1.4. Ядерные энергодвигательные установки.
Современное направление применения ядерной энергии в космосе состоит в использовании комбинированных ЯЭДУ для космических аппаратов, обеспечивающих не только тягу, но и электрообеспечениие за счет работы на двух режимах: краткосрочная работа с выхлопом рабочего тела (открытый цикл на мощности сотен МВт в течение ограниченного времени) и непрерывную работу (замкнутый долговременный цикл при наличии излучателя, отводящего тепло), обеспечивающего мощность в десятки кВт в течение нескольких лет. Генерирование электроэнергии осуществляется с помощью турбомашинного преобразования тепловой энергии в электрическую. В качестве теплоносителя используется газовая Xe-He смесь.
При использовании энергоустановки в космосе непреобразованное тепло может быть утилизировано только с помощью излучения. Расчеты показывают, что при генерировании энергоустановкой электрической мощности в 200 кВт суммарная поверхность излучателя холодильника-излучателя должна быть около 600 м2 при температуре излучателя 450 К.
В настоящее время в ряде ведущих космических стран началось планирование пилотируемых экспедиций на Марс. Расстояние от Земли до Марса сильно меняется в зависимости от периодов Обращения этих планет вокруг Солнца. Наиболее близко они находятся в периоды великих противостояний, которые повторяются через 15-17 лет. Тогда расстояние до Марса составляет 56 млн. км. Полет будет проходить по баллистической траектории и займет около 350 суток в одну сторону. На возвращение понадобиться столько же и столько же там ждать.
Установлено, что использование ядерных реакторов позволит в 4 раза снизить начальную массу корабля на исходной монтажной орбите и сократить время перелета. При использовании солнечной энергии для электродвигательных установок длительность марсианской экспедиции нереальна для человеческой жизни.
Энергодвигательный комплекс КА марсианской экспедиции должен обеспечивать:
- маршевые режимы тяги для ухода с орбиты искусственного спутника Земли (ИСЗ), перехода на орбиту искусственного спутника Марса и ухода с нее при возвращении к Земле;
- электропитание бортовых служебных систем;
- электропитание электрореактивных двигателей малой тяги.
На рис. 11.8 показаны возможные схемы компоновки КА с ядерной энергодвигательной установкой на борту. На рис. 11.9 показана общая блок-схема такой ЯЭДУ.
Рис. 11.8. Варианты компоновки ЯЭУ с холодильником - излучателем в составе КА.
1 – ЯЭУ в развернутом положении в составе основного транспортного модуля;
2 – модуль ЭРД;
3 – полезная нагрузка в составе сменного модуля;
4 – капельный холодильник-излучатель ЯЭУ
Рис. 11.9. Блок-схема ЯЭДУ с электрореактивным дивгателем.
Принцип работы контура охлаждения рабочего тела с капельным холодильником – излучателем показан на рис. 11.10.
Рис.11.10. Схема работы контура охлаждения с капельным холодильником-излучателем.
Основные преимущества ядерных энергоисточников в космосе:
- независимость вырабатываемой мощности от освещенности орбиты, ориентации КА и удаленности от Солнца – как следствие, возможность реализации экспедиций в дальний космос;
- возможность реализации высокой мощности ядерных энергетических установок;
- существенные преимущества по сравнению с солнечными энергетическими установками при высоком уровне мощности по: массогабаритным и динамическим характеристикам, стоимостным характеристикам, радиационной стойкости в процессе эксплуатации;
- возможность применения высокоэффективных плазменных двигателей
Перспективы существенного увеличения энерговооруженности КА дают возможность решать совершенно новые задачи в космическом пространстве. К таким задачам космонавтики сегодня также относятся: доставка грунтов с комет, детальные исследования спутников планет, организация пролетов вблизи солнца, ускоренные полеты к дальним планетам, организация напланетных станций. И все эти современные задачи освоения космического пространства реально могут быть решены с помощью ядерной энергии.
Для примера рассмотрим задачи энергетического обеспечения пилотируемой экспедиции на МАРС. Достоинства использования в энергообеспечении экспедиции с помощью ядерных энергоисточников выглядят следующим образом:
- возможность обеспечения регулярных полетов к Марсу с периодом ~2,1 года;
- возможность возвращения марсианского космического комплекса на околоземную орбиту и повторного использования основных элементов комплекса для последующих экспедиций;
- отработанная схема возвращения экипажа на Землю;
- большая продолжительность окон старта.
В тоже время, недостатки альтернативных энергоустановок на основе ЖРД вполне очевидны:
- большая стартовая масса;
- необходимость длительного хранения больших масс водорода при сборке и полете.
Применение ЯЭДУ позволяет снизить массу марсианского экспедиционного комплекса (МЭК) в 4 раза по сравнению с вариантом МЭК на базе ЖРД. Использование солнечной энергодвигательной установки приводит к неприемлемой продолжительности экспедиции.
В заключении следует сказать, что с 2010 году в России началась реализация программы создания космической ядерной энергоустановки мегаватного класса на основе реактора на быстрых нейтронах, которая является одной из приоритетных задач программы инновационного развития страны.
Рис.11.11. Система выброса твэлов из корпуса ЯЭДУ.