Ядерная энергодвигательная установка
Введение
ядерный энергодвигательный излучатель холодильник
Успехи в освоении космического пространства (пилотируемые
полеты на Луну, исследования. выполненные на орбитальной станции «Мир» и
Международной космической станции (МКС), в ближнем космосе и на поверхности
Луны и Марса, соответственно, луно- и марсоходами, с помощью спускаемого
аппарата на Титане и др.), достижения в создании двигательных и энергетических
установок, обеспечивших эти успехи (высокоэффективные жидкостные ракетные
двигатели (ЖРД), солнечные энергетические установки, ядерные энергетические
установки (термоэлектрическая типа ‹Бук»), электрические движители и др.),
анализ развития космической техники позволяют из большого числа задач по
исследованию и использованию космического пространства выделить перспективные,
решение которых реально возможно на базе совершенствования созданных опытных
конструкций, реализованных рабочих процессов и разработанных технологий
перспективных энергетических установок.
В ближнем космосе на энергоемких околоземных орбитах одной из
принципиальных и приоритетных задач является создание всепогодной
круглосуточной оперативной высоко детальной системы наблюдения обширных районов
земной поверхности и обеспечения специальной связи. Основным преимуществом
одного из возможных методов наблюдения радиолокационного - по сравнению с
методами наблюдения в оптическом диапазоне является независимость от
метеоусловий и освещенности, что чрезвычайно важно для оперативных целей. Ряд
стратегических и социально-экономических задач может быть решен только в
условиях оперативного получения информации, и радиолокационные системы могут
стать единственно приемлемыми. Для решения этих задач космические аппараты (КА)
на геостационарной и геосинхронной орбитах должны располагать на борту десятками
и сотнями киловатт электрической мощности.
Глобальная космическая задача - получение достаточной базы
данных для построения модели происхождения и эволюции Солнечной системы. Эти
данные будут способствовать построению надежной геохимической модели Земли и,
соответственно, модели глобальных геологических процессов. Такая модель Земли
необходима для разработки эффективной стратегии поисков и освоения новых
ресурсов жизнеобеспечения человека. Ключ к понимаю механизма процессов,
происходивших в период формирования‚ Солнечной системы, возможно, даст
реликтовое вещество, собранное из различных ее областей.
Решение этих и целого ряда других задач (изучение Луны,
Марса, обеспечение безопасности жизни на Земле и др.) возможно при
использовании на борту космических аппаратов ядерных энергетических и
энергодвигательных установок.
Ядерная энергодвигательная установка (ЯЭДУ) - двигательная
установка космического аппарата с ядерным реактором мегаваттного класса, не
имеющая аналогов в мире.
Начало работ над ядерными двигателями приходится на 1960-е
годы. Ряд предприятий советской отрасли, в частности центр Келдыша, КБХА и
Институт Доллежаля, принимали участие в этих работах, в результате которых был
накоплен колоссальный опыт не только по работе с ядерными двигателями, но и по
термоэмиссионным и термоэлектрическим энергоустановкам, а также по материалам и
топливу.
В советское время c 1968 по 1988 гг. была выпущена серия
спутников «Космос» с ядерными реакторами, но несколько аварий спутников этой
серии вызвали большой резонанс.
Установки первого поколения от установки начала XXI в.
отличались невысокой мощностью: установки типа «Бук», производимые в 1970-е гг.
НПО «Красная звезда», имели мощность 5 киловатт, в то время как установка
начала XXI в. имеет мощность в 200 раз выше - 1 мегаватт.
Отличие установок первого поколения от установок XXI века
также заключается и в том, что реактор установки мегаваттного класса
вырабатывает тепловую энергию, которая преобразуется в электрическую и далее
расходуется на работу двигателя и другого оборудования, а её энергоблок
работает по замкнутому циклу без выброса радиоактивных веществ. В реакторах
первого поколения реактор был нужен для разогрева рабочего тела и создания
реактивной тяги.
1. Общие сведения о ЯЭДУ
Проект создания транспортно-энергетического модуля на основе
ядерной энергодвигательной установки (ЯЭДУ) мегаваттного класса выполняется
совместно предприятиями Росатома и Роскосмоса в соответствии с решением,
принятым в 2009 году президентской комиссией по модернизации. Не имеющая
аналогов энерготранспортная установка позволит создать качественно новую
технику высокой энерговооруженности для изучения и освоения дальнего космоса.
Новый проект предполагает использование ионных электрореактивных двигателей, в
которых реактивная тяга создается за счет ускоренного электрическим полем
потока ионов. При использовании космических ядерных энергоустановок можно
приступить к решению таких задач, как полет на Марс, детальные исследования
планет и их спутников, промышленное производство в космосе. Также можно будет
заниматься очисткой околоземного космического пространства от космического
мусора, бороться с астероидной опасностью, создавать на планетах
автоматизированные базы.
Большими достоинствами проекта являются практически важные
эксплуатационные характеристики - высокий ресурс (10 лет эксплуатации),
значительный межремонтный интервал и продолжительное время работы на одном
включении. Они не могут не впечатлять специалистов из других стран, в первую
очередь США.
2.
Устройство ЯЭДУ и характеристики
ЯЭДУ содержит три основных устройства:
) реакторную установку с рабочим телом и вспомогательными
устройствами (теплообменник-рекуператор и турбогенератор-компрессор);
) электроракетную двигательную установку;
) холодильник-излучатель.
Рис. 1. Компоновка ЯЭДУ. Транспортно-энергетический модуль
Характеристики:
Габаритные размеры (рабочее положение), м 53,4-21,6-21,6
Электрическая мощность ЭБ, МВт 1,0
Удельный импульс ЭРД, км/с не менее 70,0
Мощность ЭРД, МВт не более 0,94
Суммарная тяга маршевых ЭРД, Н не менее 18,0
Ресурс, лет 10
Средство выделения РН «Ангара-А5»
Назначение
межорбитальная буксировка полезной нагрузки
на полезную нагрузку энергии (225 МВт)
Реактор ЯЭДУ вырабатывает тепловую энергию, которая
преобразуется в электрическую. Электроэнергия расходуется на работу
электроракетных двигателей и питание оборудования транспортного модуля. При
этом энергоблок работает по замкнутому циклу - радиоактивные вещества не
попадают в окружающее пространство. Уникальность проекта также и в
использовании специального теплоносителя - гелий-ксеноновой смеси. В установке
обеспечивается высокий коэффициент полезного действия.
В качестве топлива используется соединение (диоксид или
карбонитрид) урана, но поскольку конструкция должна быть очень компактной, уран
имеет более высокое обогащение по изотопу 235, чем в твэлах на обычных атомных
станциях. Также, в отличие от обычной топливной энергетики, этому топливу
придется работать при очень высоких температурах, что накладывает жесткие
условия на выбор конструкционных материалов, которые смогут сдерживать
негативные факторы, связанные с температурой, и в то же время позволят топливу
выполнять его основную функцию - нагревать газовый теплоноситель. В связи с этим,
оболочки твэлов изготовлены из монокристаллического сплава тугоплавких металлов
на основе молибдена.
Этому топливу придется работать при очень высоких
температурах. В обычной ядерной топливной энергетике температуры на тысячу
градусов ниже. Поэтому необходимо было выбрать такие материалы, которые смогут
сдерживать негативные факторы, связанные с температурой, и в то же время
позволят топливу выполнять его основную функцию - нагревать газовый
теплоноситель, с помощью которого будет производиться электроэнергия.
Проблема радиационной безопасности решается теневой защитой -
реактор закрывают только с одной стороны, с той, где расположено оборудование и
полезный груз. Излучение может свободно распространяться во все остальные
стороны, там нет ничего, кроме космической пустоты. Так можно существенно
сэкономить на весе защиты.
Электроракетная
двигательная установка (двигатель)
В 2010 году были сформулированы технические предложения по
проекту. С этого года началось проектирование.
Известно, что с начала 1960-х годов в мире было разработано
несколько типов электрореактивных двигателей: ионный, стационарный плазменный,
двигатель с анодным слоем, импульсный плазменный двигатель, магнитоплазменный,
магнитоплазмодинамический.
Исследовательский центр имени М.В. Келдыша (ранее РНИИ,
НИИ-1, НИИТП) разработал и изготовил опытный образец ионного двигателя высокой
мощности ИД-500. Его параметры такие: мощность 32-35 кВт, тяга 375-750 мН,
удельный импульс 70000 м/с, коэффициент полезного действия 0,75.
На данном этапе опытный образец ИД-500 имеет электроды
ионно-оптической системы, выполненные из титана с диаметром перфорированной
отверстиями зоны 500 мм, катод газоразрядной камеры, который обеспечивает ток
разряда в диапазоне 20-70 А и катод-нейтрализатор, способный обеспечить
нейтрализацию ионного пучка в диапазоне токов 2-9 А. На следующем этапе
разработки двигатель будет оснащен электродами из углерод-углеродного
композиционного материала и катодом с графитовым подвижным электродом.
Принцип действия ионного двигателя следующий. В газоразрядной
камере с помощью анодов и катодного блока, расположенных в магнитном поле,
создается разреженная плазма. Из нее эмиссионным электродом «вытягиваются» ионы
рабочего тела (ксенона или другого вещества) и ускоряются в промежутке между ним
и ускоряющим электродом.
По планам, к концу 2017 года будет осуществлена подготовка
ядерной энергодвигательной установки для комплектации
транспортно-энергетического модуля (перелетного межпланетного модуля). К концу
2018 года ЯЭДУ будет подготовлена к летно-конструкторским испытаниям.
Финансирование проекта осуществляется за счет средств федерального бюджета.
Смета на период 2010-2018 гг. составляет 7245 млн руб.
На Земле для охлаждения электростанций используется либо
вода, либо гигантские градирни. В космосе эти способы не доступны. Единственная
возможность - охлаждение излучением. Нагретая поверхность в пустоте охлаждается,
излучая электромагнитные волны в широком диапазоне, в том числе видимый свет.
Общая схема холодильника представлена на рис. 2 и 3
По состоянию на лето 2015 г. промежуточные результаты такие:
для экспериментального подтверждения принципа работы капельного
холодильника-излучателя был проведен первый этап космического эксперимента
«Капля-2» на российском сегменте Международной космической станции;
для теплообменных аппаратов выбрана, экспериментально
обоснована и изготовлена моноблочная бескорпусная конструкция с использованием
теплообменной матрицы из унифицированных штампованных пластин.
Рис. 2. Параметры холодильника ЯЭДУ
Рис. 3. Вариант компоновки ЯЭДУ в составе многоразового
межорбитального буксира:
а) с панельным холодильником-излучателем
б) с капельным холодильником излучателем
Библиографический
список
1. Космические ядерные энергодвигательные установки сейчас
возможны только в России [Электронный ресурс] // kommersant.ru Режим доступа http://kommersant.ru/doc/2810188/
(дата обращения: 04.04.2016).
.
Юрий Драгунов: «С атомной энергетикой дальний космос станет ближе» [Электронный
ресурс] // rosatom.ru Режим доступа http://www.rosatom.ru/journalist/interview/e6ecb98047f68a4a88998e4bb8ef3ea7/
(дата обращения: 04.04.2016).