अंतरिक्ष यान के लिए परमाणु इंजन

2024 लेखक: Howard Calhoun | [email protected]. अंतिम बार संशोधित: 2023-12-17 10:28

रूस परमाणु अंतरिक्ष ऊर्जा के क्षेत्र में अग्रणी रहा है और अभी भी बना हुआ है। RSC Energia और Roskosmos जैसे संगठनों के पास परमाणु ऊर्जा स्रोत से लैस अंतरिक्ष यान के डिजाइन, निर्माण, प्रक्षेपण और संचालन का अनुभव है। एक परमाणु इंजन कई वर्षों तक विमान को संचालित करना संभव बनाता है, जिससे उनकी व्यावहारिक उपयुक्तता कई गुना बढ़ जाती है।

ऐतिहासिक रिकॉर्ड

अंतरिक्ष में परमाणु ऊर्जा का उपयोग पिछली सदी के 70 के दशक में एक कल्पना नहीं रह गया था। पहला परमाणु इंजन 1970-1988 में अंतरिक्ष में प्रक्षेपित किया गया था और यूएस-ए अवलोकन अंतरिक्ष यान पर सफलतापूर्वक संचालित किया गया था। उन्होंने थर्मोइलेक्ट्रिक परमाणु ऊर्जा संयंत्र (एनपीपी) "बुक" के साथ 3 किलोवाट की विद्युत शक्ति के साथ एक प्रणाली का इस्तेमाल किया।

1987-1988 में, 5 kW पुखराज थर्मोनिक परमाणु ऊर्जा संयंत्र वाले दो प्लाज़्मा-ए वाहनों ने उड़ान और अंतरिक्ष परीक्षण किए, जिसके दौरान पहली बार इलेक्ट्रिक रॉकेट इंजन (EP) को परमाणु ऊर्जा स्रोत से संचालित किया गया था।

जमीन पर आधारित परमाणु का एक परिसर पूरा किया5 kW की क्षमता के साथ ऊष्मीय परमाणु स्थापना "येनिसी" के ऊर्जा परीक्षण। इन प्रौद्योगिकियों के आधार पर, 25-100 kW की क्षमता वाले थर्मोनिक परमाणु ऊर्जा संयंत्रों की परियोजनाओं को विकसित किया गया है।

एमबी हरक्यूलिस

1970 के दशक में, RSC Energia ने वैज्ञानिक और व्यावहारिक अनुसंधान शुरू किया, जिसका उद्देश्य इंटरऑर्बिटल टग (MB) हरक्यूलिस के लिए एक शक्तिशाली परमाणु अंतरिक्ष इंजन बनाना था। काम ने कई वर्षों के लिए एक परमाणु विद्युत प्रणोदन प्रणाली (एनईपी) के संदर्भ में एक थर्मोनिक परमाणु ऊर्जा संयंत्र के साथ कई से सैकड़ों किलोवाट की शक्ति और दसियों और सैकड़ों की एक इकाई शक्ति के साथ इलेक्ट्रिक रॉकेट इंजन के साथ एक रिजर्व बनाना संभव बना दिया। किलोवाट का।

एमबी "हरक्यूलिस" के डिजाइन पैरामीटर:

• परमाणु ऊर्जा संयंत्र की शुद्ध विद्युत शक्ति - 550 kW;
• ईपीएस का विशिष्ट आवेग - 30 किमी/सेकंड;
• प्रोजेक्टर थ्रस्ट – 26 N;
• परमाणु ऊर्जा संयंत्र और विद्युत प्रणोदन का संसाधन - 16,000 घंटे;
• ईपीएस का कार्यकारी निकाय - क्सीनन;
• टग का वजन (सूखा) - 14.5-15.7 टन, परमाणु ऊर्जा संयंत्रों सहित - 6.9 टन।

हाल के समय

21वीं सदी में अंतरिक्ष के लिए एक नया परमाणु इंजन बनाने का समय आ गया है। अक्टूबर 2009 में, रूसी अर्थव्यवस्था के आधुनिकीकरण और तकनीकी विकास के लिए रूसी संघ के राष्ट्रपति के तहत आयोग की एक बैठक में, एक नई रूसी परियोजना "मेगावाट-श्रेणी के परमाणु ऊर्जा संयंत्र का उपयोग करके एक परिवहन और ऊर्जा मॉड्यूल का निर्माण" किया गया था। आधिकारिक रूप से स्वीकृत। लीड डेवलपर हैं:

• रिएक्टर संयंत्र – OJSC NIKIET।
• परमाणु ऊर्जा संयंत्र के साथ गैस टरबाइन ऊर्जा रूपांतरण योजना, ईपीएसआयन इलेक्ट्रिक रॉकेट इंजन और परमाणु प्रणोदन प्रणाली के आधार पर - राज्य वैज्ञानिक केंद्र "अनुसंधान केंद्र का नाम ए.आई. M. V. Keldysh", जो समग्र रूप से परिवहन और ऊर्जा मॉड्यूल (TEM) के विकास कार्यक्रम के लिए भी जिम्मेदार संगठन है।
• आरकेके एनर्जिया को टीईएम के सामान्य डिजाइनर के रूप में इस मॉड्यूल के साथ एक स्वचालित वाहन विकसित करना चाहिए।

नए इंस्टॉलेशन की विशेषताएं

अंतरिक्ष के लिए नया परमाणु इंजन रूस आने वाले वर्षों में वाणिज्यिक संचालन में लगाने की योजना बना रहा है। गैस टरबाइन एनईपी की अपेक्षित विशेषताएं इस प्रकार हैं। रिएक्टर के रूप में, गैस-कूल्ड फास्ट न्यूट्रॉन रिएक्टर का उपयोग किया जाता है, टरबाइन के सामने काम कर रहे तरल पदार्थ (He/Xe मिश्रण) का तापमान 1500 K है, थर्मल को विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करने की दक्षता 35% है, का प्रकार कूलर-रेडिएटर ड्रिप है। बिजली इकाई का द्रव्यमान (रिएक्टर, विकिरण संरक्षण और रूपांतरण प्रणाली, लेकिन रेडिएटर-रेडिएटर के बिना) 6,800 किलोग्राम है।

अंतरिक्ष परमाणु इंजन (एनपीपी, एनपीपी के साथ ईपीएस) का उपयोग करने की योजना है:

• भविष्य के अंतरिक्ष वाहनों के हिस्से के रूप में।
• ऊर्जा गहन परिसरों और अंतरिक्ष यान के लिए बिजली के स्रोत के रूप में।
• परिवहन और ऊर्जा मॉड्यूल में पहले दो कार्यों को हल करने के लिए भारी अंतरिक्ष यान और वाहनों को काम करने वाली कक्षाओं में इलेक्ट्रिक रॉकेट डिलीवरी सुनिश्चित करने के लिए और उनके उपकरणों को लंबी अवधि की बिजली आपूर्ति सुनिश्चित करने के लिए।

परमाणु के संचालन का सिद्धांतइंजन

या तो नाभिक के संलयन पर आधारित है, या जेट थ्रस्ट बनाने के लिए परमाणु ईंधन की विखंडन ऊर्जा के उपयोग पर आधारित है। पल्स-विस्फोटक और तरल प्रकार के प्रतिष्ठान हैं। विस्फोटक स्थापना लघु परमाणु बमों को अंतरिक्ष में फेंकती है, जो कई मीटर की दूरी पर विस्फोट करते हुए जहाज को एक विस्फोटक लहर के साथ आगे बढ़ाते हैं। व्यवहार में, ऐसे उपकरणों का अभी तक उपयोग नहीं किया गया है।

दूसरी ओर, तरल-ईंधन वाले परमाणु इंजन लंबे समय से विकसित और परीक्षण किए गए हैं। 60 के दशक में वापस, सोवियत विशेषज्ञों ने एक व्यावहारिक मॉडल RD-0410 तैयार किया। संयुक्त राज्य अमेरिका में इसी तरह के सिस्टम विकसित किए गए हैं। उनका सिद्धांत परमाणु मिनी-रिएक्टर के साथ तरल को गर्म करने पर आधारित है, यह भाप में बदल जाता है और एक जेट स्ट्रीम बनाता है, जो अंतरिक्ष यान को धक्का देता है। हालांकि डिवाइस को तरल कहा जाता है, हाइड्रोजन आमतौर पर काम कर रहे तरल पदार्थ के रूप में प्रयोग किया जाता है। परमाणु अंतरिक्ष प्रतिष्ठानों का एक अन्य उद्देश्य जहाजों और उपग्रहों के विद्युत ऑनबोर्ड नेटवर्क (उपकरणों) को शक्ति प्रदान करना है।

वैश्विक अंतरिक्ष संचार के लिए भारी दूरसंचार वाहन

फिलहाल अंतरिक्ष के लिए एक परमाणु इंजन पर काम चल रहा है, जिसे भारी अंतरिक्ष संचार वाहनों में इस्तेमाल करने की योजना है। आरएससी एनर्जिया ने सस्ते सेलुलर संचार के साथ एक आर्थिक रूप से प्रतिस्पर्धी वैश्विक अंतरिक्ष संचार प्रणाली का अनुसंधान और डिजाइन विकास किया, जिसे "टेलीफोन स्टेशन" को पृथ्वी से अंतरिक्ष में स्थानांतरित करके प्राप्त किया जाना था।

उनके निर्माण के लिए आवश्यक शर्तें हैं:

• कार्य के साथ भूस्थैतिक कक्षा (GSO) का लगभग पूर्ण रूप से भरना औरनिष्क्रिय साथी;
• आवृत्ति थकावट;
• यमल श्रृंखला के सूचना भूस्थैतिक उपग्रहों के निर्माण और व्यावसायिक उपयोग में सकारात्मक अनुभव।

यमल प्लेटफॉर्म बनाते समय, नए तकनीकी समाधानों का हिस्सा 95% था, जिसने ऐसे वाहनों को वैश्विक अंतरिक्ष सेवा बाजार में प्रतिस्पर्धी बनने की अनुमति दी।

लगभग हर सात साल में मॉड्यूल को तकनीकी संचार उपकरणों से बदलने की उम्मीद है। इससे 3-4 भारी बहु-कार्यात्मक GEO उपग्रहों की प्रणाली बनाना संभव हो सकेगा, जिससे उनके द्वारा खपत की जाने वाली विद्युत शक्ति में वृद्धि होगी। प्रारंभ में, अंतरिक्ष यान को 30-80 kW की क्षमता वाले सौर पैनलों के आधार पर डिजाइन किया गया था। अगले चरण में, परिवहन मोड (जीएसओ को बेस मॉड्यूल की डिलीवरी के लिए) में एक वर्ष तक के संसाधन के साथ 400 kW परमाणु इंजन और दीर्घकालिक संचालन मोड में 150-180 kW का उपयोग करने की योजना है। (कम से कम 10-15 वर्ष) बिजली के स्रोत के रूप में।

पृथ्वी की उल्कापिंड सुरक्षा प्रणाली में परमाणु इंजन

90 के दशक के अंत में आरएससी एनर्जिया द्वारा किए गए डिजाइन अध्ययनों से पता चला है कि धूमकेतु और क्षुद्रग्रहों के नाभिक से पृथ्वी की रक्षा के लिए एक उल्कापिंड विरोधी प्रणाली के निर्माण में, परमाणु-विद्युत प्रतिष्ठान और परमाणु प्रणोदन प्रणाली हो सकती है के लिए इस्तेमाल किया:

1. पृथ्वी की कक्षा को पार करने वाले क्षुद्रग्रहों और धूमकेतुओं के प्रक्षेपवक्र की निगरानी के लिए एक प्रणाली बनाना। ऐसा करने के लिए, खतरनाक वस्तुओं का पता लगाने के लिए ऑप्टिकल और रडार उपकरणों से लैस विशेष अंतरिक्ष यान की व्यवस्था करने का प्रस्ताव है।उनके प्रक्षेपवक्र के मापदंडों की गणना और उनकी विशेषताओं का प्राथमिक अध्ययन। सिस्टम 150 kW या उससे अधिक की शक्ति वाले दोहरे मोड वाले थर्मोनिक परमाणु ऊर्जा संयंत्र के साथ परमाणु अंतरिक्ष इंजन का उपयोग कर सकता है। इसका संसाधन कम से कम 10 वर्ष पुराना होना चाहिए।
2. बहुभुज सुरक्षित क्षुद्रग्रह पर प्रभाव का परीक्षण साधन (थर्मोन्यूक्लियर डिवाइस का विस्फोट)। परीक्षण उपकरण को क्षुद्रग्रह परीक्षण स्थल तक पहुंचाने के लिए NEP की शक्ति वितरित पेलोड (150-500 kW) के द्रव्यमान पर निर्भर करती है।
3. पृथ्वी के निकट आने वाली एक खतरनाक वस्तु को प्रभाव के नियमित साधनों (कुल 15-50 टन वजन के साथ इंटरसेप्टर) की डिलीवरी। एक खतरनाक क्षुद्रग्रह को थर्मोन्यूक्लियर चार्ज देने के लिए 1-10 मेगावाट की क्षमता वाले एक परमाणु जेट इंजन की आवश्यकता होगी, जिसकी सतह विस्फोट, क्षुद्रग्रह सामग्री के जेट स्ट्रीम के कारण, इसे एक खतरनाक प्रक्षेपवक्र से हटा सकती है।

अनुसंधान उपकरणों को गहरे स्थान पर पहुंचाना

अंतरिक्ष वस्तुओं (दूर के ग्रह, आवधिक धूमकेतु, क्षुद्रग्रह) को वैज्ञानिक उपकरणों की सुपुर्दगी LRE पर आधारित अंतरिक्ष चरणों का उपयोग करके की जा सकती है। अंतरिक्ष यान के लिए परमाणु इंजन का उपयोग करने की सलाह दी जाती है जब कार्य एक खगोलीय पिंड के उपग्रह की कक्षा में प्रवेश करना है, एक खगोलीय पिंड के साथ सीधा संपर्क, नमूना पदार्थ और अन्य अध्ययन जिसमें अनुसंधान परिसर के द्रव्यमान में वृद्धि की आवश्यकता होती है, लैंडिंग और टेक-ऑफ चरणों को शामिल करना।

मोटर पैरामीटर

अंतरिक्ष यान के लिए परमाणु इंजनअनुसंधान परिसर "स्टार्ट विंडो" (काम कर रहे तरल पदार्थ की नियंत्रित बहिर्वाह दर के कारण) का विस्तार करेगा, जो योजना को सरल बनाता है और परियोजना की लागत को कम करता है। आरएससी एनर्जिया द्वारा किए गए शोध से पता चला है कि तीन साल तक की सेवा जीवन के साथ 150 किलोवाट परमाणु प्रणोदन प्रणाली क्षुद्रग्रह बेल्ट में अंतरिक्ष मॉड्यूल वितरित करने का एक आशाजनक साधन है।

उसी समय, सौर मंडल के दूर के ग्रहों की कक्षाओं में एक शोध उपकरण की डिलीवरी के लिए इस तरह के परमाणु स्थापना के संसाधन में 5-7 साल तक की वृद्धि की आवश्यकता होती है। यह साबित हो गया है कि एक अनुसंधान अंतरिक्ष यान के हिस्से के रूप में लगभग 1 मेगावाट की शक्ति के साथ परमाणु प्रणोदन प्रणाली वाला एक परिसर इन ग्रहों के प्राकृतिक उपग्रहों की सतह पर सबसे दूर के ग्रहों, ग्रहीय रोवर्स के कृत्रिम उपग्रहों के त्वरित वितरण की अनुमति देगा। और धूमकेतु, क्षुद्रग्रह, बुध और बृहस्पति और शनि के चंद्रमाओं से मिट्टी का वितरण।

पुन: प्रयोज्य टग (एमबी)

अंतरिक्ष में परिवहन संचालन की दक्षता बढ़ाने के सबसे महत्वपूर्ण तरीकों में से एक परिवहन प्रणाली के तत्वों का पुन: प्रयोज्य उपयोग है। कम से कम 500 kW की शक्ति वाले अंतरिक्ष यान के लिए एक परमाणु इंजन एक पुन: प्रयोज्य टग बनाना संभव बनाता है और इस तरह एक बहु-लिंक अंतरिक्ष परिवहन प्रणाली की दक्षता में उल्लेखनीय वृद्धि करता है। इस तरह की प्रणाली बड़े वार्षिक कार्गो प्रवाह को सुनिश्चित करने के लिए एक कार्यक्रम में विशेष रूप से उपयोगी है। एक उदाहरण लगातार बढ़ते रहने योग्य आधार और प्रयोगात्मक तकनीकी और उत्पादन परिसरों के निर्माण और रखरखाव के साथ चंद्रमा अन्वेषण कार्यक्रम है।

कार्गो टर्नओवर की गणना

आरकेके डिजाइन अध्ययन के अनुसार"एनर्जिया", आधार के निर्माण के दौरान, लगभग 10 टन वजन वाले मॉड्यूल को चंद्रमा की सतह पर 30 टन तक चंद्रमा की कक्षा में पहुंचाया जाना चाहिए। आधार के कामकाज और विकास को सुनिश्चित करने के लिए - 400-500 टी.

हालांकि, परमाणु इंजन के संचालन का सिद्धांत ट्रांसपोर्टर को जल्दी से फैलाने की अनुमति नहीं देता है। परिवहन के लंबे समय और, तदनुसार, पृथ्वी के विकिरण बेल्ट में पेलोड द्वारा बिताए गए महत्वपूर्ण समय के कारण, परमाणु-संचालित टगों का उपयोग करके सभी कार्गो को वितरित नहीं किया जा सकता है। इसलिए, एनईपी के आधार पर प्रदान किए जा सकने वाले कार्गो प्रवाह का अनुमान केवल 100-300 टन/वर्ष है।

लागत दक्षता

अंतर-कक्षीय परिवहन प्रणाली की आर्थिक दक्षता के मानदंड के रूप में, पृथ्वी की सतह से लक्ष्य कक्षा तक एक इकाई द्रव्यमान पेलोड (पीजी) के परिवहन की इकाई लागत के मूल्य का उपयोग करने की सलाह दी जाती है। RSC Energia ने एक आर्थिक और गणितीय मॉडल विकसित किया है जो परिवहन प्रणाली में मुख्य लागत घटकों को ध्यान में रखता है:

• कक्षा में टग मॉड्यूल बनाने और लॉन्च करने के लिए;
• कार्यशील परमाणु संस्थापन की खरीद के लिए;
• परिचालन लागत, साथ ही अनुसंधान एवं विकास लागत और संभावित पूंजीगत लागत।

लागत संकेतक एमबी के इष्टतम मापदंडों पर निर्भर करते हैं। इस मॉडल का उपयोग करते हुए, एक तुलनात्मकलगभग 1 मेगावाट की शक्ति के साथ एनईपी पर आधारित पुन: प्रयोज्य टग का उपयोग करने की आर्थिक दक्षता और कार्यक्रम में उन्नत तरल रॉकेट इंजन पर आधारित एक डिस्पोजेबल टग, जो पृथ्वी से चंद्रमा की कक्षा तक 100 टन/वर्ष के कुल द्रव्यमान के साथ पेलोड वितरित करने के लिए है। 100 किमी की ऊंचाई के साथ। प्रोटॉन-एम लॉन्च वाहन की वहन क्षमता और परिवहन प्रणाली के निर्माण के लिए दो-लॉन्च योजना के बराबर एक ही लॉन्च वाहन का उपयोग करते समय, परमाणु-संचालित टग का उपयोग करके पेलोड के एक यूनिट द्रव्यमान को वितरित करने की इकाई लागत DM-3 प्रकार के तरल इंजन वाले रॉकेट पर आधारित डिस्पोजेबल टग का उपयोग करते समय की तुलना में तीन गुना कम होगा।

निष्कर्ष

अंतरिक्ष के लिए एक कुशल परमाणु इंजन पृथ्वी की पर्यावरणीय समस्याओं को हल करने में योगदान देता है, मंगल पर मानवयुक्त उड़ान, अंतरिक्ष में एक वायरलेस पावर ट्रांसमिशन सिस्टम का निर्माण, बढ़ी हुई सुरक्षा के साथ जमीन पर आधारित विशेष रूप से खतरनाक रेडियोधर्मी कचरे के निपटान में योगदान देता है। अंतरिक्ष में परमाणु ऊर्जा, एक रहने योग्य चंद्र आधार बनाना और चंद्रमा की औद्योगिक खोज शुरू करना, क्षुद्रग्रह-धूमकेतु के खतरे से पृथ्वी की सुरक्षा सुनिश्चित करना।