Motores nucleares para naves espaciales

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Última modificación: 2023-12-17 10:24

Rusia ha sido y sigue siendo un líder en el campo de la energía espacial nuclear. Organizaciones como RSC Energia y Roskosmos tienen experiencia en el diseño, construcción, lanzamiento y operación de naves espaciales equipadas con una fuente de energía nuclear. Un motor nuclear hace posible operar aviones durante muchos años, aumentando su idoneidad práctica muchas veces.

Registro histórico

El uso de la energía nuclear en el espacio dejó de ser una fantasía allá por los años 70 del siglo pasado. Los primeros motores nucleares se lanzaron al espacio entre 1970 y 1988 y operaron con éxito en la nave espacial de observación US-A. Utilizaron un sistema con una central nuclear termoeléctrica (CN) "Buk" con una potencia eléctrica de 3 kW.

En 1987-1988, dos vehículos Plasma-A con una planta de energía nuclear termoiónica Topaz de 5 kW se sometieron a pruebas espaciales y de vuelo, durante las cuales los motores de cohetes eléctricos (EP) fueron alimentados con una fuente de energía nuclear por primera vez.

Completó un complejo de energía nuclear en tierraensayos energéticos de la instalación nuclear termoiónica "Yenisei" con una capacidad de 5 kW. Sobre la base de estas tecnologías, se han desarrollado proyectos de centrales nucleares termoiónicas con una capacidad de 25-100 kW.

MB Hércules

En la década de 1970, RSC Energia inició una investigación científica y práctica cuyo objetivo era crear un potente motor espacial nuclear para el remolcador interorbital (MB) Hércules. El trabajo permitió hacer una reserva para muchos años en términos de un sistema de propulsión eléctrica nuclear (NEP) con una central nuclear termoiónica con una potencia de varios a cientos de kilovatios y motores de cohetes eléctricos con una potencia unitaria de decenas y centenas. de kilovatios.

Parámetros de diseño de MB "Hércules":

• potencia eléctrica neta de la central nuclear: 550 kW;
• impulso específico del EPS – 30 km/s;
• empuje del proyector – 26 N;
• recurso de central nuclear y propulsión eléctrica - 16.000 horas;
• cuerpo de trabajo de EPS – xenón;
• peso (seco) del remolcador - 14,5-15,7 toneladas, incluidas las centrales nucleares - 6,9 toneladas.

Tiempos recientes

En el siglo XXI, es hora de crear un nuevo motor nuclear para el espacio. En octubre de 2009, en una reunión de la Comisión bajo el Presidente de la Federación Rusa para la modernización y el desarrollo tecnológico de la economía rusa, se aprobó un nuevo proyecto ruso "Creación de un módulo de transporte y energía utilizando una planta de energía nuclear de megavatios". aprobado oficialmente. Los desarrolladores principales son:

• Planta de reactores – OJSC NIKIET.
• Planta de energía nuclear con un esquema de conversión de energía de turbina de gas, EPSsobre la base de motores de cohetes eléctricos de iones y sistemas de propulsión nuclear en su conjunto - Centro Científico Estatal "Centro de Investigación que lleva el nombre de A. I. M. V. Keldysh”, que también es la organización responsable del programa de desarrollo del módulo de transporte y energía (TEM) en su conjunto.
• RKK Energia como diseñador general de TEM debería desarrollar un vehículo automático con este módulo.

Características de la nueva instalación

Nuevo motor nuclear para el espacio que Rusia planea poner en operación comercial en los próximos años. Las características esperadas de la turbina de gas NEP son las siguientes. Como reactor se utiliza un reactor de neutrones rápidos refrigerado por gas, la temperatura del fluido de trabajo (mezcla He/Xe) frente a la turbina es de 1500 K, la eficiencia de conversión de energía térmica en eléctrica es del 35%, el tipo de enfriador-radiador es goteo. La masa de la unidad de potencia (reactor, protección radiológica y sistema de conversión, pero sin radiador-radiador) es de 6.800 kg.

Se planea utilizar motores nucleares espaciales (NPP, NPP junto con EPS):

• Como parte de futuros vehículos espaciales.
• Como fuentes de electricidad para complejos de uso intensivo de energía y naves espaciales.
• Resolver las dos primeras tareas en el módulo de transporte y energía para garantizar la entrega de cohetes eléctricos de vehículos y naves espaciales pesadas a órbitas de trabajo y un mayor suministro de energía a largo plazo para sus equipos.

El principio de funcionamiento de las centrales nuclearesmotor

Basado en la fusión de núcleos o en el uso de la energía de fisión del combustible nuclear para formar un chorro de propulsión. Hay instalaciones de tipo pulso-explosivo y líquido. La instalación explosiva lanza al espacio bombas atómicas en miniatura que, al detonar a una distancia de varios metros, empujan la nave hacia adelante con una onda explosiva. En la práctica, estos dispositivos aún no se utilizan.

Los motores nucleares de combustible líquido, por otro lado, se han desarrollado y probado durante mucho tiempo. En los años 60, los especialistas soviéticos diseñaron un modelo viable RD-0410. Se han desarrollado sistemas similares en los Estados Unidos. Su principio se basa en calentar el líquido con un minirreactor nuclear, lo convierte en vapor y forma una corriente en chorro, que empuja la nave espacial. Aunque el dispositivo se llama líquido, generalmente se usa hidrógeno como fluido de trabajo. Otro propósito de las instalaciones espaciales nucleares es alimentar la red eléctrica a bordo (instrumentos) de barcos y satélites.

Vehículos pesados de telecomunicaciones para comunicaciones espaciales globales

En este momento, se está trabajando en un motor nuclear para el espacio, que se planea utilizar en vehículos pesados de comunicaciones espaciales. RSC Energia llevó a cabo la investigación y el desarrollo del diseño de un sistema global de comunicaciones espaciales económicamente competitivo con comunicaciones celulares baratas, que se suponía que se lograría mediante la transferencia de la "estación telefónica" de la Tierra al espacio.

Los requisitos previos para su creación son:

• llenado casi completo de la órbita geoestacionaria (OSG) con trabajo ycompañeros pasivos;
• agotamiento de frecuencia;
• experiencia positiva en la creación y uso comercial de satélites geoestacionarios de información de la serie Yamal.

Cuando se creó la plataforma Yamal, las nuevas soluciones técnicas representaron el 95 %, lo que permitió que estos vehículos fueran competitivos en el mercado global de servicios espaciales.

Se espera reemplazar los módulos con equipos tecnológicos de comunicaciones aproximadamente cada siete años. Esto permitiría crear sistemas de 3-4 satélites GEO multifuncionales pesados con un aumento en la energía eléctrica consumida por ellos. Inicialmente, las naves espaciales se diseñaron en base a paneles solares con una capacidad de 30-80 kW. En la siguiente etapa, se planea utilizar motores nucleares de 400 kW con un recurso de hasta un año en el modo de transporte (para la entrega del módulo base a la OSG) y 150-180 kW en el modo de operación a largo plazo. (al menos 10-15 años) como fuente de electricidad.

Motores nucleares en el sistema de protección anti-meteoritos de la Tierra

Los estudios de diseño llevados a cabo por RSC Energia a finales de los 90 demostraron que en la creación de un sistema antimeteorito para proteger la Tierra de los núcleos de cometas y asteroides, las instalaciones nucleares-eléctricas y los sistemas de propulsión nuclear pueden ser usado para:

1. Creación de un sistema para monitorear las trayectorias de asteroides y cometas que cruzan la órbita de la Tierra. Para hacer esto, se propone disponer naves espaciales especiales equipadas con equipos ópticos y de radar para detectar objetos peligrosos,cálculo de los parámetros de sus trayectorias y estudio primario de sus características. El sistema puede utilizar un motor espacial nuclear con una planta de energía nuclear termoiónica de modo dual con una potencia de 150 kW o más. Su recurso debe tener al menos 10 años.
2. Probando medios de influencia (explosión de un dispositivo termonuclear) en un asteroide seguro poligonal. La potencia de la NEP para entregar el dispositivo de prueba al sitio de prueba del asteroide depende de la masa de la carga útil entregada (150-500 kW).
3. Entrega de medios regulares de influencia (interceptor con un peso total de 15-50 toneladas) a un objeto peligroso que se acerca a la Tierra. Se requerirá un motor a reacción nuclear con una capacidad de 1-10 MW para entregar una carga termonuclear a un asteroide peligroso, cuya explosión en la superficie, debido a la corriente en chorro del material del asteroide, puede desviarlo de una trayectoria peligrosa.

Entrega de equipo de investigación al espacio exterior

La entrega de equipos científicos a objetos espaciales (planetas distantes, cometas periódicos, asteroides) puede llevarse a cabo utilizando escenarios espaciales basados en LRE. Es recomendable el uso de motores nucleares para naves espaciales cuando la tarea sea entrar en la órbita de un satélite de un cuerpo celeste, contacto directo con un cuerpo celeste, muestreo de sustancias y otros estudios que requieran un aumento de la masa del complejo de investigación, el inclusión de etapas de aterrizaje y despegue.

Parámetros del motor

Motor nuclear para naves espacialesEl complejo de investigación ampliará la "ventana de inicio" (debido a la tasa de salida controlada del fluido de trabajo), lo que simplifica la planificación y reduce el costo del proyecto. La investigación realizada por RSC Energia mostró que un sistema de propulsión nuclear de 150 kW con una vida útil de hasta tres años es un medio prometedor para llevar módulos espaciales al cinturón de asteroides.

Al mismo tiempo, la entrega de un aparato de investigación a las órbitas de planetas distantes del sistema solar requiere un aumento en el recurso de dicha instalación nuclear hasta 5-7 años. Se ha demostrado que un complejo con un sistema de propulsión nuclear con una potencia de aproximadamente 1 MW como parte de una nave espacial de investigación permitirá la entrega acelerada de satélites artificiales de los planetas más distantes, rovers planetarios a la superficie de los satélites naturales de estos planetas. y entrega de suelo de cometas, asteroides, Mercurio y lunas de Júpiter y Saturno.

Remolcador reutilizable (MB)

Una de las formas más importantes de aumentar la eficiencia de las operaciones de transporte en el espacio es el uso reutilizable de elementos del sistema de transporte. Un motor nuclear para naves espaciales con una potencia de al menos 500 kW permite crear un remolcador reutilizable y, por lo tanto, aumentar significativamente la eficiencia de un sistema de transporte espacial multienlace. Tal sistema es especialmente útil en un programa para asegurar grandes flujos de carga anuales. Un ejemplo es el programa de exploración de la Luna con la creación y mantenimiento de una base habitable en constante crecimiento y complejos tecnológicos y productivos experimentales.

Cálculo de rotación de carga

Según los estudios de diseño de RKK"Energia", durante la construcción de la base, los módulos que pesan alrededor de 10 toneladas deben enviarse a la superficie de la Luna, hasta 30 toneladas en la órbita de la Luna para garantizar el funcionamiento y el desarrollo de la base: 400-500 t.

Sin embargo, el principio de funcionamiento del motor nuclear no permite dispersar el transportador lo suficientemente rápido. Debido al largo tiempo de transporte y, en consecuencia, al tiempo significativo que pasa la carga útil en los cinturones de radiación de la Tierra, no toda la carga puede entregarse utilizando remolcadores de propulsión nuclear. Por lo tanto, el flujo de carga que se puede proporcionar sobre la base de NEP se estima en solo 100-300 toneladas/año.

Eficiencia de costes

Como criterio para la eficiencia económica del sistema de transporte interorbital, es recomendable utilizar el valor del costo unitario de transportar una unidad de masa de carga útil (PG) desde la superficie de la Tierra hasta la órbita objetivo. RSC Energia desarrolló un modelo económico y matemático que tiene en cuenta los principales componentes de coste del sistema de transporte:

• para crear y poner en órbita módulos remolcadores;
• para la compra de una instalación nuclear en funcionamiento;
• costos operativos, así como costos de I+D y posibles costos de capital.

Los indicadores de costos dependen de los parámetros óptimos del MB. Usando este modelo, una comparacióneficiencia económica de utilizar un remolcador reutilizable basado en NEP con una potencia de aproximadamente 1 MW y un remolcador desechable basado en motores de cohetes líquidos avanzados en el programa para entregar una carga útil con una masa total de 100 t/año desde la Tierra hasta la órbita de la Luna con una altura de 100 km. Cuando se utiliza el mismo vehículo de lanzamiento con una capacidad de carga igual a la capacidad de carga del vehículo de lanzamiento Proton-M y un esquema de dos lanzamientos para construir un sistema de transporte, el costo unitario de entregar una unidad de masa de carga útil utilizando un remolcador de propulsión nuclear será tres veces menor que cuando se utilizan remolcadores desechables basados en cohetes con motores líquidos tipo DM-3.

Conclusión

Un motor nuclear eficiente para el espacio contribuye a resolver los problemas medioambientales de la Tierra, vuelo tripulado a Marte, creación de un sistema inalámbrico de transmisión de energía en el espacio, implementación con mayor seguridad de la eliminación de residuos radiactivos especialmente peligrosos de origen terrestre energía nuclear en el espacio, creando una base lunar habitable y comenzando la exploración industrial de la Luna, asegurando la protección de la Tierra del peligro de cometas y asteroides.