Меню

Атомный реактор для космоса

Проект ТЭМ: ядерный реактор и электроракетный двигатель для космоса

Один из самых смелых проектов последних лет в сфере космических технологий развивается, и появляются поводы для хороших новостей. На днях стало известно о завершении работ по проекту «Создание транспортно-энергетического модуля на основе ядерной энергодвигательной установки мегаваттного класса». Теперь ученым предстоит провести ряд последующих работ, и конечным результатом станет появление полноценного модуля, пригодного к эксплуатации.

Отчет о работе

В конце июля «Роскосмос» утвердил отчет за 2018 г., указывающий основные направления деятельности и успехи организации. Среди прочего в отчете упомянут проект «Создание транспортно-энергетического модуля на основе ядерной энергодвигательной установки мегаваттного класса», разрабатывавшийся в рамках Госпрограммы «Космическая деятельность России на 2013-2020 годы».

Согласно отчету, выполнение этого проекта было завершено в прошлом году. В рамках этих работ подготовлена конструкторская документация, изготовлены и испытаны отдельные изделия. Пока речь идет о компонентах будущего макета наземного прототипа транспортно-энергетического модуля (ТЭМ).

На этом работы по созданию ТЭМ не останавливаются. Все дальнейшие мероприятия будут осуществляться в рамках существующей федеральной космической программы. К сожалению, в отчете «Роскосмоса» не приводятся технические подробности проекта ТЭМ в его нынешнем виде, а также не указываются сроки выполнения работ. Впрочем, эти данные известны из других источников.

История вопроса

Согласно отчету «Роскосмоса», работы по теме ТЭМ продолжаются и скоро должны выйти на новый этап. Это означает, что планы по созданию принципиально новой ракетно-космической техники, утвержденные почти 10 лет назад, будут выполнены в обозримом будущем.

Идея транспортно-энергетического модуля на основе ядерной энергодвигательной установки (ЯЭДУ) в ее нынешнем виде была предложена в 2009 г. Разработка этого изделия должна была осуществляться предприятиями «Роскосмоса» и «Росатома». Ведущую роль в проекте играют ракетно-космическая корпорация «Энергия» и ФГУП «Центр Келдыша».

В 2010 г. проект стартовал, начались первые исследовательские и конструкторские работы. На тот момент утверждалось, что основные компоненты ЯЭДУ и ТЭМ будут готовы к концу десятилетия. Эскизный проект ТЭМ подготовили в 2013 г. В 2014-м начались испытания компонентов ЯЭДУ и ионного двигателя ИД-500. В дальнейшем неоднократно появлялись сообщения о тех или иных работах и успехах. Строились и испытывались различные элементы ЯЭДУ и ТЭМ, а также осуществлялся поиск сфер применения новой техники.

По мере проработки проекта ТЭМ в открытых источниках регулярно публиковались изображения, показывающие примерный облик этого изделия. Последний раз подобные материалы появлялись в ноябре прошлого года. Любопытно, что этот вариант облика заметно отличался от предыдущих, хотя и имел некоторое сходство в основных чертах.

Технические особенности

Транспортно-энергетический модуль рассматривается в качестве многоцелевого средства для работы в космосе, как на орбитах Земли, так и на других траекториях. С его помощью в будущем планируется выводить полезную нагрузку на орбиты или отправлять к другим небесным телам. Также ТЭМ может использоваться для обслуживания космических аппаратов или в борьбе с космическим мусором.

ТЭМ получит раздвижные несущие фермы, за счет которых будут обеспечены необходимые габариты. На фермах предлагается монтировать энергоблок с реакторной установкой, приборно-агрегатный комплекс, стыковочные средства, солнечные батареи и т.д. В хвостовой части модуля будут располагаться маршевые и маневровые электроракетные двигатели. Полезная нагрузка будет перевозиться при помощи стыковочных устройств.

Основной компонент ТЭМ – ЯЭДУ мегаваттного класса, разрабатываемая с 2009 г. Реактор установки должен отличаться особой стойкостью к температурным нагрузкам, что связано с особыми режимами его работы. В качестве теплоносителя выбрана гелий-ксеноновая смесь. Тепловая мощность установки достигнет 3,8 МВт, электрическая – 1 МВт. Для сброса лишнего тепла предлагается использовать капельный холодильник-излучатель.

Электроэнергия от ядерной установки должна подаваться на электроракетный двигатель. На стадии испытаний находится перспективный ионный двигатель ИД-500. При КПД до 75% он должен показывать мощность 35 кВт и тягу до 750 мН. На испытаниях в 2017 г. изделие ИД-500 отработало на стенде 300 ч на мощности 35 кВт.

Согласно данным прошлых лет, ТЭМ в рабочем положении будет иметь длину более 50-52 м при диаметре (по раскрытым фермам и элементам на них) свыше 20 м. Масса – не менее 20 т. Вывод такого модуля на околоземную орбиту будет осуществляться при помощи одной или нескольких ракет-носителей с последующей сборкой. Затем с ним должна стыковаться полезная нагрузка. Расчетный срок службы, ограниченный ресурсом реактора, составляет 10 лет.

Читайте также:  Красивые девушки связанные с космосом

Большие перспективы

Главной особенностью ТЭМ с ЯЭДУ, принципиально отличающей его от другой ракетно-космической техники, является высочайший удельный импульс. Применение особой энергоустановки и электроракетного двигателя позволяет получать требуемые параметры тяги при минимальном расходе ядерного топлива. Таким образом, ТЭМ в теории способен решать задачи, недоступные для традиционных ракетных систем на химическом топливе.

Благодаря этому появляется возможность более активного использования маршевых и маневровых двигателей на всем протяжении полета. В частности, это позволяет использовать более выгодные траектории полета к другим небесным телам. 10-летний срок эксплуатации позволяет многократно применять ТЭМ в разных миссиях, сокращая расходы на их организацию. В целом появление систем наподобие ТЭМ с ЯЭДУ даст космонавтике новые возможности во всех основных сферах деятельности.

Штатные двигатели ТЭМ должны использовать только часть электроэнергии от генерирующих систем. Соответственно, остается крупный запас мощности, пригодной для использования целевым оборудованием.

Однако имеются и существенные недостатки. Прежде всего, это необходимость разработки целого ряда новых технологий и общая сложность проекта. Вследствие этого создание ТЭМ требует много времени и соответствующее финансирование. Так, проект «Роскосмоса» разрабатывается около 10 лет, но практическое применение готового ТЭМ все еще относится к отдаленному будущему. Общая стоимость проекта оценивается в 17 млрд рублей.

Применение ядерной энергоустановки приводит к серьезным ограничениям на разных этапах. К примеру, испытания готовой ЯЭДУ или ТЭМ в целом возможны только на орбитах, что позволит минимизировать ущерб от возможных нештатных ситуаций. То же касается и эксплуатации готового транспортно-энергетического модуля.

Обозримое будущее

Согласно последним новостям, разработка проекта «Создание транспортно-энергетического модуля на основе ядерной энергодвигательной установки мегаваттного класса» успешно завершена. Уже готовы некоторые макетные образцы, необходимые для проведения испытаний. В ближайшие годы предприятиям из состава «Роскосмоса» и «Росатома» предстоит провести ряд важнейших работ с этими и другими изделиями.

Летный прототип ТЭМ планируется построить в 2022-23 гг. После этого должны стартовать различные испытания, на которые уйдет несколько лет. Полноценный запуск эксплуатации ТЭМ ожидается в 2030 г.

В конце июня стало известно о подготовке площадки для эксплуатации ТЭМ. Такую технику будут запускать с космодрома Восточный. Не так давно был объявлен конкурс на разработку и строительство комплекса средств для подготовки космических аппаратов и транспортно-энергетического модуля. Конструкторская документация на технический комплекс должна быть разработана в 2025-26 гг. Строительство планируется запустить в 2027-м, а ввод в эксплуатацию состоится в 2030-м. Стоимость контракта – 13,2 млрд рублей.

Таким образом, различные работы по теме перспективной ракетно-космической техники с ЯЭДУ будут продолжаться в течение всего следующего десятилетия. Одним организациям предстоит завершить разработку и провести испытания транспортно-энергетического модуля, тогда как другие будут готовить инфраструктуру для его эксплуатации. По результатам всех этих работ в 2030 г. в распоряжении российской космической отрасли окажется принципиально новая техника с широкими возможностями. Впрочем, сложность всех этапов многообещающей программы может привести к изменению графика.

Источник

Журнал «Все о Космосе»

Ядерные реакторы в космосе

Вершиной 20 летних исследовательских и конструкторских усилий по созданию космических энергоустановок на базе ядерных реакторов в СССР стал полетевшая в 1988 году двойка спутников “Плазма-А”. Эти установки базировались на отлаженной на земле технологии термоэмиссионного преобразования энергии (более 80 испытательных сборок провели в реакторах от 100 до 16000 часов). Вложенные усилия, масштаб работ и красота идеи оказались настолько мощными, что последующие 20 лет в статьях профильных организаций, проектировавших и планировавших КА с ЯЭУ вы не найдете ничего, кроме развития идей реакторов с термоэмиссионными преобразователями. 20 лет разговоров про светлое ядерно-космическое будущее оборвались в октябре 2009 года, когда финансирование получили не многочисленные проекты развития “Плазма-А”, а “Транспортно-энергетический модуль” с турбомашинным преобразованием. И во главе проекта встали совсем не те люди, которые занимались этой тематикой раньше. Одну из ключевых ролей в таком развороте кроме усилий лоббистов сыграла одна техническая идея, связанная со сбросом тепла в космосе.

Американская АМС “JIMO”, тоже планировавшаяся с ядерным реактором на борту.

Хорошо известно, что вес – это главный враг космических ЯЭУ, а холодильники для сброса паразитного тепла – самый тяжелый элемент подобных космических аппаратов. В варианте с термоэмиссионными преобразователями этот вопрос решается довольно элегантно – да, их кпд невелик по сравнению с турбинным циклом, но температура холодильников излучателей может быть очень высока (порядка 1000К, а сам реактор разогрет до 1650К) , а как мы помним, вес холодильников зависит от температуры в степени 1/T^4. В итоге эта степенная зависимость переигрывает вчетверо больший объем тепла, который надо сбросить с термоэмиссионной ЯЭУ.

Читайте также:  Кулер мастер космос c700м

Только если у вас нет революционной идеи капельного ХИ.

Идея заключается в том, что бы вместо того, что бы гонять жидкость по трубкам внутри излучающих панелей, она полетит прямо сквозь космос – от форсунок-формирователей струй до каплеуловителя. При этом, теоретически, вес ХИ можно сократить в разы, а потери на испарение в вакуум решаются подбором специальной кремнеорганической жидкости. В таком раскладе у термоэмиссионых ЯЭУ начинает играть их “родимое пятно” – невысокая плотность мощности на электрогенерирующих твэлах, ну и кпд в 5-8%.

Именно такой концепт ТЭМ – с турбомашинным преобразованием тепловой энергии и капельными холодильниками был предложен ФГУП «Центр Келдыша» в 2009 году. Новаторство идеи легло на благодатную почву пика “развития инноваций в стране” президентом Медведевым, а помноженное на силу лоббистов Росатома и главы «ИЦ Келдыша» академика Коротеева позволило смести жалкие “архаичные” проекты РКК Энергии, КБ Арсенал, ОАО “Красная звезда” с доски и получить заветное финансирование.

Первый эскизный вариант ТЭМ с 4 капельными холодильниками (бежево-коричневые полотнища). Снизу рендер в сложенном положении. (с) РКК Энергия

Для проведения НИОКР в 2010 году была начата программа стоимостью 17 миллиардов рублей, из которых 7.245 млрд. руб. выделялось на реактор, 3.955 на систему преобразования энергии, а около 5.8 млрд – на оставшийся космический аппарат. Ядерный реактор поручили делать институту НИКИЭТ (создателю свинцового быстровика БРЕСТ), систему преобразования энергии – ИЦ им. Келдыша, а весь космический аппарат – РКК “Энергия”.

Облик первой редакции ТЭМ поражал любого инженера, знающего контекст. Сверхвысокотемпературный (1600К!) быстрый реактор, охлаждаемый газом, топливо из карбонитрида урана (перспективное, но малоизученное), турбокомпрессорные установки, работающие на 60000 оборотах в минуту c температурой на турбине 1500К непрерывно 10 лет, теплообменники, на те же 1500К. Раздвигающаяся конструкция аппарата длинной 54 метра и шириной 20, в исходном состоянии укладывающаяся под обтекателем РН. Рекордная мегаваттная космическая электросистема с напряжением 4,5 киловольта, питающая 16 ионных ЭРД мощностью по 60 киловатт (в 10 раз мощнее летавших на тот момент и в 1,5 раза мощнее лабораторных рекордсменов). Наконец сам космический аппарат, который должен был выдерживать в 10 раз большую дозу облучения, чем сегодняшний типичный уровень в 100 килорад – облучения как от реактора, так и от радиационных поясов, сквозь которые пришлось бы буксировать полезные нагрузки.

Проект начал развиваться, регулярно блистая перспективами и инновациями в интервью, ТВ и конференциях. Наиболее резво взялся за работу Росатом – быстро отказавшись от карбонитридного топлива в пользу знакомого оксидного был спроектирован ядерный реактор, смесь стандартного и нового. В цилиндрическом корпусе из нержавеющей стали диаметром 50 см и длинной примерно метр расположены несколько сотен цилиндрических твэлов, содержащих оксид высокообогащенного урана в оболочках из монокристаллического молибдена диаметром 4-5 мм. Общая расчетная масса топлива 80-150 кг, в зависимости от достижимого выгорания. Управление осуществляет вдвижением и выдвижением 19 поглощающих стержней системы управления из карбида бора в молибденовой оболочке. Быстрый реактор имеет тепловую мощность 3,8 мегаватта и охлаждается газовой смесью из 78% гелия и 22% ксенона при рабочем давлении в 40 атм. Температура газовой смеси на входе 1200, а на выходе 1500К (1227 С).

Ядерную установку разрабатывает несколько предприятий Росатома, в т.ч. ФЭИ, много десятилетий занимавшийся разработкой космических ЯЭУ, НПО “Луч”, владеющий технологиями высокотемпературных твэлов, а внутриреакторное поведение элементов ЯЭУ ТЭМ в петле с горячей рабочей газовой смесью вел НИИАР, обладающий самым большим парком исследовательских реакторов в стране. Не смотря на уход с битьем посуды из НИКИЭТ в 2012 году главного конструктора реактора В.П. Сметанникова разработка реактора продолжается практически в графике – испытана петля с новым для ядерщиков теплоносителем и штатным твэлом, создан частичный теплогидравлический стенд, а в НИТИ в Сосновом Бору строится наземный образец ЯЭУ. Запуск этой установки планируется на 2015 год, и такой запуск будет безусловной победой ядерной инженерной науки.

Другая кооперация из ИЦ им. Келдыша, КБХМ, КБХА и ВНИИЭМ занималась турбомашинным преобразователем. На ТЭМ планируется установить 4 одинаковых модуля мощностью по 250 киловатт. В систему входят так же AC/DC и DC/DC преобразователи, буферные аккумуляторы, дополнительные системы охлаждения оборудования. Вместе с ядерным реактором масса энергоблока должна была составить 6800 кг.

Читайте также:  Rorys story cubes космос

Схема и параметры ЯЭДУ ТЭМ. (с) Центр Келдыша.

Тепловая энергия превращается в электрическую в газотурбинном цикле (Брайтона), где энергия газа, извлеченная на турбине идет как на электрический генератор, так и на вращение компрессора, поддерживающего циркуляцию газа. Через теплообменник остаточное тепло сбрасывается во второй контур, где рассеивается в космос с помощью холодильников-излучателей.

Модель 250 кВт турбогенератора ТЭМ 1:2 (с) Аник.

Сложности по разработке элементов системы турбомашинного преобразования сравнимы со сложностью реактора. По отдельности все требования выполнимы: существуют газовые турбины и на большие, чем 1500К температуры, а турбонасосы ракетных двигателей, перекачивающие водород, имеют частоты вращения и окружные скорости даже выше, чем 60000 и 500 м/с. Однако собрать все сразу в сочетании с 10 летним необслуживаемым ресурсом – прыжок был явно выше головы. Например, проблемы с высокотемпературными газовыми теплообменниками в свое время зарубили очень перспективное направление регенеративных газотурбинных двигателей, а газодинамические подшипники для невесомости довольно сложно испытывать на ресурс в условиях гравитации.

В 2013 году ИЦ им. Келдыша рапортовал об успехах по созданию прототипов всех важнейших элементов турбомашинного преобразователя – двух типов теплообменников, генератора и газотурбинной установки. Однако по последним данным НИР идут довольно туго и ресурс оборудования далек от нужного. Уже осенью 2013 постулируется факт, что капельные холодильники далековаты от инженерного воплощения, и разработать их пока не получится. Обещанные рекордные ионные ЭРД постепенно мельчают – проблемы с большеразмерными перфорированными электродами с высоким ресурсом, которые не умеет решать никто в мире остаются нерешенными.

Прототип ионного двигателя ТЭМ от Центра Келдыша. Уже помельчавших в размерах по сравнению с изначальной задумкой.

Кроме того, взаимодействие Центра Келдыша (входящего в Роскосмос), возглавляемого академиком Коротеевым с остальными крупными космическими предприятиями зачастую носит натянутый характер с взаимным поливанием грязью, что тоже не способствует прогрессу. ТЭМ, красиво расписанный на этапе эскизного проекта начинает рассыпаться на этапе подтверждения характеристик агрегатов.

Наконец, работа предприятий во главе с РКК “Энергия” была направлена на создание собственно космического аппарата, вооруженного ядерным энергоисточником. “Энергия” вынуждена была взяться за фронт работы, который перекрывал путь ее собственной разработке буксира с термоэмиссионной ЯЭУ “Геркулес”, да и фронт проблем был шире чем у двух других основных “головняков”. Необходимо было создать тяжелый КА, имеющий на борту все традиционные элементы – системы ориентации и орбитального маневрирования на гидразиновых ЖРД, мощные солнечные батареи и телеметрию, системы причаливания к полезной нагрузке и заправки, ксеноновые баки и наконец заставить это все работать 10 лет в радиационных условиях. Еще более специфическими элементами должны были стать:

-раскладывающиеся фермы для выноса ЯЭУ от тела КА, с удлинением в космосе в 2,5 раза, с 20 до 54 метров.

-раздвигающиеся трубопроводы теплоносителя их герметизация – все это должно безотказно работать в условиях вакуума и радиации

-раскладывающиеся панели ХИ площадью в сотни квадратных метров

-высоковольные линии запитки ЭРД.

-раскладывающиеся крылья, несущие ЭРД и холодильники-излучатели

Все это великолепие требовалось упихать в максимальные 22 тонны, которые способна выводить РН “Ангара-5”. Фактически, сразу после выдачи эскиза будущего ТЭМ РКК “Энергия” начинает усиленно отгребать от проекта ТЭМ, скинув часть задач на ГКНПЦ им. Хруничева, а часть – на КБ Арсенал – создателей КА “УС-А” и “Плазма-А”. Представители РКК начинает рассказывать в интервью, что буксиры на базе СБ не так и плохи. Арсенал, в свою очередь сдувает пыль со своих проектов буксиров с 300-500 кВт термоэмиссионной ЯЭУ.

В конце 2014 года сложная ситуация с проектом выливается в его секвестирование в рамках Федеральной космической программы на “2016-2025”. В ней остается финансирование на НИР, причем в основном по линии, где есть какие-то результаты – собственно ядерный реактор и турбомашинные преобразователи. Космический запуск ТЭМ убирается из планов, и мы видим, как будущее, в котором у человечества появляются новые инструменты для освоения космоса тает, как на фотографиях в “Назад в будущее”. В очередной раз, как в случае с “Геркулесом” или JIMO человечество откатывается назад, не в силах преодолеть технический барьер на пути к созданию мощных космических реакторов.

Источник

Adblock
detector