СПОСОБ ЗАЩИТЫ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА С ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКОЙ ОТ НАВЕДЕННОЙ РАДИАЦИИ СОБСТВЕННОЙ ВНЕШНЕЙ АТМОСФЕРЫ Российский патент 2025 года по МПК B64G1/42 B64G1/54 G21D1/00 

Настоящее изобретение относится к космической технике и может быть использовано для создания средств радиационной безопасности космических аппаратов с ядерными энергетическими установками.

Использование ядерных энергетических установок (ЯЭУ) в перспективных космических аппаратах (КА) сопряжено с явлением переноса радиации в защищенную область забортного пространства, осуществляемого вследствие затекания активированной излучениями ядерного реактора энергоустановки среды собственной внешней атмосферы (СВА) в объем теневой радиационной защиты. Рассмотрение динамики перемещения активированной среды СВА от ядерного реактора энергоустановки, обтекая блок теневой радиационной защиты, к защищенным чувствительным элементам КА и обратно, позволяет сделать вывод о наличии повышенных скоростей такого движения. Высокие скорости движения атмосферной среды формируются вследствие, во-первых, больших градиентов параметров плазмы, образованных работающим ядерным реактором энергоустановки, и, во-вторых, разреженности среды. В качестве аналога может служить аномально большая скорость ветра, наблюдаемая в стратосфере Земли. Приближенные оценки показывают, что скорость продольного перемещения атмосферной среды может достигать (10…20) м/с. Это означает, что за одну минуту активированная среда, находящаяся в окружении ядерного реактора, несколько раз попадет в область приборного отсека КА, удаленного с помощью системы отодвижения ЯЭУ на (25…50) метров, и столько же раз возвратится обратно к реактору. Интегральный перенос активированных ядер веществ атмосферы в область, окружающую защищенную часть КА, с постоянно протекающими процессами ядерных расщеплений, приводит к появлению и воздействию на чувствительные устройства КА наведенной радиации повышенной интенсивности. Таким образом, наличие в забортном пространстве КА с ЯЭУ быстро перемещающейся СВА будет приводить к снижению эффективности функционирования элементов конструкции, особенно электронной аппаратуры, вследствие нейтрализации влияния блока радиационной защиты и устройства отодвижения ЯЭУ и, как следствие, к нарушению работоспособности всего КА.

Выполнить блок радиационной защиты, полностью окружающий поверхность ядерного реактора, как и отодвинуть ядерный реактор на очень большое расстояние не представляется возможным, ввиду неприемлемо больших массогабаритных характеристик таких систем.

Включение ядерного реактора энергоустановки в условиях наличия СВА, приводит к формированию турбулентных потоков, которые направлены относительно оси КА по спиралеобразной (вихревой) траектории. Перемещения в продольном направлении появляются вследствие разогрева функционирующим ядерным реактором забортной среды, формирования в ней интенсивных процессов ионизации атомов и активации ядер ингредиентов СВА, в свою очередь, порождающих выталкивающие градиенты параметров атмосферы из околореакторной области СВА, в удаленное от ядерного реактора забортное пространство. При отсутствии разделительного экрана эти явления обусловили бы перенос активированных излучениями реактора ядер веществ, входящих в состав атмосферы, и появление процесса наведенной радиации на корпус космического аппарата и навесные упругие элементы конструкции, находящиеся в области традиционной теневой радиационной защиты.

Поэтому для предотвращения продольного перемещения атмосферы с целью недопущения образования процесса наведенной радиации на размещенные в теневой радиационной защите чувствительные к радиации элементы следует использовать дополнительную систему радиационной безопасности, а именно:

- устанавливать разделительный экран, заряженный отталкивающим положительным потенциалом, препятствующим движению к области теневой радиационной защиты сильно активированной среды от ядерного реактора;

- использовать термоэмиссионные источники электронов, способствующие ликвидации электростатического притяжения селективно разделяющихся зарядов: отрицательного на корпусе КА, положительного в пространстве забортной среды, удерживающих друг друга силами кулоновских притяжений.

Известен способ защиты космического аппарата с ядерной энергетической установкой от наведенной радиации (см. патент РФ на изобретение №2693434 «Ядерная энергетическая установка космического аппарата», опубл. 02.07.2019 Бюл. №19), согласно которому создают преграду для циркуляции вокруг КА в продольном направлении активированных ядер и ионизированных частиц от ЯЭУ путем размещения положительно заряженного разделительного экрана между ЯЭУ и КА, и осуществляют нейтрализацию электростатического положительного заряда ионизированных излучением ЯЭУ частиц путем использования по меньшей мере одного термоэмиссионного источника электронов, установленного на разделительном экране с расположением диаграммы направленности излучения в направлении ЯЭУ. По технической сущности известный способ защиты КА с ЯЭУ от наведенной радиации является наиболее близким к заявляемому изобретению и поэтому принят за прототип.

Известный способ защиты КА с ЯЭУ от наведенной радиации не обеспечивает эффективную очистку забортного пространства КА от плотной СВА.

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение надежности радиационной защиты КА с ЯЭУ в условиях образования СВА, что решает задачу значительного повышения надежности, долговечности и эффективности целевого функционирования КА с ЯЭУ.

Получение технического результата обеспечивается тем, что в способе защиты космического аппарата с ядерной энергетической установкой от наведенной радиации собственной внешней атмосферы, заключающемся в создании преграды для циркуляции активированных ядер и ионизированных частиц от ядерной энергетической установки путем размещения положительно заряженного разделительного экрана между ядерной энергетической установкой и космическим аппаратом, и в осуществлении нейтрализации электростатического положительного заряда ионизированных излучением ядерной энергетической установки частиц путем использования по меньшей мере одного термоэмиссионного источника электронов, установленного на разделительном экране с расположением диаграммы направленности излучения в направлении ядерной энергетической установки, согласно заявляемому изобретению определяют мощность излучения наведенной радиации собственной внешней атмосферы в области около приборного отсека космического аппарата с помощью датчика интенсивности наведенной радиации, формируют управляющий сигнал и подают его на систему газовой продувки забортного пространства, состоящую по меньшей мере из одной пары установленных на разделительном экране соосно и ориентированных в противоположных направлениях сопел, присоединенных к баллону со сжатым газом, для включения этой системы при превышении мощности излучения уровня, соответствующего значению природного радиационного фона, и для выключения этой системы при снижении мощности излучения ниже значения природного радиационного фона.

Сущность изобретения поясняется следующими чертежами.

На фиг.1 показана схема структурно-функциональной модели КА с активированным ядерным реактором энергоустановки с элементами радиационной защиты целевых и служебных систем в условиях воздействия плазменной СВА, где

1 - рассеивающийся нейтрализованный газопылевой поток из околореакторной области интенсивной активации ядер веществ атмосферы; 2 -нейтрализованная плазменная среда в околореакторном пространстве СВА; 3,8-сопла системы газовой продувки забортного пространства; 4 - термоэмиссионный источник электронов; 5 - активная зона ядерного реактора; 6 - блок радиационной защиты; 7 - положительно заряженный разделительный экран; 9 - собственная внешняя атмосфера КА за блоком радиационной защиты; 10 - система отодвижения ядерного реактора; 11 - диаграмма направленности потока электронов из термоэмиссионного источника электронов; 12 - приборный отсек КА; 13 - рассеивающийся нейтрализованный газопылевой поток из области СВА за блоком радиационной защиты; 14 - наведенная радиация в область тени блока радиационной защиты; 15 - конус тени блока радиационной защиты; 16 - реакция деактивации (превращения) активированного ядра вещества СВА; 17 - датчик интенсивности наведенной радиации; 18, 19 - направление движения потоков СВА; 20 - нейтрализованная плазменная среда за блоком радиационной защиты.

На фиг.2 показана схема ионизационной камеры, используемой в качестве датчика интенсивности наведенной радиации.

Заявляемый способ защиты КА с ЯЭУ от наведенной радиации СВА реализуется следующим образом.

На фиг.1 обозначены основные электрические, химические и ядерные процессы, протекающие в забортной СВА и приводящие к ее организованному рассеянию в окружающем космическом пространстве с помощью функционирования системы радиационной защиты КА.

Области протекания активных ионизационных и ядерных процессов находятся в околореакторном пространстве и в отдалении от реактора под прямым облучением его радиации. Снопики коротких стрелок поз.16, исходящих из одной точки в разные стороны, символизируют процессы ядерных превращений (деактивации возбужденных ядер) и релаксации ионов (деионизации), сопровождающиеся корпускулярными и электромагнитными излучениями, представляющими наведенную радиацию.

Короткие широкие стрелки поз.19 обозначают направления потоков газопылевой среды атмосферы КА, организуемые функционированием устройств дополнительной радиационной защиты: нейтрализацией плазменной среды вследствие инжекции в нее термоэлектронов и рассасыванием космическим вакуумом или, при необходимости, организацией продувки забортного пространства с помощью системы газовой продувки.

Короткие широкие стрелки черного цвета поз.14 изображают потоки активированной, а значит радиационно-опасной среды СВА, затекающие в область теневой радиационной защиты, в которой находятся чувствительные к радиации системы КА.

Сопряженные кружки с указанием электрических зарядов: положительных (+) и отрицательных (-) символизируют процессы деионизации плазменной среды, имеющей положительный пространственный заряд (восстановление нейтральных атомов) при инжекции в плазму электронов.

Ядерный реактор энергоустановки располагается на оконечности конструкции КА и имеют конструктивную связь с блоком радиационной защиты 6, создающем в радиационном поле ядерного реактора «теневую» область 15 с ослабленной до допустимого уровня плотностью излучения.

Анализ динамических процессов перемешивания (барботажа) плазменной среды забортного пространства, которые представляют собой форму существования плазмы в условиях воздействий ионизирующих излучений (в данном случае: излучений ядерного реактора, солнечных и галактических излучений), особенно при наличии неизотропного ионизирующего облучения среды, показал неизбежное интенсивное перетекание активированных потоков среды СВА из области, находящейся под прямым облучением ядерного реактора, в область, защищенную традиционными способами. Поэтому в целях препятствия движению к области теневой радиационной защиты сильно активированной среды от ядерного реактора между ЯЭУ и КА устанавливают разделительный экран 7, заряженный положительным потенциалом и отталкивающий газоплазменную среду 5, активированную излучениями работающего ядерного реактора, от КА. При этом среда во всех областях СВА (поз.2 и 9 на фиг.1) непрерывно нейтрализуется с помощью термоэмиссионных источников электронов 4, нейтрализующих положительный объемный заряд атмосферы, а также отрицательный заряд на корпусе КА, и ликвидирующих препятствующие рассеянию кулоновские притяжения между ними. На разделительном экране 7 устанавливают термоэмиссионные источники 4 с расположением диаграммы направленности излучения в направлении ядерного реактора энергоустановки, они, как правило, функционируют на основе плазмы электрического разряда в полом катоде, инициируемом электронами, эмитируемыми термоэмиссионным катодом.

Для очистки всего забортного пространства от радиоактивной СВА космический аппарат оснащают пневматическими устройствами, обеспечивающими его продувку потоками сжатого газа, например, азота. Система газовой продувки забортного пространства состоит из одной или нескольких пар установленных на разделительном экране 7 соосно и ориентированных в противоположных направлениях сопел (поз.3 и 8 на фиг.1), присоединенных к баллону со сжатым газом. Причем одни из сопел ориентированы в направлении ядерного реактора, а соответственно, другие - должны компенсировать создаваемые тяговые возмущения движения КА.

На корпусе приборного отсека КА 12, размещенного в конусе тени блока радиационной защиты 15, устанавливают датчики интенсивности наведенной радиации 17, выполненные, например, в виде ионизационных камер.

Ионизационные камеры предназначены для контроля мощности излучения наведенной радиации СВА в защищенной от прямого излучения ядерного реактора области забортного пространства (области теневой радиационной защиты). Они используются в системе автоматического управления (САУ) (на чертеже не показано) в канале обратной корректирующей связи регулирования режимов работы средств дополнительной радиационной защиты КА с ядерным реактором. Передача команд от бортовой ЭВМ к САУ и от САУ к бортовой ЭВМ обеспечивается с помощью программно-логического устройства (на чертеже не показано).

При достижении критического значения мощности наведенного излучения в теневой области радиационной защиты, регистрируемого двумя ионизационными камерами, дублирующими друг друга, формируется управляющий электрический сигнал на включение системы газовой продувки забортного пространства КА с помощью сопел 3 и 8 (см. фиг.1). Продувка обеспечивает устранение активированной среды СВА в окружениях ядерного реактора и приборного отсека КА. Следующее за этим снижение значения тока управления, генерируемого ионизационной камерой, до уровня, соответствующего допустимому уровню радиации (значение природного радиационного фона), вырабатывается сигнал на отключение расходной газовой системы продувки. После этого функционирует только безрасходная система радиационной защиты, базирующаяся на рассеянии СВА в окружающем космическом пространстве при использовании разделяющего атмосферу экрана 7, находящимся под положительным потенциалом, и одновременной нейтрализацией СВА с помощью термоэмиссионных источников электронов 4.

Используемая в заявленном изобретении ионизационная камера выполнена следующим образом (см. фиг.2):

Ионизационная камера 1 разделена на две герметичные полости: А -рабочую, Б - проверочную. В рабочей части А расположены положительные (+) и отрицательные (-) пластины 2, которые соединены с неподвижными контактами 3 в проверочной полости Б ионизационной камеры. В полости А находится газ (например, гелий) под давлением. В проверочной полости Б находится подвижный контакт 4, установленный через изолятор на сильфоне, соединенном с рабочей полостью А. Функционирование ионизационной камеры основано на физическом процессе плазмообразования вследствие ионизации нейтральной газовой среды, заполняющей рабочую полость камеры, излучениями, наведенными активированной функционирующим ядерным реактором СВА. Плазма (ионизированный газ) является проводником электрического тока, поэтому между заряженными пластинами 2 появляется электрический ток, величина которого прямо пропорциональна степени ионизации газа наполнения, то есть мощности наведенного радиационного излучения. В заводских условиях, после изготовления ионизационных камер, осуществляется их тарировка.

При проверке ионизационных камер в полость Б через штуцер 5 подают воздух под давлением. При некотором превышении давления воздуха в полости Б над давлением рабочего газа в полости А подвижные контакты 4 «соединяют» неподвижные контакты 3, имитируя короткое замыкание положительных (+) и отрицательных (-) пластин ионизационной камеры. Появление тока через микроамперметр 6, установленный в цепи пластин, свидетельствует о целостности электрических цепей ионизационных камер, а по давлению, при котором зафиксирован ток, проверяется давление рабочего газа в межэлектродном зазоре.

Таким образом, использование указанных средств радиационной защиты КА с ЯЭУ позволит минимизировать массовые характеристики космического аппарата и значительно повысить эффективность функционирования при экономном расходовании продувочного газа.

Использование настоящего изобретения в перспективных разработках КА с ЯЭУ обеспечит повышение их надежности и долговечности.

Изобретение относится к космической технике, а именно к защите космического аппарата с ядерной энергетической установкой от наведенной радиации собственной внешней атмосферы. Для этого создают и устанавливают положительно заряженный экран между установкой и аппаратом, а также используют термоэмиссионный источник электронов для нейтрализации заряженных частиц. Мощность радиации измеряется датчиком. При превышении фонового уровня включается система газовой продувки с соплами на экране, подключенными к баллону со сжатым газом. При снижении радиации ниже природного фонового уровня система отключается. Таким образом достигается повышение надежности, долговечности и эффективности космического аппарата с ядерной энергетической установкой. 2 ил.

Способ защиты космического аппарата с ядерной энергетической установкой от наведенной радиации собственной внешней атмосферы, заключающийся в создании преграды для циркуляции активированных ядер и ионизированных частиц от ядерной энергетической установки путем размещения положительно заряженного разделительного экрана между ядерной энергетической установкой и космическим аппаратом и в осуществлении нейтрализации электростатического положительного заряда ионизированных излучением ядерной энергетической установки частиц путем использования по меньшей мере одного термоэмиссионного источника электронов, установленного на разделительном экране с расположением диаграммы направленности излучения в направлении ядерной энергетической установки, отличающийся тем, что определяют мощность излучения наведенной радиации собственной внешней атмосферы в области около приборного отсека космического аппарата с помощью датчика интенсивности наведенной радиации, формируют управляющий сигнал и подают его на систему газовой продувки забортного пространства, состоящую по меньшей мере из одной пары установленных на разделительном экране соосно и ориентированных в противоположных направлениях сопел, присоединенных к баллону со сжатым газом, для включения этой системы при превышении мощности излучения уровня, соответствующего значению природного радиационного фона, и для выключения этой системы при снижении мощности излучения ниже значения природного радиационного фона.