Injini za nyuklia kwa vyombo vya anga

2024 Mwandishi: Howard Calhoun | [email protected]. Mwisho uliobadilishwa: 2023-12-17 10:41

Urusi imekuwa na ingali inaongoza katika nyanja ya nishati ya anga ya nyuklia. Mashirika kama vile RSC Energia na Roskosmos yana uzoefu katika kubuni, kujenga, kurusha na kuendesha vyombo vya anga vilivyo na chanzo cha nishati ya nyuklia. Injini ya nyuklia hufanya iwezekane kuendesha ndege kwa miaka mingi, na kuongeza ufaafu wao wa vitendo mara nyingi zaidi.

Rekodi ya kihistoria

Matumizi ya nishati ya nyuklia angani yalikoma kuwa njozi katika miaka ya 70 ya karne iliyopita. Injini za kwanza za nyuklia zilizinduliwa angani mnamo 1970-1988 na kuendeshwa kwa mafanikio kwenye chombo cha uchunguzi cha US-A. Walitumia mfumo wenye mtambo wa nyuklia wa thermoelectric (NPP) "Buk" yenye nguvu ya umeme ya kW 3.

Mnamo 1987-1988, magari mawili ya Plasma-A yenye mtambo wa nyuklia wa Topaz thermionic wa 5 kW yalifanyiwa majaribio ya kukimbia na anga, wakati ambapo injini za roketi za kielektroniki (EP) ziliwezeshwa kutoka chanzo cha nishati ya nyuklia kwa mara ya kwanza.

Imekamilisha mkusanyiko wa nyuklia ya msingivipimo vya nishati ya ufungaji wa nyuklia ya thermionic "Yenisei" yenye uwezo wa 5 kW. Kwa misingi ya teknolojia hizi, miradi ya mitambo ya nyuklia ya thermionic yenye uwezo wa kW 25-100 imetengenezwa.

MB Hercules

Katika miaka ya 1970, RSC Energia ilianza utafiti wa kisayansi na wa vitendo, ambao madhumuni yake yalikuwa kuunda injini yenye nguvu ya anga ya nyuklia kwa ajili ya tug interorbital (MB) Hercules. Kazi hiyo ilifanya iwezekane kutengeneza akiba kwa miaka mingi katika suala la mfumo wa kusukuma umeme wa nyuklia (NEP) na mtambo wa nguvu wa nyuklia wa thermionic na nguvu ya kadhaa hadi mamia ya kilowati na injini za roketi za umeme zilizo na nguvu ya makumi na mamia. ya kilowati.

Vigezo vya muundo wa MB "Hercules":

• nguvu ya umeme ya kinu cha nyuklia - 550 kW;
• msukumo mahususi wa EPS – 30 km/s;
• msukumo wa mradi - 26 N;
• rasilimali ya mtambo wa nyuklia na msukumo wa umeme - saa 16,000;
• mwili wa EPS – xenon;
• uzito (kavu) wa kuvuta - tani 14.5-15.7, ikijumuisha mitambo ya nyuklia - tani 6.9.

Nyakati za Hivi Karibuni

Katika karne ya 21, ni wakati wa kuunda injini mpya ya nyuklia kwa ajili ya anga. Mnamo Oktoba 2009, katika mkutano wa Tume chini ya Rais wa Shirikisho la Urusi kwa ajili ya kisasa na maendeleo ya teknolojia ya uchumi wa Urusi, mradi mpya wa Kirusi "Uundaji wa moduli ya usafiri na nishati kwa kutumia kituo cha nguvu cha nyuklia cha megawati" ulifanyika. kupitishwa rasmi. Watengenezaji wakuu ni:

• Mtambo wa kinu – OJSC NIKIET.
• Kiwanda cha nishati ya nyuklia chenye mpango wa kubadilisha nishati ya turbine ya gesi, EPSkwa msingi wa injini za roketi za ion na mifumo ya nyuklia kwa ujumla - Kituo cha Sayansi cha Jimbo "Kituo cha Utafiti kilichoitwa baada ya A. I. M. V. Keldysh”, ambalo pia ndilo shirika linalowajibika kwa mpango wa maendeleo wa moduli ya usafiri na nishati (TEM) kwa ujumla.
• RKK Energia kama mbunifu mkuu wa TEM anapaswa kuunda gari otomatiki kwa kutumia moduli hii.

Sifa za usakinishaji mpya

Injini mpya ya nyuklia ya anga ya juu Urusi inapanga kuanza kufanya kazi kibiashara katika miaka ijayo. Sifa zinazotarajiwa za turbine ya gesi NEP ni kama ifuatavyo. Kama kinu, kiyeyea chenye kasi ya neutroni kilichopozwa gesi hutumiwa, joto la maji ya kufanya kazi (mchanganyiko wa He/Xe) mbele ya turbine ni 1500 K, ufanisi wa kubadilisha mafuta kuwa nishati ya umeme ni 35%, aina ya cooler-radiator ni drip. Uzito wa kitengo cha nishati (reactor, ulinzi wa mionzi na mfumo wa uongofu, lakini bila radiator-radiator) ni kilo 6,800.

Injini za nyuklia za anga (NPP, NPP pamoja na EPS) zimepangwa kutumika:

• Kama sehemu ya magari ya anga ya juu.
• Kama vyanzo vya umeme kwa majengo yanayotumia nishati nyingi na vyombo vya anga.
• Ili kutatua kazi mbili za kwanza katika moduli ya usafiri na nishati ili kuhakikisha uwasilishaji wa roketi ya umeme ya vyombo vya anga za juu na magari kwenye njia za kufanya kazi na usambazaji wa nishati ya muda mrefu kwa vifaa vyao.

Kanuni ya utendakazi wa nyukliainjini

Kulingana na muunganisho wa viini, au matumizi ya nishati ya mtengano wa mafuta ya nyuklia kuunda msukumo wa ndege. Kuna usakinishaji wa aina za milipuko ya kunde na kioevu. Ufungaji wa kulipuka hutupa mabomu madogo ya atomiki kwenye nafasi, ambayo, yakipuka kwa umbali wa mita kadhaa, kusukuma meli mbele na wimbi la kulipuka. Kiutendaji, vifaa kama hivyo bado havijatumika.

Injini za nyuklia zinazoendeshwa na kioevu, kwa upande mwingine, zimetengenezwa na kufanyiwa majaribio kwa muda mrefu. Nyuma katika miaka ya 60, wataalam wa Soviet walitengeneza mfano wa kufanya kazi RD-0410. Mifumo kama hiyo imetengenezwa nchini Marekani. Kanuni yao inategemea inapokanzwa kioevu na nyuklia mini-reactor, inageuka kuwa mvuke na kuunda mkondo wa ndege, ambayo inasukuma spacecraft. Ingawa kifaa kinaitwa kioevu, hidrojeni hutumiwa kama maji ya kufanya kazi. Madhumuni mengine ya uwekaji wa anga za nyuklia ni kuwezesha mtandao wa onboard wa umeme (vyombo) vya meli na satelaiti.

Magari mazito ya mawasiliano ya simu kwa mawasiliano ya anga ya kimataifa

Kwa sasa, kazi inaendelea ya injini ya nyuklia kwa ajili ya anga, ambayo imepangwa kutumika katika magari makubwa ya mawasiliano ya anga. RSC Energia ilifanya utafiti na uundaji wa maendeleo ya mfumo wa mawasiliano wa anga za juu wa kimataifa wenye ushindani wa kiuchumi na mawasiliano ya bei nafuu ya simu za mkononi, ambayo ilipaswa kufikiwa kwa kuhamisha "kituo cha simu" kutoka duniani hadi angani.

Masharti ya uundaji wao ni:

• karibu kujazwa kamili kwa obiti ya geostationary (GSO) kwa kufanya kazi namasahaba wasio na shughuli;
• kuchoka kwa masafa;
• utendaji chanya katika uundaji na matumizi ya kibiashara ya satelaiti za kijiografia za habari za mfululizo wa Yamal.

Wakati wa kuunda mfumo wa Yamal, masuluhisho mapya ya kiufundi yalichangia 95%, ambayo yaliruhusu magari kama hayo kushindana katika soko la kimataifa la huduma za anga.

Inatarajiwa kubadilisha moduli na vifaa vya mawasiliano ya kiteknolojia takriban kila baada ya miaka saba. Hii itafanya iwezekanavyo kuunda mifumo ya satelaiti 3-4 nzito za GEO na ongezeko la nguvu za umeme zinazotumiwa nao. Hapo awali, vyombo vya anga viliundwa kwa msingi wa paneli za jua zenye uwezo wa 30-80 kW. Katika hatua inayofuata, imepangwa kutumia injini za nyuklia za kW 400 na rasilimali ya hadi mwaka mmoja katika hali ya usafirishaji (kwa uwasilishaji wa moduli ya msingi kwa GSO) na 150-180 kW katika hali ya operesheni ya muda mrefu. (angalau miaka 10-15) kama chanzo cha umeme.

Injini za nyuklia katika mfumo wa Dunia wa ulinzi dhidi ya meteorite

Tafiti za usanifu zilizofanywa na RSC Energia mwishoni mwa miaka ya 90 zilionyesha kuwa katika uundaji wa mfumo wa kupambana na meteorite kwa ajili ya kulinda Dunia kutokana na nuclei ya comets na asteroids, mitambo ya nyuklia-umeme na mifumo ya nyuklia inaweza kuwa. inatumika kwa:

1. Kuunda mfumo wa kufuatilia mapito ya asteroidi na kometi kuvuka obiti ya Dunia. Ili kufanya hivyo, inashauriwa kupanga vyombo maalum vya anga vilivyo na vifaa vya macho na rada kwa kugundua vitu hatari.hesabu ya vigezo vya trajectories zao na utafiti wa msingi wa sifa zao. Mfumo huo unaweza kutumia injini ya anga ya nyuklia yenye mtambo wa nyuklia wa hali mbili za thermionic na nguvu ya kW 150 au zaidi. Rasilimali yake lazima iwe na umri wa angalau miaka 10.
2. Kujaribu njia za ushawishi (mlipuko wa kifaa cha thermonuclear) kwenye asteroidi salama ya poligoni. Nguvu ya NEP kuwasilisha kifaa cha majaribio kwenye tovuti ya majaribio ya asteroid inategemea uzito wa mzigo uliowasilishwa (150-500 kW).
3. Uwasilishaji wa njia za kawaida za ushawishi (kiingilia chenye uzito wa jumla wa tani 15-50) kwa kitu hatari kinachokaribia Dunia. Injini ya ndege ya nyuklia yenye uwezo wa 1-10 MW itahitajika kutoa malipo ya nyuklia kwa asteroid hatari, mlipuko wa uso ambao, kutokana na mkondo wa ndege wa nyenzo za asteroid, unaweza kuipotosha kutoka kwenye trajectory hatari.

Uwasilishaji wa vifaa vya utafiti kwenye anga ya juu

Uwasilishaji wa vifaa vya kisayansi kwa vitu vya angani (sayari za mbali, kometi za mara kwa mara, asteroidi) unaweza kutekelezwa kwa kutumia hatua za angani kulingana na LRE. Inashauriwa kutumia injini za nyuklia kwa vyombo vya anga wakati kazi ni kuingia kwenye obiti ya satelaiti ya mwili wa mbinguni, kuwasiliana moja kwa moja na mwili wa mbinguni, vitu vya sampuli na masomo mengine ambayo yanahitaji kuongezeka kwa wingi wa tata ya utafiti. kujumuisha hatua za kutua na kuondoka.

Vigezo vya injini

Injini ya nyuklia kwa vyombo vya angaMchanganyiko wa utafiti utapanua "dirisha la kuanza" (kutokana na kiwango cha kudhibitiwa cha mtiririko wa maji ya kufanya kazi), ambayo hurahisisha kupanga na kupunguza gharama ya mradi. Utafiti uliofanywa na RSC Energia ulionyesha kuwa mfumo wa nyuklia wa kW 150 na maisha ya huduma ya hadi miaka mitatu ni njia ya kuleta matumaini ya kuwasilisha moduli za anga kwenye ukanda wa asteroid.

Wakati huohuo, uwasilishaji wa kifaa cha utafiti kwenye njia za sayari za mbali za mfumo wa jua unahitaji kuongezeka kwa rasilimali ya uwekaji wa nyuklia hadi miaka 5-7. Imethibitishwa kuwa tata iliyo na mfumo wa kusukuma nyuklia na nguvu ya takriban 1 MW kama sehemu ya chombo cha utafiti itaruhusu utoaji wa haraka wa satelaiti bandia za sayari za mbali zaidi, rovers za sayari kwenye uso wa satelaiti za asili za sayari hizi. na utoaji wa udongo kutoka kwa comets, asteroids, Mercury na miezi ya Jupiter na Zohali.

Kivuta kinachoweza kutumika tena (MB)

Mojawapo ya njia muhimu zaidi za kuongeza ufanisi wa shughuli za usafiri angani ni utumizi unaoweza kutumika tena wa vipengele vya mfumo wa usafiri. Injini ya nyuklia kwa chombo cha anga yenye nguvu ya angalau 500 kW inafanya uwezekano wa kuunda tug inayoweza kutumika tena na hivyo kuongeza kwa kiasi kikubwa ufanisi wa mfumo wa usafiri wa nafasi ya viungo vingi. Mfumo kama huo ni muhimu sana katika mpango wa kuhakikisha mtiririko wa shehena kubwa ya kila mwaka. Mfano ni mpango wa uchunguzi wa Mwezi na uundaji na udumishaji wa msingi unaoweza kukaa kila mara na miundo ya majaribio ya teknolojia na uzalishaji.

Mahesabu ya mauzo ya mizigo

Kulingana na tafiti za usanifu za RKK"Nishati", wakati wa ujenzi wa msingi, moduli zenye uzito wa tani 10 zinapaswa kutolewa kwa uso wa Mwezi, hadi tani 30 kwenye mzunguko wa Mwezi. ili kuhakikisha utendaji na maendeleo ya msingi - 400-500 t.

Hata hivyo, kanuni ya utendakazi wa injini ya nyuklia hairuhusu kutawanya kisafirishaji haraka vya kutosha. Kwa sababu ya muda mrefu wa usafirishaji na, ipasavyo, wakati muhimu unaotumiwa na mzigo kwenye mikanda ya mionzi ya Dunia, sio mizigo yote inayoweza kutolewa kwa kutumia tugs za nyuklia. Kwa hiyo, mtiririko wa mizigo unaoweza kutolewa kwa misingi ya NEP unakadiriwa kuwa tani 100-300 tu kwa mwaka.

Ufanisi wa gharama

Kama kigezo cha ufanisi wa kiuchumi wa mfumo wa usafiri wa interorbital, inashauriwa kutumia thamani ya kitengo cha gharama ya kusafirisha uzito wa shehena (PG) kutoka kwenye uso wa Dunia hadi kwenye obiti lengwa. RSC Energia ilitengeneza muundo wa kiuchumi na hisabati ambao unazingatia vipengele vikuu vya gharama katika mfumo wa usafiri:

• kuunda na kuzindua moduli za kuvuta kwenye obiti;
• kwa ununuzi wa kisakinishi kinachofanya kazi cha nyuklia;
• gharama za uendeshaji, pamoja na gharama za R&D na gharama zinazowezekana za mtaji.

Viashirio vya gharama hutegemea vigezo bora zaidi vya MB. Kwa kutumia mfano huu, kulinganishaufanisi wa kiuchumi wa kutumia kivuta kinachoweza kutumika tena kwa msingi wa NEP chenye nguvu ya takriban MW 1 na kivuta kinachoweza kutumika kwa msingi wa injini za roketi za kioevu za hali ya juu katika mpango wa kutoa mzigo wa jumla wa t 100 kwa mwaka kutoka kwa Dunia hadi kwenye mzunguko wa Mwezi. na urefu wa kilomita 100. Wakati wa kutumia gari moja la uzinduzi na uwezo wa kubeba sawa na uwezo wa kubeba wa gari la uzinduzi wa Proton-M na mpango wa uzinduzi mara mbili wa kuunda mfumo wa usafirishaji, gharama ya kitengo cha kutoa mzigo wa kitengo cha malipo kwa kutumia tug ya nyuklia. itakuwa chini mara tatu kuliko wakati wa kutumia vivuta vinavyoweza kutupwa kulingana na roketi zenye injini za kioevu aina ya DM-3.

Hitimisho

Injini bora ya nyuklia ya angani huchangia katika kutatua matatizo ya mazingira ya Dunia, safari ya ndege hadi Mirihi, kuunda mfumo wa upokezaji wa nishati isiyotumia waya angani, kutekeleza utupaji salama wa taka hatari sana za mionzi kutoka kwa nishati ya nyuklia ya ardhini. angani, kuunda msingi wa mwezi unaoweza kukaa na kuanzisha uchunguzi wa kiviwanda wa Mwezi, kuhakikisha ulinzi wa Dunia dhidi ya hatari ya nyota ya nyota.