Планируется, что к концу этого десятилетия несколько космических агентств вернут астронавтов на Луну. Наряду с коммерческими и международными партнёрами эти усилия направлены на создание инфраструктуры, которая обеспечит «устойчивую программу исследования и освоения Луны». Среди них:
* программа NASA «Artemis»;
* Международная лунная исследовательская станция Китая (ILRS);
* проект «Лунная деревня» Европейского космического агентства (ESA).
Все эти проекты предполагают создание лунных баз в районе бассейна Южный полюс — Эйткен. Обеспечение этих баз энергией является сложной задачей из-за лунного цикла дня и ночи, который длится по две недели.
Исследование перспективных технологий
Для решения этой задачи исследуются несколько перспективных технологий, включая двигатели Стирлинга, которые могут использоваться в системах питания космических ядерных реакторов (SNRPS). Однако перед созданием функциональных прототипов необходимо учесть множество свойств и конструктивных особенностей.
В недавней статье, опубликованной в журнале «Nuclear Science and Techniques», группа китайских учёных создала аналитическую модель для оценки различных конструкций двигателей Стирлинга и определения наиболее перспективной. Их работа представляет метод анализа цикла Стирлинга, который более точно отражает реальное поведение двигателя в условиях эксплуатации.
Исследование профессора Шан-Донга Яна
Исследование проводилось под руководством профессора Шан-Донга Яна, специалиста по органической химии из Колледжа ядерных технологий и автоматизации (CNTAE) при Чэндуском технологическом университете. К нему присоединились коллеги из CNTAE и Лаборатории технологий проектирования реакторных систем в Институте ядерной энергетики Китая.
Двигатель Стирлинга — это система с замкнутым циклом регенеративного нагрева, в которой используется расширение и сжатие газов (подвергающихся воздействию различных температур) для преобразования тепловой энергии в механическую работу. Эти двигатели известны своей высокой эффективностью и универсальностью, что делает их идеальными кандидатами для передовых энергетических систем в условиях внеземной среды.
Однако прогнозирование их потенциальной производительности в таких условиях, как Луна и Марс, остаётся сложной задачей из-за отсутствия данных о реальных испытаниях. В настоящее время учёные вынуждены полагаться на теоретические модели, учитывающие термодинамику такой системы.
Усовершенствованная модель
В исследовании команда разработала упрощённую версию, которая объединяет термодинамические циклы и работу двигателя, учитывая различные факторы рассеяния энергии, включая потери тепла при транспортировке, утечки через уплотнения, сопротивление потоку и конечную скорость поршня.
Эти соображения имеют решающее значение при проектировании двигателей, которые могут функционировать и обеспечивать питание лунных и марсианских баз, а также других объектов, необходимых для работы и жизни за пределами Земли.
Как объяснил профессор Фонг в пресс-релизе EurekaAlert, «наша усовершенствованная модель даёт более чёткое представление о том, как различные параметры конструкции, такие как пористость регенератора и выбор рабочего тела, влияют на эффективность и выходную мощность двигателя Стирлинга. Этот прогресс обеспечивает критически важные справочные данные и поддержку для применения двигателей Стирлинга в передовых компактных энергетических системах».
Проверка модели
Прогностические возможности их модели также подтверждены на основе экспериментальных данных существующих двигателей Стирлинга, таких как GPU-3 и свободнопоршневой RE-1000. NASA разработала эти концепции в 1970-х годах для применения в будущих миссиях, которые будут опираться на достижения программы «Аполлон».
Следующим шагом для команды является использование этой модели для изучения динамических сценариев эксплуатации, таких как запуск двигателя и переходные процессы. Это исследование может привести к созданию прототипов, генерирующих электроэнергию для компактных ядерных реакторов, которые можно будет протестировать в имитируемых лунных и марсианских условиях.