Дмитрий Селин – Лунный рубеж (страница 7)

1. большой вес

2. неизбежные вибрации при работе

3. сложности обеспечения надёжности в условиях беспрерывной работы на протяжении нескольких лет

Большой вес бортовой мини-АЭС, как и при использовании мощного РИТЭГ, в основном состоит из веса системы охлаждения, преобразующей избыточную тепловую мощность в инфракрасное излучение. Только так на данный момент можно обеспечить охлаждение в условиях вакуума - как обязательное условие работы любой тепловой машины.

Но даже отказ от турбогенератора, работающего на высоком давлении пара и требующего соответствующей системы охлаждения, лишь уменьшил вес, а не сложность холодильника. Ведь надо обеспечить достаточную площадь панелей-излучателей, для эффективного сброса тепла. Здесь работает ещё один беспощадный закон природы, названный человечеством законом Стефана-Больцмана.

Зако́н Сте́фана — Бо́льцмана (закон Стефана, закон излучение Стефана — Больцмана) — интегральный закон излучения абсолютно чёрного тела. Он определяет зависимость плотности мощности излучения абсолютно чёрного тела от его температуры.

В словесной форме его можно сформулировать следующим образом:

Полная объёмная плотность равновесного излучения и полная испускательная способность абсолютно чёрного тела пропорциональны четвёртой степени его температуры

Как это будет выглядеть, хорошо показано в первом фильме "Аватар", в сцене прибытия космического корабля на орбиту вокруг планеты Пандора - светящиеся красным большие "крылья" это и есть холодильники с температурой хладагента в несколько сот градусов Цельсия. Пока такие холодильники, десятки лет пути от одной звезды к другой эффективно работающие без поломок, это даже не фантастика, а что-то на уровне фентези.

До мощностей, позволяющих запитать ионные/плазменные двигатели межзвёздного корабля, путь неблизкий, но надо с чего-то начинать. В первой части упоминалась двигательная остановка на основе РИТЭГ крылатой ракеты "Буревестник", где надо обеспечить сброс почти полумегаватта излишней тепловой мощности.

При этом система охлаждения должна быть гораздо проще холодильника, предложенного на рендерах проекта "Зевс". Можно ли это обеспечить? Можно, если использовать принцип эквивалентности

Принцип эквивалентности сил гравитации и инерции — эвристический принцип, использованный Альбертом Эйнштейном при выводе общей теории относительности. Его краткая формулировка: гравитационная и инертная массы любого тела равны.

Все физические явления в гравитационном поле происходят совершенно так же, как и в соответствующем поле сил инерции, если напряжённости обоих полей в соответствующих точках пространства совпадают, а начальные условия одинаковы для всех тел замкнутой системы

Поле сил инерции для космического корабля обеспечить весьма просто. Для того надо "всего лишь" обеспечить равноускоренное движение. Что является побочным фактором непрерывной работы двигателей космического корабля.

Именно плазменные/ионные двигатели способны работать годами, обеспечивая небольшое, но постоянное ускорение. В этом случае для охлаждения РИТЭГ можно эффективно использовать тепловую трубу

Теплова́я тру́бка, теплова́я тру́ба, теплотру́бка (англ. heat pipe) — элемент системы теплообмена, принцип работы которого основан на том, что в закрытых трубках из теплопроводящего металла (например, меди) и других материалов находится легкокипящая жидкость. Перенос тепла происходит за счёт того, что жидкость испаряется на горячем конце трубки, поглощая теплоту испарения, и конденсируется на холодном, откуда перемещается обратно на горячий конец.

Повышению КПД охлаждения способствует эмуляция гравитации за счёт равноускоренного движения. Для этого нагреватель (часть испарения) надо разместить в нижней части тепловой трубы, относительно вектора движения, а охладитель (часть конденсации) в передней части.

РИТЭГ с фотовольтаическим преобразователем размещён в основании большой тепловой трубы, при старте с Земли сложенной, как телескопическая антенна. В сечении тепловая труба может быть не круглой, а фигурной, с формованными рёбрами-охладителями. Нужны фиксаторы тепловой трубы в раздвинутом состоянии, внутренние усилители жёсткости и вообще тепловая труба может раздвигаться наоборот - широкой частью вперёд.

Что за рабочее тело может быть использовано для переноса тепла от горячей части тепловой трубы к холодной? Самая обычная, но сверхчистая вода - H2О или D2O (тяжёлая вода для схемы с реактором). При старте с Земли вода полностью заполняет внутренний объём сложенной тепловой трубы, на НОО включается РИТЕГ на малую мощность, начинается парообразование, и сила пара раздвигает тепловую трубу в рабочее положение.

Ключевое требование - одновременно начинают работать плазменные двигатели, обеспечивая то самое поле сил инерции, осаживающее воду к РИТЭГ.

БЕЗ работы двигателей и равноускоренного движения такой охладитель работать не будет!

При этом над слоем кипящей воды в тепловой трубе образовывается "атмосфера" из водяного пара с давлением не выше атмосферного. Силы инерции обеспечивают падение капель конденсата в нижнюю часть тепловой трубы и цикл охлаждения повторяется.

Вода как охладитель удобна не только большой теплотой парообразования, но и возможностью использования какрабочего тела в ионном/плазменном двигателей. Сверхчистая вода электричества почти не приводит, обладает энергией ионизации 12,6 электрон-Вольт, что всего на 4% более энергии ионизации ксенона Xe равной 12,3 электрон-вольт, используемого сейчас как рабочее тело ионных/плазменных двигателей.

Фактически, в двигатели пойдёт не вода, а пар, возможно дополнительно нагретый в пароперегревателе.

Так же вода - одно из самых распространённых веществ в Солнечной системе и проблем с заправкой везде, кроме Венеры, не будет. Достаточно добыть воду с поверхности, очистить и поднять на орбиту. Да, на Меркурии то же есть лёд в полярной области. На Луне лёд есть везде в грунте, а в районе экватора даже в жидком виде на глубине в несколько сот метров.Ядерный буксир с модифицированным РД-0410 рабочее тело - аммиак.

Кроме воды и ксенона, есть ещё одно рабочее тело - аммиак, который можно использовать в ядерном двигателе, фактически являющемся модернизированным советским ядерным двигателем РД-0410, разработанным и испытанным ещё в 1970-х годах. Современные материалы позволяют улучшить тяговые и весовые параметры, что можно сделать в два этапа.

Первый этап – комбинированный низкотемпературный ЯРД

1. Концепция и преимущества

Ключевая идея: Гибридная двигательная установка, сочетающая:

Высокоэффективный ядерный двигатель на аммиаке (для межорбитального перелёта).

Ключевая конструктивная особенность - совмещение низкотемпературной каталитической секции разложения аммиака с системой внешнего охлаждения реактора, для предотвращения нагрева конструкций буксира.

Компромисс производительности: Решение ограничить температуру второй ступени 1200°C является консервативным для первого этапа.

Принципиальная схема двухступенчатого реактора

Каталитический разлагатель аммиака (1-я ступень):

Сырьё: Жидкий аммиак (NH).

Процесс: Аммиак подаётся в блок, окружающий реактор, заполненный катализатором (Ni, Fe). При температуре 400-600°C и давлении происходит гетерогенное каталитическое разложение:

2NH (ж.) + Кат. N (г.) + 3H (г.)

Преимущество: Эта реакция идёт с поглощением тепла (эндотермическая), но катализатор радикально снижает энергию активации. Мы получаем готовую газовую смесь с низкой молекулярной массой, не тратя колоссальную энергию на её нагрев до температур самостоятельного разложения (~1200°C).

Высокотемпературный нагреватель (2-я ступень):

Сырьё: Готовая смесь азота и водорода (в соотношении 1:3 по объёму).

Процесс: Эта смесь поступает в активную зону ядерного реактора, где нагревается до максимально возможной температуры (1200°C и выше).

Результат: на второй ступени нагревается не "тяжёлый" аммиак, а "лёгкая" водородно-азотная смесь. Это позволяет достичь рекордных для данного рабочего тела значений удельного импульса. Нагрев готовой лёгкой смеси позволяет выйти на значения Isp ~750-800 с, что всего на 10-15% ниже, чем у чистого водорода, но при этом мы используем гораздо более удобный в хранении аммиак.

Форсажную камеру на перекиси водорода (для стартового манёвра с НОО Земли).

Физика процесса:

· Каталитическое разложение перекиси: 2HO 2HO + O (Выделяется газообразный кислород).

· Подача аммиака в "форсажную" камеру: Аммиак предварительно разлагается в каталитическом блоке ЯРД на смесь N + 3H.

· Химическое горение в камере: Водород из основного потока смешивается с кислородом от перекиси и сгорает: 2H + O 2HO + Энергия.

Создание тяги: Образовавшаяся смесь перегретого водяного пара, азота и несгоревших компонентов истекает через сопло.

Преимущества:

· Надёжность: Каталитическое разложение перекиси водорода — простой и отработанный процесс.

· Эффективность: Сброс форсажной системы (бак+катализатор) после использования снижает массу буксира.

· Безопасность: Аммиак и перекись водорода стабильны при хранении.

2. Расчёт параметров

Исходные данные:

· Стартовая масса на НОО: 20 000 кг.

· Полезная нагрузка: 2 000 кг.

· Сухая масса ЯРД: 8 000 кг.