่ได้ เครื่องยนต์นิวเคลียร์สำหรับยานอวกาศที่มีกำลังอย่างน้อย 500 กิโลวัตต์ทำให้สามารถสร้างลากจูงแบบใช้ซ้ำได้ และด้วยเหตุนี้จึงช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของระบบการขนส่งในอวกาศแบบมัลติลิงก์ได้อย่างมาก ระบบดังกล่าวมีประโยชน์อย่างยิ่งในโปรแกรมเพื่อให้แน่ใจว่ามีการขนส่งสินค้าจำนวนมากต่อปี ตัวอย่างคือโครงการสำรวจดวงจันทร์ที่มีการสร้างและบำรุงรักษาฐานที่อยู่อาศัยที่เติบโตอย่างต่อเนื่องและศูนย์เทคโนโลยีและการผลิตเชิงทดลอง

การคำนวณการหมุนเวียนของสินค้า

จากการศึกษาการออกแบบของ RKK"พลังงาน" ระหว่างการก่อสร้างฐานโมดูลที่มีน้ำหนักประมาณ 10 ตันควรถูกส่งไปยังพื้นผิวของดวงจันทร์มากถึง 30 ตันสู่วงโคจรของดวงจันทร์ เพื่อให้แน่ใจว่าการทำงานและการพัฒนาของฐาน - 400-500 t.

อย่างไรก็ตาม หลักการทำงานของเครื่องยนต์นิวเคลียร์ไม่อนุญาตให้กระจายตัวขนส่งได้เร็วพอ เนื่องจากการขนส่งเป็นเวลานานและด้วยเหตุนี้ เวลาสำคัญของน้ำหนักบรรทุกในสายพานการแผ่รังสีของโลก จึงไม่สามารถส่งสินค้าได้ทั้งหมดโดยใช้เรือลากจูงที่ใช้พลังงานนิวเคลียร์ ดังนั้นปริมาณการขนส่งสินค้าที่สามารถให้บริการบนพื้นฐานของ NEP อยู่ที่ประมาณ 100-300 ตัน/ปีเท่านั้น

ประสิทธิภาพต้นทุน

เป็นเกณฑ์สำหรับประสิทธิภาพทางเศรษฐกิจของระบบขนส่งระหว่างวงโคจร ขอแนะนำให้ใช้มูลค่าของต้นทุนต่อหน่วยในการขนส่งมวลต่อหน่วย (PG) จากพื้นผิวโลกไปยังวงโคจรเป้าหมาย RSC Energia ได้พัฒนาแบบจำลองทางเศรษฐศาสตร์และคณิตศาสตร์ที่คำนึงถึงองค์ประกอบต้นทุนหลักในระบบขนส่ง:

• เพื่อสร้างและเปิดโมดูลลากจูงสู่วงโคจร
• สำหรับการซื้อการติดตั้งนิวเคลียร์ที่ใช้งานได้
• ค่าใช้จ่ายในการดำเนินงาน เช่นเดียวกับต้นทุนการวิจัยและพัฒนา และต้นทุนเงินทุนที่เป็นไปได้

ตัวบ่งชี้ต้นทุนขึ้นอยู่กับพารามิเตอร์ที่เหมาะสมที่สุดของ MB ใช้แบบจำลองนี้เปรียบเทียบประสิทธิภาพเชิงเศรษฐกิจของการใช้ลากจูงแบบใช้ซ้ำได้บนพื้นฐานของ NEP ที่มีกำลังประมาณ 1 เมกะวัตต์ และลากจูงแบบใช้แล้วทิ้งซึ่งอิงตามเครื่องยนต์จรวดของเหลวขั้นสูงในโปรแกรมเพื่อส่งมอบน้ำหนักบรรทุกที่มีมวลรวม 100 ตันต่อปีจากโลกไปยังวงโคจรของดวงจันทร์ ด้วยความสูง 100 กม. เมื่อใช้ยานยิงเดียวกันที่มีขีดความสามารถในการบรรทุกเท่ากับความสามารถในการบรรทุกของยานยิงจรวด Proton-M และแผนการเปิดตัวสองครั้งสำหรับการสร้างระบบขนส่ง ต้นทุนต่อหน่วยของการส่งมอบมวลต่อหน่วยของน้ำหนักบรรทุกโดยใช้ลากจูงที่ใช้พลังงานนิวเคลียร์ จะต่ำกว่าเมื่อใช้ลากจูงแบบใช้แล้วทิ้งโดยอิงจากจรวดที่มีเครื่องยนต์ของเหลวประเภท DM-3 ถึงสามเท่า

สรุป

เครื่องยนต์นิวเคลียร์ที่ทรงประสิทธิภาพสำหรับอวกาศมีส่วนช่วยในการแก้ปัญหาสิ่งแวดล้อมของโลก ขับมนุษย์ไปยังดาวอังคาร สร้างระบบส่งกำลังแบบไร้สายในอวกาศ การนำกากกัมมันตภาพรังสีอันตรายสูงจากพลังงานนิวเคลียร์ภาคพื้นดินไปใช้อย่างปลอดภัย ในอวกาศ สร้างฐานดวงจันทร์ที่เอื้ออาศัยได้ และเริ่มการสำรวจอุตสาหกรรมของดวงจันทร์ ปกป้องโลกจากอันตรายจากดาวหางจากดาวเคราะห์น้อย