Công nghệ hạt nhân cho không gian
Trình diễn máy phát điện SNAP 3 cho lãnh đạo Hoa Kỳ, 1959. Ảnh của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ
Ngay trong giai đoạn đầu của sự phát triển của ngành công nghiệp tên lửa và vũ trụ, những đề xuất đầu tiên về việc sử dụng các công nghệ hạt nhân khác nhau đã xuất hiện. Nhiều công nghệ và đơn vị khác nhau đã được đề xuất và nghiên cứu, nhưng chỉ một số trong số chúng đạt được hoạt động thực tế. Trong tương lai, các giải pháp mới về cơ bản dự kiến sẽ được giới thiệu.
Đầu tiên trong không gian
Năm 1954, máy phát nhiệt điện đồng vị phóng xạ đầu tiên (RTG hoặc RTG) được tạo ra ở Hoa Kỳ. Nguyên tố chính của RTG là một đồng vị phóng xạ phân hủy tự nhiên khi giải phóng năng lượng nhiệt. Với sự trợ giúp của nhiệt độ, năng lượng nhiệt được chuyển đổi thành năng lượng điện, được cấp cho người tiêu dùng.
Ưu điểm chính của RTG là khả năng hoạt động lâu dài với các đặc tính ổn định và không cần bảo trì. Thời gian tồn tại được xác định bởi chu kỳ bán rã của đồng vị đã chọn. Đồng thời, một máy phát điện như vậy được đặc trưng bởi hiệu suất và công suất đầu ra thấp, và cũng cần được bảo vệ sinh học và các biện pháp an toàn thích hợp. Tuy nhiên, RTG đã được ứng dụng trong một số lĩnh vực có yêu cầu đặc biệt.
Chuẩn bị cho việc phóng vệ tinh Tansit 4A với RTG SNAP 3B. Ảnh của NASA
Năm 1961, một RTG kiểu SNAP 3B được tạo ra ở Hoa Kỳ với 96 g plutonium-238 trong một viên nang. Cùng năm, vệ tinh Transit 4A, được trang bị một máy phát điện như vậy, đã đi vào quỹ đạo. Nó trở thành tàu vũ trụ đầu tiên trên quỹ đạo Trái đất sử dụng năng lượng của sự phân rã hạt nhân. Năm 1965, Liên Xô phóng vệ tinh Kosmos-84, thiết bị đầu tiên của họ với Orion-1 RTG sử dụng polonium-210.
Trong tương lai, hai siêu cường tích cực sử dụng RTG trong việc tạo ra công nghệ vũ trụ cho nhiều mục đích khác nhau. Ví dụ, một số tàu lượn trong những thập kỷ gần đây nhận được điện chính xác từ sự phân hủy của các nguyên tố phóng xạ. Tương tự, nguồn điện được cung cấp cho các sứ mệnh di chuyển khỏi Mặt trời.
Sơ đồ của động cơ NERVA. Ảnh của NASA
Trong hơn nửa thế kỷ, RTG đã chứng minh khả năng của mình trong một số lĩnh vực, bao gồm. trong ngành công nghiệp vũ trụ, mặc dù chúng vẫn là một công cụ chuyên biệt cho các nhiệm vụ riêng lẻ. Tuy nhiên, ngay cả trong vai trò này, máy phát đồng vị phóng xạ cũng góp phần vào sự phát triển của ngành công nghiệp, nghiên cứu, v.v.
Tên lửa hạt nhân
Ngay sau khi khởi động các chương trình không gian, các quốc gia hàng đầu đã bắt tay vào vấn đề chế tạo động cơ tên lửa hạt nhân. Các kiến trúc khác nhau đã được đề xuất với các nguyên tắc hoạt động khác nhau và các lợi ích khác nhau. Ví dụ, trong dự án Orion của Mỹ, một tàu vũ trụ đã được đề xuất sử dụng sóng xung kích của đầu đạn hạt nhân năng suất thấp để tăng tốc. Cũng đã làm ra các thiết kế của một hình thức quen thuộc hơn.
Vào những năm XNUMX và XNUMX, NASA và các tổ chức liên quan đã phát triển động cơ NERVA (Động cơ hạt nhân cho ứng dụng xe tên lửa). Thành phần chính của nó là một lò phản ứng hạt nhân chu trình mở. Chất lỏng hoạt động ở dạng hydro lỏng được cho là được đốt nóng từ lò phản ứng và phun ra qua một vòi phun, tạo ra lực đẩy. Động cơ hạt nhân loại này có đặc điểm thiết kế vượt trội hơn so với các hệ thống nhiên liệu hóa học truyền thống, mặc dù nó nguy hiểm hơn khi vận hành.
Động cơ RD-0410. Ảnh KBHA
Dự án NERVA đã được đưa đến thử nghiệm các thành phần khác nhau và toàn bộ cụm lắp đặt. Trong các thử nghiệm, động cơ đã được bật 28 lần và hoạt động trong gần 2 giờ. không có vấn đề đáng kể. Tuy nhiên, dự án đã không được phát triển thêm. Vào đầu những năm XNUMX và XNUMX, chương trình vũ trụ của Mỹ bị giảm sút nghiêm trọng, và động cơ NERVA bị bỏ rơi.
Trong cùng thời kỳ, công việc tương tự cũng được thực hiện ở Liên Xô. Một dự án đầy hứa hẹn đã đề xuất việc sử dụng động cơ có lò phản ứng làm nóng chất lỏng hoạt động ở dạng hydro lỏng. Vào đầu những năm sáu mươi, một lò phản ứng cho một động cơ như vậy đã được tạo ra, và công việc sau đó bắt đầu trên các đơn vị còn lại. Trong một thời gian dài, việc thử nghiệm và thử nghiệm các thiết bị khác nhau vẫn tiếp tục.
Sự xuất hiện được đề xuất của hệ thống Prometheus trong cấu hình cho chuyến bay tới Sao Mộc. Ảnh của NASA
Vào những năm bảy mươi, động cơ RD-0410 đã hoàn thiện đã vượt qua một loạt các thử nghiệm cháy và xác nhận các đặc điểm chính. Tuy nhiên, dự án không được phát triển thêm do độ phức tạp và rủi ro cao. Ngành công nghiệp tên lửa và vũ trụ trong nước tiếp tục sử dụng động cơ "hóa học".
Tàu kéo không gian
Trong quá trình nghiên cứu và thiết kế ở Hoa Kỳ và ở nước ta, họ đã đưa ra kết luận rằng việc sử dụng động cơ kiểu NERVA hoặc RD-0410 là không phù hợp. Năm 2003, NASA bắt đầu làm việc trên một kiến trúc tàu vũ trụ mới về cơ bản với một nhà máy điện hạt nhân. Dự án được đặt tên là Prometheus.
Ý tưởng mới đề xuất việc chế tạo một tàu vũ trụ với một lò phản ứng chính thức trên tàu để tạo ra điện, cũng như với một động cơ phản lực ion. Một thiết bị như vậy có thể ứng dụng trong các nhiệm vụ nghiên cứu tầm xa. Tuy nhiên, việc phát triển Prometheus hóa ra lại rất tốn kém và kết quả chỉ được mong đợi trong tương lai xa. Năm 2005, dự án bị đóng cửa do không có triển vọng.
Phiên bản đầu tiên của phức hợp TEM. Đồ họa RSC Energia
Năm 2009, sự phát triển của một sản phẩm tương tự bắt đầu ở Nga. "Mô-đun vận chuyển và năng lượng" (TEM) hoặc "tàu kéo không gian" sẽ nhận được một nhà máy điện hạt nhân cấp megawatt, cùng với một động cơ ion ID-500. Con tàu được đề xuất lắp ráp trên quỹ đạo Trái đất và được sử dụng để vận chuyển các trọng tải khác nhau, tăng tốc các tàu vũ trụ khác, v.v.
Dự án TEM rất phức tạp, ảnh hưởng đến chi phí và thời hạn của nó. Ngoài ra, có rất nhiều vấn đề về tổ chức. Tuy nhiên, vào giữa những năm thứ mười, các thành phần riêng lẻ của TEM đã được đưa vào thử nghiệm. Công việc vẫn tiếp tục và trong tương lai có thể dẫn đến sự xuất hiện của một "tàu kéo không gian" thực sự. Việc xây dựng một bộ máy như vậy được lên kế hoạch cho nửa sau của những năm hai mươi; vận hành thử - vào năm 2030
Trong trường hợp không gặp khó khăn nghiêm trọng và việc triển khai kịp thời mọi kế hoạch, TEM có thể trở thành sản phẩm đẳng cấp đầu tiên trên thế giới được đưa vào hoạt động. Đồng thời, có một biên độ thời gian nhất định, đồng thời loại trừ khả năng xuất hiện kịp thời của các đối thủ cạnh tranh.
Phiên bản muộn của TEM. Đồ họa Roscosmos
Quan điểm và hạn chế
Công nghệ hạt nhân rất được quan tâm đối với ngành công nghiệp tên lửa và vũ trụ. Trước hết, các nhà máy điện thuộc các lớp khác nhau có thể hữu ích. RTGs đã được tìm thấy ứng dụng và cố định vững chắc ở một số khu vực. Các lò phản ứng hạt nhân chính thức vẫn chưa được sử dụng do kích thước và trọng lượng lớn của chúng, nhưng đã có những phát triển trên các tàu có thiết bị như vậy.
Trong vài thập kỷ, các cường quốc vũ trụ và hạt nhân hàng đầu đã nghiên cứu và thử nghiệm trên thực tế một số ý tưởng ban đầu, xác định khả năng tồn tại của chúng và tìm ra các lĩnh vực ứng dụng chính. Những quá trình như vậy vẫn đang diễn ra và có lẽ sẽ sớm thu được những kết quả mới có tính chất thiết thực.
Cần lưu ý rằng các công nghệ hạt nhân không được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp vũ trụ, và tình hình này khó có thể thay đổi. Đồng thời, chúng hóa ra hữu ích và đầy hứa hẹn trong một số lĩnh vực và dự án nhất định. Và chính trong những ngóc ngách này, tiềm năng sẵn có đã được hiện thực hóa.
tin tức