Лого Сделано у нас
76

В России создается принципиально новая энергодвигательная установка для космических миссий

Буксир в невесомость 
В России создается принципиально новая энергодвигательная установка для космических миссий.
Опытный образец ядерной энергодвигательной установки мегаваттного класса, предназначенной для межпланетных миссий, появится в России в 2017 году. 
Работы по использованию ядерной энергии в космосе были начаты и активно велись у нас и в США в 1960-70-е годы.
Первоначально была поставлена задача создать ракетные двигатели, которые вместо химической энергии сгорания горючего и окислителя использовали бы нагрев водорода до температуры около 3000 градусов. Но оказалось, что такой прямой путь все-таки неэффективен. Мы на короткое время получаем большие тяги, но при этом выбрасываем струю, которая в случае нештатной работы реактора может оказаться радиоактивно зараженной.
В силу этих и некоторых других причин работы у нас и в США были прекращены или приостановлены. Был предложен совершенно иной подход. От старого он отличается тем же, чем отличается гибридный автомобиль от обычного. В обычном авто двигатель крутит колеса, а в гибридных - от двигателя вырабатывается электроэнергия, и уже это электричество крутит колеса. То есть создается некая промежуточная электростанция.
Была предложена схема, в которой космический реактор не нагревает струю, выбрасываемую из него, а вырабатывает электричество. Горячий газ от реактора крутит турбину, турбина крутит электрогенератор и компрессор, который обеспечивает циркуляцию рабочего тела по замкнутому контуру. Генератор же вырабатывает электричество для плазменного двигателя с удельной тягой в 20 раз выше, чем у химических аналогов.

читать полностью

Источник: http://tvroscosmos.ru
  • 0
    Нет аватара AndreyPike
    20.02.1316:34:53
    1) КПД всегда выше у двигателя с прямым преобразованием энергии, чем у имеющего промежуточные ступени. 2) Бояться радиации - в космос не летать, за пределами магнитного поля Земли ее "навалом", спасибо Солнцу. 3)Вариант с преобразователем в виде турбины, генератора, компрессора тяжело реализум, дорог и не надежен (подвижные части, уменьшение габаритов, перегрузки). К тому же это дополнительная забрасываемая масса и габариты на орбиту. К тому же имеющий существенные проблемы с управлением реактором и тягой на пониженной мощности. К тому же... http://www.niki...3&Itemid=50
    Отредактировано: AndreyPike~16:50 20.02.13
    • 0
      igorborisov Борисов igorborisov Борисов
      20.02.1318:06:28
      1) Ой ли? Взять, например, ДВС. КПД у него, разумеется, будет выше даже с учетом КПП, но только в узком диапазоне оборотов. И электрическая трансмиссия - способ совместить максимальный КПД от ДВС, работающего на одном режиме, без переходных неоптимальных, и динамические характеристики электродвигателя, чей КПД зависит от оборотов значительно меньше. 2) Одно дело - солнечная радиация, совершенно другое - радиоактивные вещества. Солнечная радиация успешно отражается магнитным полем Земли, а вот вещества - вполне могут осесть. 3) Всё-таки у меня есть смутное подозрение, что это всё разрабатывали, просчитывали и придумывали люди, которые имеют несколько более широкое представление о том, как это должно и будет работать, чем мы с Вами.
      Отредактировано: igorborisov.livejournal.com~18:07 20.02.13
      • 0
        Synapse Synapse
        20.02.1319:08:02
        Жалко только, что никаких внятных подробностей эти люди не написали. А без этих подробностей картинка тянет на жюльверновские фантазии. Вроде, как-то так должно быть, но возникает больше вопросов, чем ответов. Да хоть бы даже ТТХ привели! Какой груз цепляет? Какова характеристическая скорость снаряженного комплекса? Предельные ускорения? Предполагаемые сроки межпланетных экспедиций? Только раззадорили и оставили в недоумении и надеждах.
        • 0
          igorborisov Борисов igorborisov Борисов
          20.02.1319:13:58
          Наверное, потому, что всё ещё только в стадии разработки и проектов, до реализации, а значит и реальных ТТХ, далековато. Если сказать сейчас предполагаемые/расчетные - то в случае "неукладывания" в них поднимется традиционный вой на тему "ничего не могут сделать нормально", который всегда поднимается в таких случаях, несмотря на то, что ситуация-то вполне обычная - не тассчитали силы, нашлись какие-то неучтенные факторы (в космических технологиях это тем более актуально) и так далее. Ну и тем более - те люди, котроые написали эту статью и те, которые разрабатывают - совершенно разные люди с разным образованием, так что в процессе передачи информации всегда могут быть искажения, причем не злонамеренные, а просто из-за недопонимания.
          Отредактировано: igorborisov.livejournal.com~19:53 20.02.13
        • 0
          Нет аватара argr
          21.02.1302:46:17
          ТТХ лежат в открытом доступе: Открываем ссылку http://www.fede...p?id=15&did=979 Внизу страницы ссылка на документ Конкурсная документация (309Kb) Открываем, идем на страницу 29. Ниже некоторая выдержка из документа, которая меня заинтересовала (с моими примечаниями в скобках) Создание маршевых двигательных установок на основе электроракетных двигателей с удельным импульсом тяги не менее 70000м/с. (это достаточно много, я думал, будет меньше. Хорошо!) • технологий создания высокотемпературных (до 1500К) турбин; (1200 цельсиев однако) • технологий создания высокотемпературных (до 1200К) компактных теплообменных аппаратов; • технологий создания высокоэффективных электроракетных двигателей большой мощности (более 50 кВт); (до сих пор на спутниках не было столько энергии, поэтому такие мощные движки не делались. На обсуждаемом буксире будет, вероятно, много маломощных двигателей, но понятно, что лучше не брать имеющиеся совсем маломощные, а сделать что-то помощнее) • технологий создания высокотемпературного (до 1600К) компактного газоохлаждаемого реактора на быстрых нейтронах (интересно, почему он на 100 градусов горячее, чем турбина?) • технологий создания высокооборотных (30000…60000 об/мин) электрогенераторов • технологий создания высокотемпературных (до 1500 К) жаропрочных конструкционных материалов с ресурсом до 100000 часов; • технологий создания бескаркасных холодильников-излучателей; (так и запишем: холодильник будет без каркаса) • технологий развертывания крупногабаритных конструкций в космосе. • выходная электрическая мощность на основном режиме 800…1000 кВт; (вот это хорошо, значит будет честный мегаватт электричества, а не 200-300 киловатт, как я думал) • суммарное время работы на основном режиме – не менее 50000 часов; (больше 2000 суток или 5.7 лет - неслабо так) • суммарное время работы на дежурном режиме – не менее 40000 часов; • время работы при одном включении на основном режиме – не менее 10000 часов; (416 дней... на Марс летим?) • допустимые дозы излучений в плоскости радиационной безопасности: • по поглощенной дозе гамма-излучения – не более 1,0*10^6 рад (1,0*10^4 Гр); • по флюенсу быстрых нейтронов с Е>0,1 МЭВ – не более 1,0*10^12 1/см2. (не спрашивайте меня, много это или мало...) Рабочее тело ЭРДУ в базовом варианте – ксенон высокой чистоты ГОСТ 10 219-77. (где-то слышал, будто ксенона мало и на такие прожорливые проекты не напасешься...) Назначенный срок службы ТЭМ – не менее 12 лет. Стартовая масса и габариты ТЭМ должны позволять его выведение ракетой-носителем среднего класса повышенной грузоподъемности “Русь-М” с космодрома “Восточный” или ракетой-носителем “Ангара-А5” с космодрома “Плесецк” и довыведение на круговую орбиту высотой не менее 800 км и наклонением i=51,8 для космодрома “Восточный” и i=63 для космодрома “Плесецк”. (http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A0%D1%83%D1%81%D1%8C-%D0%9C Русь-М: стартовая масса от 233 до 1900 тонн, до 53 тонн на низкую орбиту. Значит на 800 км она закинет тонн 30-40. Хотя эпитетом "среднего класса повышенной грузоподъёмности" обозначена ракета Русь-МП, 23 тонны на НОО. Интересно, а чем им Протон не понравился? Было бы проще с массой... Хотя чем меньше масса буксира, тем меньше потерь.) Научно-техническая продукция, создаваемая в рамках настоящей ОКР, относится к сведениям, составляющим служебную тайну (гриф “Для служебного пользования”).
          • 0
            Doc Doc
            21.02.1304:50:48
            • технологий создания бескаркасных холодильников-излучателей; (так и запишем: холодильник будет без каркаса)
            Так и запишем. Холодильник-излучатель. А не испаритель.
            • 0
              Нет аватара argr
              21.02.1307:10:49
              "Испаритель" - это что? Градирня около АЭС что-ли? https://www.goo...iw=1127&bih=664
              • 0
                Doc Doc
                21.02.1317:10:52
                Это мой вброс ТерраПевту. Он, к сожалению, не увидел.
                Охлаждающая жидкость именно что должна испаряться в космос и этим уносить тепло.
                Боюсь, что дипломную работу он защитил с трудом. Но защитил же     Я так думаю.
          • 0
            Synapse Synapse
            21.02.1318:02:44
            Ну да, уже что-то. Правильно ли я понимаю, что удельный испульс - это, по сути, скорость истечения? Т.е., если запас рабочего тела составит 50% от общей массы корабля, то характеристическая скорость будет 70 км/сек? Ну что ж, это вполне себе Марс. Вопрос только в том, хватит ли энергетического запаса реактора на такое количество рабочего тела. Про дефицит ксенона - огорчен. Заявленными сроками эксплуатации удовлетворен. Ждем в металле     Сходил по ссылке и нашел справа раздел "Блоги". Общение с космонавтами. Шикарная подборка фотографий! http://www.federalspace.ru/main.php?id=181
            Отредактировано: Synapse~18:32 21.02.13
            • 0
              Нет аватара argr
              21.02.1318:40:24
              Правильно ли я понимаю, что удельный испульс - это, по сути, скорость истечения? Т.е., если запас рабочего тела составит 50% от общей массы корабля, то характеристическая скорость будет 70 км/сек?
              Ну да, как-то так.
              Ну что ж, это вполне себе Марс.
              Во-первых, Марс. Во-вторых, уборка мусора на околоземных орбитах (а кто не заплатить за уборку мусора, то темной ночью над Сибирью в вас может влететь какой-нибудь обломок). В-третьих, челночный транспорт низкая орбита Земли - низкая орбита Луны. Улавливаешь?   
              Вопрос только в том, хватит ли энергетического запаса реактора на такое количество рабочего тела.
              Реактор будет давать какой-то сраный мегаватт электричества. На подлодках стоят реакторы на десятки мегаватт, работают десятилетиями. На АЭС стоят реакторы на гигаватт, топливо меняют раз в несколько месяцев. Короче, урана хватит - главное, чтобы конструкция выдержала.
              • 0
                Synapse Synapse
                22.02.1311:58:35
                Чё-то я всё-таки не вкурю никак... Располагаемая мощность 1000000Вт. Скорость истечения 7х10^4 м/с. Связь мощности и расхода топлива: N = mV^2/2t, m/t - это расход, обозначим Q. V - скорость истечения. Получаем: Q = 2N/V^2 = 2х10^6/(0,49x10^10) ~= 4x10^-4 кг/с. И что - тяга? P = mV; F = P/t = mV/t = QV = 4x10^-4x7^10^4 = 28Н ~= 2,8 кгс??? Обуенная тяга! Марс адназначна! Если масса экспедиционного комплекса хотя бы 20 тонн, то: a = F/M = 28/20000 = 0,0014 м/с^2, и ускоряться мы будем для достижения второй космической скорости вот столько времени: t = dV/a = (11200-7900)/0,0014 = 2360000 сек или 27 дней... и столько же тормозить... Огорчен. Необходимо тратить больше ксенона.
                • 0
                  Zveruga Zveruga
                  23.02.1314:02:15
                  В формуле мощности на 2 зачем поделили? N=F*v F=m*v/t N=m*v*v/t=m*v^2/t Тогда, согласно вашим расчетам тяга будет всего 15 Н, что не может быть верным, т. к. двигатель СПД-290 при 30 кВт достигает тяги 1,5 Н. 10 таких двигателей будут потреблять 300 кВт для достижения тяги в 15 Н, а 33 двигателя разовьют тягу 50 Н. Новый двигатель в 2,1 раза экономичнее СПД 290, т. е. тяга в 10 кгс на 1 МВт должна быть. А если взять и сделать "тяни-толкай", пристыковав два тягача с переди и с зади комплекса, то тягу можно увеличить в двое, что позволит разгоняться до второй космической за 4 дня.
                  Отредактировано: Zveruga~14:12 23.02.13
                  • 0
                    Synapse Synapse
                    25.02.1315:31:36
                    N=F*v - это когда машина по дороге едет. Реактивный двигатель ежесекундно ускоряет порцию рабочего тела до скорости истечения, а стало быть, сообщает ей кинетическую энергию mV^2/2. Переход к мощности производится заменой порции на расход, Q=m/t, т.е. N=QV^2/2 - такая энергия ежесекундно сообщается потоку рабочего тела в двигателе. Можете убедить, что это не так? Причем здесь СПД-290? Что имеется в виду, когда говорится про экономичность? Меньше расходуется рабочего тела в расчете на итоговый кг*м/с? А что при этом с тягой? А затраты времени? Тяга в 10 кгс на 1 МВт вполне может быть. Достигается это только значительным снижением скорости истечения и повышением расхода рабочего тела. У упомянутого Вами СПД 290 она не 70000, а 30000 км/сек. Оттолкнувшись ногами от земли, я вообще могу на миг развить тягу в 100 кгс, при этом моя мощность максимум ватт 300. 10 двигателей могут потреблять свои честные 300кВт. А сколько они при этом будут потреблять ксенона? Для СПД290. Q=2N/V^2=2*30000/30000^2=6,7*10^-5 кг/с F=P/t=mV/t=QV=(6,7*10^-5)*30000=2Н - похоже на то, что Вы описали. Почему мой расчет неверен? Ну и про тяни-толкай - это удар ниже пояса. 2 тягача. А почему не десять? Тогда ж ещё быстрее полетим!
                    • 0
                      Нет аватара argr
                      27.02.1308:47:36
                      Ты все правильно понимаешь. Тут размен: нам надо разогнаться до определенной скорости. Есть 2 возможности: 1) разогнаться быстро, с малой затратой энергии, зато с большой затратой массы. 2) разгоняться долго и печально, с большой затратой энергии, зато с малой затратой рабочего тела. При старте с Земли нужна большая тяга (больше веса ракеты на земле), поэтому тут хочешь-не хочешь - первый вариант, т.е. химия. В космосе мы можем толкаться хоть с силой 0.0001 грамм - если есть достаточно времени. Зато можно обойтись меньшим запасом горючего. Вот как это работает: http://argr.liv....com/10643.html Наглядная демонстрация данного принципа – зонд SMART-1, который Европейское Космическое Агентство запустило к Луне в 2003-м году. Этот аппарат был выведен ракетой-носителем на геопереходную орбиту. Напомню, это вытянутая эллиптическая орбита, верхняя точка которой находится на высоте около 35 тысяч километров, а нижняя – несколько сот километров от поверхности Земли. Зонд включил электрореактивные двигатели и добрался до Луны за 14 месяцев. При движении он совершил много-много оборотов вокруг Земли, каждый виток удаляясь чуть дальше. Достигнув области, где притяжение Луны пересиливает земное, зонд совершил замысловатый маневр и вышел на лунную орбиту. После этого ему оставалось только затормозить, чтобы уменьшить высоту над поверхностью естественного спутника Земли.

                       © ipic.su

                       © ipic.su

                      На все про все ушло 74 килограмма ксенона, которые позволили изменить скорость зонда суммарно на три с половиной километра в секунду. Правда, сам зонд – не такой уж большой, вместе с топливом 367 кг. На полет до Луны ушло всего 16% массы аппарата. Химическому двигателю для такого же маневра потребуется истратить гораздо больше топлива – 65% от массы. Если мы хотим еще и вернуться – химическое топливо должно составлять примерно 88% от массы. Используя электро-реактивные движки, можно слетать к Луне и назад, используя массу рабочего тела, составляющую всего 30% от массы ракеты.

                      • 0
                        Synapse Synapse
                        27.02.1313:14:15
                        Всё так. Но в плане Марса это означает - прощай пилотируемый полёт. Слишком долгий срок. Системы жизнеобеспечения, психологические и физиологические риски, радиация...
                        • 0
                          Нет аватара argr
                          27.02.1316:27:07
                          Наоборот, на ядерном реакторе полет до Марса проходит в несколько раз быстрее. Разгон занимает определенное время, зато достигается скорость больше, чем на химии. Плюс масса корабля получается в несколько раз меньше. При пилотируемом полете на сабжевом реакторе - другие проблемы. 1) Долгое время прохождения радиационных поясов. 2) Радиация от самого реактора. Сходу нашел вот такой текст на сайте Энергии. Этот проект - не на сабжевом реакторе, а на больших-больших солнечных батареях. На реакторе должно получаться еще лучше. http://www.ener...rs/concept.html Главное решение, от которого зависит и облик комплекса, и все последующие решения - это выбор двигательной установки для межпланетного перелета. Могут быть разные пути: например, использование жидкостно-реактивных двигателей, наиболее широко используемых и отработанных в космической технике. Но комплекс с этими двигателями из-за их низкой эффективности будет иметь огромную массу, как следствие этого, будет весьма дорогим, а, главное, несмотря на высокую отработанность жидкостно-реактивных двигателей, не будет обеспечена необходимая надежность и безопасность экспедиции. Более выгодным решением с точки зрения начальной массы корабля было бы использование ядерного двигателя, где энергия ядерных реакций разогревает газ, создавая необходимую тягу. Оказывается, и этот двигатель не обеспечивает необходимых требований по безопасности экипажа и стоимости. Значительными будут затраты на наземные средства отработки двигательной установки. Наиболее эффективными двигателями для использования на марсианском корабле из существующих являются электрореактивные. Эти двигатели имеют высокую надежность, низкую стоимость. Комплекс с использованием этих двигателей имеет минимальную массу. Его проще, чем какой-либо другой собрать на околоземной орбите.
                          • 0
                            Synapse Synapse
                            27.02.1319:51:39
                            Прикинем расходы на ксеноне, 1МВт - полезная мощность на контактах ЭРД. Скорость истечения 70 км/с. Из формулы, приведенной выше, расход ксенона: Q = 2N/V^2 = 2х10^6/(0,49x10^10) ~= 4x10^-4 кг/с. Там же, для общей массы комплекса 20тн, время разгона составит 2360000 сек. Общая масса рабочего тела только на разгон с 1й до 2й космической (грубо): M = Q*t = 4x10^-4 * 2360000 = 944 кг. Но мы хотим лететь быстрее. Кстати, какая должна быть набрана скорость? В общем, тонны две только на разгон. Сопоставимое количество на торможение. Либо долго, либо много ксенона. Больше половины стартовой массы. В общем, материальное обеспечение можно потихонечку запускать, чтобы оно до места года три добиралось в экономичном режиме. А вот на людей ксенона придется очень много потратить. Обсуждение предлагаю продолжить на ресурсе Aftershock.su, там перепостили Ваши статьи и подбирается народ для экспедиции. Надеюсь, сюда вернёмся обсуждать готовую, летающую железяку.
      • 0
        Нет аватара AndreyPike
        20.02.1320:04:31
        1) Аналогия ни куда не годная из-за существенных различий в режимах работы и принципах работы. 2) Этот двигатель предназначен для работы за пределами магнитного поля Земли, и уровень радиационого излучения от Солнца существенен. Так же на всем периоде разработок вопросам изоляции топлива от рабочего тела уделялось очень много внимания и основательные успехи были достигнуты. В случае аварий вариант с турбиной не менее опасен из-за наличия теплоносителя и более сложной конструкции. 3) В начале 2000-х я работал в НИКИЭТ, через стол от человека занимавшегося ЯРД. Режимы работы подобных турбин знаю, как они относятся к биениям, вибрациям, осевым нагрузкам и температурным перепадам представляю. Как такую бандуру "с всей обвязкой" заслать на орбиту я не представляю.За то доводилось видеть, что происходит с турбиной и машзалом на маленькой ТЭС при проблемах с подшипниками и автоматикой.
        Отредактировано: AndreyPike~20:05 20.02.13
        • 0
          igorborisov Борисов igorborisov Борисов
          21.02.1304:17:54
          1) Ваши слова "КПД ВСЕГДА выше у двигателя с прямым преобразованием энергии, чем у имеющего промежуточные ступени.". Я привел пример, когда в комплексе это не так. Вполне возможно, и даже скорее всего, тут тоже есть дополнительные факторы, неизвестные ни мне, ни Вам. 2) Этот двигатель (точнее, корабль им оснащенный) предназначен для работы в первую очередь как буксир с опорной орбиты на основную. Насчет Марса и прочей Луны - это еще только прикидки, изначальное предназначение разрабатываемой конструкции - орбитальный буксир. То есть всё-таки работать он будет внутри магнитного поля. 3) Я за Вас рад, честно. Но какое отношение это имеет к тому, что я сказал?
          Отредактировано: igorborisov.livejournal.com~04:22 21.02.13
Написать комментарий
Отмена
Для комментирования вам необходимо зарегистрироваться и войти на сайт,