Более предпочтительной является концепция перспективной ядерной энергетической установки для пилотируемого марсианского комплекса, которая базируется на принципе использования отдельных модулей, что повышает надежность установки, так как в случае возникновения аварии либо неисправности модуль может быть отделен от космического корабля. При этом сохраняется возможность выполнения программы экспедиции.
Каждый модуль представляет собой самостоятельную энергодвигательную установку, в состав которой входит ядерный реактор и замкнутый контур с турбомашинным циклом преобразования энергии. Максимальная температура водорода на выходе из реактора при работе на двигательном режиме должна составлять 2900–3100 К, а максимальная температура газа (смесь гелия и ксенона) перед турбиной при работе на энергетическом режиме 1200 К. Электрическая мощность каждого модуля 50 кВт, а масса (без запаса рабочего тела) 12,5–17 т. Концепция модульного построения ЯЭДУ, когда вместо ЯРД большой тяги создаются связки из нескольких ЯРД небольшого размера, позволяет упростить наземную отработку ЯРД и уменьшить стоимость стендовой базы и проводимых на ней испытаний.
Выбор типа реактора и тепловыделяющих сборок (ТВС) связан также с решением проблем динамики реактора и ЯЭДУ в целом. Скорость протекания переходных процессов в реакторе может оказать большое влияние на уменьшение массы и габаритов ЯЭДУ и работоспособность элементов активной зоны.
Например, при переходе с энергетического режима на двигательный для реактора ЯРД «Нерва» допустимый темп повышения температуры твэлов при нагреве не должен превышать величину 60–100 К/с. Поэтому время этого перехода составляет 20–30 с. В то же время для реактора с микротопливом и радиальным течением рабочего тела при размере частиц топлива ~500 мк темпы нагрева составляют 5000–10000 К/с, и такой переход при реальном быстродействии процесса составит 1–3 с, что позволит уменьшить потребный запас жидкого водорода на борту ЭДК. При переходе ЯЭДУ с двигательного на энергетический режим путем выбора оптимального режима расхолаживания реактора с учетом цикличности работы установки также можно сэкономить расход жидкого водорода. При этом необходимо учитывать, что для выполнения экспедиции при полете на Марс необходимо многократное включение ЯЭДУ в режиме ЯРД с суммарным временем работы на номинальных параметрах, равным 4,5–5,3 ч (табл. 1).
Необходимость многократных быстрых переходов реактора с одного уровня мощности на другой, отличающийся на несколько порядков, предъявляет повышенные требования к эффективности системы регулирования для обеспечения безопасности работы ЯЭДУ при переходных режимах. К аварийной ситуации на двигательном режиме может привести заполнение водородом активной зоны реактора, обладающего положительным эффектом реактивности.
Рассмотренные особенности энергетических установок космических аппаратов, которые работают при высоких значениях температур и тепловых потоков, а также других абсолютных и удельных теплотехнических параметров, показали, что в конструкциях таких теплонапряженных узлов установки, как тепловыделяющие элементы ядерного реактора и теплообменные аппараты ЯЭДУ, необходимо использовать наиболее рациональные методы интенсификации теплообмена. К таким методам относится описанный в ряде работ [2.1.6] наиболее эффективный метод интенсификации теплообмена и межканального перемешивания теплоносителя путем закрутки потока витыми твэлами или трубами овального профиля. В пучках витых твэлов можно обеспечить интенсивное выравнивание температурных неравномерностей в поперечном сечении пучка, сформированных неравномерным полем энерговыделения в реакторе, и тем самым повысить выходные параметры энергоустановки.
1.3.Атомные космические установки
с замкнутым машинным циклом
В работе [1] c целью проведения научных миссий к дальним планетам солнечной системы была предложена концепция КА с ЯЭУ и ЭРДУ. Определено, что полезная мощность ЯЭУ должна быть не менее 100 кВт а её ресурс не менее 10 лет. Верхняя оценка тепловой мощности реактора в таком случае составляет 5МВт. Очевидно, что массогабаритные характеристики ЯЭУ определяют массогабаритные характеристики всего КА, а эти характеристики ЯЭУ во многом зависят от типа реактора.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.