Time: 2021-11-09  韦克威科技

太空之眼之俄“宙斯”核动力太空拖船

2021年10月25日,在阿联酋迪拜第72届国际宇航大会上,俄罗斯国家航天集团首次在海外展示“宙斯”核动力太空拖船。这种太空拖船旨在增强航天器的变轨机动和宇宙航行能力,未来将成为空间站之间主要接驳载具,还可应用于深空探测,执行对木星等深度空间复杂军事和科学任务。俄罗斯计划于2030年进行“宙斯”国家飞行测试并将部署到高度为800千米的轨道。

58彩票随着人类利用太空的不断发展,研发可以长期在太空飞行且续航能力强的推进装置始终是各国所不懈追求的目标。自从冷战结束以来,俄罗斯太空技术发展较为缓慢,核动力太空拖船将是俄罗斯实现太空复兴战略唯一真正的机会。(一)发展历程20世纪60年代初,苏联航天核计划的第一批科学家凯尔迪什、科罗廖夫和库尔恰托夫院士提出了将核反应堆与火箭电动发动机相结合的构想。自1970年代以来,科罗廖夫能源火箭航天集团一直致力于制造轨道间太空拖船的核动力装置研发;1970年到1988年苏联先后将32架热电核动力航天器送入不同轨道;20世纪90年代末俄罗斯航天集团凯尔迪什研发中心在莫斯科“射线”科学生产联合公司的参与下重新启动空间核反应堆运输动力模块计划。2012年,在超级计算机上完成整个太空拖船系统建模和技术设计;2018年10月,凯尔迪什研发中心对核动力发动机装置的冷却系统进行了地面测试;2019年,俄航天集团测试运输动力模块组件并在莫斯科国际航空航天展上首次展示“太空拖船”模型。2020年9月3日,俄罗斯军火库设计局开始组装核动力拖船;在“军队-2020”论坛,俄公开其在太空工作三维图;作为太空拖船项目重要部分,2030年将在东方航天发射场建成并投入使用一个技术系统。在过去10年中,“宙斯”核动力太空拖船一直是俄罗斯太空计划中优先研发项目。

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(二)系统组成和技术性能“宙斯”太空拖船是目前世界上独有的空间项目,本质是为有效载荷提供能量供给的“核电站”。核太空拖船主要特点是模块化设计并可自行负载供电。从结构上讲,“宙斯”是具有开放式体系结构的运输动力模块。由高温核反应堆、电喷气发动机、发电机组、仪表设备舱、滴水冷却器桁架、备用太阳能电池、滴水冷却器、滴水辐射器发电机、伸缩桁架、辐射保护装置等主要装置共同构成核动力太空拖船8大系统:核反应堆系统、能量转换系统、电能转换系统、等离子体电火箭推进系统、排热系统、自动控制系统、辐射保护系统、拖船平台系统。运输能源模块的最高设计寿命为10~12年。

表1 “宙斯”主要技术性能

                     “宙斯”太空拖船

重量/kg

20290

工作状态外形尺寸/M

53.4×21.6×21.6

58彩票动力机组电流功率/ MW

1

电火箭推进装置速度/km/c

不小于70

电火箭推进装置功率/MW

不大于0.94

巡航电火箭推进装置总推力 /N

不小于18

寿命/年

10-12

运输工具

安加拉-A5

(三)工作原理“宙斯”核动力拖船的工作原理为电力推进系统加热和加速电离气体,通过形成产生推力的射流来形成推力,因此也被称为离子或等离子体发动机,具有极高的燃油效率,并且具有独特的比冲,从而简化了飞往月球或火星的飞行。核反应堆位于飞船艏部,通过反应堆容量为32~35千瓦的ID-500离子推进发动机和机动发动机工作加热到1600摄氏度温度并产生热量,借助循环运行的布莱顿涡轮机启动发电机,将机械能转化为电能。

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58彩票电能在4个直径为450毫米的大功率离子推力器中产生等离子体,从而使整个结构缓慢而长时间地加速,实现长时间从兆瓦级核反应堆自主产生能量,以及具有运输各种有效载荷的能力。反应堆将通过滴水式冷却器-辐射器进行冷却排热。

58彩票采用化学能的航天器的重要缺陷是续航时间短,携带燃料和有效载荷有限。相比较而言,采用核动力能源模块的航天器能获得的能量密度大,续航能力长,在太空运输、深空探测领域应用广泛,在军事领域蕴藏着巨大潜力。(一)太空运输“宙斯”太空拖船核反应堆模块功率将提升至500千瓦,不但能满足太空拖船在地球轨道与空间站之间的运行,还能助力月球基地建设,更有望执行深空探测任务。“宙斯”核动力拖船可以实现登月舱部署、货物轨道运输以及部署太空核电站所需能源等任务。(二)深空探测“宙斯”太空拖船的核心技术在于推进动力装置,其本质是太空“核电站”。采用化学推进器的运载火箭其本身所产生的推力不足以支持深空发展。由于“宙斯”兆瓦级核动力装置,太空拖船可实现从低地球轨道到近地轨道200天内运载10吨有效载荷,并可用作轨道站或着陆舱电源。“宙斯”不仅为航天器推进系统提供动力,还可为月球、火星、金星和小行星带的深空探测提供动力。

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(三)军事应用“宙斯”核太空拖船可长期在轨,具有天基持续监视能力,可为大型航天器的监视雷达和反卫星激光器提供持续动力,可有效解决预警探测和为导弹武器提供可靠目标指示问题。根据雷达的功率,“宙斯”可在2200~4300千米高度获取从飞机到洲际弹道导弹所有空天飞行目标的作战数据,成为空天防御梯次防空系统的组成部分。也可太空拖船平台上部署激光和电磁武器,也可作为空天全域太空作战指控平台,在空天作战方面具有较大的潜在能力。

58彩票“宙斯”核动力拖船是目前俄罗斯优先发展的太空项目,在技术发展上具有独到的创新性,飞行测试前仍需解决大量科学、技术和工艺问题。“宙斯”计划的发展,必将有力推进2020年3月签署的中俄月球基地建设计划和人类对太空的进一步探索。