научная статья по теме ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГЕТИКА В ОКОЛОЗЕМНОМ КОСМОСЕ Космические исследования

Текст научной статьи на тему «ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГЕТИКА В ОКОЛОЗЕМНОМ КОСМОСЕ»

Космонавтика XXI века

Ядерная энергетика в околоземном космосе

В.В. СИНЯВСКИЙ, доктор технических наук Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им. С.П. Королёва

В статье рассмотрены результаты проектных и концептуальных разработок РКК "Энергия" ядерных энергетических и электроракетных двигательных установок мощностью до 15 МВт для перспективных космических

ИСТОКИ КОСМИЧЕСКОЙ ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

Успешное развитие космонавтики в XXI в. зависит от прогресса наукоемких технологий и создания новых высокоэнергетических систем. На быстрорастущем рынке космических услуг будут востребованы ядерная энергетика, наиболее

энергоемкие электроракетные двигательные установки для космических аппаратов.

Космическая ядерно-энергетическая установка (ЯЭУ) представляет собой атомную электростанцию, спроектированную для эксплуатации в условиях космоса, важ-

аппаратов и комплексов нового поколения. Они способны эффективно решать широкий спектр задач в околоземном космосе и при организации лунных баз, а также в межпланетных экспедициях*.

нейшими из которых считаются:

- отсутствие атмосферы, что позволяет для защиты оборудования от излучения ядерного реактора использовать не круговую, как в условиях Земли, а теневую радиационную защиту существенно меньшей массы;

* В.П. Легостаев, В.А. Лопота, В.В. Синявский. Перспективы и эффективность применения космических ядерно-энергетических установок и ядерных электроракетных двигательных установок. Космическая техника и технологии, 2013, № 1, с. 4-16.

36

© Синявский В.В.

Советский космический аппарат "УС-А" с ЯЭУ "Бук" мощностью около 3 кВт. Периодически запускался в космос в 1970-1987 гг.

- возможность отвода не преобразованного в термодинамическом цикле тепла лишь излучением, что приводит к необходимости иметь в составе ЯЭУ холодильник-излучатель достаточно большой площади;

- невесомость, что позволяет разворачивать в космосе достаточно легкие и большие по площади конструкции.

Электроракетный двигатель - новый тип используемого в космосе двигателя, в котором тяга создается потоком плазмы или ионов, ускоренным электрическим или электромагнитным полем. Источником энергии такого двигателя будет солнечное или ядерное излучение. Основное преимущество электроракетного двигателя перед традиционным химическим - высокое значение удельного импульса = F/G, где F - тяга, G - расход рабочего тела. Удельный импульс ЖРД - 3-4,5 км/с, электроракетный двигатель будет развивать удельный импульс в межпланетном пространстве - 40-60 км/с. Это сокращает количество

рабочего тела (топлива) для выполнения задачи полета и, следовательно, позволяет значительно увеличить массу полезной нагрузки. Плата за это - малая тяга, существенно ниже силы тяжести у поверхности Земли, поэтому электроракетные двигательные установки могут использоваться только в космическом пространстве.

Космические ядерно-электроракетные двигательные установки (ЯЭРДУ) могут быть использованы:

- в качестве источника электроэнергии на энергоемких космических аппаратах;

- в составе перспективных космических транспортных средств, в том числе многоразовых, на основе электроракетной двигательной установки, питаемых бортовой ЯЭУ;

- в транспортно-энер-гетическом модуле для доставки тяжелых аппаратов на рабочие орбиты и последующее длительное энергоснабжение их аппаратуры.

Наша страна пока еще мировой лидер в области космической ядерной

энергетики. У специалистов ряда предприятий атомной (ОАО "Красная Звезда", Физико-энергетический институт) и ракетно-космической (КБ "Арсенал") отраслей есть опыт создания, испытаний и эксплуатации на околоземной орбите космических аппаратов с ядерным источником электроэнергии. В 1970-1988 гг. успешно эксплуатировались ИСЗ "УС-А" морской разведки с термоэлектрической ЯЭУ "Бук" мощностью до 3 кВт. Космический аппарат "УС-А" разработан и изготовлен в НПО машиностроения и КБ "Арсенал". В 1987-1988 гг. прошли летные испытания КА "Плазма-А" ("Кос-мос-1818 и -1876") с термоэмиссионной ЯЭУ "Топаз" мощностью 5 кВт, во время которых впервые было осуществлено питание электроракетных двигателей от ядерного источника энергии. К началу 1990-х гг. в НИЦ "Курчатовский институт" был выполнен комплекс наземных ядерно-энергетических испытаний ЯЭУ "Енисей" с термоэмиссионным реактором-преобразователем мощностью

Советский экспериментальный космический аппарат "Ппазма-А" с термоэмиссионной ЯЭУ "Топаз" мощностью 5 кВт. 1987-1988 гг.

5 кВт, которая разрабатывалась для геостационарного ИСЗ "Эстафета". К настоящему времени на основе этих технологий в ОАО "Красная Звезда" разработаны проекты термоэмиссионных ЯЭУ мощностью от 25 до 100 кВт.

В конце 1950-х гг. при поддержке С. П. Королёва в РКК "Энергия" (тогда ОКБ-1) одновременно с разработкой межпланетного экспедиционного корабля (Земля и Вселенная, 2007, № 2) начались исследования по созданию для него термоэмиссионной ЯЭУ мощностью 2,2-15 МВт в виде трех блоков по 5 МВт. В 1960-е гг. в рам-

ках эскизных проектов сверхтяжелых ракет-носителей Н-1 и Н-1М были разработаны проекты двигательных установок мегаваттной мощности. Рассматривался магни-топлазмодинамический двигатель электрической мощностью 500 кВт с литием в качестве рабочего тела, удельным импульсом 55 км/с, КПД 0,55, тягой 8,3 кгс. В конце 1970-х гг. такой двигатель был создан и испытан в РКК "Энергия".

В 1970-1980-е гг. в РКК "Энергия" в кооперации с предприятиями атомной и космической отраслей разработаны проекты ядерных электроракетных двигательных уста-

новок - с термоэмиссионной ЯЭУ мощностью несколько сот киловатт и холловскими плазменными двигателями мощностью десятки киловатт для межорбитального буксира "Геркулес". Проектные параметры буксира следующие: электрическая мощность ЯЭУ - 550 кВт, удельный импульс двигательной установки - 30 км/с, тяга двигателя - 2,6 кгс, ресурс - 16 тыс. ч, рабочее тело - ксенон, масса буксира - 14,5-15,7 т, в том числе ЯЭУ - 6,9 т.

В октябре 2009 г. на заседании Комиссии при Президенте РФ по модернизации и технологическому развитию экономики России был официально утвержден новый проект "Создание транспортно-энер-гетического модуля на основе ядерной энергодвигательной установки мегаваттного класса". Головными разработчиками

Проектный облик космического аппарата с термоэмиссионной ЯЭУ второго поколения. Разработка КБ "Арсенал". 1990-е гг.

Испытания в вакуумной камере магнитоплазмодина-мического электроракетного двигателя мощностью 500 кВт, рабочее тело -литий, удельный импульс -55 км/с, КПД - 0,55, ресурс -почти 500 ч. 1970-е гг.

назначены ОАО "НИКИЭТ" (реактор) и ГНЦ "Исследовательский центр им. М.В. Келдыша" (ЯЭУ с газотурбинной схемой преобразования энергии и ионные электроракетные двигатели). Ис-

следовательский центр им. М.В. Келдыша стал также ответственным за

разработку транспортно-энергетического модуля в целом.

Схема термоэмиссионной ЯЭУ для межорбитального буксира "Геркулес": 1 - блок генераторов пара цезия и системы удаления газообразных продуктов деления модулей; 2 - ТРП модульной схемы; 3 - многослойная радиационная защита; 4 - сильноточная шина; 5 - многоканальный МГД-насос с общей магнитной системой всех модулей; 6 - трубопровод литиевой системы охлаждения на входе в модуль термоэмиссионного реактора-преобразователя; 7 - опорная ферма; 8 - трубопровод литиевой системы охлаждения на выходе из модуля термоэмиссионного реактора-преобразователя; 9 - теплообменник литий - натрий зоны испарения тепловой трубы; 10 - силовой преобразовательный блок; 11 - опорное кольцо (раздвижная ферма полезной нагрузки не показана); 12 - зона конденсации тепловых труб холодильника-излучателя. Проект конца 1980-х гг.

Перечень задач определяет диапазон электрических мощностей ЯЭУ, требуемый ресурс в ряде случаев накладывает ограничение на удельную массу установки (отношение массы ЯЭУ к ее электрической мощности). При выборе облика ЯЭУ и двигательной установки должны учитываться такие характеристики: удельная масса, габариты, ресурс, надежность, степень технической готовности, стоимость и сроки разработки, потенциал развития, возможность повторного запуска и регулирования мощности, параметры тока, совместимость ЯЭУ с различными типами двигателей.

ТЯЖЕЛЫЕ АППАРАТЫ ГЛОБАЛЬНОЙ КОСМИЧЕСКОЙ СВЯЗИ

В начале 2000-х гг. в РКК "Энергия" были выполнены исследования и проектные разработки системы глобальной космической связи, которая могла бы экономически конкурировать с дешевой

сотовой связью. Целесообразность ее создания связана с практически заполненной геостационарной орбитой работающими и пассивными ИСЗ, а также с исчерпанием частотного ресурса. При этом учитывался положительный опыт создания и коммерческого использования геостационарных спутников серии "Ямал", при создании платформы которых новые технические решения составили 95%, что позволило им стать конкурентными на мировом рынке космических услуг. С учетом быстрого морального старения функциональной аппаратуры таких аппаратов предполагалась замена модулей с технологическим связным оборудованием или всего аппарата примерно через каждые семь лет. Это потребовало ввести несколько этапов создания системы из трех-четырех тяжелых геостационарных многофункциональных аппаратов с наращиванием потребляемой ими электрической мощ-

Транспортно-энергетиче-ский модуль мегаваттной мощности на основе ЯЭУ с газотурбинной установкой и капельным холодильником-излучателем.

ности. Были выполнены проекты таких ИСЗ с солнечными батареями мощностью 30-80 кВт. На следующем этапе планировалось использовать в качестве источника электроэнергии двухре-жимную термоэмиссион-но-термоэлектрическую ЯЭУ мощностью 400 кВт с ресурсом до года для доставки базового модуля на геостационарную орбиту, 150-180 кВт в режиме длительного функционирования (не менее 10-15 лет) для электроснабжения аппаратуры ИСЗ связи массой до 20 т.

КОСМИЧЕСКИЙ АППАРАТ ДЛЯ НАБЛЮДЕНИЯ ЗЕМЛИ

Одна из актуальных прикладных задач ядерной энергетики, в том числе с большим коммерческим потенциалом, -обеспечение всепогодного круглосуточного оперативного радиолокационного наблюдения с высоким разре

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком