Интенсификация и моделирование теплообмена в энергодвигательных установках аппаратов для пилотируемой экспедиции на Марс, страница 10

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.