Российские физики решили задачу по капельному охлаждению космических ядерных двигателей

На международном авиасалоне МАКС-2015 Московский физико-технический институт (МФТИ) продемонстрировал восемь новых разработок, и в числе их — модель капельного охлаждения ядерных энергодвигательных систем.

Ранее идея капельной системы охлаждения считалась нерабочей, главным образом из-за воздействия солнечного излучения на охлаждающую жидкость в открытом космическом пространстве, поясняется в материалах вуза. Однако математическая модель, разработанная в МФТИ, впервые продемонстрировала, что воздействие этих факторов нейтрализуемо, а значит, капельная система охлаждения все-таки может существовать и использоваться для космических полетов на дальние расстояния.

Космические полеты на дальние расстояния требуют мощных двигателей, которые работают на ядерных энергоустановках. Такие установки сильно нагреваются, и им требуется эффективная система охлаждения — причем тепло от них нужно отводить во внешнее космическое пространство, то есть делать это можно только в виде излучения. Традиционный способ решения этой задачи — выносимые во внешнюю часть корабля панельные радиаторы, по трубам которых циркулирует жидкость-теплоноситель, излучая лишнее тепло в космос. Но такие радиаторы как правило имеют большой вес и габариты, кроме того они никак не защищены от попадания метеоритов.

Ученые предложили новое решение: капельный холодильник-излучатель. Это установка, похожая на душ, в которой жидкость не циркулирует в трубах, а распыляется в виде капель прямо в открытое космическое пространство, там отдает тепло, затем улавливается и проходит цикл заново. Таким способом жидкость охлаждается гораздо быстрее (из-за большей площади поверхности капель), конструкция становится существенно легче, плюс повышается ее живучесть — метеорит, пролетевший через жидкость, никак не повредит системе охлаждения.

Однако здесь появляется следующая проблема: капли жидкости-теплоносителя под действием солнечного излучения, частиц ионосферы и других эффектов заряжаются и начинают разлетаться в разные стороны, не попадая в приемник. Именно из-за этой проблемы капельная система охлаждения до сих пор не считалась применимой в космической технике, и именно этой проблеме ученые МФТИ сумели найти решение.

«Мы создали программный комплекс для расчета системы охлаждения космических энергоустановок повышенной мощности, — говорит Наталья Завьялова, заведующая лабораторией Моделирования механических систем и процессов Факультета аэрофизики и космических исследований МФТИ. — По сути, мы сделали численное описание открытой части этой системы, то есть той части, где жидкость перемещается в открытом космическом пространстве. Важно было правильно оценить эффект разлета и придумать, как его скомпенсировать. Для этого коллектив нашей лаборатории создал специальный комплекс программ, который позволяет моделировать реальные условия полета в космическом пространстве».

Разработка не ограничилась математическим моделированием — в лаборатории МФТИ была сконструирована специальная установка, позволяющая создать условия, приближенные к реальному космическому полету. На ней был проведен цикл отработки и испытаний, и результаты показали: предложенное решение работает. Следующим шагом станет эксперимент в космосе.

Решение предложено в рамках грандиозного проекта — начатой в 2010 году президентской программы по созданию ядерной энергодвигательной установки мегаваттного класса. Цель проекта — повышение энерговооруженности космических аппаратов на орбите. Установка должна в десятки раз превзойти предшественников по мощности и экономической эффективности и решить ряд задач — например, сделать возможными дальние космические перелеты и удешевить стоимость доставки спутников на нужные орбиты.

Для реализации этого проекта были объединены НИИ и предприятия Росатома, Роскосмоса, университеты министерства образования и науки РФ. Перед учеными МФТИ была поставлена задача моделирования перспективной системы охлаждения для такой установки.

Разработка «Моделирование капельной системы охлаждения космической энергодвигательной установки мегаваттного класса для ТЭМ» была представлена на выставке «Вузовская наука и авиационно-техническое творчество молодежи», проходящей в рамках МАКС-2015 в Жуковском.

Хочешь всегда знать и никогда не пропускать лучшие новости о развитии России? У проекта «Сделано у нас» есть Телеграм-канал @sdelanounas_ru. Подпишись, и у тебя всегда будет повод для гордости за Россию.