Введение
Тип космической двигательной установки
Ядерная электрическая ракета (более точно – ядерная электрическая тяга) – это тип космической двигательной установки, в котором тепловая энергия ядерного реактора преобразуется в электрическую, используемую для работы ионного двигателя или другой электрической технологии космической тяги. Терминология "ядерная электрическая ракета" несколько непоследовательна, поскольку технически "ракетная" часть двигательной системы не является ядерной и может также приводиться в действие солнечными панелями. Это отличается от ядерной тепловой ракеты, которая напрямую использует тепло реактора для увеличения энергии рабочего тела, которое затем выбрасывается через ракетное сопло.
A nuclear electric rocket (more properly nuclear electric propulsion) is a type of spacecraft propulsion system where thermal energy from a nuclear reactor is converted to electrical energy, which is used to drive an ion thruster or other electrical spacecraft propulsion technology. The nuclear electric rocket terminology is slightly inconsistent, as technically the "rocket" part of the propulsion system is non nuclear and could also be driven by solar panels. This is in contrast with a nuclear thermal rocket, which directly uses reactor heat to add energy to a working fluid, which is then expelled out of a rocket nozzle.
Соединенные Штаты
В 1963 году Майрон Левой предложил гибридную ядерную электроракетную установку, которая могла бы работать как в режиме открытого цикла в качестве ядерного теплового двигателя на этапах миссии, требующих высокой тяги, так и в режиме замкнутого цикла в качестве ядерной электроракетной установки с низкой тягой, но высокой эффективностью на остальных этапах миссии. Предлагалось использовать эту установку для быстрой пилотируемой миссии на Марс. В 2001 году велась разработка безопасного и экономичного ядерного двигателя с протестированным ядерным источником тепла мощностью 30 кВт, который должен был привести к созданию теплового реактора мощностью 400 кВт с газотурбинным циклом Брайтона для выработки электроэнергии. Отвод отработанного тепла планировалось осуществлять с использованием маломассивной теплотрубной технологии. Безопасность должна была обеспечиваться надежной конструкцией. Проект "Прометей" представлял собой исследование НАСА в начале 2000-х годов, посвященное ядерным электрокосмическим аппаратам. Kilopower – новейшая программа разработки реакторов в НАСА, однако предназначена исключительно для использования на поверхности.
Реактор с газовой турбиной на каменистом слое
Возможным источником тепла является реактор с каменистым заполнением, использующий газообразный азот в качестве теплоносителя с высокой массовой скоростью при близких к нормальным атмосферным давлениям. Выработка электроэнергии может быть осуществлена с использованием газотурбинной технологии, которая хорошо развита. Ядерное топливо будет представлять собой высокообогащенный уран, заключенный в графитовые шары с низким содержанием бора, диаметром предположительно 5–10 см. Графит также будет замедлять нейтроны, образующиеся в ходе ядерной реакции. Реактор этого типа может быть спроектирован как принципиально безопасный. При нагревании графит расширяется, разделяя топливо и снижая критичность реактора. Это свойство позволяет упростить систему управления до одного клапана, регулирующего подачу на турбину. При закрытии клапана реактор нагревается, но вырабатывает меньше энергии. При открытии клапана реактор охлаждается, но становится более критичным и вырабатывает больше энергии. Графитовая оболочка упрощает загрузку топлива и обращение с отходами. Графит обладает высокой механической прочностью и устойчив к высоким температурам. Это снижает риск неконтролируемого выброса радиоактивных элементов, включая продукты деления. Поскольку реактор этого типа обеспечивает высокую мощность без использования массивных отливок для удержания высокого давления, он хорошо подходит для энергоснабжения космических аппаратов.
Новые концепции электрического привода
Для использования в высокомощных ядерных системах электрогенерации предложено множество технологий электрической тяги, включая VASIMR, DS4G и импульсный индуктивный двигатель (PIT). PIT и VASIMR уникальны в своей способности варьировать соотношение между потреблением энергии, удельным импульсом (показателем эффективности, см. статью «Удельный импульс») и тягой в полете. Дополнительным преимуществом PIT является отсутствие необходимости в стабилизированном электропитании.
Производство электроэнергии
Было предложено несколько схем преобразования тепла в электроэнергию. В ближайшей перспективе генераторы, работающие по циклам Рэнкина, Брейтона и Стирлинга, проходят промежуточную механическую стадию, что приводит к потерям энергии. Также были предложены более экзотические технологии: термоэлектрические (включая теплоэлектрическое преобразование на основе графена), пироэлектрические, термофотовольтаические, термоионные и магнитогидродинамические материалы.
Другие типы ядерных энергетических концепций в космосе
Радиоизотопные термоэлектрические генераторы, радиоизотопные нагревательные устройства, радиоизотопные пьезоэлектрические генераторы и радиоизотопная ракета используют тепло, выделяемое неподвижным радиоактивным источником (обычно плутонием-238), для получения небольшого количества электроэнергии или прямой тяги. Другие концепции включают ядерный тепловой ракетный двигатель, ракету на осколках деления, ядерный импульсный двигатель и возможность создания ракеты на термоядерной энергии, при условии разработки технологий ядерного синтеза в обозримом будущем.