Какая польза от буксира с ядерным источником энергии на орбите вокруг Луны? Часть 2
Часть первая (смотреть здесь)
Какая польза от электрореактивного буксира с ядерным источником энергии на постоянной орбите вокруг Луны? Часть 2
В первой части статьи в качестве основы орбитального накопителя лунного вещества рассматривался буксир с турбомашинным способом преобразования тепловой энергии в электрическую. Вместе с тем, у российской космической промышленности есть разработки ЯЭУ с безмашинным способом преобразования энергии, а эти установки, по сравнению с первыми, более устойчивы к перегрузкам, которые будут возникать в ряде случаев при ударном ускорении порций лунного вещества на борту орбитального накопителя.
Если лунное вещество поступает в КА-накопитель достаточно равномерно и сила торможения при его захвате может одномоментно уравновешиваться силой тяги реактивных двигателей, то при таком способе аккумуляции вещества можно использовать ЯЭУ с турбомашинным способом генерации электроэнергии, так как возможные здесь величины ускорения невелики. Если же захват лунного вещества производится большими дискретными порциями, например, по способу рассмотренным Эдвардом Марвиком, когда в накопительную камеру влетает сплошная порция вещества массой в десятки килограммов, то в этом случае требуется использование ЯЭУ с безмашинной генерацией электроэнергии, так как здесь величины ускорения будут велики и хрупкие турбина с генератором их не выдержат.
Кроме того ЯЭУ с термоэмиссионным реактором превосходят паро- и газотурбинные преобразователи энергии благодаря простоте тепловой и электрической схем, отсутствию движущихся частей и высокой надежности. В процессе работы над реализацией термоэмиссионной ЯЭУ были открыты перспективные технологии и получены вещества, обладающие особыми физико-химическими свойствами. Среди таких технологических ноу-хау: открытие ниобиевого сплава и создание литиевой системы охлаждения реактора. Концепция космической ЯЭУ второго поколения, была разработана еще в конце 70-х годов прошлого века. Действует она и в настоящее время. Эта концепция предполагает использование ТРП на быстрых нейтронах с замедляющим нейтроны отражателем, в котором в качестве эмиттерных оболочек используются упрочненные легированные монокристаллы вольфрама; применение высокотемпературной одноконтурной системы охлаждения, в которой в качестве теплоносителя применяется расплавленный практически не активируемый изотопно чистый литий-7; отвод непреобразованной теплоты термодинамического цикла через поверхность излучателя, сформированного из ниобиевых тепловых труб с натрием в качестве рабочего тела; использование в конструкции ЯЭУ (включая корпуса электрогенерирующих каналов, конструкцию реактора и конструкцию системы охлаждения) единого тугоплавкого конструкционного материала - ниобиевого сплава НбЦУ, что позволяет уменьшить габариты и массу установки; применение модульной структуры ЯЭУ, что обеспечивает большую гибкость в её отработке и изготовлении, и использование лучевого принципа компоновки ЯЭУ с применением многослойной теневой радиационной защиты.
В 1978 г. была проведена проектная разработка ядерного межорбитального буксира, получившего индекс 17Ф11. В 1982 г. НПО "Энергия" разработало техническое предложение по ядерному межорбитальному буксиру 17Ф11 ("Геркулес") полезной электрической мощностью 550 кВт, выводимому на опорную орбиту высотой 200 км с помощью или орбитального корабля "Буран" или ракеты-носителя "Протон", в качестве универсального электротранспортного средства для решения целевых задач в околоземном пространстве. Межорбитальный буксир имел полезную электрическую мощность ЯЭУ 550 кВт при массе 6900 кг, удельный импульс ЭРДУ 3000 с, тягу ЭРДУ 2,6 кгс, ресурс ЯЭУ и ЭРДУ 16000 ч, ксенон в качестве рабочего тела ЭРДУ и массу (сухую) 15700 кг. Был рассмотрен также двухцелевой вариант этой системы: доставка КА на энергоемкую орбиту при мощности 550 кВт и работа в режиме пониженной мощности на уровне 50-150 кВт в течении 3-5 лет. Если бы время работы этой ЯЭУ на режиме повышенной мощности в 550 кВт достигало 5-10 лет, то такая установка вполне могла бы стать основой лунного орбитального накопителя вещества. К сожалению, её фактические параметры не вполне соответствуют желаемым.
Есть другие модификации безмашинных ЯЭУ, более подходящие для орбитального накопителя лунного вещества. Системная оптимизация массогабаритных характеристик космических ЯЭУ нового поколения с ресурсом работы 10-15 лет при использовании высокотемпературных кремний-германиевых термоэлектрических преобразователей проведена специалистами ГНЦ РФ-ФЭИ и ФГУП "Красная звезда". Результаты привели к отказу от термоэлектрических батарей плоской геометрии, модулей и ТЭГ и переходу к соответствующим преобразователям трубчатой формы. Эта установка получила название ЯЭУ "БУК-ТЭМ" тепловой мощностью 4 МВт (электрическая - от 50 до 100 кВт), массой 6 или 8 тонн (с литиевым или натриевым жидкометаллическим теплоносителем соответственно), ресурсом до 10 лет.
Самым интересным вариантом представляется ЯЭУ «Эльбрус-400/200». Вырабатываемая мощность в формированном режиме 400 кВт, в номинальном режиме 200 кВт. Время работы: до 0,5 лет в форсированном режиме; до 20 лет в номинальном режиме. Габаритные размеры в орбитальном положении, длина х ширина х высота (м): 74 х 6 х 2. Полная масса: 7000 кг. Экстраполируя данные по аналогам, резонно допустить, что масса буксира с ЯЭУ «Эльбрус-400/200» должна быть около 16000 кг.
.
.
Длительность работы до 20 лет при 200 кВт электрической мощности - это вполне достаточно для реализации проекта орбитального накопителя лунного вещества и начала рентабельного производства ракетного топлива из лунной воды и/или реголита.
Рассмотрим основные параметры орбитальной установки по переработке лунного сырья в топливо.
Если сырьем, поступающим в накопитель является водяной лёд, то половина поступающего сырья может расходоваться в качестве рабочего тела плазменных ЭРД. Тогда, по сравнению, с ранее рассмотренным накопителем с мощностью около 1 МВт, КА-накопитель с ЯЭУ «Эльбрус-400/200» при работе в номинальном режиме в течение года будет аккумулировать в пять раз меньше сырья. Однако, с поправкой на 20 лет работы, масса захваченного и переработанного сырья составит 10500 тонн. А ежегодный темп накопления равен 525 тонн. Таким образом, после затрат на транспортировку годового запаса сырья и/или ракетного топлива к потребителям на околоземную орбиту, товарный запас сократится до 300 тонн, что соответствует текущим годовым потребностям по выводу коммерческих и научных КА с НОО на высокоэнергетические орбиты. Отправка груза с окололунной орбиты на околоземную может производиться еженедельно порциями по 10 тонн. Эти перевозки могут выполняться парой танкеров, использующих обычные химические ракетные двигатели. Однако, на первом этапе эксплуатации орбитального завода, производимое им ракетное топливо будет в основном использоваться для дозаправки грузовых КА, спускаемых с окололунной орбиты на поверхность Луны, что в несколько раз сократит стоимость доставки оборудования для развертывания лунной базы.
Если сырьем, поступающим в накопитель является реголит с содержанием кислорода около 40% от массы, то тогда только треть или четверть поступающего сырья, после переработки, может расходоваться в качестве рабочего тела ЭРД. Кремний и металлы не очень эффективны в качестве рабочего тела ЭРД [за исключением магния и кальция]*, а выделяемый из реголита кислород также не может полностью расходоваться в ЭРД, поскольку он является компонентом ракетного топлива, производимого на продажу. Вторым компонентом здесь являются порошкообразные кремний, алюминий, магний и другие металлы, извлекаемые из реголита. В виду того, что часть произведенного кислорода расходуется в ЭРД, то будет образовываться остаток кремния и металлов, которые не могут быть использованы в качестве ракетного горючего из-за дефицита кислорода. Эта часть сырья, может так же эффективно использоваться для производства фотоэлектрических преобразователей (солнечных батарей) для последующего их использования на самом орбитальном заводе, на лунных базах, на геостационарных КА и, при спуске на Землю в капсулах, изготовленных из лунного сырья, в земной экономике.
Есть проект академика Олега Пчелякова и профессора Хьюстонского университета Алекса Игнатьева по созданию к 2020 году на удаленной орбите космической мини-фабрики по производству в неограниченных количествах новых материалов для преобразования солнечной энергии, которые затем должны возвращаться на Землю в недорогих баллистических капсулах. Наличие таких материалов даст мощный толчок к развитию фотоэлектроники и наноэлектроники, в результате чего созданные в этих отраслях приборы будут сопровождать жителей Земли везде и повсюду. Круг применения полупроводниковых многослойных структур с каждым годом становится все шире: они могут работать в качестве матриц в фотоаппаратах, в медицинских приборах-тепловизорах, в системах спутниковой навигации и связи, в сенсорных устройствах для анализа состава атмосферы, свойств материалов и т.д. «С себестоимостью производства качественных полупроводниковых материалов вопрос очень важный, я бы сказал, основополагающий, - подчеркивает Пчеляков. - В этом плане мы провели очень серьезную апробацию: у нас есть четко составленные бизнес-планы и технико-экономические обоснования. Наша технология космического базирования будет бесспорно дешевле, чем наземная. И кроме того мы еще решаем экологическую задачу: удаляем в пространство, где никто не живет, никто не дышит, вредные вещества, которые используются в микро и наноэлектроники для производства полупроводниковых материалов». Пчеляков и его коллеги утверждают, что имитировать вакуум на Земле дорого и неэффективно. И только в условиях орбитального полета можно найти идеально чистую, лишенную всяких примесей среду для промышленного производства высококачественных полупроводниковых материалов. Решающим аргументом в пользу космической вакуумной лаборатории явилось и то, что она будет работать в условиях неограниченного пространства, а отсутствие «стенок» позволит избежать загрязнения подложек и пленок полупроводниковых структур.
Итак, если в качестве сырья орбитальный накопитель использует окислы кремния и металлов, то при скорости поступления сырья равной 1680 м/с, необходимо использовать ЭРД с удельным импульсом 6720 м/с и выше. В этом случае из поступившей на борт массы вещества, большая часть или 75% остается для переработки в топливо, солнечные батареи и конструкционные материалы, а только 25% расходуется в ЭРД. Тогда в течение года накопитель поглощает 280 т реголита и расходует в ЭРД 70 т кислорода. В остатке 210 т порошков кремния и металлов и до 42 т кислорода (при условии извлечения из реголита 112 тонн О2).
Эти пропорции не очень выгодны на первом этапе и потому более перспективным должен быть КА-накопитель с удельным импульсом ЭРД равным десятикратной величине тормозного импульса, т.е. со скоростью истечения рабочего тела порядка 17000 м/с. В этом варианте в течение года накопитель поглощает 112 т реголита и расходует в ЭРД 11 т кислорода. В остатке 101 т порошков кремния и металлов и до 34 т кислорода (при условии извлечения из захваченного реголита 45 тонн О2). При таких пропорциях может быть выгодна схема, при которой с Земли в лунный КА-накопитель доставляется 11 т аргона (висмута, лития или калия) в качестве рабочего тела ЭРД, а вся полученная масса кислорода используется для производства ракетного топлива для продажи потребителям на НОО. Такой обмен будет экономически оправданным и выгодным. Но, повторимся, на этапе развертывания лунной базы, основными потребителями ракетного топлива будут строители лунной базы т.к. это обеспечит многократное сокращение траспортных расходов по спуску грузов с орбиты на лунную поверхность.
Примечания:
*) - В РКК «Энергия» испытывался электроракетный двигатель с литиевым рабочим телом мощностью - 500 кВт, на котором были получены вполне удовлетворительные характеристики. Замена лития на магний (содержание в реголите 4,6-5,8%) или кальций (7,9-10,7%), добываемые на лунной базе, не приведет к заметному ухудшению тяговых и энергетических характеристик, так как потенциалы ионизации этих металлов близки. Вместе с тем, экономия затрат на выведение и транспортировку 8-9 т рабочего тела на обратный рейс будут существенны при проведении многократных транспортных операций.
Продолжение следует.
Перепост на МарсТракторе
Какая польза от электрореактивного буксира с ядерным источником энергии на постоянной орбите вокруг Луны? Часть 2
В первой части статьи в качестве основы орбитального накопителя лунного вещества рассматривался буксир с турбомашинным способом преобразования тепловой энергии в электрическую. Вместе с тем, у российской космической промышленности есть разработки ЯЭУ с безмашинным способом преобразования энергии, а эти установки, по сравнению с первыми, более устойчивы к перегрузкам, которые будут возникать в ряде случаев при ударном ускорении порций лунного вещества на борту орбитального накопителя.
Если лунное вещество поступает в КА-накопитель достаточно равномерно и сила торможения при его захвате может одномоментно уравновешиваться силой тяги реактивных двигателей, то при таком способе аккумуляции вещества можно использовать ЯЭУ с турбомашинным способом генерации электроэнергии, так как возможные здесь величины ускорения невелики. Если же захват лунного вещества производится большими дискретными порциями, например, по способу рассмотренным Эдвардом Марвиком, когда в накопительную камеру влетает сплошная порция вещества массой в десятки килограммов, то в этом случае требуется использование ЯЭУ с безмашинной генерацией электроэнергии, так как здесь величины ускорения будут велики и хрупкие турбина с генератором их не выдержат.
Кроме того ЯЭУ с термоэмиссионным реактором превосходят паро- и газотурбинные преобразователи энергии благодаря простоте тепловой и электрической схем, отсутствию движущихся частей и высокой надежности. В процессе работы над реализацией термоэмиссионной ЯЭУ были открыты перспективные технологии и получены вещества, обладающие особыми физико-химическими свойствами. Среди таких технологических ноу-хау: открытие ниобиевого сплава и создание литиевой системы охлаждения реактора. Концепция космической ЯЭУ второго поколения, была разработана еще в конце 70-х годов прошлого века. Действует она и в настоящее время. Эта концепция предполагает использование ТРП на быстрых нейтронах с замедляющим нейтроны отражателем, в котором в качестве эмиттерных оболочек используются упрочненные легированные монокристаллы вольфрама; применение высокотемпературной одноконтурной системы охлаждения, в которой в качестве теплоносителя применяется расплавленный практически не активируемый изотопно чистый литий-7; отвод непреобразованной теплоты термодинамического цикла через поверхность излучателя, сформированного из ниобиевых тепловых труб с натрием в качестве рабочего тела; использование в конструкции ЯЭУ (включая корпуса электрогенерирующих каналов, конструкцию реактора и конструкцию системы охлаждения) единого тугоплавкого конструкционного материала - ниобиевого сплава НбЦУ, что позволяет уменьшить габариты и массу установки; применение модульной структуры ЯЭУ, что обеспечивает большую гибкость в её отработке и изготовлении, и использование лучевого принципа компоновки ЯЭУ с применением многослойной теневой радиационной защиты.
В 1978 г. была проведена проектная разработка ядерного межорбитального буксира, получившего индекс 17Ф11. В 1982 г. НПО "Энергия" разработало техническое предложение по ядерному межорбитальному буксиру 17Ф11 ("Геркулес") полезной электрической мощностью 550 кВт, выводимому на опорную орбиту высотой 200 км с помощью или орбитального корабля "Буран" или ракеты-носителя "Протон", в качестве универсального электротранспортного средства для решения целевых задач в околоземном пространстве. Межорбитальный буксир имел полезную электрическую мощность ЯЭУ 550 кВт при массе 6900 кг, удельный импульс ЭРДУ 3000 с, тягу ЭРДУ 2,6 кгс, ресурс ЯЭУ и ЭРДУ 16000 ч, ксенон в качестве рабочего тела ЭРДУ и массу (сухую) 15700 кг. Был рассмотрен также двухцелевой вариант этой системы: доставка КА на энергоемкую орбиту при мощности 550 кВт и работа в режиме пониженной мощности на уровне 50-150 кВт в течении 3-5 лет. Если бы время работы этой ЯЭУ на режиме повышенной мощности в 550 кВт достигало 5-10 лет, то такая установка вполне могла бы стать основой лунного орбитального накопителя вещества. К сожалению, её фактические параметры не вполне соответствуют желаемым.
Есть другие модификации безмашинных ЯЭУ, более подходящие для орбитального накопителя лунного вещества. Системная оптимизация массогабаритных характеристик космических ЯЭУ нового поколения с ресурсом работы 10-15 лет при использовании высокотемпературных кремний-германиевых термоэлектрических преобразователей проведена специалистами ГНЦ РФ-ФЭИ и ФГУП "Красная звезда". Результаты привели к отказу от термоэлектрических батарей плоской геометрии, модулей и ТЭГ и переходу к соответствующим преобразователям трубчатой формы. Эта установка получила название ЯЭУ "БУК-ТЭМ" тепловой мощностью 4 МВт (электрическая - от 50 до 100 кВт), массой 6 или 8 тонн (с литиевым или натриевым жидкометаллическим теплоносителем соответственно), ресурсом до 10 лет.
Самым интересным вариантом представляется ЯЭУ «Эльбрус-400/200». Вырабатываемая мощность в формированном режиме 400 кВт, в номинальном режиме 200 кВт. Время работы: до 0,5 лет в форсированном режиме; до 20 лет в номинальном режиме. Габаритные размеры в орбитальном положении, длина х ширина х высота (м): 74 х 6 х 2. Полная масса: 7000 кг. Экстраполируя данные по аналогам, резонно допустить, что масса буксира с ЯЭУ «Эльбрус-400/200» должна быть около 16000 кг.
.
.
Длительность работы до 20 лет при 200 кВт электрической мощности - это вполне достаточно для реализации проекта орбитального накопителя лунного вещества и начала рентабельного производства ракетного топлива из лунной воды и/или реголита.
Рассмотрим основные параметры орбитальной установки по переработке лунного сырья в топливо.
Если сырьем, поступающим в накопитель является водяной лёд, то половина поступающего сырья может расходоваться в качестве рабочего тела плазменных ЭРД. Тогда, по сравнению, с ранее рассмотренным накопителем с мощностью около 1 МВт, КА-накопитель с ЯЭУ «Эльбрус-400/200» при работе в номинальном режиме в течение года будет аккумулировать в пять раз меньше сырья. Однако, с поправкой на 20 лет работы, масса захваченного и переработанного сырья составит 10500 тонн. А ежегодный темп накопления равен 525 тонн. Таким образом, после затрат на транспортировку годового запаса сырья и/или ракетного топлива к потребителям на околоземную орбиту, товарный запас сократится до 300 тонн, что соответствует текущим годовым потребностям по выводу коммерческих и научных КА с НОО на высокоэнергетические орбиты. Отправка груза с окололунной орбиты на околоземную может производиться еженедельно порциями по 10 тонн. Эти перевозки могут выполняться парой танкеров, использующих обычные химические ракетные двигатели. Однако, на первом этапе эксплуатации орбитального завода, производимое им ракетное топливо будет в основном использоваться для дозаправки грузовых КА, спускаемых с окололунной орбиты на поверхность Луны, что в несколько раз сократит стоимость доставки оборудования для развертывания лунной базы.
Если сырьем, поступающим в накопитель является реголит с содержанием кислорода около 40% от массы, то тогда только треть или четверть поступающего сырья, после переработки, может расходоваться в качестве рабочего тела ЭРД. Кремний и металлы не очень эффективны в качестве рабочего тела ЭРД [за исключением магния и кальция]*, а выделяемый из реголита кислород также не может полностью расходоваться в ЭРД, поскольку он является компонентом ракетного топлива, производимого на продажу. Вторым компонентом здесь являются порошкообразные кремний, алюминий, магний и другие металлы, извлекаемые из реголита. В виду того, что часть произведенного кислорода расходуется в ЭРД, то будет образовываться остаток кремния и металлов, которые не могут быть использованы в качестве ракетного горючего из-за дефицита кислорода. Эта часть сырья, может так же эффективно использоваться для производства фотоэлектрических преобразователей (солнечных батарей) для последующего их использования на самом орбитальном заводе, на лунных базах, на геостационарных КА и, при спуске на Землю в капсулах, изготовленных из лунного сырья, в земной экономике.
Есть проект академика Олега Пчелякова и профессора Хьюстонского университета Алекса Игнатьева по созданию к 2020 году на удаленной орбите космической мини-фабрики по производству в неограниченных количествах новых материалов для преобразования солнечной энергии, которые затем должны возвращаться на Землю в недорогих баллистических капсулах. Наличие таких материалов даст мощный толчок к развитию фотоэлектроники и наноэлектроники, в результате чего созданные в этих отраслях приборы будут сопровождать жителей Земли везде и повсюду. Круг применения полупроводниковых многослойных структур с каждым годом становится все шире: они могут работать в качестве матриц в фотоаппаратах, в медицинских приборах-тепловизорах, в системах спутниковой навигации и связи, в сенсорных устройствах для анализа состава атмосферы, свойств материалов и т.д. «С себестоимостью производства качественных полупроводниковых материалов вопрос очень важный, я бы сказал, основополагающий, - подчеркивает Пчеляков. - В этом плане мы провели очень серьезную апробацию: у нас есть четко составленные бизнес-планы и технико-экономические обоснования. Наша технология космического базирования будет бесспорно дешевле, чем наземная. И кроме того мы еще решаем экологическую задачу: удаляем в пространство, где никто не живет, никто не дышит, вредные вещества, которые используются в микро и наноэлектроники для производства полупроводниковых материалов». Пчеляков и его коллеги утверждают, что имитировать вакуум на Земле дорого и неэффективно. И только в условиях орбитального полета можно найти идеально чистую, лишенную всяких примесей среду для промышленного производства высококачественных полупроводниковых материалов. Решающим аргументом в пользу космической вакуумной лаборатории явилось и то, что она будет работать в условиях неограниченного пространства, а отсутствие «стенок» позволит избежать загрязнения подложек и пленок полупроводниковых структур.
Итак, если в качестве сырья орбитальный накопитель использует окислы кремния и металлов, то при скорости поступления сырья равной 1680 м/с, необходимо использовать ЭРД с удельным импульсом 6720 м/с и выше. В этом случае из поступившей на борт массы вещества, большая часть или 75% остается для переработки в топливо, солнечные батареи и конструкционные материалы, а только 25% расходуется в ЭРД. Тогда в течение года накопитель поглощает 280 т реголита и расходует в ЭРД 70 т кислорода. В остатке 210 т порошков кремния и металлов и до 42 т кислорода (при условии извлечения из реголита 112 тонн О2).
Эти пропорции не очень выгодны на первом этапе и потому более перспективным должен быть КА-накопитель с удельным импульсом ЭРД равным десятикратной величине тормозного импульса, т.е. со скоростью истечения рабочего тела порядка 17000 м/с. В этом варианте в течение года накопитель поглощает 112 т реголита и расходует в ЭРД 11 т кислорода. В остатке 101 т порошков кремния и металлов и до 34 т кислорода (при условии извлечения из захваченного реголита 45 тонн О2). При таких пропорциях может быть выгодна схема, при которой с Земли в лунный КА-накопитель доставляется 11 т аргона (висмута, лития или калия) в качестве рабочего тела ЭРД, а вся полученная масса кислорода используется для производства ракетного топлива для продажи потребителям на НОО. Такой обмен будет экономически оправданным и выгодным. Но, повторимся, на этапе развертывания лунной базы, основными потребителями ракетного топлива будут строители лунной базы т.к. это обеспечит многократное сокращение траспортных расходов по спуску грузов с орбиты на лунную поверхность.
Click to viewПримечания:
*) - В РКК «Энергия» испытывался электроракетный двигатель с литиевым рабочим телом мощностью - 500 кВт, на котором были получены вполне удовлетворительные характеристики. Замена лития на магний (содержание в реголите 4,6-5,8%) или кальций (7,9-10,7%), добываемые на лунной базе, не приведет к заметному ухудшению тяговых и энергетических характеристик, так как потенциалы ионизации этих металлов близки. Вместе с тем, экономия затрат на выведение и транспортировку 8-9 т рабочего тела на обратный рейс будут существенны при проведении многократных транспортных операций.
Продолжение следует.
Перепост на МарсТракторе