БИМОДАЛЬНЫЕ ЯДЕРНЫЕ ЭНЕРГОДВИГАТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ

В последние годы в России и за рубежом проявляется интерес ко второму типу ТЭМ - на основе бимодальных ЯЭДУ. В таких установ­ках в одном реакторном блоке обеспечивается режим работы теплово­го ракетного двигателя с водородом в качестве рабочего тела и режим работы ЯЭУ для питания целевой и служебной аппаратуры КА. В последнее время разработан ряд концепций бимодальных ЯЭДУ [58], которые можно классифицировать исходя из:

· типа используемого ядерного реактора;

· способа преобразования тепловой энергии в электрическую;

· наличия или отсутствия системы дожигания рабочего тела.

В РНЦ «Курчатовский институт», ЦКБ Машиностроения и НИИ НПО «Луч» разработана концепция ЯЭДУ на основе модернизации термоэмиссионного реактора-преобразователя ЯЭУ «Енисей» на тепловых нейтронах, допускающего продувку водорода через топливный сердеч­ник с нагревом его до температуры 2100 К (в дальнейшем изложении такая ЯЭДУ обозначена как ЯЭДУ-1).

В НИКИЭТ разработана концепция ЯЭДУ, в кото­рой применены технические решения, характерные для твердофазных реакторов ЯРД с уровнем нагрева рабочего тела (водорода) до 2800 К и более. Используется реактор на быстрых нейтронах с литиевым кон­туром охлаждения. Проработаны варианты ЯЭДУ с термоэмиссион­ным и турбомашинным способами преобразования тепловой энергии в электрическую в энергетическом режиме (соответственно ЯЭДУ-2 и ЯЭДУ-3).

Концепция газотурбинной ЯЭДУ с газоохлаждаемым ядерным ре­актором и дожиганием водорода с кислородом (ЯЭДУ-4) проработана в НИИ энергетического машиностроения МГТУ им. Н.Э.Баумана.

В табл.4. приведены основные технические характеристики перечисленных типов бимодальных ЯЭДУ, имеющих одинаковый уро­вень полезной электрической мощности 10кВтЭл при функциони­ровании КА на рабочей орбите.

Таблица 4

Сравнительные характеристики различных бимодальных ЯЭДУ

Ниже, в табл.5., приведены результаты сравнительного ана­лиза баллистической эффективности применения рассматриваемых ва­риантов бимодальных ЯЭДУ в составе транспортно-энергетических мо­дулей при выведении КА с опорной орбиты на ГСО применительно к ракетам-носителям (РН) различной грузоподъемности: «Русь», «Зенит-М» и «Ангара» (масса полезного груза, выводимого на низкую опорную орбиту, 7.8, 15, 25 тонн соответственно). В качестве критериев эффективности использовались масса полезного груза (m_пг) на ГСО (без массы ТЭМ) и время выведения (t_в). При этом учитыва­лись конкретные габаритные ограничения, связанные с размещением КА с ТЭМ под головными обтекателями РН, и ограничения по мини­мально допустимой высоте включения в работу ЯЭДУ. В этой же таб­лице приведены значения mпг и tв для традиционных разгонных бло­ков с перспективными ЖРД и традиционными СЭС на основе планарных солнечных батарей, а также для ТЭМ с двухрежимной ЯЭУ и ЭРДУ. При этом в разгонном блоке (РБ) РН типа «Русь» используют­ся ЖРД на компонентах керосин-кислород, а в РБ РН «Зенит-M» и «Ангара» -кислородо-водородные ЖРД. Место старта РН – космодром Плесецк.

Масса полезного груза в таблице соответствует массе КА на ГСО за вычетом массы ТЭМ с ЯЭДУ или массы СЭС при использовании РБ с ЖРД. Приведенные в таблице данные показывают, что с увеличением грузоподъемности РН баллистическая эффективность рас­сматриваемых типов бимодальных ЯЭДУ возрастает, и при начальной массе орбитального комплекса (КА+ТЭМ) на опорной орбите 25 т (РН «Ангара») масса КА, выводимого на ГСО с использованием ЯЭДУ-2 и ЯЭДУ-3 в течение 8.5 суток, примерно равна массе КА, выводи­мой с использованием ЯЭРДУ в течение года.

Таблица 5

Сравнительный анализ баллистической эффективности различных бимодальных ЯЭДУ

*) Располагаемая электрическая мощность на рабочей орбите.

**) Электрическая мощность, потребляемая ЭРДУ.

При этом масса КА, выводимых на ГСО с использованием бимодальных ЯЭДУ, почти в два раза больше, чем масса КА, выводимого разгонным блоком с перспективным кислородо-водородным ЖРД. При начальной массе орбитального комплекса 7.8 т (РН «Русь») наиболее эффективна из рассмотренных вариантов бимодальная установка ЯЭДУ-4 с до­жиганием водорода с кислородом. В данном случае m_пг~1300 кг, а время выведения 35 суток.

Таким образом, рациональной областью применения в околозем­ном космическом пространстве бимодальных ЯЭДУ, в которых исполь­зуются технические решения, свойственные ЯРД с твердофазными ре­акторами, является создание на их базе транспортно-энергетических модулей тяжелых орбитальных средств, предназначенных для выведе­ния на энергоемкие рабочие орбиты и электроснабжения этих средств в течение всего срока активного функционирования.

ПРИЛОЖЕНИЯ

В них приведен дополнительный информационный материал, способствующий лучшему пониманию и усвоению настоящего лекционного курса.

Приложение 1

СОВЕТСКИЕ КОСМИЧЕСКИЕ АППАРАТЫ С ЯЭУ, ЛЕТАВШИЕ В КОСМОСЕ [7]

Приложение 2