Motorët bërthamorë për anije kozmike

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. E modifikuara e fundit: 2023-12-17 10:40

Rusia ka qenë dhe mbetet ende lider në fushën e energjisë hapësinore bërthamore. Organizata të tilla si RSC Energia dhe Roskosmos kanë përvojë në projektimin, ndërtimin, lëshimin dhe funksionimin e anijeve kozmike të pajisura me një burim energjie bërthamore. Një motor bërthamor bën të mundur operimin e avionëve për shumë vite, duke rritur përshtatshmërinë e tyre praktike shumë herë.

Regjistrim historik

Përdorimi i energjisë bërthamore në hapësirë pushoi së qeni një fantazi në vitet '70 të shekullit të kaluar. Motorët e parë bërthamorë u lëshuan në hapësirë në 1970-1988 dhe operuan me sukses në anijen kozmike vëzhguese US-A. Ata përdorën një sistem me një central bërthamor termoelektrik (NPP) "Buk" me një fuqi elektrike prej 3 kW.

Në vitet 1987-1988, dy automjete Plasma-A me një termocentral termionik Topaz 5 kW iu nënshtruan testeve të fluturimit dhe hapësirës, gjatë të cilave motorët e raketave elektrike (EP) u fuqizuan nga një burim energjie bërthamore për herë të parë.

Përfundoi një kompleks bërthamor me bazë tokësoretestet energjetike të instalimit bërthamor termionik "Yenisei" me kapacitet 5 kW. Mbi bazën e këtyre teknologjive janë zhvilluar projekte të termocentraleve bërthamore termionike me kapacitet 25-100 kW.

MB Hercules

Në vitet 1970, RSC Energia filloi kërkimet shkencore dhe praktike, qëllimi i të cilave ishte krijimi i një motori të fuqishëm hapësinor bërthamor për tërheqjen ndërorbitale (MB) Hercules. Puna bëri të mundur krijimin e një rezerve për shumë vite për sa i përket një sistemi shtytës elektrik bërthamor (NEP) me një termocentral bërthamor termionik me një fuqi prej disa deri në qindra kilovat dhe motorë raketash elektrike me një fuqi njësi prej dhjetëra e qindra. kilovat.

Parametrat e projektimit të MB "Hercules":

• fuqia elektrike neto e centralit bërthamor – 550 kW;
• impuls specifik i EPS – 30 km/s;
• shtytje e projektorit – 26 N;
• burimi i centralit bërthamor dhe shtytjes elektrike - 16,000 orë;
• trup pune i EPS – ksenon;
• pesha (e thatë) e tërheqjes - 14,5-15,7 ton, duke përfshirë termocentralet bërthamore - 6,9 ton.

Kohët e fundit

Në shekullin e 21-të, është koha për të krijuar një motor të ri bërthamor për hapësirën. Në tetor 2009, në një takim të Komisionit nën Presidentin e Federatës Ruse për modernizimin dhe zhvillimin teknologjik të ekonomisë ruse, u krijua një projekt i ri rus "Krijimi i një moduli transporti dhe energjie duke përdorur një termocentral bërthamor të klasit megavat". miratuar zyrtarisht. Zhvilluesit kryesorë janë:

• Uzina e reaktorit – OJSC NIKIET.
• Tentral bërthamor me një skemë të konvertimit të energjisë së turbinës me gaz, EPSnë bazë të motorëve të raketave elektrike jonike dhe sistemeve të shtytjes bërthamore në tërësi - Qendra Shkencore Shtetërore "Qendra e Kërkimit me emrin A. I. M. V. Keldysh”, e cila është edhe organizata përgjegjëse për programin e zhvillimit të modulit të transportit dhe energjisë (TEM) në tërësi.
• RKK Energia si projektuesi i përgjithshëm i TEM duhet të zhvillojë një automjet automatik me këtë modul.

Karakteristikat e instalimit të ri

Motor i ri bërthamor për hapësirën Rusia planifikon ta vërë në funksionim tregtar në vitet e ardhshme. Karakteristikat e pritshme të turbinës së gazit NEP janë si më poshtë. Si reaktor, përdoret një reaktor i shpejtë neutron i ftohur me gaz, temperatura e lëngut të punës (përzierja He/Xe) përpara turbinës është 1500 K, efikasiteti i shndërrimit të energjisë termike në energji elektrike është 35%, lloji i ftohës-radiator është pikues. Masa e njësisë së fuqisë (reaktor, mbrojtje nga rrezatimi dhe sistemi i konvertimit, por pa radiator-radiator) është 6800 kg.

Motorët bërthamorë hapësinorë (NPP, NPP së bashku me EPS) janë planifikuar të përdoren:

• Si pjesë e mjeteve hapësinore të ardhshme.
• Si burime të energjisë elektrike për komplekset me intensitet energjie dhe anijet kozmike.
• Për të zgjidhur dy detyrat e para në modulin e transportit dhe energjisë për të siguruar dërgimin e raketave elektrike të anijeve të rënda kozmike dhe automjeteve në orbitat e punës dhe furnizimin e mëtejshëm afatgjatë me energji për pajisjet e tyre.

Parimi i funksionimit të bërthamësmotori

Bazuar ose në shkrirjen e bërthamave, ose në përdorimin e energjisë së zbërthimit të karburantit bërthamor për të formuar shtytje avionësh. Ka instalime të llojeve pulsi-shpërthyese dhe të lëngshme. Instalimi shpërthyes hedh në hapësirë bomba atomike në miniaturë, të cilat, duke shpërthyer në një distancë prej disa metrash, e shtyjnë anijen përpara me një valë shpërthyese. Në praktikë, pajisje të tilla nuk përdoren ende.

Motorët bërthamorë me karburant të lëngshëm, nga ana tjetër, janë zhvilluar dhe testuar prej kohësh. Në vitet '60, specialistët sovjetikë krijuan një model të zbatueshëm RD-0410. Sisteme të ngjashme janë zhvilluar në Shtetet e Bashkuara. Parimi i tyre bazohet në ngrohjen e lëngut me një mini-reaktor bërthamor, ai kthehet në avull dhe formon një rrymë avion, e cila shtyn anijen. Megjithëse pajisja quhet e lëngshme, hidrogjeni zakonisht përdoret si lëng pune. Një qëllim tjetër i instalimeve të hapësirës bërthamore është të fuqizojë rrjetin elektrik në bord (instrumentet) të anijeve dhe satelitëve.

Mjete të rënda telekomunikuese për komunikimet globale hapësinore

Për momentin po punohet për një motor bërthamor për hapësirën, i cili është planifikuar të përdoret në mjetet e rënda të komunikimit në hapësirë. RSC Energia kreu kërkime dhe zhvillimin e projektimit të një sistemi ekonomikisht konkurrues global të komunikimit hapësinor me komunikime celulare të lira, i cili supozohej të arrihej duke transferuar "stacionin telefonik" nga Toka në hapësirë.

Parakushtet për krijimin e tyre janë:

• mbushje pothuajse e plotë e orbitës gjeostacionare (GSO) me punë dheshoqërues pasivë;
• lodhje me frekuencë;
• përvojë pozitive në krijimin dhe përdorimin komercial të satelitëve gjeostacionarë të informacionit të serisë Yamal.

Kur u krijua platforma Yamal, zgjidhjet e reja teknike përbënin 95%, të cilat lejuan automjete të tilla të bëheshin konkurruese në tregun global të shërbimeve hapësinore.

Pritet të zëvendësohen modulet me pajisje teknologjike të komunikimit afërsisht çdo shtatë vjet. Kjo do të bënte të mundur krijimin e sistemeve të 3-4 satelitëve të rëndë multifunksional GEO me një rritje të fuqisë elektrike të konsumuar prej tyre. Fillimisht, anijet kozmike u projektuan bazuar në panele diellore me një kapacitet 30-80 kW. Në fazën tjetër, është planifikuar të përdoren motorë bërthamorë 400 kW me një burim deri në një vit në mënyrën e transportit (për dërgimin e modulit bazë në GSO) dhe 150-180 kW në mënyrën e funksionimit afatgjatë. (të paktën 10-15 vjet) si burim energjie elektrike.

Motorët bërthamorë në sistemin e mbrojtjes kundër meteorit të Tokës

Studimet e projektimit të kryera nga RSC Energia në fund të viteve '90 treguan se në krijimin e një sistemi anti-meteorit për mbrojtjen e Tokës nga bërthamat e kometave dhe asteroideve, instalimet bërthamore-elektrike dhe sistemet e shtytjes bërthamore mund të përdoret për:

1. Krijimi i një sistemi për monitorimin e trajektoreve të asteroideve dhe kometave që kalojnë orbitën e Tokës. Për ta bërë këtë, propozohet të organizohet një anije kozmike speciale e pajisur me pajisje optike dhe radar për zbulimin e objekteve të rrezikshme,llogaritja e parametrave të trajektoreve të tyre dhe studimi parësor i karakteristikave të tyre. Sistemi mund të përdorë një motor hapësinor bërthamor me një termocentral bërthamor termionik me modalitet të dyfishtë me një fuqi prej 150 kW ose më shumë. Burimi i tij duhet të jetë së paku 10 vjeç.
2. Testimi i mjeteve të ndikimit (shpërthimi i një pajisjeje termonukleare) në një asteroid të sigurt në shumëkëndësh. Fuqia e NEP për të dërguar pajisjen e provës në vendin e provës së asteroidit varet nga masa e ngarkesës së dorëzuar (150-500 kW).
3. Dorëzimi i mjeteve të rregullta të ndikimit (përgjues me peshë totale 15-50 tonë) në një objekt të rrezikshëm që i afrohet Tokës. Një motor reaktiv bërthamor me një kapacitet 1-10 MW do të kërkohet për t'i dhënë një ngarkesë termonukleare një asteroidi të rrezikshëm, shpërthimi sipërfaqësor i të cilit, për shkak të rrjedhës së avionit të materialit asteroid, mund ta devijojë atë nga një trajektore e rrezikshme.

Dorëzimi i pajisjeve kërkimore në hapësirën e thellë

Dorëzimi i pajisjeve shkencore në objektet hapësinore (planetë të largët, kometa periodike, asteroide) mund të kryhet duke përdorur fazat hapësinore të bazuara në LRE. Këshillohet përdorimi i motorëve bërthamorë për anijen kozmike kur detyra është hyrja në orbitën e një sateliti të një trupi qiellor, kontakti i drejtpërdrejtë me një trup qiellor, marrja e mostrave dhe studime të tjera që kërkojnë një rritje të masës së kompleksit kërkimor, përfshirja e fazave të uljes dhe ngritjes.

Parametrat e motorit

Motor bërthamor për anijen kozmikeKompleksi i kërkimit do të zgjerojë "dritaren e fillimit" (për shkak të shkallës së kontrolluar të rrjedhjes së lëngut të punës), gjë që thjeshton planifikimin dhe zvogëlon koston e projektit. Hulumtimi i kryer nga RSC Energia tregoi se një sistem shtytës bërthamor 150 kW me një jetë shërbimi deri në tre vjet është një mjet premtues për dërgimin e moduleve hapësinore në brezin asteroid.

Në të njëjtën kohë, dërgimi i një aparati kërkimor në orbitat e planetëve të largët të sistemit diellor kërkon një rritje të burimit të një instalimi të tillë bërthamor deri në 5-7 vjet. Është vërtetuar se një kompleks me një sistem shtytës bërthamor me një fuqi prej rreth 1 MW si pjesë e një anije kozmike kërkimore do të lejojë dërgimin e përshpejtuar të satelitëve artificialë të planetëve më të largët, roverëve planetarë në sipërfaqen e satelitëve natyrorë të këtyre planetëve. dhe shpërndarjen e tokës nga kometat, asteroidet, Merkuri dhe hënat e Jupiterit dhe Saturnit.

tërheqës i ripërdorshëm (MB)

Një nga mënyrat më të rëndësishme për të rritur efikasitetin e operacioneve të transportit në hapësirë është përdorimi i ripërdorshëm i elementeve të sistemit të transportit. Një motor bërthamor për anije kozmike me një fuqi prej të paktën 500 kW bën të mundur krijimin e një tërheqjeje të ripërdorshme dhe në këtë mënyrë të rrisë ndjeshëm efikasitetin e një sistemi transporti hapësinor me shumë lidhje. Një sistem i tillë është veçanërisht i dobishëm në një program për të siguruar flukse të mëdha ngarkesash vjetore. Një shembull është programi i eksplorimit të Hënës me krijimin dhe mirëmbajtjen e një baze të banueshme në rritje vazhdimisht dhe komplekseve eksperimentale teknologjike dhe prodhimi.

Llogaritja e qarkullimit të ngarkesave

Sipas studimeve të projektimit të RKK"Energia", gjatë ndërtimit të bazës, modulet me peshë rreth 10 tonë duhet të dorëzohen në sipërfaqen e Hënës, deri në 30 ton në orbitën e Hënës. për të siguruar funksionimin dhe zhvillimin e bazës - 400-500 t.

Megjithatë, parimi i funksionimit të motorit bërthamor nuk lejon që transportuesi të shpërndahet mjaft shpejt. Për shkak të kohës së gjatë të transportit dhe, në përputhje me rrethanat, kohës së konsiderueshme të shpenzuar nga ngarkesa në rripat e rrezatimit të Tokës, jo të gjitha ngarkesat mund të dorëzohen duke përdorur rimorkiatorë me energji bërthamore. Prandaj, fluksi i ngarkesave që mund të sigurohet në bazë të NEP vlerësohet në vetëm 100-300 ton/vit.

Efiçenca e kostos

Si kriter për efikasitetin ekonomik të sistemit të transportit ndërorbital, këshillohet të përdoret vlera e kostos për njësi të transportit të një njësie të masës së ngarkesës (PG) nga sipërfaqja e Tokës në orbitën e synuar. RSC Energia zhvilloi një model ekonomik dhe matematikor që merr parasysh komponentët kryesorë të kostos në sistemin e transportit:

• për të krijuar dhe lëshuar module tërheqëse në orbitë;
• për blerjen e një instalimi bërthamor që funksionon;
• shpenzimet operative, si dhe kostot e R&D dhe kostot e mundshme kapitale.

Treguesit e kostos varen nga parametrat optimalë të MB. Duke përdorur këtë model, një krahasimefikasiteti ekonomik i përdorimit të një rimorkimi të ripërdorshëm bazuar në NEP me një fuqi prej rreth 1 MW dhe një tërheqjeje të disponueshme bazuar në motorë të avancuar raketash të lëngshme në programin për dërgimin e një ngarkese me një masë totale prej 100 t/vit nga Toka në orbitën e Hënës me lartësi 100 km. Kur përdorni të njëjtin mjet lëshues me një kapacitet mbajtës të barabartë me kapacitetin mbajtës të mjetit lëshues Proton-M dhe një skemë me dy lëshime për ndërtimin e një sistemi transporti, kostoja për njësi e dërgimit të një njësie të masës së ngarkesës duke përdorur një tërheqje me energji bërthamore do të jetë tre herë më e ulët se kur përdorni tërheqje të disponueshme të bazuara në raketa me motorë të lëngshëm të tipit DM-3.

Përfundim

Një motor efikas bërthamor për hapësirën kontribuon në zgjidhjen e problemeve mjedisore të Tokës, fluturimin me njerëz në Mars, krijimin e një sistemi të transmetimit të energjisë pa tel në hapësirë, zbatimin e asgjësimit shumë të sigurt të mbetjeve radioaktive shumë të rrezikshme nga energjia bërthamore me bazë tokësore në hapësirë, duke krijuar një bazë hënore të banueshme dhe duke filluar eksplorimin industrial të Hënës, duke siguruar mbrojtjen e Tokës nga rreziku i asteroideve-kometave.