Дмитрий Селин – Лунный рубеж (страница 6)

расчёт топлива (отдельно по маршрутам) п1-п2 - кг - 95 107,54 - 28 121,26

масса возвращаемой капсулы Dragon + сухая масса буксира - кг - 22 400,00

Суммарная масса криогенного топлива CH4/O2 при старте с НОО Земли - кг - 123 228,80

Общий вес 145,6 тонн, в лимит 150 тонн укладывается с небольшим запасом. Фактически получается трёхступенчатая ракета, где третья ступень "космический буксир" НЕ теряется после выполнения миссии, а после облёта Луны и возвращения остаётся на НОО Земли ждать заправки для следующего рейса.

Вес буксира в этом расчёте принят 15 тонн, вместо десяти в предыдущей статье. Весовое совершенство сразу не достигается. Dragon 2 для облёта Луны можно использовать самый обычный, в версии для полёта к МКС. Автономность 7 суток вполне достаточна для полёта к Луне - трое суток туда, трое обратно и сутки на окололунной орбите.

Можно катать к Луне богатеньких туристов за большие деньги, используя то, что УЖЕ доказало свою работоспособность.

Часть II. Двигатели будущего: от ядерных импульсов до квантовых сил

Глава 6 Ядерные двигатели: от РД-0410 к аммиачному буксиру

Химические двигатели, при всей их отработанности, упираются в беспощадный предел формулы Циолковского. Чтобы выйти за порог околоземной орбиты и начать осваивать Солнечную систему всерьёз, нужна энергия на порядки выше, чем они могут дать. В этой части рассмотрим то, что уже было сделано в истории космонавтики и то, что пока не выходит за пределы лабораторий.

Исторический экскурс

РД-0410 (Индекс ГРАУ — 11Б91, известен также как «Иргит» и «ИР-100») — первый и единственный советский ядерный ракетный двигатель (ЯРД). Был разработан в конструкторском бюро «Химавтоматика», Воронеж. Реактор прошёл значительную серию испытаний, но ни разу не испытывался на полную длительность работы. Внереакторные узлы были отработаны полностью. Из-за отказа СССР от полётов космонавтов к Луне и другим плантам Солнечной системы в 1970-е работы по РД-0410 бфли остановлены.

NERVA (англ. Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application) — совместная программа Комиссии по атомной энергии США и НАСА по созданию ядерного ракетного двигателя (ЯРД), продолжавшаяся до 1972 года. NERVA продемонстрировал, что ЯРД вполне работоспособен и подходит для исследования космоса, и в конце 1968 года SNPO подтвердил, что новейшая модификация NERVA, NRX/XE, отвечает требованиям для пилотируемого полета на Марс. Хотя двигатели NERVA были построены и испытаны в максимально возможной степени и считались готовыми к установке на космический аппарат, большая часть американской космической программы была отменена администрацией президента Никсона.

Настоящее и будущее ЯРД

Фактически, единственным, чем может пока (это важно) гордится Роскосмос - это работы по проекту "Зевс". Поскольку создать аналоги "Вояджеров" и марсоходов отечественная промышленность пока не в состоянии, то Роскосмос занимается тем, чем у него компетенций на порядки (это не шутка) больше, чем у всех остальных космических агентств и фирм Земли, вместе взятых.

Роскосмос старается перевести межорбитальные полёты с химических на ионные/плазменные двигатели

Что в теории обещает огромные по сегодняшним меркам скорости космических аппаратов, порядка 100 километров в секунду и более, получаемые не за счёт гравитационных манёвров, а исключительно работой маршевых двигателей. На таких скоростях становится доступной для исследований пилотируемыми кораблями вся внутренняя часть Солнечной системы - от Меркурия до Главного пояса астероидов включительно.

Главной проблемой, до сих пор не дающей перейти на сверхэкономичную ионную/плазменную тягу в открытом космосе (с Земли выходить в космос всё так же придётся на химических ЖРД) является получение хотя бы десятков /сотен киловатт электрической мощности на борту космического корабля.

Самые распространённые и мощные электрогенераторы вращения, придуманные человечеством, преобразовывают энергию перегретого пара в электрическую энергию сотнями мегаватт, но являются частью тепловой машины. Вследствие чего подчиняются жестокими законам термодинамики, работают на уровне электромагнитного взаимодействия (до нейтринного охлаждения очень далеко) и, что для условий космоса самое неприятное, для работы требуют холодильник. Вот здесь возвращаемся к проект Роскосмоса "Зевс", где нет турбогенератора, а есть всего лишь РИТЭГ, но от этого "Зевс" не перестал быть тепловой машиной.

Межорбитальный буксир "Зевс" на 90% конструктива представляет собой холодильник, сбрасывающий тепло посредством инфракрасного излучения через множество панелей, где циркулирует хладагент. Столь развитая система охлаждения необходимо для создания перепада температур, без которого термоэлетрический генератор работать не будет.

К сожалению, КПД существующих термоэлектрических генераторов не превышает 6%, поэтому, кроме поддержания перепада температур на термопарах, система охлаждения должна сбрасывать "излишнее" тепло в космос, а это более 90% всего того, что выделяется при распаде радиоизотопного топлива. Именно поэтому ЭБ (энергоблок) на рисунках выше такой маленький по сравнению со всей остальной конструкцией.

Дополнительной проблемой становится необходимость плотной упаковки под обтекатель ракеты всей конструкции при старте с Земли и её развёртывание в рабочее положение уже в космосе. Огромное количество гибких соединений трубопроводов охлаждения, множество шарниров и фиксаторов панелей - всё это сильно понижает надёжность, что для космоса совершенно недопустимо. Поэтому "Зевс" на картинках выше со 100% вероятностью никуда и никогда не полетит. Как макет для отработки технологий он сгодится, но не более того.

Что делать?

Работать дальше. Перспективных направления всего два:

1. Повышение КПД термоэлектрического генератора

2. Снижение сложности системы охлаждения при сохранении её эффективности.

Повышение КПД термоэлектрического генератора

Один из вариантов - использовать термофотовольтаику

Применяемый в плутониевой электрической батарее принцип преобразования энергии ядерного распада в электрическую называют термофотовольтаическим [4]. Альфа-источник окружён вакуумной капсулой, внешние стенки которой покрыты слоем наночастиц. Тепло от ионизирующего излучения нагревает капсулу до 1500 К, заставляя её поверхность светиться. Чувствительные и адаптированные к среде фотоэлементы, окружающие капсулу и способные выдерживать колоссальный нагрев окружающей температуры, улавливают эти изменения спектра.

Если кому-то не нравится плутоний, есть другой изотоп никель-63.

Используемый в новой атомной батарее 63Ni – наиболее перспективный радионуклид в бета-вольтаике: средняя энергия бета-частиц 63Ni 17,5 кэВ (и максимальная энергия 67 кэВ), период полураспада 100,1 лет; к нему можно создать физическую защиту от мягкого бета-излучения источника в миниатюрном элементе питания.

Такой "ритэг" разрабатывается для миниатюрных устройств, но нет никаких препятствий для масштабирования "вверх"

Был создан прототип автономного радиоизотопного источника питания средней мощности на основе узкозонных полупроводниковых термофотовольтаических материалов с КПД преобразования теплового излучения (ближнего ИК-диапазона) не ниже 15%. Это более чем в 2 раза превосходит КПД преобразования радиоизотопных источников питания, выполненных по технологии радиоизотопных термоэлектрических генераторов (РИТЭГ).

КПД термофотовольтаики может быть выше при повышении температуры и достигать 44%

Термофотовольтаические элементы функционируют аналогично фотоэлектрическим элементам, которые чаще всего называют солнечными элементами. Термофотовольтаика использует инфракрасные фотоны, которые обладают меньшей энергией, для преобразования электромагнитного излучения в электричество, в отличие от фотонов видимого света, которые обладают большей энергией.

Новое устройство команды разработчиков демонстрирует эффективность преобразования энергии в 44% при температуре 1435°C, что соответствует требуемому диапазону от 1200°C до 1600°C для высокотемпературного накопления энергии. При таких температурах она превышает 37%, достигнутые в предыдущих разработках.

Понятно, что такие температуры для обеспечения "космической надёжности" не нужны, необходимо ограничится температурным максимумом в 900 градусов, как в крылатой ракете "Буревестник", но даже в этом случае КПД в 20-25% будут ОЧЕНЬ хорошим показателем. Характеристики реактора-нагревателя ПВРД КР "Буревестник":

Тепловая мощность, по открытом данным, составляет 768 киловатт, что позволяет нагревать воздух в рабочей камере двигателя до 850 градусов Цельсия, что вполне хватает для полёта на маршевой скорости 270-300 метров в секунду

Даже 20% КПД преобразования термофотовольтаики дадут 768*0,2=153,6 киловатт электрической мощности. Если добавить "обычные" термопары с их КПД 6%, то гарантированно можно получит КПД 25%, а это уже 192 киловатта, что хватит для мощных плазменных двигателей и достижения скоростей более 100 километров в секунду.

Снижение сложности системы охлаждения при сохранении её эффективности.

Куда девать 768-192=576 киловатт тепла? При весьма простой конструкции системы охлаждения без множества шарниров и гибких соединений? Следует сразу уточнить, почему в проекте "Зевс" отказались от схемы "паровая турбина - генератор". Причин, по большому счёту, всего три