Moteurs nucléaires pour engins spatiaux

2024 Auteur: Howard Calhoun | [email protected]. Dernière modifié: 2023-12-17 10:27

La Russie a été et reste un leader dans le domaine de l'énergie nucléaire spatiale. Des organisations telles que RSC Energia et Roskosmos ont de l'expérience dans la conception, la construction, le lancement et l'exploitation d'engins spatiaux équipés d'une source d'énergie nucléaire. Un moteur nucléaire permet d'exploiter des avions pendant de nombreuses années, multipliant ainsi leur aptitude pratique.

Enregistrement historique

L'utilisation de l'énergie nucléaire dans l'espace a cessé d'être un fantasme dans les années 70 du siècle dernier. Les premiers moteurs nucléaires ont été lancés dans l'espace en 1970-1988 et ont fonctionné avec succès sur le vaisseau spatial d'observation US-A. Ils ont utilisé un système avec une centrale nucléaire thermoélectrique (NPP) "Buk" d'une puissance électrique de 3 kW.

En 1987-1988, deux véhicules Plasma-A équipés d'une centrale nucléaire thermionique Topaz de 5 kW ont subi des essais en vol et dans l'espace, au cours desquels des moteurs de fusées électriques (EP) ont été alimentés à partir d'une source d'énergie nucléaire pour la première fois.

Achèvement d'un complexe de réacteurs nucléaires au soltests énergétiques de l'installation nucléaire thermionique "Yenisei" d'une capacité de 5 kW. Sur la base de ces technologies, des projets de centrales nucléaires thermioniques d'une capacité de 25 à 100 kW ont été développés.

MB Hercules

Dans les années 1970, RSC Energia a lancé des recherches scientifiques et pratiques, dont le but était de créer un puissant moteur spatial nucléaire pour le remorqueur interorbital (MB) Hercules. Les travaux ont permis de se constituer une réserve pendant de nombreuses années en termes de système de propulsion électrique nucléaire (NEP) avec une centrale nucléaire thermionique d'une puissance de plusieurs à plusieurs centaines de kilowatts et des moteurs-fusées électriques d'une puissance unitaire de dizaines et de centaines de kilowatts.

Paramètres de conception de MB "Hercules":

• puissance électrique nette de la centrale nucléaire – 550 kW;
• impulsion spécifique d'EPS – 30 km/s;
• poussée du projecteur – 26 N;
• ressource de centrale nucléaire et propulsion électrique - 16 000 heures;
• corps de travail d'EPS - xénon;
• poids (sec) du remorqueur - 14,5-15,7 tonnes, y compris les centrales nucléaires - 6,9 tonnes.

Temps récents

Au 21ème siècle, il est temps de créer un nouveau moteur nucléaire pour l'espace. En octobre 2009, lors d'une réunion de la Commission sous la présidence de la Fédération de Russie pour la modernisation et le développement technologique de l'économie russe, un nouveau projet russe "Création d'un module de transport et d'énergie utilisant une centrale nucléaire de classe mégawatt" a été officiellement approuvé. Les principaux développeurs sont:

• Installation de réacteur – OJSC NIKIET.
• Centrale nucléaire avec système de conversion d'énergie par turbine à gaz, EPSsur la base des moteurs de fusée électriques ioniques et des systèmes de propulsion nucléaire dans leur ensemble - Centre scientifique d'État "Centre de recherche nommé d'après A. I. M. V. Keldysh", qui est également l'organisme responsable du programme de développement du module transport et énergie (TEM) dans son ensemble.
• RKK Energia en tant que concepteur général de TEM devrait développer un véhicule automatique avec ce module.

Caractéristiques de la nouvelle installation

Nouveau moteur nucléaire pour l'espace que la Russie envisage de mettre en service commercial dans les années à venir. Les caractéristiques attendues de la turbine à gaz NEP sont les suivantes. En tant que réacteur, un réacteur à neutrons rapides refroidi par gaz est utilisé, la température du fluide de travail (mélange He/Xe) devant la turbine est de 1500 K, le rendement de conversion de l'énergie thermique en énergie électrique est de 35 %, le type de refroidisseur-radiateur goutte à goutte. La masse de l'unité de puissance (réacteur, radioprotection et système de conversion, mais sans le radiateur-radiateur) est de 6 800 kg.

Il est prévu d'utiliser des moteurs nucléaires spatiaux (NPP, NPP avec EPS):

• Dans le cadre des futurs véhicules spatiaux.
• Comme sources d'électricité pour les complexes énergivores et les engins spatiaux.
• Résoudre les deux premières tâches du module de transport et d'énergie pour assurer la livraison par fusée électrique d'engins spatiaux lourds et de véhicules sur des orbites de travail et l'alimentation à long terme de leur équipement.

Le principe de fonctionnement du nucléairemoteur

Basé soit sur la fusion des noyaux, soit sur l'utilisation de l'énergie de fission du combustible nucléaire pour former la poussée des réacteurs. Il existe des installations de type explosif à impulsions et liquide. L'installation explosive lance des bombes atomiques miniatures dans l'espace qui, explosant à une distance de plusieurs mètres, poussent le navire vers l'avant avec une vague explosive. En pratique, de tels dispositifs ne sont pas encore utilisés.

Les moteurs nucléaires à combustible liquide, en revanche, ont longtemps été développés et testés. Dans les années 60, des spécialistes soviétiques ont conçu un modèle fonctionnel RD-0410. Des systèmes similaires ont été développés aux États-Unis. Leur principe est basé sur le chauffage du liquide avec un mini-réacteur nucléaire, il se transforme en vapeur et forme un jet stream, qui pousse l'engin spatial. Bien que l'appareil soit appelé liquide, l'hydrogène est généralement utilisé comme fluide de travail. Un autre objectif des installations spatiales nucléaires est d'alimenter le réseau électrique de bord (instruments) des navires et des satellites.

Véhicules de télécommunications lourds pour les communications spatiales mondiales

À l'heure actuelle, des travaux sont en cours sur un moteur nucléaire pour l'espace, qui devrait être utilisé dans des véhicules lourds de communication spatiale. RSC Energia a effectué des recherches et développé la conception d'un système mondial de communications spatiales économiquement compétitif avec des communications cellulaires bon marché, ce qui devait être réalisé en transférant la "station téléphonique" de la Terre vers l'espace.

Les conditions préalables à leur création sont:

• remplissage presque complet de l'orbite géostationnaire (GSO) avec descompagnons passifs;
• épuisement des fréquences;
• expérience positive dans la création et l'utilisation commerciale de satellites géostationnaires d'information de la série Yamal.

Lors de la création de la plate-forme Yamal, les nouvelles solutions techniques représentaient 95 %, ce qui a permis à ces véhicules de devenir compétitifs sur le marché mondial des services spatiaux.

Il est prévu de remplacer les modules par des équipements de communication technologiques environ tous les sept ans. Cela permettrait de créer des systèmes de 3-4 satellites GEO multifonctionnels lourds avec une augmentation de la puissance électrique consommée par ceux-ci. Initialement, les engins spatiaux étaient conçus sur la base de panneaux solaires d'une capacité de 30 à 80 kW. À l'étape suivante, il est prévu d'utiliser des moteurs nucléaires de 400 kW avec une ressource pouvant aller jusqu'à un an en mode transport (pour la livraison du module de base au GSO) et 150-180 kW en mode de fonctionnement à long terme (au moins 10-15 ans) comme source d'électricité

Moteurs nucléaires dans le système de protection anti-météorites de la Terre

Les études de conception menées par RSC Energia à la fin des années 90 ont montré que dans la création d'un système anti-météorite pour protéger la Terre des noyaux de comètes et d'astéroïdes, les installations électronucléaires et les systèmes de propulsion nucléaire peuvent être utilisé pour:

1. Création d'un système de surveillance des trajectoires des astéroïdes et des comètes traversant l'orbite terrestre. Pour ce faire, il est proposé d'aménager des engins spatiaux spéciaux équipés d'équipements optiques et radar pour la détection d'objets dangereux,calcul des paramètres de leurs trajectoires et étude primaire de leurs caractéristiques. Le système peut utiliser un moteur spatial nucléaire avec une centrale nucléaire thermionique bimode d'une puissance de 150 kW ou plus. Sa ressource doit avoir au moins 10 ans.
2. Tester des moyens d'influence (explosion d'un engin thermonucléaire) sur un astéroïde polygone sûr. La puissance du NEP pour livrer le dispositif de test sur le site de test de l'astéroïde dépend de la masse de la charge utile livrée (150-500 kW).
3. Livraison de moyens d'influence réguliers (intercepteur d'un poids total de 15 à 50 tonnes) à un objet dangereux s'approchant de la Terre. Un moteur à réaction nucléaire d'une capacité de 1 à 10 MW sera nécessaire pour délivrer une charge thermonucléaire à un astéroïde dangereux, dont l'explosion en surface, due au jet stream du matériau de l'astéroïde, peut le dévier d'une trajectoire dangereuse.

Livraison d'équipements de recherche dans l'espace lointain

La livraison d'équipements scientifiques à des objets spatiaux (planètes lointaines, comètes périodiques, astéroïdes) peut être effectuée à l'aide d'étages spatiaux basés sur le LRE. Il est conseillé d'utiliser des moteurs nucléaires pour les engins spatiaux lorsque la tâche consiste à entrer sur l'orbite d'un satellite d'un corps céleste, à entrer en contact direct avec un corps céleste, à prélever des substances et à effectuer d'autres études nécessitant une augmentation de la masse du complexe de recherche, le inclusion des étapes d'atterrissage et de décollage.

Paramètres moteur

Moteur nucléaire pour vaisseau spatialLe complexe de recherche élargira la "fenêtre de départ" (en raison du débit de sortie contrôlé du fluide de travail), ce qui simplifie la planification et réduit le coût du projet. Les recherches menées par RSC Energia ont montré qu'un système de propulsion nucléaire de 150 kW d'une durée de vie allant jusqu'à trois ans est un moyen prometteur de livrer des modules spatiaux à la ceinture d'astéroïdes.

Dans le même temps, la livraison d'un appareil de recherche sur les orbites de planètes éloignées du système solaire nécessite une augmentation des ressources d'une telle installation nucléaire jusqu'à 5-7 ans. Il a été prouvé qu'un complexe avec un système de propulsion nucléaire d'une puissance d'environ 1 MW dans le cadre d'un vaisseau spatial de recherche permettra une livraison accélérée de satellites artificiels des planètes les plus éloignées, des rovers planétaires à la surface des satellites naturels de ces planètes et la livraison du sol des comètes, des astéroïdes, de Mercure et des lunes de Jupiter et de Saturne.

Remorqueur réutilisable (MB)

L'un des moyens les plus importants d'accroître l'efficacité des opérations de transport dans l'espace est l'utilisation réutilisable d'éléments du système de transport. Un moteur nucléaire pour engin spatial d'une puissance d'au moins 500 kW permet de créer un remorqueur réutilisable et ainsi d'augmenter considérablement l'efficacité d'un système de transport spatial multi-liaisons. Un tel système est particulièrement utile dans un programme visant à assurer d'importants flux de fret annuels. Un exemple est le programme d'exploration de la Lune avec la création et l'entretien d'une base habitable en croissance constante et de complexes expérimentaux technologiques et de production.

Calcul du chiffre d'affaires du fret

Selon les études de conception RKK"Energia", lors de la construction de la base, des modules pesant environ 10 tonnes devraient être livrés à la surface de la Lune, jusqu'à 30 tonnes dans l'orbite de la Lune pour assurer le fonctionnement et le développement de la base - 400-500 t.

Cependant, le principe de fonctionnement du moteur nucléaire ne permet pas de disperser le transporteur assez rapidement. En raison de la longue durée du transport et, par conséquent, du temps considérable passé par la charge utile dans les ceintures de rayonnement de la Terre, toutes les marchandises ne peuvent pas être livrées à l'aide de remorqueurs à propulsion nucléaire. Par conséquent, le flux de fret qui peut être fourni sur la base du NEP est estimé à seulement 100-300 tonnes/an.

Efficacité économique

Comme critère d'efficacité économique du système de transport interorbital, il convient d'utiliser la valeur du coût unitaire de transport d'une masse unitaire de charge utile (PG) de la surface de la Terre à l'orbite cible. RSC Energia a développé un modèle économique et mathématique qui prend en compte les principales composantes des coûts du système de transport:

• pour créer et lancer des modules de remorqueur en orbite;
• pour l'achat d'une installation nucléaire en état de marche;
• coûts d'exploitation, ainsi que les coûts de R&D et les éventuels coûts d'investissement.

Les indicateurs de coût dépendent des paramètres optimaux du MB. A l'aide de ce modèle, un comparatifefficacité économique de l'utilisation d'un remorqueur réutilisable basé sur NEP d'une puissance d'environ 1 MW et d'un remorqueur jetable basé sur des moteurs de fusée à liquide avancés dans le programme de livraison d'une charge utile d'une masse totale de 100 t/an de la Terre à l'orbite de la Lune avec une hauteur de 100 km. Lors de l'utilisation du même lanceur d'une capacité de charge égale à la capacité de charge du lanceur Proton-M et d'un schéma à deux lancements pour la construction d'un système de transport, le coût unitaire de la livraison d'une masse unitaire de charge utile à l'aide d'un remorqueur à propulsion nucléaire sera trois fois plus faible que lors de l'utilisation de remorqueurs jetables basés sur des fusées à moteur liquide de type DM-3.

Conclusion

Un moteur nucléaire efficace pour l'espace contribue à résoudre les problèmes environnementaux de la Terre, le vol habité vers Mars, la création d'un système de transmission d'énergie sans fil dans l'espace, la mise en œuvre avec une sécurité accrue de l'élimination des déchets radioactifs particulièrement dangereux au sol l'énergie nucléaire dans l'espace, créant une base lunaire habitable et commençant l'exploration industrielle de la Lune, assurant la protection de la Terre contre le danger des astéroïdes et des comètes.