0 просмотров

Ядерная электрическая двигательная установка

Ядерная электрическая двигательная установка (НЭП) — это просто электрическая силовая установка, в которой электричество вырабатывается ядерным реактором (в отличие от солнечных или химических средств).

Связанные термины:

Скачать

Скачать в формате PDF

Белл
Информация

Об этой странице

Космический ядерный двигатель

IB Ядерная электрическая двигательная установка

Ядерная электрическая двигательная установка (НЭП) — это просто электрическая силовая установка, в которой электричество вырабатывается ядерным реактором (в отличие от солнечных или химических средств). Толкающая жидкость (газ, ион, плазма) получает свою энергию для ускорения от приложения электрических полей, либо прямого нагрева газа, как в дуговом двигателе, с использованием электрического поля для ускорения ионов, либо магнитного поля, как в магнитоплазмодинамике (MPD). ) подход. Значения удельного импульса варьируются от менее 1000 с для дугового двигателя до почти 10 000 с для ионного двигателя. Часто используемые пропелленты включают водород, литий, ксенон, аргон и жидкие металлы.

Двигатели, регулирование мощности, система преобразования энергии (Брейтон, Ренкин, Стирлинг, термоэлектрическая и т. д.) и радиаторы для НЭП такие же, как и для любой другой электрической двигательной установки, и далее здесь не обсуждаются. Источником ядерной энергии могут быть радиоизотопы или ядерные реакторы. В современных технологиях ядерная электрическая двигательная установка обычно имеет на несколько порядков меньшую тягу, чем ядерная тепловая двигательная установка. Следовательно, для выполнения тех же требований к общей импульсной миссии требуется гораздо более длительное время тяги, что приводит к значительно более длительному времени перехода на орбиту даже при более высоком удельном импульсе. Будущие миссии потребуют разработки источников питания и двигателей мощностью в несколько мегаватт, имеющих длительный и надежный срок службы.

Статья в тему:  Где в Японии находится АЭС Фукусима

URL-адрес: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B0122274105004968.

Внешняя гелиосфера: следующие рубежи

НАСА рассматривает миссию по исследованию ближнего межзвездного пространства в начале следующего десятилетия в качестве первого шага к активной программе межзвездных исследований. Ключевой технологией для таких амбициозных научных и исследовательских усилий является разработка двигательных установок, способных обеспечить быстрое время полета. Передовые двигательные технологии, которые могли бы поддержать межзвездную миссию-предшественника в начале следующего века, включают некоторую комбинацию солнечных парусов, ядерных электрических двигательных установок и аэрогравитационных средств. В течение многих лет научное сообщество интересовалось развитием технологии солнечного паруса для поддержки исследования внутренних и внешних планет. Прогресс в тонкопленочных технологиях и разработка технологий, которые могут обеспечить удаленную сборку больших парусов в космосе, только сейчас достигают точки, когда можно рассматривать амбициозные межзвездные миссии-предшественники. В настоящее время электрическая силовая установка демонстрируется для исследования планет миссией Deep Space 1. Основные проблемы, связанные с его адаптацией к межзвездным приложениям-предшественникам, включают ядерный реактор, который потребуется, и срок службы двигателя. Для каждого из них будет описана концепция двигательной установки для предлагаемой миссии межзвездного зонда.

URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0964274901801025

Физика планет земной группы и спутников

10.22.7.2 Ионная тяга

Ускорение ионов вместо молекул (ионный движитель) обеспечивает скорость выброса в диапазоне 15–100 км с — 1 , что значительно выше, чем у химических двигателей (3,1 км с — 1 для бортовых систем). Лучшим топливом является тяжелый благородный газ, такой как ксенон. Существует два метода ускорения ионов: расширение горячей плазмы создает скорости выброса в нижней части диапазона (15–20 км с −1 ).С помощью высоковольтной сети можно разгонять отдельные ионы до скоростей в диапазоне 30–100 км с −1. Более высокие скорости выброса требуют меньшего количества топлива для данного ΔВ . Однако требуемая установленная мощность увеличивается с ростом скорости выброса, что влияет на массу силовой подсистемы. Электрическая энергия может быть получена в космосе либо от солнечных батарей (солнечный электрореактивный двигатель, СЭР), либо от небольшого ядерного реактора (атомный электрореактивный двигатель, НЭР).

Статья в тему:  Почему США практикует ядерное сдерживание

Солнечная панель на 1 а. Это соответствует 26 мН при скорости выброса 15 км с — 1 и 8 мН при скорости выброса 50 км с — 1 при эффективности процесса ускорения ионов 70%. Таким образом, двигательная установка SEP ограничена относительно небольшой тягой (в диапазоне 100–200 мН на 1 а.е.); в противном случае солнечные панели становятся очень большими, что сказывается на массе и стоимости. Тяга в 200 мН кажется очень маленькой, но если ее поддерживать в течение 1 года, она может обеспечить 3,15 км с − 1 ΔВ до космического корабля массой 2000 кг. Поэтому миссии SEP характеризуются очень длинными дугами тяги.

Системы SEP были успешно протестированы НАСА (DS-1, который столкнулся с кометой Борелли), ЕКА (Smart-1, на орбите вокруг Луны с начала 2005 по 2006 год; Racca et al., 2002) и Японией (Hayabusa, который столкнулся с кометой Борелли). выполнил рандеву с астероидом Итокава в 2005 году, а затем вернулся на Землю в 2010 году). Две крупные миссии уже запрограммированы: Dawn, запущенная НАСА в 2007 году, успешно достигла 4 Весты в июле 2011 года и отправилась в сентябре 2012 года на Цереру после 1 года наблюдений за Вестой с орбиты. BepiColombo (ESA/Япония) — это двухорбитальная миссия к Меркурию, которая будет запущена в 2016 году (Benkhoff et al., 2010).

Даже если на борту ΔВ более многочисленна, чем в химических миссиях, стратегии гравитационной помощи также могут быть весьма интересны для миссий SEP, о чем свидетельствует эволюция сценария миссии BepiColombo, которая первоначально включала два орбитальных аппарата и посадочный модуль. В самых первых исследованиях рассматривалась прямая спираль с орбиты Земли на орбиту Меркурия большого составного космического корабля со всеми тремя научными модулями. Даже при запуске Ariane 5 для этого требовалось более 16 км с − 1 от ΔВ с относительно высокими уровнями тяги (400 мН) и временем полета 2,5 года. Эти требования превышали срок службы двигателей, поэтому требовались полные запасные части, что резко сказывалось на стоимости и массе бюджета, и от этого варианта отказались. Вставка двойного поворота Венеры уменьшила ΔВ на ~ 7 км с-1, а окончательный переход на 180° от Меркурия к Меркурию с последующим ΔVGA 1:1 сэкономил еще 1,5 км с-1 (Langevin, 2000), так что ΔВ бюджет снизился до управляемого уровня ~ 7,5 км с − 1 ( Рисунок 8 ).

Статья в тему:  В каком слое Солнца происходит ядерный синтез

Требования к массе подсистем росли намного быстрее, чем обычно, на ранних этапах исследования (в частности, для посадочного модуля «Меркурий»; см. Раздел 10.22.5 ), и стоимость стала проблемой. Были рассмотрены два запуска «Союз-Фрегат»: один для спускаемого аппарата и один для двух орбитальных аппаратов. Тогда наибольшая масса получается при запуске на орбиту, пересекающую Луну (~ 2200 кг).

Ограничения стоимости краеугольных миссий привели в 2003 году к отмене посадочного модуля, что потребовало полного запуска «Союза» со специальным маршевым модулем и ионным двигательным модулем (см. Раздел 10.22.5 ). Новая конфигурация миссии состояла из двух орбитальных кораблей, запускаемых одним Союзом-Фрегатом. К сожалению, масса подсистемы (в частности, ступени SEP) продолжала расти, что привело к серьезному кризису массы, и ЕКА пришлось перейти на запуск ракетой Ariane 5 (пусковая способность 4100 кг по сравнению с 2200 кг у корабля «Союз-5»). Фрегат).Необходимо было рассмотреть новые сценарии, чтобы еще больше уменьшить ΔВ (следовательно, масса топлива) с отношением тяги к массе гораздо менее благоприятным, чем для ранних профилей миссии. Настоящий класс траекторий ( Рисунок 9 ) очень похоже на баллистическую миссию, такую ​​как Messenger ( Рисунок 4 ), поскольку гравитационная помощь (Земля, Венера и Меркурий) выполняет больше работы, чем тяга SEP. На самом деле, 35% от ΔВ тратится на ускорение космического корабля (зеленые дуги) вместо его торможения (красные дуги) вопреки первоначально рассмотренному спиралевидному подходу ( Рисунок 8 ). Благодаря малому расходу топлива электрореактивной двигательной установки при выбранной скорости выброса (45 км/с) более 3400 кг из 4000 кг, выводимых на орбиту, пересекающую Луну, могут быть доставлены с очень малой относительной скоростью к Меркурию, но время полета теперь составляет от 6,4 до 7,8 лет (это было всего 2,6 года с Ariane 5, когда массовый бюджет был намного более благоприятным).

Статья в тему:  Когда Франция получила ядерное оружие

Эволюция BepiColombo иллюстрирует замечательную гибкость электрического двигателя: в отличие от миссий с химическим двигателем, большой бортовой ΔВ возможности позволяют приспосабливаться к серьезным изменениям в массовых бюджетах или датах запуска. Сочетание силы тяжести с малой тягой чрезвычайно эффективно, так как начальное ΔВ бюджет в 16 км с-1 может быть снижен до ~ 4,5 км с-1, хотя и со значительным увеличением времени полета (с 2,6 до 6,4 года). Дополнительную информацию о методах оптимизации SEP можно получить у Chesta et al. (2006), в то время как навигационные аспекты BepiColombo рассматриваются Yarnoz et al. (2006) и Алесси и соавт. (2012) .

SEP эффективен только относительно близко к Солнцу. Миссия Dawn, которая осуществляет рандеву с Вестой на расстоянии 2,4 астрономической единицы, а затем с Церерой на расстоянии 2,8 астрономической единицы, уже требует очень больших солнечных батарей. Следовательно, SEP совершенно не подходит для миссий за пределами Солнечной системы.Ядерные реакторы — единственный источник энергии, который может дать несколько 10 кВт на больших расстояниях от Солнца, чтобы питать ионные двигатели (НЭД). Самые маленькие ядерные реакторы дают несколько 100 кВт при массе в несколько тонн. Масштаб миссий NEP внушает страх: JIMO, миссия к галилеевым спутникам, которая широко изучалась в 2000–2005 годах, состояла из 8-тонного космического корабля, 5-тонного реактора и щита и тяги 8 Н. за пределами Солнечной системы ускорение на уровне JIMO (1 мм с — 2 ) намного превышает гравитационное притяжение Солнца (0,23 мм с — 2 на 5 а.е.). Следовательно, траектории некеплеровы, что позволяет достичь Сатурна, Урана или Нептуна за долю времени, которое потребовалось бы на переходной орбите Гомана (8 лет для Сатурна и 29 лет для Нептуна). Такие быстрые траектории требуют ΔВ бюджеты > 20 км с − 1 , так как нужно разогнаться, а затем затормозить по прибытии. К счастью, скорость выброса может быть очень высокой (~ 100 км с — 1 ), поскольку имеется много доступной мощности; следовательно, 20 км с − 1 от ΔВ только использует ~ 20% массы в качестве топлива. Отмена JIMO НАСА в 2005 году стала серьезной неудачей для NEP, которая, несомненно, является технологией, позволяющей систематически исследовать внешнюю часть Солнечной системы за пределами Сатурна.

Статья в тему:  Сколько убийств за нуклеар на бо3

URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B9780444538024001809

Космическая ядерная энергетика

IV Возможное будущее использование ядерных источников энергии в космосе

За прошедшие годы в Соединенных Штатах, России и других странах проводились многочисленные исследования относительно будущего использования космической ядерной энергии. Эти исследования показали неоспоримые преимущества космических ядерных реакторов в обеспечении энергией человеческих баз на Луне и Марсе. Луна является конкретным кандидатом на ядерную энергетику, потому что лунные ночи длятся более 14 земных дней, что может создавать нагрузку на системы хранения энергии, которые должны обеспечивать питание, когда солнечные батареи находятся в темноте.Несмотря на то, что требования к хранению энергии гораздо менее строгие, человеческая база на Марсе также является кандидатом на ядерную энергетику, потому что Марс получает только около 43% солнечного света, получаемого Землей.

Привлекательность ядерной энергетики для людей связана с производством большого количества энергии в относительно небольшом пакете. Поскольку каждый килограмм, запущенный в космос, обходится дорого, есть стимул уменьшить массу, которую необходимо запустить.

Также считалось, что ядерные реакторы обеспечивают энергию и движение для транспортных средств, предназначенных для перевозки людей на Луну, Марс и далее. И Соединенные Штаты, и Россия провели наземные эксперименты по ядерным ракетным технологиям, в которых реактор непосредственно нагревает топливо (например, водород), которое выбрасывается через сопло для создания тяги. Но ядерные реакторы также можно использовать для питания электрических двигателей (таких как ионные двигатели), которые являются высокоэффективными потребителями топлива. Исследования показали, что ядерные электрические двигатели могут конкурировать с ядерными ракетами с точки зрения массы и времени полета для отправки людей на Марс и их возвращения.

Статья в тему:  Где находится ядерная база в грузии

С 1983 по 1994 год в США осуществлялась программа развития технологий по созданию энергосистемы с космическим реактором СП-100. Одним из предполагаемых применений реактора СП-100 было питание электрических двигательных установок. СП-100 также рассматривался как кандидат на запуск лунных и марсианских баз. На рис. 15 показана физическая конфигурация системы SP-100, а на рис. 16 показана возможная конфигурация космического корабля, использующего версию реактора SP-100 мощностью 40 кВт для питания ионных двигателей с осевой тягой на планетарном космическом корабле. На рис. 16 вверху слева показан реактор СП-100, а внизу справа — космический аппарат с ионными двигателями. Стрела обеспечивает разделение между реактором и космическим кораблем, чтобы минимизировать дозу облучения и минимизировать массу защиты реактора.

Общая конфигурация полетной системы, показанная на рис.15 был создан для поддержки оперативных миссий, требующих относительно высокой мощности (класс 100 кВт) в течение 10 лет, но с возможностью масштабирования от 10 до 1000 кВт и высокой удельной мощностью (от 8 до более 26 Вт/кг в зависимости от системы преобразования). . Хотя показанная конфигурация должна была использовать термоэлектрические элементы для производства электроэнергии, конструкция SP-100 также могла включать другие системы преобразования, такие как различные системы динамического преобразования. Диаметр и длина основного корпуса (за вычетом панелей радиатора) составляют 3,5 и 6 м соответственно, а расчетная масса составляет 4575 кг для типовой полетной системы мощностью 100 кВт. Развертываемая стрела должна была использоваться для поддержания разделительного расстояния 22,5 м между реактором и самолетом с полезной нагрузкой, чтобы удерживать дозы нейтронного и гамма-излучения в пределах установленных значений.

Статья в тему:  Что такое ядерное распространение

К 1993 году программа SP-100 практически завершила большую часть этапа разработки характеристик ядерного компонента, включая проверку критических технологий и методов изготовления, необходимых для создания энергетической системы космического реактора. Также завершена большая часть работ по разработке компонентов ядерной подсистемы (реактор, контрольно-измерительные приборы реактора и защита) и космической подсистемы (преобразователь, теплоперенос и отвод тепла). В очередной раз смена национальных приоритетов привела к прекращению программы космических реакторов.

Соединенные Штаты продолжают усилия по повышению эффективности систем преобразования радиоизотопных источников энергии. Большая часть недавних усилий была сосредоточена на разработке так называемого термоэлектрического преобразователя щелочного металла (AMTEC), а меньшие усилия были направлены на разработку небольшого двигателя Стирлинга. Неопределенность в планировании будущих космических научных миссий (таких как предполагаемые миссии к Плутону и близко к Солнцу, а также к различным марсоходам и станциям на Марсе) повлияла на планы разработки будущих радиоизотопных источников энергии.Ясно, что существуют технологии (такие как динамическая конверсия), которые могут уменьшить требуемое количество плутония-238 вдвое или более.

Независимо от типа источника ядерной энергии физика космических операций ясно показывает потребность в ядерной энергии как для роботизированных, так и для пилотируемых миссий. Ядерная энергия может обеспечить безопасную, надежную, компактную, прочную и долговечную энергию, необходимую для будущих космических исследований за пределами орбиты Земли.

голоса
Рейтинг статьи
Статья в тему:  Что делать с ядерными отходами в субнаутике
Ссылка на основную публикацию
0
Оставьте комментарий! Напишите, что думаете по поводу статьи.x
Adblock
detector