Ученые НИУ "МЭИ" разработали новый тип системы охлаждения космических ядерных установок

Ученые НИУ "МЭИ" совместно со специалистами ГНЦ ФГУП "Центр Келдыша", Корпорации "Проект – техника" и Центра космических технологий МАИ разработали новый тип системы охлаждения космических ядерных установок.

Для пилотируемых космических полетов в пределах солнечной системы и на более дальние расстояния необходимы энергетические ядерные установки с мощностью от 100 кВт до 100 МВт и выше.  В процессе работы такие установки сильно нагреваются, и им требуется эффективная система охлаждения. Однако тепло можно отводить во внешнее космическое пространство только в виде излучения. Традиционный способ отвода тепла от космических аппаратов - выносимые во внешнюю часть корабля панельные радиаторы. Внутри радиаторов циркулирует жидкость-теплоноситель, в результате лишнее тепло излучается в космос.

МКС /globallookpress.com

С увеличением сбрасываемой тепловой мощности масса радиаторов быстро возрастает. Это связано как с увеличением поверхности радиатора, так и с необходимостью дополнительного бронирования радиатора (защита от метеоритного пробоя). Расчёты показывают, что для охлаждения до разумной температуры установки мощностью порядка 100 кВт, с учётом защиты от метеоритного пробоя, масса охлаждающих панельных радиаторов может составлять почти 60% от полезной нагрузки.

При мощностях 100 МВт и выше полезная нагрузка вообще может стать нулевой.

Выходом из этой тупиковой ситуации является новый тип космического теплообменника – капельный холодильник излучатель (КХИ).

В обобщённом виде схема работы радиационного капельного космического теплообменника выглядит следующим образом.

Проходя по внутреннему теплообменнику КХИ, теплоноситель проходит последовательно все системы космического аппарата и нагревается от них избыточным теплом. Затем теплоноситель при помощи насоса поступает в контур теплоотвода. Через выходную насадку генератора монодисперсных капель теплоноситель выбрасывается в космическое пространство в виде потока монодисперсных капель, так называемой капельной пелены. Двигаясь в пространстве, капельная пелена за счёт излучения отдаёт тепло, остывает и собирается в гидросборнике или  коллекторе капель.  Из коллектора остывший теплоноситель поступает во внутренний теплообменник, и весь  процесс повторяется.

Преимущества такой системы теплоотвода — простота конструкции, непосредственное излучение тепла в окружающее пространство и отсутствие громоздких металлических элементов.

В результате, можно значительно уменьшить массу системы теплоотвода и получить почти стопроцентную метеоритную защиту.

Решение предложено в рамках  реализации совместного Проекта группы предприятий, входящих в состав "Роскосмоса" и "Росатома", направленного на создание ядерной энергодвигательной установки мегаваттного класса.

Цель Проекта - повышение энерговооруженности космических аппаратов на орбите. Установка должна в десятки раз превзойти предшественников по мощности и экономической эффективности и решить ряд задач - например, сделать возможными дальние космические перелеты и удешевить стоимость доставки спутников на нужные орбиты.

В рамках Проекта для создания КХИ были объединены усилия ученых ГНЦ ФГУП "Центр Келдыша", Корпорации "Проект – техника" ГК Роскосмос, Центра космических технологий МАИ и НИУ "МЭИ".

Задачами первых трёх организаций являлось разработка элементов заборного устройства (гидросборника) и общей конструкционной модели КХИ.

Перед учеными кафедры низких температур НИУ "МЭИ" под руководством д.т.н., профессора Бухарова Александра Васильевича, представителя России в международном проекте PANDA Experiment, была поставлена задача - исследовать теплофизические проблемы получения стабильных капельных потоков, и на базе этих исследований изготовить и испытать экспериментальные образцы генераторов монодисперсных капель (ГК).


Результатом совместных работ стало успешное испытание экспериментального образца системы охлаждения ядерной энергодвигательной установки мегаваттного класса.

Фото: НПО Энергомаш