Mesin nuklir untuk pesawat luar angkasa

2024 Pengarang: Howard Calhoun | [email protected]. Terakhir diubah: 2023-12-17 10:31

Rusia telah dan masih tetap menjadi pemimpin di bidang energi luar angkasa nuklir. Organisasi seperti RSC Energia dan Roskosmos memiliki pengalaman dalam merancang, membangun, meluncurkan, dan mengoperasikan pesawat ruang angkasa yang dilengkapi dengan sumber tenaga nuklir. Mesin nuklir memungkinkan untuk mengoperasikan pesawat selama bertahun-tahun, meningkatkan kesesuaian praktisnya berkali-kali lipat.

Catatan sejarah

Penggunaan energi nuklir di luar angkasa tidak lagi menjadi fantasi di tahun 70-an abad terakhir. Mesin nuklir pertama diluncurkan ke luar angkasa pada 1970-1988 dan berhasil dioperasikan di pesawat ruang angkasa observasi AS-A. Mereka menggunakan sistem pembangkit listrik tenaga nuklir termoelektrik (PLTN) "Buk" dengan daya listrik 3 kW.

Pada 1987-1988, dua kendaraan Plasma-A dengan pembangkit listrik tenaga nuklir termionik Topaz 5 kW menjalani uji terbang dan ruang angkasa, di mana mesin roket listrik (EP) ditenagai dari sumber energi nuklir untuk pertama kalinya.

Menyelesaikan kompleks nuklir berbasis daratuji energi instalasi nuklir termionik "Yenisei" dengan kapasitas 5 kW. Berdasarkan teknologi ini, proyek pembangkit listrik tenaga nuklir termionik dengan kapasitas 25-100 kW telah dikembangkan.

MB Hercules

Pada 1970-an, RSC Energia memulai penelitian ilmiah dan praktis, yang tujuannya adalah untuk menciptakan mesin luar angkasa nuklir yang kuat untuk kapal tunda interorbital (MB) Hercules. Pekerjaan itu memungkinkan untuk membuat cadangan selama bertahun-tahun dalam hal sistem propulsi listrik nuklir (NEP) dengan pembangkit listrik tenaga nuklir termionik dengan kekuatan beberapa hingga ratusan kilowatt dan mesin roket listrik dengan kekuatan satuan puluhan dan ratusan kilowatt.

Desain parameter MB "Hercules":

• daya listrik bersih pembangkit listrik tenaga nuklir – 550 kW;
• impuls spesifik EPS – 30 km/s;
• dorongan proyektor – 26 N;
• sumber daya pembangkit listrik tenaga nuklir dan tenaga penggerak listrik - 16.000 jam;
• badan kerja EPS – xenon;
• berat (kering) kapal tunda - 14,5-15,7 ton, termasuk pembangkit listrik tenaga nuklir - 6,9 ton.

Terkini

Pada abad ke-21, inilah saatnya untuk membuat mesin nuklir baru untuk luar angkasa. Pada Oktober 2009, pada pertemuan Komisi di bawah Presiden Federasi Rusia untuk modernisasi dan pengembangan teknologi ekonomi Rusia, sebuah proyek Rusia baru "Pembuatan modul transportasi dan energi menggunakan pembangkit listrik tenaga nuklir kelas megawatt" diputuskan resmi disetujui. Pengembang utama adalah:

• Pabrik reaktor – OJSC NIKIET.
• Pembangkit listrik tenaga nuklir dengan skema konversi energi turbin gas, EPSatas dasar mesin roket listrik ion dan sistem propulsi nuklir secara keseluruhan - Pusat Ilmiah Negara “Pusat Penelitian dinamai A. I. M. V. Keldysh”, yang juga merupakan organisasi yang bertanggung jawab untuk program pengembangan modul transportasi dan energi (TEM) secara keseluruhan.
• RKK Energia selaku general designer TEM harus mengembangkan kendaraan otomatis dengan modul ini.

Karakteristik instalasi baru

Mesin nuklir baru untuk ruang angkasa Rusia berencana untuk dioperasikan secara komersial di tahun-tahun mendatang. Karakteristik yang diharapkan dari turbin gas NEP adalah sebagai berikut. Sebagai reaktor digunakan reaktor neutron cepat berpendingin gas, temperatur fluida kerja (campuran He/Xe) di depan turbin 1500 K, efisiensi konversi panas menjadi energi listrik 35%, jenis pendingin-radiator menetes. Massa unit daya (reaktor, proteksi radiasi dan sistem konversi, tetapi tanpa radiator-radiator) adalah 6.800 kg.

Mesin nuklir luar angkasa (PLTN, PLTN bersama EPS) direncanakan akan digunakan:

• Sebagai bagian dari kendaraan luar angkasa masa depan.
• Sebagai sumber listrik untuk kompleks dan pesawat ruang angkasa yang intensif energi.
• Untuk menyelesaikan dua tugas pertama dalam modul transportasi dan energi untuk memastikan pengiriman roket listrik dari pesawat ruang angkasa berat dan kendaraan ke orbit yang berfungsi dan pasokan listrik jangka panjang lebih lanjut ke peralatan mereka.

Prinsip pengoperasian nuklirmesin

Berdasarkan fusi inti, atau penggunaan energi fisi bahan bakar nuklir untuk membentuk jet thrust. Ada instalasi tipe pulse-explosive dan liquid. Instalasi bahan peledak melemparkan bom atom mini ke luar angkasa, yang meledak pada jarak beberapa meter, mendorong kapal ke depan dengan gelombang ledakan. Dalam prakteknya, perangkat tersebut belum digunakan.

Mesin nuklir berbahan bakar cair, di sisi lain, telah lama dikembangkan dan diuji. Kembali di tahun 60-an, spesialis Soviet merancang model RD-0410 yang bisa diterapkan. Sistem serupa telah dikembangkan di Amerika Serikat. Prinsip mereka didasarkan pada pemanasan cairan dengan reaktor mini nuklir, itu berubah menjadi uap dan membentuk aliran jet, yang mendorong pesawat ruang angkasa. Meskipun perangkat ini disebut cairan, hidrogen biasanya digunakan sebagai fluida kerja. Tujuan lain dari instalasi ruang nuklir adalah untuk menyalakan jaringan listrik (instrumen) kapal dan satelit.

Kendaraan telekomunikasi berat untuk komunikasi antariksa global

Saat ini, pekerjaan sedang berlangsung pada mesin nuklir untuk ruang angkasa, yang direncanakan akan digunakan pada kendaraan komunikasi ruang angkasa yang berat. RSC Energia melakukan penelitian dan pengembangan desain sistem komunikasi ruang angkasa global yang kompetitif secara ekonomi dengan komunikasi seluler murah, yang seharusnya dicapai dengan mentransfer "stasiun telepon" dari Bumi ke luar angkasa.

Prasyarat untuk pembuatannya adalah:

• pengisian orbit geostasioner (GSO) hampir selesai dengan bekerja danteman pasif;
• kelelahan frekuensi;
• pengalaman positif dalam pembuatan dan penggunaan komersial satelit geostasioner informasi seri Yamal.

Saat membuat platform Yamal, solusi teknis baru menyumbang 95%, yang memungkinkan kendaraan tersebut menjadi kompetitif di pasar layanan ruang angkasa global.

Diharapkan untuk mengganti modul dengan peralatan komunikasi teknologi kira-kira setiap tujuh tahun. Ini akan memungkinkan untuk membuat sistem 3-4 satelit GEO multifungsi yang berat dengan peningkatan daya listrik yang dikonsumsi oleh mereka. Awalnya, pesawat ruang angkasa dirancang berdasarkan panel surya dengan kapasitas 30-80 kW. Pada tahap selanjutnya, direncanakan untuk menggunakan mesin nuklir 400 kW dengan sumber daya hingga satu tahun dalam mode transportasi (untuk pengiriman modul dasar ke GSO) dan 150-180 kW dalam mode operasi jangka panjang (minimal 10-15 tahun) sebagai sumber listrik.

Mesin nuklir di sistem perlindungan anti-meteorit Bumi

Studi desain yang dilakukan oleh RSC Energia pada akhir 90-an menunjukkan bahwa dalam pembuatan sistem anti-meteorit untuk melindungi Bumi dari inti komet dan asteroid, instalasi nuklir-listrik dan sistem propulsi nuklir dapat digunakan untuk:

1. Membuat sistem untuk memantau lintasan asteroid dan komet yang melintasi orbit Bumi. Untuk melakukan ini, diusulkan untuk mengatur pesawat ruang angkasa khusus yang dilengkapi dengan peralatan optik dan radar untuk mendeteksi objek berbahaya,perhitungan parameter lintasannya dan studi utama tentang karakteristiknya. Sistem ini dapat menggunakan mesin luar angkasa nuklir dengan pembangkit listrik tenaga nuklir termionik mode ganda dengan daya 150 kW atau lebih. Sumber dayanya harus berusia minimal 10 tahun.
2. Menguji sarana pengaruh (ledakan perangkat termonuklir) pada asteroid poligon yang aman. Kekuatan NEP untuk mengirimkan perangkat uji ke lokasi uji asteroid tergantung pada massa muatan yang dikirim (150-500 kW).
3. Pengiriman sarana pengaruh reguler (pencegat dengan berat total 15-50 ton) ke objek berbahaya yang mendekati Bumi. Sebuah mesin jet nuklir dengan kapasitas 1-10 MW akan diperlukan untuk mengirimkan muatan termonuklir ke asteroid berbahaya, yang ledakan permukaannya, karena aliran jet bahan asteroid, dapat membelokkannya dari lintasan berbahaya.

Pengiriman peralatan penelitian ke luar angkasa

Pengiriman peralatan ilmiah ke objek luar angkasa (planet jauh, komet periodik, asteroid) dapat dilakukan dengan menggunakan tahapan luar angkasa berdasarkan LRE. Dianjurkan untuk menggunakan mesin nuklir untuk pesawat ruang angkasa ketika tugasnya adalah memasuki orbit satelit benda langit, kontak langsung dengan benda langit, pengambilan sampel zat dan studi lain yang memerlukan peningkatan massa kompleks penelitian, penyertaan tahap pendaratan dan lepas landas.

Parameter motor

Mesin nuklir untuk pesawat luar angkasaKompleks penelitian akan memperluas "jendela awal" (karena laju aliran fluida kerja yang terkendali), yang menyederhanakan perencanaan dan mengurangi biaya proyek. Penelitian yang dilakukan oleh RSC Energia menunjukkan bahwa sistem propulsi nuklir 150 kW dengan masa pakai hingga tiga tahun adalah cara yang menjanjikan untuk mengirimkan modul ruang angkasa ke sabuk asteroid.

Pada saat yang sama, pengiriman peralatan penelitian ke orbit planet-planet jauh di tata surya membutuhkan peningkatan sumber daya instalasi nuklir semacam itu hingga 5-7 tahun. Telah terbukti bahwa kompleks dengan sistem propulsi nuklir dengan kekuatan sekitar 1 MW sebagai bagian dari pesawat ruang angkasa penelitian akan memungkinkan pengiriman yang dipercepat dari satelit buatan dari planet yang paling jauh, penjelajah planet ke permukaan satelit alami dari planet-planet ini. dan pengiriman tanah dari komet, asteroid, Merkurius dan bulan Jupiter dan Saturnus.

Tunda yang dapat digunakan kembali (MB)

Salah satu cara terpenting untuk meningkatkan efisiensi operasi transportasi di ruang angkasa adalah penggunaan elemen sistem transportasi yang dapat digunakan kembali. Mesin nuklir untuk pesawat ruang angkasa dengan kekuatan setidaknya 500 kW memungkinkan untuk membuat kapal tunda yang dapat digunakan kembali dan dengan demikian secara signifikan meningkatkan efisiensi sistem transportasi ruang angkasa multi-tautan. Sistem seperti itu sangat berguna dalam program untuk memastikan arus kargo tahunan yang besar. Contohnya adalah program eksplorasi Bulan dengan penciptaan dan pemeliharaan basis layak huni yang terus berkembang serta kompleks teknologi dan produksi eksperimental.

Perhitungan perputaran kargo

Menurut studi desain RKK"Energi", selama pembangunan pangkalan, modul dengan berat sekitar 10 ton harus dikirim ke permukaan Bulan, hingga 30 ton ke orbit Bulan, untuk memastikan fungsi dan pengembangan pangkalan - 400-500 t.

Namun, prinsip pengoperasian mesin nuklir tidak memungkinkan untuk membubarkan transporter dengan cukup cepat. Karena waktu transportasi yang lama dan, karenanya, waktu yang signifikan yang dihabiskan oleh muatan di sabuk radiasi Bumi, tidak semua kargo dapat dikirim menggunakan kapal tunda bertenaga nuklir. Oleh karena itu, arus kargo yang dapat disediakan berdasarkan NEP diperkirakan hanya 100-300 ton/tahun.

Efisiensi biaya

Sebagai kriteria untuk efisiensi ekonomi dari sistem transportasi antar orbit, disarankan untuk menggunakan nilai biaya unit pengangkutan satu unit massa muatan (PG) dari permukaan bumi ke orbit target. RSC Energia mengembangkan model ekonomi dan matematika yang memperhitungkan komponen biaya utama dalam sistem transportasi:

• untuk membuat dan meluncurkan modul tug ke orbit;
• untuk pembelian instalasi nuklir yang berfungsi;
• biaya operasi, serta biaya R&D dan kemungkinan biaya modal.

Indikator biaya bergantung pada parameter optimal MB. Dengan menggunakan model ini, perbandinganefisiensi ekonomi menggunakan kapal tunda yang dapat digunakan kembali berdasarkan NEP dengan daya sekitar 1 MW dan kapal tunda sekali pakai berdasarkan mesin roket cair canggih dalam program untuk mengirimkan muatan dengan massa total 100 t/tahun dari Bumi ke orbit Bulan dengan ketinggian 100 km. Saat menggunakan kendaraan peluncuran yang sama dengan daya dukung yang sama dengan daya dukung kendaraan peluncuran Proton-M dan skema dua peluncuran untuk membangun sistem transportasi, biaya satuan untuk mengirimkan satu unit massa muatan menggunakan kapal tunda bertenaga nuklir akan tiga kali lebih rendah dibandingkan saat menggunakan kapal tunda sekali pakai berbasis roket dengan mesin cair tipe DM-3.

Kesimpulan

Mesin nuklir yang efisien untuk ruang angkasa berkontribusi pada pemecahan masalah lingkungan di Bumi, penerbangan berawak ke Mars, menciptakan sistem transmisi daya nirkabel di ruang angkasa, menerapkan dengan peningkatan keamanan pembuangan limbah radioaktif yang sangat berbahaya dari berbasis darat energi nuklir di luar angkasa, menciptakan basis bulan yang dapat dihuni dan memulai eksplorasi industri Bulan, memastikan perlindungan Bumi dari bahaya asteroid-komet.