МЭИ-2018. Ядерная энергия в космосе.
Преимущества применения ядерной энергии в космосе. Космических ядерные энергоустановки. Результаты работ по создания ЯРД. Ядерные энергодвигательные установки. Принципы обеспечения безопасности космических ЯЭУ.
11.1. Преимущества применения ядерной энергии в космосе.
В настоящее время космос активно используется для самых различных областей человеческой деятельности:
- глобальная спутниковая связь и телевещание;
- высокоточная космическая навигация,
- метео и экологический мониторинг
- дистанционное зондирование Земли с целью изучения природных ресурсов, картографии;
- фундаментальные космические исследования в области планетологии, изучения солнца и солнечно – земных связей, поиска внеземных форм жизни, изучения структуры Вселенной;
- пилотируемые полёты на долговременных орбитальных станциях с выполнением программы научно – прикладных исследований;
- решение ряда важнейших задач в интересах обороны и обеспечения стратегической безопасности.
Из этого перечня следует, что современная космонавтика решает, главным образом, задачи информационного обеспечения.
Энергетические установки на космических летательных аппаратах необходимы для как обеспечения жизнедеятельности экипажа, так и для энергоснабжения бортовой аппаратуры. Уровень энергетического обеспечения современных космических средств (1 – 5 кВт на 1 тонну массы КА). При освоении дальнего космоса значение энерговооруженности космических аппаратов будет возрастать.
К примеру, для орбитальной станции МИР необходимо было 16 кВт, для МКС уже имеется 110 кВт. Для энергообеспечения космических аппаратов на стационарных орбитах в настоящее время используются только солнечные батареи. Имеет место тенденция к непрерывному росту мощности систем энергоснабжения до 30 кВт на стационарных космических аппаратах (КА) связи, а также расширение масштабов применения ракетных двигателей, включая осуществление транспортных операций по изменению орбиты КА.
Задачи будущего освоения космоса требуют совсем иных мощностей, что даже теоретически не может быть обеспечено с помощью энергии солнца.
Перспективные задачи для космоса:
- развитие космических производственных технологий, использующих космический вакуум, «нулевую» гравитацию, внеземные сырьевые и энергетические ресурсы (получение продукции с недостижимыми в условиях наземного производства свойствами и характеристиками);
- создание пилотируемых постоянно действующих орбитальных станций с длительным пребыванием на борту экипажа в целях отработки технологий обеспечения жизнедеятельности для условий межпланетных полетов;
- создание пилотируемых баз-станций на Луне и поэтапное развитие инфраструктур с целью изучения и освоения Луны;
- реализация пилотируемых экспедиций на Марс;
- создание системы защиты Земли от астероидно-кометной опасности;
- создание системы энергоснабжения Земли из космоса;
- создание космических средств различного назначения с высокой энерговооруженностью;
Из этого перечня задач можно сделать вывод о том, что решение космических задач в среднесрочной (2020-2025 гг.) и долгосрочной перспективах (после 2030-2040 гг.) требует существенного повышения уровня энергообеспечения космических средств.
Основные недостатки солнечных энергетических систем:
- необходимость постоянной ориентации на солнце;
- наличие накопителей энергии для питания станции, когда она находиться в тени Земли, что ухудшает весогабаритные характеристики объекта.
- парусность системы солнечных батарей приводит к постепенному снижению орбиты вращения.
- эффективность солнечных батарей снижается при удалении от Солнца – к Юпитеру и к тем планетам, что за ним уже не полететь. Если лететь от Земли ближе к солнцу, то наступит перегрев.
- высокая стоимость энергообеспечения. К примеру, для МКС это около 2 млн. $\кВтэ.
Использование ядерных энергетических установок (ЯЭУ) на космических аппаратах (КА) обусловлено их преимуществами по сравнению с другими бортовыми источниками энергоснабжения (в частности, солнечными фотоэлектрическими установками), основными из которых являются: компактность энергоустановки; стойкость к воздействию радиационных поясов Земли; Независимость вырабатываемой мощности от освещенности орбиты, ориентации КА и удаленности от Солнца – как следствие, возможность реализации экспедиций в дальний космос; возможность работы на разных уровнях мощности в процессе эксплуатации, в том числе на форсированной мощности, в 2-3 раза большей номинальной, при достаточно слабой зависимости массы ЯЭУ от уровня форсирования; лучшие массогабаритные характеристики при использовании на автоматических (беспилотных) КА, начиная с уровня электрической мощности в несколько десятков киловатт.
Есть задачи для космоса, когда требуется длительное нахождение космических аппаратов на орбите: радиолокационные наблюдения; связь; межорбитальная транспортировка; экологический мониторинг; предупреждение о стихийных бедствиях.
Применение ядерной энергии в космосе позволит и сократить количество летательных объектов в космосе. Многие ведущие страны все активнее осваивают космическое пространство. Не за горами освоение Луны и Марса. Недра Луны, например, имеют много полезных ископаемых. Одно из них – 3Не, которого практически нет на Земле, а он нужен будет для термоядерной энергетики. В поверхностном слое лунного грунта много кислорода. Поэтому кислород для лунных экспедиций можно будет производить на месте. Обслуживание лунных баз – эта прямая задача для атомной энергетики. Кроме того, стоимость доставки полезного груза на поверхность Луны с помощью ядерных ракетных двигателей (ЯРД) может быть намного меньше, чем обычными жидкостными реактивными двигателями (ЖРД). Совсем скоро одной из важных задач станет защита земных объектов от астероидов, сбор космического мусора, который уже стал опасен для КА (см. Приложение 1). Не за горами задача энергоснабжения Земли из космоса.
Все эти новые задачи требуют значительного повышения энерговооруженности летательных объектов, что может быть решено с использованием ядерных энерготехнологий. Можно сказать, что создание ядерных энергодвигательных установок является необходимым условием решения актуальных перспективных задач в ближнем и дальнем космосе, и развития космонавтики XXI века.