Tout sur le remorqueur spatial nucléaire Zeus (presque…)

Le principe du remorqueur nucléaire. A droite les moteurs électriques (ioniques) un peu plus à gauche la centrale nucléaire elle-même, puis le turbo-générateur-compresseur. En haut le système de refroidissement à gaz. Plus à gauche, l'échangeur secondaire avec, tout à gauche les éléments radiatifs. En bas le transformateur.

Le sujet le plus intrigant de la cosmonautique mondiale est peut-être la création d'un vaisseau spatial avec une centrale nucléaire. Compact, fiable et durable, il est capable de révolutionner l'exploration spatiale et de faire des vols relativement rapides vers des planètes lointaines une réalité.

Nous reproduisons ici un article paru dans "Roussky Kosmos" sous la plume d'Igor Afanasyev

La Russie est le seul pays au monde à avoir de l'expérience dans la création et l'exploitation réussie de réacteurs nucléaires dans l'espace. Ces développements ont été obtenus lors du lancement des satellites US-A et de l'appareil scientifique et technologique expérimental Plasma-A dans les années 1960-1980.

Le niveau des technologies critiques accumulées au fil des décennies a permis de passer à un nouveau niveau. Les travaux sur la création d'un module de transport et d'énergie (TEM) basé sur une centrale nucléaire de classe mégawatt ont été lancés en 2009. La recherche de rupture est devenue l'une des initiatives les plus importantes de Roscosmos et Rosatom.

En général, l'apparence de l'appareil en cours de création a été déterminée dans le cadre de la conception préliminaire en 2012. Compte tenu des technologies et du financement disponibles, jusqu'en octobre 2018, des tests du prototype au sol de l'installation à l'aide de simulateurs thermiques d'un réacteur nucléaire ont été achevés avec succès. Pour la partie fusée et espace, une documentation de conception a été élaborée, un certain nombre de composants du prototype ont été testés de manière autonome et dans le cadre de la coopération, notamment un système de conversion d'énergie, des turbogénérateurs, des échangeurs de chaleur, des moyens d'évacuation de la chaleur de faible intensité dans l'espace et moteurs de fusées électriques.

Pas d'alternative

En effet, le centre d'intérêt de la cosmonautique mondiale s'est récemment déplacé de plus en plus activement vers l'étude des corps célestes situés à une distance considérable de la Terre. Il y a suffisamment de motifs pour de telles recherches : c'est la recherche de traces de vie, et l'étude des problèmes d'extraction des ressources, et une tentative de découvrir, à l'aide d'exemples d'autres planètes, ce qui nous attend, terriens, dans le futur.

L'énergie nucléaire peut devenir la « clé d'or » des voyages longue distance : elle permet d'obtenir le maximum d'énergie avec le minimum de carburant. L'utilisation de systèmes constitués d'une source d'énergie nucléaire et de moteurs de fusées électriques ouvre des possibilités fondamentalement nouvelles pour les vols inter-orbitaux et interplanétaires.

Nous ne parlons pas de remplacer les sources d'électricité traditionnelles - chimiques et solaires. Mais à partir du niveau de puissance générée de 500 kW et plus, les centrales nucléaires reçoivent un gain significatif en poids, dimensions et capacités. Il devient possible d'utiliser des moteurs de fusées électriques comme moteurs de marche. Et pour les missions au-delà de l'orbite de Jupiter, l'énergie nucléaire et les moteurs de fusées électriques sont tout simplement incontestés. Le temps de vol sera plusieurs fois moindre que lors de l'utilisation d'étages supérieurs avec des moteurs chimiques et des lanceurs super lourds.

De plus, l'essence de la question n'est pas seulement de voler. Il est nécessaire d'assurer le fonctionnement des équipements scientifiques et de l'énergie pour la transmission des données vers la Terre. Seulement dans ce cas la mission aura un sens !

Ici, il faut comprendre que les "appétits" des lanceurs en termes de puissance électrique augmentent environ deux fois tous les cinq ans. Dans l'absolu, la demande s'exprime déjà en dizaines de kilowatts. Dans cette "course", les panneaux solaires ressemblent à des étrangers - après tout, leur surface ne peut pas croître indéfiniment.

Un système spatial construit sur la technologie nucléaire permettra beaucoup plus de puissance électrique par rapport aux structures utilisant l'énergie solaire. De tels modules peuvent être utilisés pour transporter des satellites lourds de l'orbite terrestre basse à l'orbite géostationnaire, fournir du fret aux stations orbitales lunaires, livrer des équipements pour des expéditions habitées vers Mars et assurer des vols de sondes automatiques multifonctionnelles complexes visitant plusieurs planètes simultanément.

Du kilowatt au mégawatt

Fin décembre 2020, le patron de Roscosmos, Dmitri Rogozine, a annoncé que le module de transport et d'énergie s'appellerait Zeus.

Les principaux éléments de l'installation nucléaire orbitale :

• Conception déployable - éléments de puissance, ou, plus simplement, un cadre qui vous permet d'éloigner le réacteur nucléaire de la charge utile à une distance mesurée en dizaines de mètres;
• réacteur compact à haute température refroidi par gaz ;
• système de conversion d'énergie thermique en énergie électrique;
• radiateurs-émetteurs pour évacuer la chaleur excédentaire dans l'espace;
• système de propulsion en marche basé sur un bloc de moteurs-fusées électriques. Les moteurs ioniques d'une puissance allant jusqu'à plusieurs dizaines de kilowatts et d'une impulsion spécifique de plus de 7000 secondes sont considérés comme les principaux.

Avec une puissance électrique de 1 MW à bord du véhicule, le système de propulsion électrique fournira une poussée jusqu'à 20 N. C'est largement suffisant pour une accélération efficace d'objets de plusieurs tonnes dans l'espace.

Selon la mission spatiale, la charge utile peut être différente. La masse et les dimensions des éléments de base doivent garantir leur placement dans les ogives spatiales des lanceurs russes de la classe Angara-A5 et au-dessus.

Dans une large gamme

Il est intéressant de noter que le concept du système de transport n'a pas changé au fil des années de conception, mais les résultats ont permis de conclure qu'il est opportun de créer des systèmes de propulsion nucléaire de différents niveaux de puissance.

Par exemple, si vous devez effectuer une sorte de transport interplanétaire de charges lourdes, qui nécessite beaucoup d'énergie, le système aura une capacité de 1 mégawatt et plus. Si la mission est moins énergivore, alors un appareil qui produit plusieurs centaines de kilowatts fera l'affaire.

La science des matériaux et les solutions technologiques obtenues aideront à créer des systèmes de propulsion de puissance avec une large gamme de puissance et de complexité. En particulier, le 25 janvier 2022, le concepteur général de RSC Energia, Vladimir Solovyov, a annoncé que la Russie développait un remorqueur nucléaire spatial d'une capacité allant jusqu'à 6 MW.

A la frontière lointaine

Actuellement, le schéma suivant du fonctionnement de l'appareil est en cours d'élaboration. A la veille de la mission interplanétaire, le module est entièrement assemblé et testé sur Terre. Ensuite, il - avec des éléments repliables repliés de manière compacte sous la coiffe du lanceur et avec le réacteur nucléaire éteint - est lancé sur une orbite sans rayonnement à une altitude de plus de 800 km. De cette hauteur, le module n'est pas capable de tomber sur Terre de lui-même pendant des centaines d'années. Ici, ses éléments sont disposés et prennent une position de travail. Après vérification, le réacteur nucléaire est allumé et une réaction en chaîne contrôlée est déclenchée.

Dans une orbite à l'abri des rayonnements, en s'arrimant à un module de charge utile avec un équipement scientifique et une alimentation en fluide de travail, un complexe orbital est formé pour effectuer les tâches de la mission. De plus, sous l'action de la poussée des moteurs-fusées électriques, la trajectoire de vol du complexe orbital prend la forme d'une spirale qui se déroule. En atteignant la deuxième vitesse cosmique, le complexe quitte l'espace proche de la Terre et tombe sur une trajectoire donnée. Si nécessaire, l'accélération se poursuit. Dans ce cas, la charge utile est alimentée en électricité par le module.

La ressource estimée d'une centrale nucléaire est de dix ans. Au cours de cette période, le module est capable d'accomplir plusieurs missions, retournant en orbite terrestre basse pour s'amarrer avec la prochaine charge utile et faire le plein avec le fluide de travail pour les moteurs de fusées électriques.

Une fois la ressource épuisée, l'appareil reste sur des orbites sans rayonnement autour de la Terre ou est envoyé dans l'espace lointain.

Chemins inconnus

Il est possible de mettre en œuvre le remorqueur nucléaire Zeus dans le matériel d'ici six à sept ans, et les essais en vol pourraient commencer à la fin de cette décennie, lorsque le complexe spatial Nuklon, qui comprend l'infrastructure spatiale au sol et les lanceurs nécessaires, sera être entièrement prêt à fonctionner. En mai de l'année dernière, Alexandre Bloshenko a annoncé que le premier échantillon de l'installation nucléaire orbitale Zeus serait prêt d'ici 2030.

Si nous nous appuyons sur les missiles existants, nous ne pouvons parler sérieusement que de l'Angara-A5. Et puis avec son aide, il est possible de lancer un système de puissance pas la plus élevée dans l'espace en raison des restrictions sur les dimensions des radiateurs. Lorsqu'une fusée super lourde apparaîtra, elle peut être utilisée pour lancer une installation mégawatt et plus en orbite.

Le principal problème, dont la solution peut être longue, est la confirmation de la ressource (durée de vie) et de la fiabilité, la preuve qu'un remorqueur nucléaire peut fonctionner aussi longtemps qu'il le faut. Si le matériel peut être fabriqué assez rapidement, il faudra plusieurs années pour le tester. Il est tout à fait possible de réaliser de tels tests sur des stands uniques créés dans notre pays.

L'utilisation des techniques numériques, qui permettent de simuler le fonctionnement d'une centrale nucléaire dans une large gamme, s'annonce également très prometteuse. La modélisation numérique permet de capter de telles combinaisons de paramètres donnés dans lesquelles l'opérabilité du système n'est pas assurée. L'avantage ici est évident : vous ne pouvez pas laisser les bancs fonctionner pendant des années - c'est long et coûteux, vous devez utiliser quelque chose de plus moderne, compact et parfait.

Extraire la chaleur

L'un des principaux problèmes à résoudre est l'élimination de la chaleur excédentaire, dite à faible potentiel. Dans l'espace, cela ne peut se faire que par rayonnement. Dans le même temps, la question de la taille de l'émetteur (radiateur) devient critique lorsque, lors de la génération de centaines et de milliers de kilowatts d'électricité, il est nécessaire de déverser d'énormes flux de chaleur. Pour cela, il faut soit augmenter la température et réduire la taille de l'émetteur, soit au contraire, à température modérée, augmenter sa taille. Hélas, dans ce dernier cas, l'émetteur occupe des surfaces gigantesques - presque la taille d'un terrain de football. La méthode optimale de dégagement de chaleur radiative n'a pas encore été choisie.

Considérant que le module de transport et d'énergie doit fonctionner dans l'espace pendant de nombreuses années voire des décennies, la question de la durée de vie des systèmes mécaniques était fondamentale, compte tenu du frottement des pièces. Il était difficile d'atteindre la durée de vie requise pour des roulements. En conséquence, ils ont préféré l'option des supports sans contact (en particulier gazeux et magnétiques), qui excluent le contact avec les surfaces métalliques.

Le principe de fonctionnement de "ZEUS"

- Le caloporteur - gaz - est pompé à travers le réacteur, dans lequel, sous l'action de la désintégration des noyaux atomiques, de la chaleur est libérée.

- Le gaz réchauffé fait tourner une turbine reliée à un générateur qui génère de l'électricité et à un compresseur qui fait circuler le fluide caloporteur en circuit fermé.

- Pour évacuer la chaleur restante après avoir quitté la turbine, le liquide de refroidissement est pompé à travers les échangeurs de chaleur et le liquide de refroidissement secondaire est introduit dans les radiateurs-radiateurs.

Les principaux consommateurs d'énergie sont la charge utile et les moteurs de fusées électriques, qui, en termes de consommation spécifique de fluide de travail, sont plus de vingt fois plus économiques que les analogues chimiques.

Terminologie utile

Le module transport et énergie  (TEM) est le nom de la centrale nucléaire, donné au démarrage du projet en 2009.

"Remorqueur nucléaire"  - c'est ainsi que les passionnés de l'espace et les médias ont surnommé le vaisseau spatial créé sur la base du module de transport et d'énergie.

"Zeus"  - un tel nom de l'appareil, donné en l'honneur de l'ancien dieu grec du ciel, du tonnerre et de la foudre, en décembre 2020, selon le chef de Roscosmos Dmitry Rogozine.

"Nuklon"  est la désignation du complexe spatial qui, en plus du module de transport lui-même, comprend l'infrastructure spatiale au sol et les lanceurs nécessaires.

Où en sont le sautres pays?

La recherche sur l'énergie nucléaire spatiale et les systèmes de propulsion s'est poursuivie aux États-Unis jusqu'au début des années 1970, mais n'a pas conduit à la création de systèmes exploitables. Ils ont repris dans les années 2010, bien qu'à une échelle beaucoup plus réduite.

La NASA a mis au banc d'essai un prototype de centrale électrique Kilopower pour un fonctionnement à la surface de la Lune et de Mars, et la DARPA (US Department of Defense Advanced Research Projects Agency) a préparé un projet de fusée de démonstration pour des opérations sur l'orbite de la Lune DRACO, équipé d'un moteur-fusée nucléaire thermique.

Les deux systèmes sont bien en deçà du niveau de développement du projet russe : Kilopower a 20 à 100 fois moins d'énergie électrique, et DRACO fait référence à un moteur-fusée nucléaire à statoréacteur, qui est beaucoup moins efficace que les systèmes de propulsion de puissance utilisés dans l'appareil russe.

Du haut podium

Le président russe Vladimir Poutine lors d'une réunion sur le développement de l'industrie spatiale (29 septembre 2021) : "Au cours des dernières années, nous avons fait des progrès significatifs dans le développement de technologies uniques pour l'énergie nucléaire spatiale. Selon les experts, la Russie dans ce domaine est en avance sur tous nos concurrents, en avance sur le monde entier de six à sept ans. C'est un très bon début, et nous devons utiliser cet avantage, soutenir la recherche scientifique de pointe dans le domaine de l'astronautique et accélérer la mise en œuvre pratique de solutions technologiques prometteuses."

Sources et crédits d'illustration: Roussky Kosmos et Roscosmos

Le schéma du coeur de la centrale nucléaire du TEM.

Un montage expérimental du système.

Le turbo-compresseur-générateur du TEM.

Les moteurs-fusée électriques ID-200 et ID-500 en essai.

Une image d'artiste de Zeus sans la charge utile (lancée indépendemment) qui sera arrimée dans l'espace sur une orbite au-delà de 800 km. Tout doit tenir sous une coiffe. La structure doit donc être déployable.