Ядрени ракетни двигатели и ядрени ракетни електрозадвижващи системи. Новото супероръжие на Русия: какво е ядрен ракетен двигател

Идеята за хвърляне на атомни бомби назад се оказа твърде брутална, но количеството енергия, което дава реакцията на ядрено делене, да не говорим за синтез, е изключително привлекателно за астронавтиката. Поради това бяха създадени много неимпулсни системи, свободни от проблемите със съхранението на стотици ядрени бомбибордови и циклопски амортисьори. За тях ще говорим днес.

Ядрена физика на една ръка разстояние

НЕРВА

История на проекта

Дизайн

Водородът от резервоара влезе в реактора, загря се там и беше изхвърлен навън, създавайки реактивна тяга. Водородът е избран като работен флуид, защото има леки атоми и е по-лесно да ги диспергира до висока скорост. Колкото по-голяма е скоростта на изпускателната струя, толкова по-ефективен е ракетният двигател.
Неутронният рефлектор беше използван, за да се гарантира, че неутроните се връщат обратно в реактора, за да се поддържа ядрената верижна реакция.
За управление на реактора са използвани контролни пръти. Всеки такъв прът се състоеше от две половини - рефлектор и абсорбатор на неутрони. Когато прътът беше завъртян от неутронен рефлектор, техният поток в реактора се увеличи и реакторът увеличи преноса на топлина. Когато прътът беше завъртян от абсорбера на неутрони, техният поток в реактора намаля и реакторът намали преноса на топлина.
Водородът също се използва за охлаждане на дюзата, а топъл водород от системата за охлаждане на дюзата завърта турбопомпата, за да достави повече водород.

Двигателя е на работа. Водородът се запалва специално на изхода на дюзата, за да се избегне опасността от експлозия, няма да има изгаряне в космоса.

Двигателят NERVA произведе 34 тона тяга, около един и половина пъти по-малка от двигателя J-2, който задвижваше втората и третата степен на ракетата Saturn-V. Специфичният импулс беше 800-900 секунди, което беше два пъти повече от най-добрите кислородно-водородни двигатели, но по-малко от двигателя ERE или Orion.

Малко за сигурността

РД-0410

Съветският двигател РД-0410 има подобна история. Идеята за двигателя се ражда в края на 40-те години сред пионерите на ракетната и ядрената технология. Както и в проекта Rover, първоначалната идея беше ядрен въздушно-дишащ двигател за първия етап. балистична ракета, след което развитието се премести в космическата индустрия. RD-0410 беше разработен по-бавно, местните разработчици бяха увлечени от идеята за NRE в газова фаза (това ще бъде обсъдено по-долу). Проектът стартира през 1966 г. и продължава до средата на 80-те години. Целта на двигателя беше мисията "Марс-94" - пилотиран полет до Марс през 1994 г.
Схемата RD-0410 е подобна на NERVA - водородът преминава през дюзата и рефлекторите, охлажда ги, подава се в активната зона на реактора, нагрява се там и се изхвърля.
Според характеристиките си RD-0410 беше по-добър от NERVA - температурата на активната зона на реактора беше 3000 K вместо 2000 K за NERVA, а специфичният импулс надвишаваше 900 s. RD-0410 беше по-лек и по-компактен от NERVA и разви десет пъти по-малка тяга.

Тестване на двигателя. Страничната факла долу вляво запалва водорода, за да избегне експлозия.

Разработване на твърдофазни NRE

Солен двигател с ядрено гориво

Идеята е предложена през 1991 г. от Робърт Зубрин и според различни оценки обещава специфичен импулс от 1300 до 6700 s с тонове тяга. За съжаление тази схема има и недостатъци:

• Трудност при съхранението на гориво - трябва да се избегне верижна реакция в резервоара, като горивото се постави например в тънки тръби от неутронен абсорбатор, така че резервоарите ще бъдат сложни, тежки и скъпи.


• Голяма консумация на ядрено гориво - факт е, че ефективността на реакцията (брой разпаднали / брой изразходвани атоми) ще бъде много ниска. Дори в атомна бомба делящият се материал не "изгаря" напълно; незабавно по-голямата част от ценното ядрено гориво ще бъде изхвърлено.


• Наземните тестове са практически невъзможни - отработените газове на такъв двигател ще бъдат много мръсни, дори по-мръсни от Орион.


• Има някои въпроси относно управлението на ядрена реакция - не е факт, че схема, която е проста в словесното описание, ще бъде лесна за техническа реализация.

Газова фаза YRD

Газофазният YARD обещава специфичен импулс до 3000-5000 секунди. В СССР беше стартиран проект на газова фаза YARD (RD-600), но той дори не достигна етапа на макета.
„Отворен цикъл“ означава, че ядреното гориво ще бъде изхвърлено, което, разбира се, намалява ефективността. Затова се роди следната идея, която диалектически се върна към твърдофазните ЯРМ - нека оградим зоната на ядрена реакция с достатъчно топлоустойчиво вещество, което да пропуска излъчената топлина. Кварцът е предложен като такова вещество, защото при десетки хиляди градуси топлината се пренася чрез радиация и материалът на контейнера трябва да е прозрачен. Резултатът беше газова фаза YARD на затворен цикъл или "ядрена крушка":

В този случай ограничението за температурата на сърцевината ще бъде термичната якост на обвивката на "крушката". Температурата на топене на кварца е 1700 градуса по Целзий, при активно охлаждане температурата може да се повиши, но във всеки случай специфичният импулс ще бъде по-нисък от отворената верига (1300-1500 s), но ядреното гориво ще се изразходва по-икономично , и ауспухът ще бъде по-чист.

Алтернативни проекти

Двигател за делящи се фрагменти

Още по-интересна идея е да се създаде прахова плазма (спомнете си за МКС) от делящи се материали, в която продуктите на разпадане на наночастиците от ядрено гориво са йонизирани електрическо полеи изхвърлен, създавайки тяга:

Те обещават фантастичен специфичен импулс от 1 000 000 секунди. Ентусиазмът се охлажда от факта, че разработката е на ниво теоретично изследване.

Двигатели за ядрен синтез

Ядрена фотонна ракета

радиоизотопна ракета

Заключение

Източници на информация

Сергеев Алексей, 9 "А" клас MOU "Средно училище № 84"

Научен консултант: , Заместник-директор на партньорството с нестопанска цел за научни и иновационни дейности "Томски атомен център"

Ръководител: , учител по физика, MOU "Средно училище № 84" ЗАТО Северск

Въведение

Системите за задвижване на борда на космически кораб са проектирани да генерират тяга или импулс. Според вида на тягата, използвана от задвижващата система, те се разделят на химически (CRD) и нехимически (NCRD). HRD се делят на течни (LRE), твърдо гориво (RDTT) и комбинирани (KRD). От своя страна системите за нехимическо задвижване се разделят на ядрени (NRE) и електрически (EP). Великият учен Константин Едуардович Циолковски преди век създава първия модел на задвижваща система, работеща с твърди и течни горива. След това през втората половина на 20-ти век са извършени хиляди полети, използващи главно LRE и ракетни двигатели с твърдо гориво.

Понастоящем обаче за полети до други планети, да не говорим за звездите, използването на ракетни двигатели с течно гориво и ракетни двигатели с твърдо гориво става все по-нерентабилно, въпреки че са разработени много ракетни двигатели. Най-вероятно възможностите на LRE и ракетните двигатели с твърдо гориво са напълно изчерпани. Причината тук е, че специфичният импулс на всички химически ракетни двигатели е нисък и не надвишава 5000 m/s, което изисква продължителна работа на задвижващата система и съответно големи запаси от гориво за развиване на достатъчно високи скорости, или както е обичайно в астронавтиката, големи стойности на числото на Циолковски, т.е. съотношението на масата на заредена с гориво ракета към масата на празна. Така RN Energia, която извежда 100 тона полезен товар в ниска орбита, има стартова маса от около 3000 тона, което дава на числото на Циолковски стойност от порядъка на 30.

За полет до Марс, например, числото на Циолковски трябва да бъде още по-високо, достигайки стойности от 30 до 50. Лесно е да се изчисли, че с полезен товар от около 1000 тона, а именно минималната маса, необходима за осигуряване на всичко необходимо за екипажа, който тръгва към Марс, като се вземе предвид запасът от гориво за обратния полет до Земята, първоначалната маса на космическия кораб трябва да бъде най-малко 30 000 тона, което очевидно надхвърля нивото на развитие на съвременната астронавтика, основана на използването на течност ракетни двигатели с горива и ракетни двигатели с твърдо гориво.

По този начин, за да могат пилотираните екипажи да достигнат дори до най-близките планети, е необходимо да се разработят ракети-носители с двигатели, работещи на принципи, различни от химическото задвижване. Най-обещаващи в това отношение са електрореактивните двигатели (ЕР), термохимичните ракетни двигатели и ядрените реактивни двигатели (НЖ).

1.Основни понятия

Ракетният двигател е реактивен двигател, който не използва околната среда (въздух, вода) за работа. Най-широко използваните химически ракетни двигатели. Разработват се и се изпитват и други видове ракетни двигатели – електрически, ядрени и др. На космически станциии апарати, широко се използват и най-простите ракетни двигатели, работещи със сгъстен газ. Те обикновено използват азот като работна течност. /1/

Класификация на задвижващите системи

2. Предназначение на ракетните двигатели

Според предназначението си ракетните двигатели се делят на няколко основни типа: ускорителни (пускови), спирачни, опорни, управляващи и други. Ракетните двигатели се използват главно на ракети (оттук и името). В допълнение, ракетните двигатели понякога се използват в авиацията. Ракетните двигатели са основните двигатели в космонавтиката.

Военните (бойни) ракети обикновено имат двигатели с твърдо гориво. Това се дължи на факта, че такъв двигател се зарежда с гориво в завода и не изисква поддръжка за целия период на съхранение и обслужване на самата ракета. Двигателите с твърдо гориво често се използват като ускорители за космически ракети. Особено широко в това си качество те се използват в САЩ, Франция, Япония и Китай.

Ракетните двигатели с течно гориво имат по-високи характеристики на тяга от тези с твърдо гориво. Поради това те се използват за изстрелване на космически ракети в орбита около Земята и при междупланетни полети. Основните течни горива за ракети са керосин, хептан (диметилхидразин) и течен водород. За такива горива е необходим окислител (кислород). Като окислител в такива двигатели се използват азотна киселина и втечнен кислород. Азотната киселина е по-ниска от втечнения кислород по отношение на окислителните свойства, но не изисква специална поддръжка. температурен режимпри съхранение, презареждане и използване на ракети

Двигателите за космически полети се различават от земните по това, че те, с възможно най-малка маса и обем, трябва да произвеждат възможно най-голяма мощност. Освен това те са обект на такива изисквания като изключително висока ефективност и надеждност, значително време на работа. Според вида на използваната енергия задвижващите системи на космически кораби се разделят на четири вида: термохимични, ядрени, електрически, слънчеви. Всеки от тези видове има своите предимства и недостатъци и може да се използва при определени условия.

В момента космически кораби, орбитални станции и безпилотни спътници на Земята се изстрелват в космоса с ракети, оборудвани с мощни термохимични двигатели. Има и миниатюрни двигатели с ниска тяга. Това е умалено копие на мощни двигатели. Някои от тях могат да се поберат в дланта ви. Силата на тягата на такива двигатели е много малка, но е достатъчна, за да контролира позицията на кораба в космоса.

3. Термохимични ракетни двигатели.

Известно е, че в двигателя с вътрешно горене, пещта на парния котел - навсякъде, където се извършва горенето, атмосферният кислород взема най-активно участие. В открития космос няма въздух, а за работата на ракетните двигатели в открития космос са необходими два компонента - гориво и окислител.

В течните термохимични ракетни двигатели като гориво се използват алкохол, керосин, бензин, анилин, хидразин, диметилхидразин, течен водород. Като окислител се използват течен кислород, водороден прекис, азотна киселина. Възможно е течният флуор да се използва като окислител в бъдеще, когато бъдат измислени методи за съхранение и използване на такъв активен химикал.

Горивото и окислителят за реактивни двигатели с течно гориво се съхраняват отделно, в специални резервоари и се изпомпват в горивната камера. Когато се комбинират в горивната камера, се развива температура до 3000 - 4500 ° C.

Продуктите от горенето, разширявайки се, придобиват скорост от 2500 до 4500 m/s. Започвайки от корпуса на двигателя, те създават реактивна тяга. В същото време, колкото по-голяма е масата и скоростта на изтичане на газове, толкова по-голяма е силата на тягата на двигателя.

Обичайно е специфичната тяга на двигателите да се оценява по количеството тяга, създадена от единица маса гориво, изгорено за една секунда. Тази стойност се нарича специфичен импулс на ракетния двигател и се измерва в секунди (kg тяга / kg изгорено гориво за секунда). Най-добрите ракетни двигатели с твърдо гориво имат специфичен импулс до 190 s, т.е. 1 kg гориво, изгарящо за една секунда, създава тяга от 190 kg. Водородно-кислородният ракетен двигател има специфичен импулс 350 s. Теоретично, водородно-флуорен двигател може да развие специфичен импулс от повече от 400 s.

Често използваната схема за ракетен двигател с течно гориво работи по следния начин. Сгъстеният газ създава необходимото налягане в резервоарите с криогенно гориво, за да се предотврати появата на газови мехурчета в тръбопроводите. Помпите доставят гориво на ракетните двигатели. Горивото се впръсква в горивната камера през голям бройдюзи. Освен това през дюзите в горивната камера се впръсква окислител.

Във всяка кола по време на изгарянето на гориво се образуват големи топлинни потоци, които загряват стените на двигателя. Ако не охладите стените на камерата, тя бързо ще изгори, независимо от какъв материал е направена. Реактивният двигател с течно гориво обикновено се охлажда с един от компонентите на горивото. За тази цел камерата е двустенна. Компонентът на студеното гориво тече в пролуката между стените.

Алуминий" href="/text/category/aluminij/" rel="bookmark">алуминий и др. Особено като добавка към конвенционалните горива, като водород-кислород. Такива "тройни състави" са в състояние да осигурят възможно най-висока скорост за изтичане на химически горива - до 5 km / s. Но това е практически границата на ресурсите на химията. Тя практически не може да направи повече. Въпреки че предложеното описание все още е доминирано от течни ракетни двигатели, трябва да се каже, че първите в историята на човечеството е създадена термохимичен ракетен двигател на твърдо гориво - Ракетен двигател с твърдо гориво Горивото - например специален барут - се намира директно в горивната камера Горивна камера с реактивна дюза, пълна с твърдо гориво - това е цялото дизайн Режимът на изгаряне на твърдо гориво зависи от предназначението на ракетния двигател с твърдо гориво (стартов, маршируващ или комбиниран).За ракетите с твърдо гориво, използвани във военните дела, е характерно наличието на стартови и носещи двигатели. стартери първоначалното му ускорение. Маршовият ракетен двигател с твърдо гориво е проектиран да поддържа постоянна скорост на полета на ракетата в основния (крейсерски) участък от траекторията на полета. Разликите между тях са главно в конструкцията на горивната камера и профила на горивната повърхност на горивния заряд, които определят скоростта на изгаряне на горивото, от която зависи времето на работа и тягата на двигателя. За разлика от такива ракети, космическите ракети-носители за изстрелване на спътници на Земята, орбитални станциии космическите кораби, както и междупланетните станции, работят само в режим на изстрелване от изстрелването на ракета до изстрелването на обект в орбита около Земята или на междупланетна траектория. Като цяло ракетните двигатели с твърдо гориво нямат много предимства пред двигателите с течно гориво: те са лесни за производство, могат да се съхраняват дълго време, винаги са готови за действие и са относително взривобезопасни. Но по отношение на специфичната тяга двигателите с твърдо гориво са с 10-30% по-ниски от течните.

4. Електрически ракетни двигатели

Почти всички ракетни двигатели, обсъдени по-горе, развиват огромна тяга и са проектирани да поставят космически кораби в орбита около Земята и да ги ускоряват до космически скорости за междупланетни полети. Това е съвсем различен въпрос - задвижващи системи за космически кораби, които вече са изведени в орбита или на междупланетна траектория. Тук като правило са необходими двигатели с ниска мощност (няколко киловата или дори вата), способни да работят стотици и хиляди часове и да се включват и изключват многократно. Те ви позволяват да поддържате полет в орбита или по дадена траектория, компенсирайки съпротивлението на полета, създадено от горната атмосфера и слънчевия вятър. В електрическите ракетни двигатели работният флуид се ускорява до определена скорост чрез нагряване с електрическа енергия. Електричеството идва от слънчеви панели или атомна електроцентрала. Методите за нагряване на работната течност са различни, но в действителност се използва главно електрическа дъга. Той се оказа много надежден и издържа на голям брой включвания. Водородът се използва като работна течност в електродъговите двигатели. С помощта на електрическа дъга водородът се нагрява до много висока температура и се превръща в плазма - електрически неутрална смес от положителни йони и електрони. Скоростта на изтичане на плазмата от тласкача достига 20 km/s. Когато учените решат проблема с магнитната изолация на плазмата от стените на камерата на двигателя, тогава ще бъде възможно значително да се повиши температурата на плазмата и да се доведе скоростта на изтичане до 100 km/s. Първият електрически ракетен двигател е разработен в Съветския съюз през годините. под ръководството (по-късно той става създател на двигатели за съветски космически ракети и академик) в известната газодинамична лаборатория (GDL). / 10 /

5.Други видове двигатели

Съществуват и по-екзотични проекти на ядрени ракетни двигатели, в които делящият се материал е в течно, газообразно или дори плазмено състояние, но реализацията на такива конструкции при сегашното ниво на технологиите и технологиите е нереалистично. Има, докато са на теоретичен или лабораторен етап, следните проекти на ракетни двигатели

Импулсни ядрени ракетни двигатели, използващи енергията от експлозии на малки ядрени заряди;

Термоядрени ракетни двигатели, които могат да използват изотоп на водорода като гориво. Енергийната ефективност на водорода при такава реакция е 6,8*1011 kJ/kg, тоест приблизително с два порядъка по-висока от производителността на реакциите на ядрено делене;

Слънчеви платноходни двигатели - които използват налягането на слънчевата светлина (слънчев вятър), чието съществуване е експериментално доказано от руски физик през 1899 г. Чрез изчисления учените са установили, че устройство с тегло 1 тон, оборудвано с платно с диаметър 500 м, може да лети от Земята до Марс за около 300 дни. Ефективността на слънчевото платно обаче намалява бързо с разстоянието от Слънцето.

6. Ядрени ракетни двигатели

Един от основните недостатъци на ракетните двигатели с течно гориво е свързан с ограничена скорост изтичане на газове. В ядрените ракетни двигатели изглежда възможно да се използва колосалната енергия, отделяна при разлагането на ядреното "гориво", за нагряване на работното вещество. Принципът на действие на ядрените ракетни двигатели е почти същият като принципа на работа на термохимичните двигатели. Разликата се състои в това, че работната течност се нагрява не поради собствената си химическа енергия, а поради "чуждата" енергия, освободена по време на вътрешноядрената реакция. Работната течност преминава през ядрен реактор, в който протича реакцията на делене на атомните ядра (например на уран), като в същото време се нагрява. Ядрените ракетни двигатели премахват необходимостта от окислител и следователно може да се използва само една течност. Като работна течност е препоръчително да се използват вещества, които позволяват на двигателя да развие голяма теглителна сила. Най-пълно на това условие отговаря водородът, следван от амоняка, хидразина и водата. Процесите, при които се освобождава ядрена енергия, се разделят на радиоактивни трансформации, реакции на делене на тежки ядра и реакции на синтез на леки ядра. Радиоизотопните трансформации се осъществяват в така наречените изотопни източници на енергия. Специфичната масова енергия (енергията, която вещество с тегло 1 kg може да освободи) на изкуствените радиоактивни изотопи е много по-висока от тази на химическите горива. Така за 210Ро той е равен на 5*10 8 KJ/kg, докато за най-енергийно ефективното химическо гориво (берилий с кислород) тази стойност не надвишава 3*10 4 KJ/kg. За съжаление все още не е рационално да се използват такива двигатели на космически ракети-носители. Причината за това е високата цена на изотопното вещество и трудността на работа. В крайна сметка изотопът освобождава енергия постоянно, дори когато се транспортира в специален контейнер и когато ракетата е паркирана на старта. Ядрените реактори използват по-енергийно ефективно гориво. Така специфичната масова енергия на 235U (делящият се изотоп на урана) е 6,75 * 10 9 kJ / kg, т.е. приблизително с порядък по-висока от тази на изотопа 210Ро. Тези двигатели могат да се "включват" и "изключват", ядреното гориво (233U, 235U, 238U, 239Pu) е много по-евтино от изотопа. В такива двигатели като работна течност може да се използва не само вода, но и по-ефективни работни вещества - алкохол, амоняк, течен водород. Специфичната тяга на двигател с течен водород е 900 s. В най-простата схема на ядрен ракетен двигател с реактор, работещ с твърдо ядрено гориво, работната течност се поставя в резервоар. Помпата го доставя в камерата на двигателя. Разпръсква се с помощта на дюзи, работният флуид влиза в контакт с отделящото топлина ядрено гориво, загрява се, разширява се и се изхвърля навън през дюзата с висока скорост. По енергийни запаси ядреното гориво превъзхожда всеки друг вид гориво. Тогава възниква естествен въпрос - защо инсталациите на това гориво все още имат сравнително малка специфична тяга и голяма маса? Факт е, че специфичната тяга на твърдофазния ядрен ракетен двигател е ограничена от температурата на делящия се материал, а електроцентралата излъчва силно йонизиращо лъчение по време на работа, което има вредно въздействие върху живите организми. Биологичната защита срещу такова лъчение е от голямо значение и не е приложима за космически кораби. Практическото разработване на ядрени ракетни двигатели, използващи твърдо ядрено гориво, започва в средата на 50-те години в Съветския съюз и Съединените щати, почти едновременно с изграждането на първите атомни електроцентрали. Работата е извършена в атмосфера на висока секретност, но е известно, че такива ракетни двигатели все още не са получили реално приложение в космонавтиката. Досега всичко беше ограничено до използването на изотопни източници на електроенергия с относително ниска мощност на безпилотни изкуствени спътници на Земята, междупланетни космически кораби и световноизвестния съветски „луноход“.

7. Ядрени реактивни двигатели, принцип на действие, методи за получаване на импулс в ядрен ракетен двигател.

NRE получиха името си поради факта, че създават тяга чрез използването на ядрена енергия, тоест енергията, която се освобождава в резултат на ядрени реакции. В общ смисъл тези реакции означават всякакви промени в енергийното състояние на атомните ядра, както и превръщането на едни ядра в други, свързани с пренареждане на структурата на ядрата или промяна в броя на елементарните частици, съдържащи се в тях - нуклони. Освен това, както е известно, ядрените реакции могат да възникнат или спонтанно (т.е. спонтанно), или изкуствено предизвикани, например, когато едни ядра са бомбардирани от други (или от елементарни частици). Ядрените реакции на делене и синтез по отношение на енергията надвишават химичните реакции съответно милиони и десетки милиони пъти. Това се обяснява с факта, че енергията на химичната връзка на атомите в молекулите е многократно по-малка от енергията на ядрената връзка на нуклоните в ядрото. Ядрената енергия в ракетните двигатели може да се използва по два начина:

1. Освободената енергия се използва за нагряване на работната течност, която след това се разширява в дюзата, точно както в конвенционален ракетен двигател.

2. Ядрената енергия се преобразува в електрическа и след това се използва за йонизиране и ускоряване на частици от работния флуид.

3. И накрая, импулсът се създава от самите продукти на делене, образувани в процеса, например огнеупорни метали - волфрам, молибден) се използват за придаване на специални свойства на делящи се вещества.

Горивните елементи на твърдофазния реактор са пробити с канали, през които тече работният флуид на NRE, като постепенно се нагрява. Каналите са с диаметър около 1-3 mm, а общата им площ е 20-30% от напречното сечение на ядрото. Ядрото е окачено от специална решетка вътре в захранващия корпус, така че да може да се разширява, когато реакторът се нагрява (в противен случай ще се срути поради термични напрежения).

Ядрото изпитва високи механични натоварвания, свързани с действието на значителни спадове на хидравлично налягане (до няколко десетки атмосфери) от протичащия работен флуид, топлинни напрежения и вибрации. Увеличаването на размера на активната зона при нагряване на реактора достига няколко сантиметра. Активната зона и рефлекторът са поставени в силен захранващ корпус, който възприема налягането на работния флуид и тягата, създавана от струйната дюза. Калъфът се затваря със здрав капак. В него са разположени пневматични, пружинни или електрически механизми за задвижване на регулаторните органи, точки за закрепване на НРЕ към космическия кораб, фланци за свързване на НРЕ с захранващите тръбопроводи на работния флуид. На капака може да се постави и турбопомпено устройство.

8 - Дюза,

9 - Разширяваща се дюза,

10 - Избор на работно вещество към турбината,

11 - Силов корпус,

12 - Контролен барабан

13 - Изпускателна система на турбината (използва се за контрол на позицията и увеличаване на тягата),

14 - Пръстен задвижва контролни барабани)

В началото на 1957 г. е определена окончателната посока на работата на лабораторията в Лос Аламос и е взето решение за изграждане на графитен ядрен реактор с ураново гориво, диспергирано в графит. Създаденият в тази посока реактор Kiwi-A е тестван през 1959 г. на 1 юли.

Американски твърдофазен ядрен реактивен двигател XE Primeна тестов стенд (1968)

В допълнение към изграждането на реактора, лабораторията в Лос Аламос беше в разгара си по изграждането на специален тестов полигон в Невада, а също така изпълни редица специални поръчки от ВВС на САЩ в свързани области (разработване на отделни TNRE единици). От името на лабораторията в Лос Аламос всички специални поръчки за производството на отделни компоненти бяха извършени от фирмите: Aerojet General, подразделението Rocketdyne на North American Aviation. През лятото на 1958 г. целият контрол върху изпълнението на програмата Rover премина от ВВС на САЩ към новоорганизираните Национална администрацияпо аеронавтика и космос (НАСА). В резултат на специално споразумение между AEC и НАСА в средата на лятото на 1960 г. се формира Службата за космически ядрени двигатели под ръководството на Г. Фингер, която в бъдеще ръководи програмата Rover.

Резултатите от шест „горещи изпитания“ на ядрени реактивни двигатели бяха много обнадеждаващи и в началото на 1961 г. беше изготвен доклад за полетните изпитания на реактора (RJFT). След това, в средата на 1961 г., стартира проектът "Нерва" (използване на ядрен двигател за космически ракети). Aerojet General е избран за главен изпълнител, а Westinghouse за подизпълнител, отговорен за изграждането на реактора.

10.2 Работа на TNRD в Русия

Американски" href="/text/category/amerikanetc/" rel="bookmark">Американските руски учени използваха най-икономичните и ефективни тестове на отделни горивни елементи в изследователски реактори. Салют", Конструкторско бюро за химическа автоматизация, IAE, NIKIET и НПО "Луч" (ПНИТИ) за разработване на различни проекти за космически ядрени ракетни двигатели и хибридни ядрени електроцентрали. Луч, МАИ) са създадени ДВОР РД 0411и ядрен двигател с минимални размери RD 0410тяга съответно 40 и 3,6 тона.

В резултат на това бяха произведени реактор, „студен“ двигател и прототип на стенд за тестване на газообразен водород. За разлика от американския, със специфичен импулс не повече от 8250 m / s, съветският TNRE, поради използването на по-топлоустойчиви и модерни горивни елементи и висока температура в активната зона, имаше този показател равен на 9100 m / s и по-високи. Стендовата база за тестване на ТНРД на съвместната експедиция на НПО „Луч“ се намираше на 50 км югозападно от град Семипалатинск-21. Започва работа през 1962 г. В годините пълномащабни горивни елементи на прототипи на NRE бяха тествани на тестовата площадка. В същото време отработените газове навлязоха в затворената емисионна система. Стендовият комплекс за пълномащабни изпитания на ядрени двигатели "Байкал-1" се намира на 65 км южно от град Семипалатинск-21. От 1970 до 1988 г. са извършени около 30 "горещи пуска" на реактори. В същото време мощността не надвишава 230 MW при скорост на потока на водорода до 16,5 kg / s и температурата му на изхода на реактора от 3100 K. Всички изстрелвания бяха успешни, безаварийни и според плана.

Съветски TYARD RD-0410 - единственият работещ и надежден индустриален ядрен ракетен двигател в света

В момента подобна работа на депото е спряна, въпреки че оборудването се поддържа в относително изправно състояние. Стендовата база на NPO Luch е единственият експериментален комплекс в света, където е възможно да се тестват елементи от NRE реактори без значителни финансови и времеви разходи. Възможно е възобновяването в САЩ на работата по TNRE за полети до Луната и Марс като част от програмата Space Research Initiative с планираното участие на специалисти от Русия и Казахстан да доведе до възобновяване на дейността на Семипалатинск. база и осъществяването на "марсианската" експедиция през 2020 г.

Основни характеристики

Специфичен импулс на водород: 910 - 980 сек(теор. до 1000 сек).

· Скорост на изтичане на работно тяло (водород): 9100 - 9800 m/sec.

· Достижима тяга: до стотици и хиляди тона.

· Максимални работни температури: 3000°С - 3700°С (кратковременно включване).

· Срок на експлоатация: до няколко хиляди часа (периодично активиране). /5/

11.Устройство

Устройството на съветския твърдофазен ядрен ракетен двигател РД-0410

1 - линия от резервоара на работната течност

2 - турбопомпено устройство

3 - управление на барабана

4 - радиационна защита

5 - контролен барабан

6 - ретардер

7 - горивен възел

8 - корпус на реактора

9 - огнено дъно

10 - Линия за охлаждане на дюзите

11- дюзова камера

12 - дюза

12. Принцип на работа

TNRD, по своя принцип на работа, е високотемпературен реактор-топлообменник, в който се вкарва работна течност (течен водород) под налягане и тъй като се нагрява до високи температури (над 3000 ° C), се изхвърлен през охладена дюза. Възстановяването на топлината в дюзата е много полезно, тъй като позволява много по-бързо нагряване на водорода и чрез използване на значително количество топлинна енергия, за увеличаване на специфичния импулс до 1000 sec (9100-9800 m/s).

Реактор на ядрен ракетен двигател

MsoNormalTable">

работен орган

Плътност, g/cm3

Специфична тяга (при посочените температури в нагревателната камера, °K), сек

0,071 (течност)

0,682 (течност)

1000 (течност)

Не. данни

Не. данни

Не. данни

(Забележка: Налягането в нагревателната камера е 45,7 atm, разширение до налягане от 1 atm при постоянно химичен съставработно тяло) /6/

15.Предимства

Основното предимство на TNRD пред химическите ракетни двигатели е получаването на по-висок специфичен импулс, значителен енергиен резерв, компактна система и възможност за получаване на много висока тяга (десетки, стотици и хиляди тона във вакуум. Като цяло специфичният импулс постигната във вакуум е по-голяма от тази на отработеното двукомпонентно химическо ракетно гориво (керосин-кислород, водород-кислород) с 3-4 пъти, а при работа при най-висок интензитет на топлина с 4-5 пъти. В момента в САЩ и Русия има значителен опит в разработването и изграждането на такива двигатели и, ако е необходимо (специални програми за изследване на космоса), такива двигатели могат да бъдат произведени за кратко време и ще имат разумна цена.В случай на използване на TNRD за ускоряване на космически кораби в космоса и при допълнително използване на пертурбационни маневри, използващи гравитационното поле на големи планети (Юпитер, Уран, Сатурн, Нептун), постижимите граници на изследването на Слънчевата система значително се разширяват и времето, необходимо за достигане на далечното планети е значително намален. В допълнение, TNRD може успешно да се използва за превозни средства, работещи в ниски орбити на гигантски планети, използващи тяхната разредена атмосфера като работна течност или за работа в тяхната атмосфера. /8/

16. Недостатъци

Основният недостатък на TNRD е наличието на мощен поток от проникваща радиация (гама-лъчение, неутрони), както и отстраняването на силно радиоактивни уранови съединения, огнеупорни съединения с индуцирано лъчение и радиоактивни газове с работния флуид. В тази връзка TNRD е неприемливо за наземни изстрелвания, за да се избегне влошаване на екологичната обстановка на мястото на изстрелване и в атмосферата. /14/

17. Подобряване на характеристиките на TJARD. Хибриден TNRD

Като всяка ракета или всеки двигател като цяло, твърдофазният ядрен реактивен двигател има значителни ограничения по отношение на постижимите най-важните характеристики. Тези ограничения представляват невъзможността на устройството (TNRD) да работи в температурен диапазон, надвишаващ диапазона на максималните работни температури на конструктивните материали на двигателя. За разширяване на възможностите и значително повишаване на основните работни параметри на ТНРД могат да се прилагат различни хибридни схеми, при които ТНРД играе ролята на източник на топлина и енергия и се използват допълнителни физически методи за ускоряване на работните органи. Най-надеждната, практически осъществима и с високи характеристики по отношение на специфичен импулс и тяга е хибридна схема с допълнителна MHD верига (магнитохидродинамична верига) за ускоряване на йонизираната работна течност (водород и специални добавки). /13/

18. Радиационна опасност от ДВОР.

Работещият NRE е мощен източник на радиация - гама и неутронно лъчение. Без да се предприемат специални мерки, радиацията може да причини недопустимо нагряване на работния флуид и конструкцията в космическия кораб, крехкост на метални конструкционни материали, разрушаване на пластмаса и стареене на гумени части, нарушаване на изолацията на електрическите кабели и повреда на електронното оборудване. Радиацията може да предизвика индуцирана (изкуствена) радиоактивност на материалите – тяхното активиране.

Понастоящем проблемът с радиационната защита на космически кораби с NRE се счита за принципно решен. Решени са и основните въпроси, свързани с поддръжката на ядрените ракетни двигатели на стендовете и стартовите площадки. Въпреки че работещ НРД представлява опасност за оперативния персонал, „още един ден след края на работата на НРД е възможно да останете за няколко десетки минути на разстояние 50 м от НРД без лични предпазни средства и дори се приближете до него Най-простите средства за защита позволяват на персонала по поддръжката да влезе в работната зона YARD скоро след теста.

Процент на заразяване стартови комплексии околната среда, очевидно, няма да бъде пречка за използването на NRE на долните етапи на космическите ракети. Проблемът с радиационната опасност за околната среда и обслужващия персонал до голяма степен се смекчава от факта, че водородът, използван като работен флуид, практически не се активира при преминаване през реактора. Следователно струята NRE не е по-опасна от струята LRE. / 4 /

Заключение

Когато се разглеждат перспективите за развитие и използване на NRE в космонавтиката, трябва да се изхожда от постигнатите и очаквани характеристики на различните видове NRE, от това, което те могат да дадат на космонавтиката, тяхното приложение и, накрая, от наличието на близък връзката на проблема с НРЕ с проблема за енергоснабдяването в космоса и изобщо с развитието на енергетиката.

Както бе споменато по-горе, от всички възможни видове NRE най-развити са термичният радиоизотопен двигател и двигателят с твърдофазен реактор на делене. Но ако характеристиките на радиоизотопните NRE не ни позволяват да се надяваме на тяхното широко приложение в космонавтиката (поне в близко бъдеще), то създаването на твърдофазни NRE открива големи перспективи пред космонавтиката.

Например, предложено е устройство с начална маса от 40 000 тона (т.е. приблизително 10 пъти по-голяма от тази на най-големите съвременни ракети-носители), като 1/10 от тази маса се пада на полезния товар, а 2/3 на ядрения такси . Ако на всеки 3 секунди се взривява по един заряд, то техният запас ще е достатъчен за 10 дни непрекъсната работа на ядрения ракетен двигател. През това време апаратът ще ускори до скорост от 10 000 км/сек и в бъдеще, след 130 години, може да достигне звездата Алфа Кентавър.

Атомните електроцентрали имат уникални характеристики, които включват практически неограничено потребление на енергия, независимост на работа от околната среда и устойчивост на външни влияния ( космическа радиация, увреждане от метеорит, високо и ниски температурии т.н.). Максималната мощност на ядрените радиоизотопни инсталации обаче е ограничена до стойност от порядъка на няколкостотин вата. Това ограничение не съществува за атомни реакторни електроцентрали, което предопределя рентабилността от тяхното използване при дългосрочни полети на тежки космически кораби в околоземното пространство, при полети до далечни планети на Слънчевата система и в други случаи.

Предимствата на твърдофазните и други ядрени ракетни двигатели с реактори на делене се разкриват най-пълно при изучаването на такива сложни космически програми като пилотирани полети до планетите на Слънчевата система (например по време на експедиция до Марс). В този случай увеличаването на специфичния импулс на RD дава възможност за решаване на качествено нови проблеми. Всички тези проблеми са значително улеснени от използването на твърдофазен NRE със специфичен импулс, два пъти по-голям от съвременните LRE. В този случай също става възможно значително намаляване на времето за полет.

Най-вероятно в близко бъдеще твърдофазните NRE ще станат едни от най-често срещаните RD. Твърдофазният NRE може да се използва като превозно средство за полети на дълги разстояния, например до планети като Нептун, Плутон и дори да излети извън Слънчевата система. Въпреки това, за полети до звездите, NRE, базиран на принципите на делене, не е подходящ. В този случай обещаващи са NRE или по-точно термоядрените реактивни двигатели (TRD), работещи на принципа на реакциите на термоядрен синтез и фотонни реактивни двигатели (PRD), при които реакцията на анихилация на материя и антиматерия е източник на импулс. Най-вероятно обаче човечеството за пътуване в междузвездното пространство ще използва различен, различен от джет, метод на придвижване.

В заключение ще перифразирам известна фразаАйнщайн - за да пътува до звездите, човечеството трябва да измисли нещо, което би било сравнимо по сложност и възприятие с ядрен реактор за неандерталец!

ЛИТЕРАТУРА

източници:

1. "Ракети и хора. Книга 4 Лунна надпревара" - М: Знание, 1999 г.
2. http://www. lpre. de/energomash/index. htm
3. Первушин "Битката за звездите. Космическа конфронтация" - М: знания, 1998 г.
4. Л. Гилбърг „Покоряването на небето” – М: Знание, 1994г.
5. http://epizodsspace. *****/библ/молодцов
6. "Двигател", "Ядрени двигатели за космически превозни средства", № 5, 1999 г.

7. "Двигател", "Газофазни ядрени двигатели за космически превозни средства",

№ 6, 1999
7.http://www. *****/content/numbers/263/03.shtml
8.http://www. lpre. de/energomash/index. htm
9.http://www. *****/content/numbers/219/37.shtml
10., Чекалин транспорт на бъдещето.

Москва: Знание, 1983.

11., Космическо изследване на Чекалин.- М.:

Знание, 1988.

12. Губанов Б. "Енергия - Буран" - стъпка в бъдещето // Наука и живот.-

13. Гетланд К. Космическа технология.- М.: Мир, 1986.

14., Сергеюк и търговията - М .: APN, 1989.

15 .СССР в космоса. 2005.-М .: APN, 1989.

16. По пътя към дълбокия космос // Енергетика. - 1985. - № 6.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Основни характеристики на твърдофазните ядрени реактивни двигатели

Александър Лосев

Бързото развитие на ракетно-космическата техника през 20 век се дължи на военно-стратегическите, политическите и до известна степен идеологическите цели и интереси на двете суперсили - СССР и САЩ, като всички държавни космически програми бяха продължаване на техните военни проекти, където основната задача беше необходимостта да се осигури отбранителна способност и стратегически паритет с потенциален противник. Разходите за създаване на оборудване и разходите за експлоатация тогава нямаха фундаментално значение. Бяха отделени огромни ресурси за създаването на ракети-носители и космически кораби, а 108-те минути от полета на Юрий Гагарин през 1961 г. и телевизионното предаване на Нийл Армстронг и Бъз Олдрин от повърхността на Луната през 1969 г. не бяха просто триумфи на научно-техническата мисъл , те също се считат за стратегически победи в битките от Студената война.

Но след като Съветският съюз се разпадна и отпадна от надпреварата за световно лидерство, неговите геополитически опоненти, преди всичко САЩ, вече нямаха нужда да реализират престижни, но изключително скъпи космически проекти, за да докажат на целия свят превъзходството на Запада икономическа системаи идеологически концепции.
През 90-те години основните политически задачи от миналото губят своята актуалност, блоковата конфронтация е заменена от глобализация, прагматизмът надделява в света, така че повечето космически програми са съкратени или отложени, само МКС остава от мащабните проекти на минало. Освен това западната демокрация достави всичко скъпо държавни програмив зависимост от изборните цикли.
Подкрепата на избирателите, необходима за спечелване или оставане на власт, кара политиците, парламентите и правителствата да клонят към популизма и да решават непосредствени проблеми, така че разходите за изследване на космоса намаляват всяка година.
Повечето от фундаменталните открития са направени през първата половина на ХХ век, а днес науката и технологиите са достигнали определени граници, освен това популярността е намаляла в целия свят. научно познаниеи качеството на обучението по математика, физика и др природни науки. Това беше причината за стагнацията, включително в космическия сектор, през последните две десетилетия.
Но сега става очевидно, че светът се приближава към края на следващия технологичен цикъл, основан на откритията от миналия век. Следователно всяка сила, която ще разполага с фундаментално нови обещаващи технологии в момента на промяната на глобалния технологичен ред, автоматично ще си осигури световно лидерство поне за следващите петдесет години.

Принципно устройство на ядрен ракетен двигател с водород като работна течност

Това се осъзнава в САЩ, където е поет курс за възраждане на американското величие във всички сфери на дейност, и в Китай, оспорвайки американската хегемония, и в Европейския съюз, който с всички сили се опитва да запази тежестта си в глобалната икономика.
Има индустриална политика и те са сериозно ангажирани с развитието на собствения си научен, технически и производствен потенциал, а космическият сектор може да се превърне в най-добрия полигон за тестване на нови технологии и за доказване или опровергаване на научни хипотези, които могат да положат основите на създаване на фундаментално различна, по-напреднала технология на бъдещето.
И е съвсем естествено да се очаква, че САЩ ще бъдат първата страна, в която се възобновяват проекти за изследване на дълбокия космос, за да се създадат уникални иновативни технологиикакто в областта на оръжията, транспорта и структурните материали, така и в биомедицината и в областта на телекомуникациите
Вярно е, че дори на САЩ не е гарантиран успех по пътя към създаването на революционни технологии. Има голям риск да се окажете в задънена улица, подобрявайки половинвековни ракетни двигатели с химическо гориво, както прави SpaceX на Илон Мъск, или изграждането на системи за поддържане на живота на дълги разстояния, подобни на тези, които вече са внедрени на МКС.
Може ли Русия, чиято стагнация в космическия сектор става все по-забележима всяка година, да направи пробив в надпреварата за бъдещо технологично лидерство, за да остане в клуба на суперсилите, а не в списъка на развиващите се страни?
Да, разбира се, Русия може и освен това вече е направена значителна крачка напред в ядрената енергетика и технологиите за ядрени ракетни двигатели, въпреки хроничното недофинансиране на космическата индустрия.
Бъдещето на астронавтиката е използването на ядрена енергия. За да разберем как са свързани ядрените технологии и космоса, е необходимо да разгледаме основните принципи на реактивното задвижване.
И така, основните видове модерни космически двигателисъздаден на принципите на химическата енергия. Това са ускорители с твърдо гориво и ракетни двигатели с течно гориво, в техните горивни камери горивните компоненти (гориво и окислител), влизайки в екзотермична физико-химична реакция на горене, образуват реактивен поток, който изхвърля тонове вещество от дюзата на двигателя на всеки второ. Кинетичната енергия на работния флуид на струята се преобразува в реактивна сила, достатъчна за задвижване на ракетата. Специфичният импулс (съотношението на произведената тяга към масата на използваното гориво) на такива химически двигатели зависи от компонентите на горивото, налягането и температурата в горивната камера, както и от молекулното тегло на газовата смес, изхвърлена през дюза на двигателя.
И колкото по-висока е температурата на веществото и налягането вътре в горивната камера и колкото по-ниско е молекулното тегло на газа, толкова по-висок е специфичният импулс, а оттам и ефективността на двигателя. Специфичният импулс е количеството движение и е обичайно да се измерва в метри в секунда, както и скоростта.
В химическите двигатели горивните смеси кислород-водород и флуор-водород (4500–4700 m/s) дават най-висок специфичен импулс, но ракетните двигатели, захранвани с керосин и кислород, като Союз и ракетите „Сокол” Маска, както и двигателите върху асиметричен диметилхидразин (UDMH) с окислител под формата на смес от азотен тетроксид и азотна киселина (съветски и руски "Протон", френски "Ариан", американски "Титан"). Тяхната ефективност е 1,5 пъти по-ниска от тази на двигателите с водородно гориво, но импулс от 3000 m / s и мощност са напълно достатъчни, за да бъде икономически изгодно изстрелването на тонове полезни товари в околоземни орбити.
Но полетите до други планети изискват много по-голям космически кораб от всичко, създадено от човечеството преди, включително модулната МКС. В тези кораби е необходимо да се осигури дългосрочно автономно съществуванеекипажи и определен запас от гориво и експлоатационен живот на главните двигатели и двигателите за маневри и корекция на орбитата, осигуряват доставката на астронавти в специален модул за кацане на повърхността на друга планета и връщането им на основния транспортен кораб, а след това завръщането на експедицията на Земята.
Натрупаните инженерни и технически знания и химическата енергия на двигателите позволяват връщането на Луната и достигането на Марс, така че е много вероятно през следващото десетилетие човечеството да посети Червената планета.
Ако разчитаме само на наличните космически технологии, тогава минималната маса на обитаем модул за пилотиран полет до Марс или до спътниците на Юпитер и Сатурн ще бъде приблизително 90 тона, което е 3 пъти повече от лунните кораби от началото на 70-те години. , което означава, че ракетите-носители за въвеждането им в референтни орбити за по-нататъшен полет до Марс ще бъдат много по-добри от Сатурн-5 (стартово тегло 2965 тона) на лунния проект Apollo или съветския носител Energia (стартово тегло 2400 тона). Ще бъде необходимо да се създаде междупланетен комплекс с тегло до 500 тона в орбита. Полетът на междупланетен кораб с химически ракетни двигатели ще изисква от 8 месеца до 1 година време само в една посока, защото ще трябва да правите гравитационни маневри, като използвате силата на гравитацията на планетите за допълнително ускоряване на кораба и огромно количество гориво.
Но използвайки химическата енергия на ракетните двигатели, човечеството няма да лети извън орбитата на Марс или Венера. Имаме нужда от други скорости на полета на космически кораби и друга по-мощна енергия на движение.

Модерен проект за ядрен ракетен двигател Princeton Satellite Systems

За да се изследва дълбокият космос, е необходимо значително да се увеличи съотношението на тягата към теглото и ефективността на ракетния двигател, което означава увеличаване на неговия специфичен импулс и експлоатационен живот. И за това е необходимо газът или веществото на работния флуид да се загреят с ниска температура вътре в камерата на двигателя. атомна масадо температури няколко пъти по-високи от температурата на химическо изгаряне на традиционни горивни смеси и това може да стане с помощта на ядрена реакция.
Ако вместо конвенционална горивна камера в ракетен двигател се постави ядрен реактор, в активната зона на който се подава вещество в течна или газообразна форма, тогава то, нагрявайки се под високо налягане до няколко хиляди градуса, ще започват да се изхвърлят през канала на дюзата, създавайки реактивна тяга. Специфичният импулс на такъв ядрен реактивен двигател ще бъде няколко пъти по-голям от този на конвенционален, базиран на химически компоненти, което означава, че ефективността както на самия двигател, така и на ракетата-носител като цяло ще се увеличи многократно. В този случай не е необходим окислител за изгаряне на гориво и лекият водороден газ може да се използва като вещество, което създава реактивна тяга, но ние знаем, че колкото по-ниско е молекулното тегло на газа, толкова по-висок е инерцията и това значително ще намаляване на масата на ракетата при най-доброто представянемощност на двигателя.
Ядреният двигател би бил по-добър от конвенционалния, тъй като в зоната на реактора лекият газ може да се нагрее до температури над 9 хиляди градуса по Келвин и струя от такъв прегрят газ ще осигури много по-висок специфичен импулс, отколкото обикновените химически двигатели дайте. Но това е на теория.
Опасността дори не е, че по време на изстрелването на ракета-носител с такава ядрена инсталация може да възникне радиоактивно замърсяване на атмосферата и пространството около стартовата площадка, основният проблем е, че при високи температури самият двигател може да се стопи заедно с космическия кораб . Дизайнерите и инженерите разбират това и от няколко десетилетия се опитват да намерят подходящи решения.
Ядрените ракетни двигатели (ЯРД) вече имат своя история на създаване и експлоатация в космоса. Първото разработване на ядрени двигатели започва в средата на 50-те години на миналия век, тоест още преди пилотирания космически полет и почти едновременно в СССР и САЩ, и самата идея за използване на ядрени реактори за нагряване на работното вещество в ракета двигател се ражда заедно с първите реактори в средата на 40-те години, тоест преди повече от 70 години.
У нас термичният физик Виталий Михайлович Иевлев стана инициатор на създаването на NRE. През 1947 г. той представя проект, който е подкрепен от С. П. Королев, И. В. Курчатов и М. В. Келдиш. Първоначално се планираше да се използват такива двигатели за крилати ракети, а след това да се поставят на балистични ракети. Водещите отбранителни конструкторски бюра на Съветския съюз, както и изследователските институти NIITP, CIAM, IAE, VNIINM се заеха с разработката.
Съветският ядрен двигател РД-0410 е сглобен в средата на 60-те години от Воронежското "Конструкторско бюро по химическа автоматизация", където са създадени повечето течни ракетни двигатели за космическа техника.
Водородът беше използван като работна течност в RD-0410, която в течна форма премина през "охлаждащата риза", премахвайки излишната топлина от стените на дюзата и предотвратявайки разтопяването й, след което влезе в активната зона на реактора, където се нагрява до 3000K и се изхвърля през каналните дюзи, като по този начин преобразува топлинната енергия в кинетична енергия и създава специфичен импулс от 9100 m/s.
В САЩ проектът NRE стартира през 1952 г., а първият действащ двигател е създаден през 1966 г. и е наречен NERVA (Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application). През 60-те и 70-те години Съветският съюз и Съединените щати се опитваха да не отстъпват един на друг.
Вярно е, че и нашият RD-0410, и американският NERVA бяха твърдофазни NRE (ядреното гориво на базата на уранови карбиди беше в реактора в твърдо състояние), а работната им температура беше в диапазона 2300–3100K.
За да се повиши температурата на активната зона без риск от експлозия или разтопяване на стените на реактора, е необходимо да се създадат условия за ядрена реакция, при която горивото (уранът) преминава в газообразно състояние или се превръща в плазма и се задържа вътре в реактора благодарение на силно магнитно поле, без да докосва стените. И тогава водородът, влизащ в активната зона на реактора, "обикаля" урана в газовата фаза и, превръщайки се в плазма, се изхвърля през канала на дюзата с много висока скорост.
Този тип двигател се нарича YRD с газова фаза. Температурите на газообразното ураново гориво в такива ядрени двигатели могат да варират от 10 000 до 20 000 градуса по Келвин, а специфичният импулс може да достигне 50 000 m/s, което е 11 пъти по-високо от това на най-ефективните химически ракетни двигатели.
Създаването и използването в космическата техника на газофазни NRE от отворен и затворен тип е най-голямото обещаваща посокаразвитие на космически ракетни двигатели и точно от какво се нуждае човечеството, за да изследва планетите от Слънчевата система и техните спътници.
Първите изследвания на проекта за газофазна NRE започнаха в СССР през 1957 г. в Научноизследователския институт по топлинни процеси (Изследователски център на М. В. Келдиш), а самото решение за разработване на ядрени космически електроцентрали на базата на газофазни ядрени реактори беше взето през 1963 г. от академик В. П. Глушко (НПО Енергомаш), след което е одобрен с постановление на ЦК на КПСС и Министерския съвет на СССР.
Разработването на NRE в газова фаза се извършва в Съветския съюз в продължение на две десетилетия, но, за съжаление, никога не е завършено поради недостатъчно финансиране и необходимостта от допълнителни фундаментални изследванияв областта на термодинамиката на ядреното гориво и водородната плазма, неутронната физика и магнитохидродинамиката.
Съветските ядрени учени и инженери-конструктори са изправени пред редица проблеми, като постигане на критичност и осигуряване на стабилността на работата на газофазов ядрен реактор, намаляване на загубата на разтопен уран по време на освобождаването на водород, нагрят до няколко хиляди градуса, термична защита на дюзата и генератора на магнитно поле, натрупване на продукти на делене на уран, избор на химически устойчиви структурни материали и др.
И кога за съветска програма"Марс-94" на първия пилотиран полет до Марс, ракетата носител "Енергия" започна да се създава, проектът за ядрен двигател беше отложен за неопределено време. Съветският съюз нямаше достатъчно време и най-вече политическа воля и икономическа ефективност, за да приземи нашите космонавти на планетата Марс през 1994 г. Това би било безспорно постижение и доказателство за нашето лидерство в високи технологиипрез следващите няколко десетилетия. Но космосът, както много други неща, беше предаден от последното ръководство на СССР. Историята не може да бъде променена, заминалите учени и инженери не могат да бъдат върнати и изгубените знания не могат да бъдат възстановени. Много неща ще трябва да се пресъздадат.
Но космическата ядрена енергия не се ограничава до сферата на NRE в твърда и газова фаза. За да създадете нагрят поток от материя в реактивен двигател, можете да използвате електрическа енергия. Тази идея е изразена за първи път от Константин Едуардович Циолковски през 1903 г. в неговия труд „Изследване на световните пространства с реактивни инструменти“.
А първият електротермичен ракетен двигател в СССР е създаден през 30-те години на миналия век от Валентин Петрович Глушко, бъдещ академик на Академията на науките на СССР и ръководител на НПО „Енергия“.
Принципите на работа на електрическите ракетни двигатели могат да бъдат различни. Те обикновено се разделят на четири вида:

• електротермичен (нагряване или електрическа дъга). В тях газът се нагрява до температури 1000–5000K и се изхвърля от дюзата по същия начин, както при NRE.
• електростатични двигатели (колоидни и йонни), при които работното вещество първо се йонизира, а след това положителните йони (атоми, лишени от електрони) се ускоряват в електростатично поле и също се изхвърлят през канала на дюзата, създавайки реактивна тяга. Стационарните плазмени двигатели също принадлежат към електростатичните двигатели.
• магнитоплазмени и магнитодинамични ракетни двигатели. Там газообразната плазма се ускорява от силата на Ампер в перпендикулярно пресичащи се магнитни и електрически полета.
• импулсни ракетни двигатели, които използват енергията на газовете, произтичаща от изпарението на работния флуид при електрически разряд.

Предимството на тези електрически ракетни двигатели е ниската консумация на работна течност, КПД до 60% и висока скоростпоток от частици, което може значително да намали масата на космическия кораб, но има и минус - ниска плътност на тягата и съответно ниска мощност, както и високата цена на работния флуид (инертни газове или пари на алкални метали) за създаване на плазма.
Всички изброени типове електродвигатели са внедрени на практика и са били многократно използвани в космоса както на съветски, така и на американски превозни средства от средата на 60-те години на миналия век, но поради ниската си мощност те се използват главно като двигатели за коригиране на орбитата.
От 1968 до 1988 г. СССР изстреля цяла серия спътници Космос с ядрени инсталации на борда. Типовете реактори бяха наречени: "Бук", "Топаз" и "Енисей".
Реакторът на проекта Енисей имаше топлинна мощност до 135 kW и електрическа мощност около 5 kW. Топлоносителят е натриево-калиева стопилка. Този проект е затворен през 1996 г.
За истински поддържащ ракетен двигател е необходим много мощен източник на енергия. А най-добрият източник на енергия за такива космически двигатели е ядреният реактор.
Ядрената енергетика е една от високотехнологичните индустрии, в която страната ни запазва лидерските си позиции. А принципно нов ракетен двигател вече се създава в Русия и този проект е близо до успешно завършване през 2018 г. Летателните тестове са планирани за 2020 г.
И ако газофазният NRE е тема на следващите десетилетия, към която ще трябва да се върнем след фундаментални изследвания, то сегашната му алтернатива е атомна електроцентрала (АЕЦ) от мегаватов клас, и то вече създадена от предприятията на Росатом и Роскосмос от 2009 г.
NPO Krasnaya Zvezda, която в момента е единственият разработчик и производител на космически атомни електроцентрали в света, както и Изследователският център на името на N.I. М. В. Келдиш, НИКИЕТ им. Н. А. Долежала, Изследователски институт НПО Луч, Курчатов институт, ИРМ, ИППЕ, НИИАР и НПО Машиностроения.
Атомната електроцентрала включва високотемпературен газоохлаждаем ядрен реактор с бързи неутрони с турбомашина за преобразуване на топлинна енергия в електрическа, система от хладилни излъчватели за отвеждане на излишната топлина в космоса, приборно-монтажно отделение, блок от маршируващи плазмени или йонни електродвигатели и контейнер за поставяне на полезен товар .
В силовата задвижваща система ядрен реактор служи като източник на електроенергия за работата на електрически плазмени двигатели, докато газовият охладител на реактора, преминаващ през активната зона, навлиза в турбината на електрическия генератор и компресора и се връща обратно в реактора в затворен контур и не се изхвърля в космоса, както при NRE, което прави дизайна по-надежден и безопасен и следователно подходящ за пилотирана астронавтика.
Предвижда се атомна електроцентрала да се използва за космически влекач за многократна употреба, за да се осигури доставката на товари по време на изследването на Луната или създаването на многоцелеви орбитални комплекси. Предимството ще бъде не само повторното използване на елементи от транспортната система (което Илон Мъск се опитва да постигне в своите космически проекти на SpaceX), но и възможността за доставяне на три пъти по-голяма маса на товари, отколкото на ракети с химически реактивни двигатели на сравнима мощност чрез намаляване на стартовата маса на транспортната система. Специалният дизайн на инсталацията я прави безопасна за хората и околната среда на Земята.
През 2014 г. в OJSC Mashinostroitelny Zavod в Електростал беше сглобен първият стандартен дизайн на горивния елемент (горивен елемент) за тази ядрена електрическа задвижваща установка, а през 2016 г. беше тестван симулатор на реакторна зона.
Сега (през 2017 г.) се работи за производство на структурни елементи на инсталацията и тестване на компоненти и възли върху макети, както и автономно тестване на системи за преобразуване на енергия на турбомашини и прототипи на енергийни агрегати. Завършването на работите е планирано за края на следващата 2018 г., но от 2015 г. изоставането от графика започна да се натрупва.
Така че веднага след създаването на тази инсталация Русия ще стане първата страна в света, притежаваща ядрени космически технологии, които ще формират основата не само на бъдещи проекти за развитие на слънчевата система, но и на земната и извънземна енергия. Космическите ядрени електроцентрали могат да се използват за създаване на системи за дистанционно предаване на електроенергия към Земята или към космически модули с помощта на електромагнитно излъчване. И това също ще се превърне в напредналата технология на бъдещето, където страната ни ще има водеща позиция.
На базата на разработените плазмени двигатели ще бъдат създадени мощни задвижващи системи за човешки космически полет на дълги разстояния и на първо място за изследване на Марс, чиято орбита може да бъде достигната само за 1,5 месеца и не повече от един година, както при използване на конвенционални химически реактивни двигатели.
А бъдещето винаги започва с революция в енергетиката. И нищо друго. Енергията е първична и именно величината на потреблението на енергия влияе върху техническия прогрес, отбранителната способност и качеството на живот на хората.

Експериментален плазмен ракетен двигател на НАСА

Съветският астрофизик Николай Кардашев още през 1964 г. предлага скала за развитие на цивилизациите. Според тази скала нивото на технологично развитие на цивилизациите зависи от количеството енергия, което населението на планетата използва за своите нужди. Така че цивилизацията от I тип използва всички налични ресурси на планетата; тип II цивилизация - получава енергията на своята звезда, в системата на която се намира; и тип III цивилизация използва наличната енергия на своята галактика. Човечеството все още не е достигнало цивилизация от първи тип в този мащаб. Ние използваме само 0,16% от общото потенциално енергийно снабдяване на планетата Земя. Това означава, че Русия и целият свят имат място за растеж и тези ядрени технологии ще отворят пътя на страната ни не само към космоса, но и към бъдещия икономически просперитет.
И може би единственият вариант за Русия в научно-техническата сфера сега е да направи революционен пробив в ядрените космически технологии, за да преодолее многогодишното изоставане от лидерите с един „скок“ и веднага да бъде в началото на нов технологична революция в следващия цикъл на развитие на човешката цивилизация. Такъв уникален шанс пада на тази или онази страна само веднъж на няколко века.
За съжаление, Русия, която през последните 25 години не обърна необходимото внимание на фундаменталните науки и качеството на висшето и средното образование, рискува да загуби завинаги този шанс, ако програмата бъде съкратена и настоящите учени и инженери не бъдат заменени от ново поколение изследователи. Геополитическите и технологични предизвикателства, пред които ще се изправи Русия след 10-12 години, ще бъдат много сериозни, сравними със заплахите от средата на ХХ век. За да се запази суверенитета и целостта на Русия в бъдеще, е необходимо спешно да се започне подготовка на специалисти, способни да отговорят на тези предизвикателства и да създадат нещо принципно ново още сега.
Има само около 10 години, за да превърнем Русия в световен интелектуален и технологичен център, а това не може да стане без сериозна промяна в качеството на образованието. За научен и технологичен пробив е необходимо да се върне в образователната система (училищна и университетска) систематичен поглед върху картината на света, научна фундаменталност и идеологическа цялост.
Що се отнася до сегашната стагнация в космическата индустрия, това не е ужасно. Физическите принципи, на които се основават съвременните космически технологии, ще бъдат търсени от сектора на конвенционалните сателитни услуги още дълго време. Припомнете си, че човечеството използва платното от 5,5 хиляди години, а ерата на парата продължи почти 200 години и едва през ХХ век светът започна да се променя бързо, защото се случи друга научна и технологична революция, която стартира вълна от иновации и промяна в технологичните структури, които в крайна сметка се промениха и световна икономикаи политика. Основното нещо е да сте в основата на тези промени.

В края на 40-те години на миналия век, на фона на еуфорията от перспективите за използване на ядрена енергия, както в САЩ, така и в СССР, се работи за инсталиране на ядрени двигатели на всичко, което може да се движи. Идеята за създаване на такъв „вечен двигател“ беше особено привлекателна за военните. Атомните електроцентрали (АЕЦ) намериха приложение предимно във флота, тъй като корабните електроцентрали нямаха толкова строги изисквания към общото тегло, както например в авиацията. Въпреки това ВВС не можеха да „подминат“ възможността за неограничено увеличаване на радиуса на действие на стратегическата авиация. През май 1946г Командването на ВВС на САЩ одобри проекта за ядрена енергия за задвижване на самолети (съкратено NEPA) за създаване на ядрени двигатели за оборудване на стратегически бомбардировачи. Работата по прилагането му започна в Националната лаборатория в Оук Ридж. През 1951г тя беше заменена от съвместната програма на ВВС и Комисията за атомна енергия (AEC) „Ядрено задвижване на самолети“ (ANP, „Ядрено задвижване на самолети“). Компанията General Electric създаде турбореактивен двигател (TRD), който се различаваше от „обикновения“ само по това, че вместо конвенционална горивна камера имаше ядрен реактор, който загрява въздуха, компресиран от компресора. В същото време въздухът стана радиоактивен - отворена верига. В онези години това се третира по-просто, но все пак, за да не се замърсява тяхното летище, се предполагаше самолетът да се оборудва за излитане и кацане с конвенционални керосинови двигатели. Първият американски проект за ядрен самолет се основава на свръхзвуков стратегически бомбардировач B-58. От разработчика (Convair) той получи обозначението X-6. Под делта крилото имаше четири атомни турбореактивни двигателя, освен това още 2 "обикновени" турбореактивни двигателя трябваше да работят при излитане и кацане. До средата на 50-те години на миналия век е произведен прототип на малък ядрен реактор с въздушно охлаждане с мощност 1 MW. Бомбардировач B-36H беше разпределен за тестовете за полет и защита на екипажа. Екипажът на летящата лаборатория беше в защитна капсула, но самият реактор, разположен в бомбения отсек, нямаше биологична защита. Летящата лаборатория е наречена NB-36H. От юли 1955г до март 1957 г тя направи 47 полета над пустинните райони на Тексас и Ню Мексико, по време на които реакторът беше включен и изключен. На следващия етап беше създаден нов ядрен реактор HTRE (последният му модел беше с мощност 35 MW, достатъчна за работа на два двигателя) и експериментален двигател X-39, който успешно премина съвместни наземни тестове. По това време обаче американците разбраха, че отворената верига не е подходяща и започнаха да проектират електроцентрала с въздушно отопление в топлообменник. Новата машина Convair NX-2 имаше схема „патица“ (хоризонталната опашка беше разположена пред крилото). Ядреният реактор трябваше да бъде разположен в централната част, двигателите - в кърмата, въздухозаборниците - под крилото. Самолетът трябваше да използва от 2 до 6 спомагателни турбореактивни двигателя. Но през март 1961г програмата ANP беше затворена. През 1954-1955г. група учени от лабораторията в Лос Аламос подготвиха доклад за възможността за създаване на ядрен ракетен двигател (NRE). AEC на САЩ реши да започне работа по създаването му. Програмата беше наречена "Rover". Работата беше извършена паралелно в научната лаборатория в Лос Аламос и в радиационната лаборатория в Ливърмор към Калифорнийския университет. От 1956 г. всички усилия на Радиационната лаборатория бяха насочени към създаването на ядрен прямоточен двигател (YAPJE) по проекта PLUTO (в Лос Аламос започнаха да създават NJE).

YaPVRD беше планирано да бъде инсталиран на разработената свръхзвукова ракета с малка височина (Supersonic Low-Altitude Missile - SLAM). Ракетата (сега ще я наричат ​​крилата ракета) по същество беше безпилотен бомбардировач с вертикално изстрелване (с помощта на четири ускорителя на твърдо гориво). ПВРД се включваше, когато определена скорост беше достигната вече на достатъчно разстояние от собствената му територия. Въздухът, влизащ през въздухозаборника, се нагрява в ядрен реактор и, преминавайки през дюзата, създава тяга. Полетът до целта и освобождаването на бойни глави с цел секретност трябваше да се извършват на свръхниска височина със скорост три пъти по-висока от скоростта на звука. Ядреният реактор имаше топлинна мощност 500 MW, работната температура на активната зона беше над 1600 градуса по Целзий. За тестване на двигателя е изграден специален полигон.

Намерих интересна статия. По принцип ядрените космически кораби винаги са ме интересували. Това е бъдещето на космическите изследвания. Обширна работа по тази тема беше извършена и в СССР. Статията е за тях.

Космос с атомно захранване. Мечти и реалност.

Доктор на физико-математическите науки Ю. Я. Стависки

През 1950 г. защитих степента си по инженерна физика в Московския механичен институт (MMI) към Министерството на боеприпасите. Пет години по-рано, през 1945 г., там е сформиран инженерно-физически отдел, който подготвя специалисти за нова индустрия, чиито задачи включват главно производството на ядрени оръжия. Факултетът беше ненадминат. Наред с фундаменталната физика в обхвата на университетските курсове (методи на математическата физика, теория на относителността, квантова механика, електродинамика, статистическа физика и други), ни преподаваха пълен набор от инженерни дисциплини: химия, металознание, якост на материалите , теория на механизмите и машините и др. Създаден от изключителния съветски физик Александър Илич Лейпунски, Инженерно-физическият факултет на MMI прераства с течение на времето в Московския инженерно-физически институт (MEPhI). Друг факултет по инженерна физика, който също по-късно се слива с MEPhI, се формира в Московския институт за енергетика (MPEI), но ако основният акцент в MMI беше върху фундаменталната физика, тогава в Института по енергетика беше върху термична и електрофизика.

Изучавахме квантова механика по книгата на Дмитрий Иванович Блохинцев. Представете си изненадата ми, когато по време на разпределението ме изпратиха да работя с него. Аз съм запален експериментатор (като дете разглобих всички часовници в къщата) и изведнъж попадам на известен теоретик. Обхвана ме лека паника, но при пристигането на мястото - "Обект Б" на МВР на СССР в Обнинск - веднага осъзнах, че съм се тревожил напразно.

По това време основната тема на "Обект Б", която всъщност беше ръководена от A.I. Leipunsky, вече е формирана. Тук създадоха реактори с разширено възпроизвеждане на ядрено гориво - "бързи размножители". Като директор Блохинцев инициира развитието на ново направление - създаването на атомни двигатели за космически полети. Овладяването на космоса беше стара мечта на Дмитрий Иванович, дори в младостта си той кореспондира и се среща с К.Е. Циолковски. Мисля, че разбирането на гигантските възможности на ядрената енергия, по отношение на калоричността милиони пъти по-висока от най-добрата химически горива, и определил жизнения път на Д.И. Блохинцев.
„Не можете да видите лице лице в лице“ ... В онези години не разбирахме много. Едва сега, когато най-после стана възможно да се съпоставят делата и съдбите на изключителните учени от Института по физика и енергетика (ФЕЕ) - бившият "Обект Б", преименуван на 31 декември 1966 г. - има правилно, т.к. струва ми се, разбиране на идеите, които ги движеха по това време. С цялото разнообразие от случаи, с които институтът трябваше да се справи, могат да се откроят приоритетни научни области, които се оказаха в сферата на интересите на неговите водещи физици.

Основният интерес на AIL (както наричаха Александър Илич Лейпунски зад гърба в института) е развитието на глобалната енергетика, базирана на бързи реактори-размножители (ядрени реактори, които нямат ограничения върху ресурсите на ядрено гориво). Трудно е да се надцени значението на този наистина "космически" проблем, на който той посвети последния четвърт век от живота си. Лейпунски също изразходва много енергия за отбраната на страната, по-специално за създаването на атомни двигатели за подводници и тежки самолети.

Интереси D.I. Блохинцев (присвоен му е прякорът „D.I.“) бяха насочени към решаване на проблема с използването на ядрена енергия за космически полети. За съжаление, в края на 50-те години той е принуден да напусне тази работа и да ръководи създаването на международна научен център- Обединен институт за ядрени изследвания в Дубна. Там работи върху импулсни бързи реактори – ИБР. Това беше последното голямо нещо в живота му.

Един гол - един отбор

DI. Блохинцев, който преподава в края на 40-те години на миналия век в Московския държавен университет, забелязва там и след това кани младия физик Игор Бондаренко да работи в Обнинск, който буквално бълнува за космическите кораби с ядрена енергия. Първият му ръководител беше A.I. Лейпунски и Игор, разбира се, се занимаваха с темата си - бързи развъдчици.

Под Д.И. Блохинцев, около Бондаренко се формира група учени, които се обединиха за решаване на проблемите с използването на атомната енергия в космоса. В допълнение към Игор Илич Бондаренко, групата включва: Виктор Яковлевич Пупко, Едвин Александрович Стумбър и авторът на тези редове. Игор беше основният идеолог. Едуин провежда експериментални изследвания на наземни модели на ядрени реактори в космически инсталации. Занимавах се основно с ракетни двигатели с „ниска тяга“ (тягата в тях се създава от един вид ускорител - „йонно задвижване“, което се захранва от енергия от космоса атомна електроцентрала). Ние сме изследвали процесите
течащи в йонни двигатели, на наземни стойки.

На Виктор Пупко (в бъдеще
той стана ръководител на отдела за космически технологии на IPPE) имаше много организационна работа. Игор Илич Бондаренко беше изключителен физик. Той фино усети експеримента, постави прости, елегантни и много ефективни експерименти. Мисля, че нито един експериментатор и може би малко теоретици не са "почувствали" фундаменталната физика. Винаги отзивчив, открит и приятелски настроен, Игор беше наистина душата на института. Досега FEI живее според идеите си. Бондаренко живее неоправдано кратък живот. През 1964 г., на 38 години, той трагично загива поради лекарска грешка. Сякаш Бог, като видя колко много е направил човекът, реши, че вече е твърде много и заповяда: „Стига“.

Не мога да забравя още един уникална личност- Владимир Александрович Малих, технолог "от Бога", модерен Лесковски левичар. Ако „продуктите“ на споменатите по-горе учени бяха предимно идеи и изчислени оценки на тяхната реалност, тогава произведенията на Малих винаги имаха резултат „в метал“. Неговият технологичен сектор, който по време на разцвета на IPPE наброяваше повече от две хиляди служители, можеше, без преувеличение, всичко. Още повече, че самият той винаги е играл ключова роля.

В.А. Малих започва като лаборант в изследователски институт ядрена физикаМосковският държавен университет, който има зад душата си три курса на физическия факултет, войната не ми позволи да завърша обучението си. В края на 40-те години той успява да създаде технология за производство на техническа керамика на базата на берилиев оксид, уникален материал, диелектрик с висока топлопроводимост. Преди Малих мнозина се бореха безуспешно с този проблем. И горивната клетка на базата на серийна неръждаема стомана и естествен уран, която той разработи за първата атомна електроцентрала, е чудо за онези и дори днес. Или термоелектронният горивен елемент на реактора-електрически генератор, проектиран от Малих за захранване на космически кораби - „гирляндата“. Досега нищо по-добро не се е появило в тази област. Творенията на Малих не бяха демонстрационни играчки, а елементи на ядрената технология. Работиха месеци и години. Владимир Александрович става доктор на техническите науки, лауреат на Ленинската награда, Герой на социалистическия труд. През 1964 г. трагично загива от последствията от военно сътресение.

Стъпка по стъпка

С.П. Королев и Д.И. Блохинцев отдавна е подхранвал мечтата си за пилотиран космически полет. Между тях бяха установени тесни работни връзки. Но в началото на 50-те години на миналия век, в разгара на Студената война, средствата бяха пестени само за военни цели. Ракетната техника се разглеждаше само като носител на ядрени заряди, а за сателити дори не се мислеше. Междувременно Бондаренко, знаейки за най-новите постижения на ракетните учени, упорито се застъпваше за създаването изкуствен спътникЗемята. Впоследствие никой не се сети за това.

Любопитна е историята на създаването на ракетата, която изведе в космоса първия космонавт на планетата Юрий Гагарин. Свързва се с името на Андрей Дмитриевич Сахаров. В края на 40-те години на миналия век той разработи комбиниран термоядрен заряд на делене - "пуф", очевидно, независимо от "бащата" водородна бомба" Едуард Телър, който предложи подобен продукт, наречен "будилник". Въпреки това Телър скоро осъзнава, че ядрен заряд с такъв дизайн би имал „ограничен“ добив, не повече от ~ 500 килотона еквивалент на теглене. Това не е достатъчно за „абсолютното“ оръжие, така че „будилникът“ беше изоставен. В Съюза през 1953 г. взривиха пуфовете РДС-6 на Сахаров.

След успешни тестове и избирането на Сахаров за академик, тогавашният ръководител на Минсредмаш В.А. Малишев го покани при себе си и постави задачата да определи параметрите на бомбата от следващо поколение. Андрей Дмитриевич оцени (без подробно проучване) теглото на нов, много по-мощен заряд. Докладът на Сахаров е в основата на резолюцията на Централния комитет на КПСС и Съвета на министрите на СССР, която задължава S.P. Королев да разработи балистична ракета-носител за този заряд. Именно такава ракета R-7, наречена "Восток", изведе в орбита изкуствен спътник на Земята през 1957 г. и космически кораб с Юрий Гагарин през 1961 г. Вече не беше планирано да се използва като носител на тежък ядрен заряд, тъй като развитието на термоядрените оръжия тръгна по различен начин.

В началния етап на космоса ядрена програма IPPE съвместно с KB V.N. Челомея разработи крилата атомна ракета. Тази посока не се развива дълго и завършва с изчисления и тестване на двигателни елементи, създадени в отдела на V.A. Малиха. Всъщност това беше нисколетящ безпилотен самолет с прямоточно-реактивен ядрен двигател и ядрена бойна глава (своеобразен ядрен аналог на „бръмчащата буболечка“ – немската V-1). Системата е изстреляна с помощта на конвенционални ракетни ускорители. След достигане на дадена скорост, тягата се създава от атмосферен въздух, нагрят чрез верижна реакция на делене на берилиев оксид, импрегниран с обогатен уран.

Най-общо казано, способността на една ракета да изпълнява една или друга космонавтична задача се определя от скоростта, която придобива след изразходване на целия запас от работна течност (гориво и окислител). Изчислява се по формулата на Циолковски: V = c × lnMn / Mk, където c е скоростта на изтичане на работния флуид, а Mn и Mk са началната и крайната маса на ракетата. При конвенционалните химически ракети скоростта на изпускане се определя от температурата в горивната камера, вида на горивото и окислителя и молекулното тегло на продуктите от горенето. Например, американците използваха водород като гориво в спускаемия апарат за кацане на астронавти на Луната. Продуктът от неговото изгаряне е вода, чието молекулно тегло е сравнително ниско, а дебитът е 1,3 пъти по-висок, отколкото при изгаряне на керосин. Това е достатъчно, за да може спускаемият апарат с астронавти да достигне повърхността на Луната и след това да ги върне в орбитата на нейния изкуствен спътник. В Королев е преустановена работата с водородно гориво заради инцидент с пострадали. Нямахме време да създадем лунно спускащо се превозно средство за хора.

Един от начините за значително увеличаване на скоростта на изгорелите газове е създаването на ядрени топлинни ракети. Имахме балистични атомни ракети (БАР) с обсег от няколко хиляди километра (съвместен проект на ОКБ-1 и ФЕИ), американците имаха подобни системи от типа Киви. Двигателите са тествани на полигоните близо до Семипалатинск и в Невада. Принципът на тяхното действие е следният: водородът се нагрява в ядрен реактор до високи температури, преминава в атомно състояние и вече в тази форма изтича от ракета. В този случай скоростта на изпускане се увеличава повече от четири пъти в сравнение с химическа водородна ракета. Въпросът беше да се разбере до каква температура може да се нагрее водород в реактор с твърдо гориво. Изчисленията дават около 3000°K.

В НИИ-1, чийто ръководител беше Мстислав Всеволодович Келдиш (тогава президент на Академията на науките на СССР), отделът на В.М. Иевлева, с участието на IPPE, беше ангажирана в напълно фантастична схема - газофазов реактор, в който протича верижна реакция в газообразна смес от уран и водород. Водородът изтича от такъв реактор десет пъти по-бързо, отколкото от такъв с твърдо гориво, докато уранът се отделя и остава в активната зона. Една от идеите беше да се използва центробежно разделяне, когато гореща газообразна смес от уран и водород се „върти“ от постъпващия студен водород, в резултат на което уранът и водородът се разделят, както в центрофуга. Иевлев всъщност се опита директно да възпроизведе процесите в горивната камера на химическа ракета, използвайки като източник на енергия не топлината на изгаряне на горивото, а верижна реакция на делене. Това отвори пътя към пълното използване на енергийната интензивност на атомните ядра. Но въпросът за възможността за изтичане на чист водород (без уран) от реактора остава нерешен, да не говорим за техническите проблеми, свързани със задържането на високотемпературни газови смеси при налягане от стотици атмосфери.

Работата на IPPE върху балистични атомни ракети приключи през 1969-1970 г. с „огневи тестове“ на полигона в Семипалатинск на прототип на ядрен ракетен двигател с твърди горивни елементи. Създаден е от IPPE в сътрудничество с Воронежското конструкторско бюро A.D. Конопатов, Москва NII-1 и редица други технологични групи. Двигателят с тяга от 3,6 тона е базиран на ядрен реактор IR-100 с горивни елементи, направени от твърд разтвор на уранов карбид и циркониев карбид. Температурата на водорода достига 3000°K при мощност на реактора ~170 MW.

Ядрени тласкачи

Досега ставаше дума за ракети с тяга, по-голяма от теглото им, които могат да бъдат изстреляни от повърхността на Земята. В такива системи увеличаването на скоростта на отработените газове позволява да се намали запасът от работна течност, да се увеличи полезният товар и да се изостави многоетапният процес. Съществуват обаче начини за постигане на практически неограничени скорости на изпускане, например ускоряване на материята чрез електромагнитни полета. Работих в тази област в тесен контакт с Игор Бондаренко почти 15 години.

Ускорението на ракета с електрически реактивен двигател (EP) се определя от съотношението на специфичната мощност на инсталираната върху тях космическа ядрена електроцентрала (KAES) към скоростта на изпускане. В обозримо бъдеще специфичната мощност на АЕЦ “Козлодуй” очевидно няма да надвишава 1 kW/kg. В същото време е възможно да се създават ракети с ниска тяга, десетки и стотици пъти по-малка от теглото на ракетата, и с много нисък разход на работна течност. Такава ракета може да бъде изстреляна само от орбитата на изкуствен спътник на Земята и, бавно ускорявайки се, да достигне високи скорости.

Полетите в рамките на Слънчевата система изискват ракети със скорост на изтичане от 50-500 km/s, а полетите до звездите изискват "фотонни ракети", които надхвърлят нашето въображение със скорост на изтичане, равна на скоростта на светлината. За да се извърши космически полет на дълги разстояния с каквато и да е разумна продължителност, са необходими невъобразими съотношения мощност/тегло на електроцентрали. Засега е невъзможно дори да си представим на какви физически процеси могат да се основават.

Извършените изчисления показаха, че по време на Голямата конфронтация, когато Земята и Марс са най-близо една до друга, е възможно да се лети с ядрен космически кораб с екипаж до Марс за една година и да се върне в орбитата на изкуствен спътник на Земята . Брутно теглотакъв кораб - около 5 тона (включително запаса от работна течност - цезий, равен на 1,6 тона). Тя се определя основно от масата на АЕЦ “Козлодуй” с мощност 5 MW, а реактивната тяга се определя от двумегаватов сноп цезиеви йони с енергия 7 килоелектронволта*. Корабът тръгва от орбитата на изкуствен спътник на Земята, навлиза в орбитата на спътник на Марс и ще трябва да се спусне до повърхността му на апарат с водороден химически двигател, подобен на американския лунен.

Тази посока, базирана на технически решения, които вече са възможни днес, беше посветена на голям цикъл от работи на IPPE.

Йонни двигатели

В онези години се обсъждат начини за създаване на различни електрически задвижващи системи за космически превозни средства, като "плазмени оръдия", електростатични ускорители на "прах" или течни капки. Нито една от идеите обаче няма ясна физическа основа. Откритието е повърхностната йонизация на цезия.

Още през 20-те години на миналия век американският физик Ървинг Лангмюр открива повърхностната йонизация на алкалните метали. Когато цезиев атом се изпари от повърхността на метал (в нашия случай волфрам), чиято работа на електрони е по-голяма от йонизационния потенциал на цезия, той губи слабо свързан електрон в почти 100% от случаите и се оказва, че еднократно зареден йон. По този начин повърхностната йонизация на цезий върху волфрам е физическият процес, който прави възможно създаването на йонен двигател с почти 100% използване на работната течност и с енергийна ефективност, близка до единица.

Нашият колега Стал Яковлевич Лебедев изигра важна роля в създаването на модели на йонен двигател с такава схема. С желязната си упоритост и упоритост той преодолява всички препятствия. В резултат на това беше възможно да се възпроизведе в метал плоска триелектродна верига на йонен пропулсор. Първият електрод е волфрамова плоча с размери приблизително 10 × 10 cm с потенциал +7 kV, вторият е волфрамова решетка с потенциал -3 kV, а третият е торирана волфрамова решетка с нулев потенциал. „Молекулярният пистолет“ даде лъч от цезиеви пари, които паднаха през всички решетки върху повърхността на волфрамовата плоча. Балансиран и калибриран метална чиния, т. нар. баланс, служещ за измерване на "силата", т.е. тягата на йонния лъч.

Ускоряващо напрежение към първата решетка ускорява цезиевите йони до 10 000 eV, докато забавящо напрежение към втората решетка ги забавя до 7 000 eV. Това е енергията, с която йоните трябва да напуснат витлото, което съответства на скорост на изтичане от 100 km/s. Но йонният лъч, ограничен от пространствения заряд, не може да „излезе навън“. космическо пространство“. Обемният заряд на йоните трябва да се компенсира от електрони, за да се образува квазинеутрална плазма, която свободно се разпространява в пространството и създава реактивна тяга. Източникът на електрони за компенсиране на пространствения заряд на йонния лъч е третата решетка (катод), нагрята от тока. Втората, "заключваща" решетка предотвратява преминаването на електрони от катода към волфрамовата плоча.

Първият опит с модела за йонно задвижване бележи началото на повече от десет години работа. Един от най-новите модели - с порест волфрамов емитер, създаден през 1965 г., дава "тяга" около 20 g при ток на йонния лъч 20 A, има коефициент на използване на енергията около 90% и степен на използване на материята 95 %.

Директно преобразуване на ядрена топлина в електричество

Все още не са открити начини за директно преобразуване на енергията от ядреното делене в електрическа. Все още не можем без междинна връзка - топлинна машина. Тъй като ефективността му винаги е по-малка от единица, "отпадъчната" топлина трябва да се постави някъде. На сушата, във водата и във въздуха няма проблеми с това. В космоса има само един път - топлинното излъчване. Така АЕЦ Козлодуйна не може без „хладилник-излъчвател”. Плътността на излъчване е пропорционална на четвъртата степен на абсолютната температура, така че температурата на радиатора-радиатор трябва да бъде възможно най-висока. Тогава ще бъде възможно да се намали площта на излъчващата повърхност и съответно масата на електроцентралата. Дойдохме с идеята да използваме "директното" преобразуване на ядрената топлина в електричество, без турбина или генератор, което изглеждаше по-надеждно при продължителна работа при високи температури.

От литературата знаехме за произведенията на A.F. Йофе - основател на съветската школа по техническа физика, пионер в изучаването на полупроводниците в СССР. Малцина сега си спомнят текущите източници, които е разработил, които са били използвани през годините на Великия Отечествена война. Тогава не сам партизански отрядимаше връзка с континента благодарение на "керосиновите" ТЕГ - термоелектрическите генератори на Йофе. „Короната“ на ТЕГ (това беше набор от полупроводникови елементи) беше поставена върху керосинова лампа, а проводниците й бяха свързани към радио оборудване. „Горещите“ краища на елементите се нагряват от пламъка на керосинова лампа, докато „студените“ краища се охлаждат във въздуха. Топлинният поток, преминавайки през полупроводника, генерираше електродвижеща сила, която беше достатъчна за комуникационна сесия, а в интервалите между тях ТЕГ зареждаше батерията. Когато десет години след Победата посетихме московския завод за ТЕГ, се оказа, че те все още намират продажби. Много селяни тогава имаха икономични радиоприемници "Родина" с директни лампи с нажежаема жичка, захранвани от батерия. Вместо това често се използват ТЕГ.

Проблемът с керосиновия ТЕГ е неговата ниска ефективност (само около 3,5%) и ниска гранична температура (350°K). Но простотата и надеждността на тези устройства привлече разработчиците. И така, полупроводникови преобразуватели, разработени от групата на I.G. Гвердцители от Института по физика и технологии в Сухуми, са намерили приложение в космически инсталации от типа на Бук.

По едно време А.Ф. Йофе предложи друг термоелектронен преобразувател - диод във вакуум. Принципът на неговото действие е следният: нагрят катод излъчва електрони, част от тях, преодолявайки потенциала на анода, върши работа. Очакваше се това устройство да има значително по-висока ефективност (20-25%) с Работна температуранад 1000°K. Освен това, за разлика от полупроводника, вакуумният диод не се страхува от неутронно лъчение и може да се комбинира с ядрен реактор. Оказа се обаче, че е невъзможно да се реализира идеята за „вакуумния“ конвертор на Йофе. Както при йонното задвижване, във вакуумния преобразувател трябва да се отървете от пространствения заряд, но този път не от йони, а от електрони. А.Ф. Йофе възнамерява да използва микронни междини между катода и анода във вакуумен преобразувател, което е практически невъзможно при условия на високи температури и топлинни деформации. Това е мястото, където цезият е полезен: един цезиев йон, произведен от повърхностна йонизация на катода, компенсира пространствения заряд от около 500 електрона! Всъщност цезиевият конвертор е "обърнат" йонен двигател. Физическите процеси в тях са близки.

"Гирлянди" V.A. Малиха

Един от резултатите от работата на IPPE върху термични преобразуватели беше създаването на V.A. Малих и серийно производство в неговия отдел на горивни елементи от последователно свързани термоелектронни преобразуватели - "гирлянди" за реактора Топаз. Те дадоха до 30 V - сто пъти повече от едноелементните преобразуватели, създадени от "конкурентни организации" - Ленинградската група на M.B. Барабаш, а по-късно – от Института по атомна енергия. Това даде възможност да се "отстрани" десетки и стотици пъти повече мощност от реактора. Въпреки това, надеждността на системата, пълна с хиляди термоелементи, предизвиква безпокойство. В същото време парните и газовите турбини работеха безотказно, затова насочихме вниманието си към „машинното“ преобразуване на ядрената топлина в електричество.

Цялата трудност беше в ресурса, тъй като при далечни космически полети турбогенераторите трябва да работят година, две или дори няколко години. За да се намали износването, „оборотите“ (оборотите на турбината) трябва да бъдат възможно най-ниски. От друга страна, турбината работи ефективно, ако скоростта на молекулите на газа или парата е близка до скоростта на нейните лопатки. Затова отначало обмислихме използването на най-тежките - живачни пари. Но ние бяхме уплашени от интензивната радиационно-индуцирана корозия на желязо и неръждаема стомана, която се появи в охлаждан с живак ядрен реактор. За две седмици корозията "изяде" горивните елементи на експерименталния бърз реактор "Клементин" в лабораторията "Аргон" (САЩ, 1949 г.) и реактора БР-2 в ИФЕ (СССР, Обнинск, 1956 г.).

Калиевата пара беше изкусителна. Реакторът с кипящ калий в него формира основата на електроцентралата, която разработваме за космически кораб с ниска тяга - калиевата пара завъртя турбогенератора. Такъв „машинен“ метод за преобразуване на топлина в електричество позволява да се разчита на ефективност до 40%, докато реалните термоелектронни инсталации дават ефективност от само около 7%. Не са разработени обаче АЕЦ с „машинно“ преобразуване на ядрената топлина в електричество. Случаят приключи с публикуването на подробен доклад, всъщност „физическа бележка“ към техническия дизайн на космически кораб с ниска тяга за полет с екипаж до Марс. Самият проект така и не е разработен.

Мисля, че в бъдеще интересът към космически полети с ядрени ракетни двигатели просто изчезна. След смъртта на Сергей Павлович Корольов подкрепата за работата на IPPE върху йонното задвижване и „машинните“ атомни електроцентрали значително отслабна. OKB-1 беше ръководен от Валентин Петрович Глушко, който не се интересуваше от смели обещаващи проекти. Създаденото от него конструкторско бюро "Енергия" построи мощни химически ракети и космическия кораб "Буран", завръщащ се на Земята.

"Бук" и "Топаз" на спътници от серията "Космос".

Работа по създаването на АЕЦ „Козлодуй“ с директно преобразуване на топлината в електричество, сега като източници на енергия за мощни радиотехнически спътници (космически радарни станциии телевизионни оператори), продължи до началото на перестройката. От 1970 до 1988 г. около 30 радарни сателита са изстреляни в космоса с атомни електроцентрали "Бук" с полупроводникови преобразувателни реактори и два с термоелектронни инсталации "Топаз". Бук всъщност беше TEG - полупроводников преобразувател на Йофе, само че вместо керосинова лампа използваше ядрен реактор. Това беше бърз реактор с мощност до 100 kW. Пълният товар от високообогатен уран беше около 30 кг. Топлината от ядрото беше прехвърлена течен метал— евтектична сплав от натриеви и калиеви полупроводникови батерии. Електрическата мощност достигна 5 kW.

Съоръжението "Бук" под научното ръководство на IPPE е разработено от специалистите на ОКБ-670 М.М. Бондарюк, по-късно - НПО Красная звезда (главен дизайнер - Г. М. Грязнов). На Днепропетровското конструкторско бюро Южмаш (главен конструктор М. К. Янгел) беше възложено да създаде ракета-носител за извеждане на спътника в орбита.

Срокът на експлоатация на Бука е 1-3 месеца. Ако инсталацията се провали, спътникът беше прехвърлен на дългосрочна орбита с височина 1000 км. За почти 20 години изстрелвания има три случая на падане на сателит на Земята: два в океана и един в сушата, в Канада, в близост до Голямото робско езеро. Там падна Космос-954, изстрелян на 24 януари 1978 г. Работил е 3,5 месеца. Урановите елементи на сателита изгоряха напълно в атмосферата. На земята са намерени само останки от берилиев рефлектор и полупроводникови батерии. (Всички тези данни са дадени в съвместния доклад на ядрените комисии на САЩ и Канада за операция Morning Light.)

В термоелектронната атомна електроцентрала Topaz е използван термичен реактор с мощност до 150 kW. Пълният товар с уран беше около 12 кг - значително по-малко от това на "Бук". Основата на реактора бяха горивни елементи - "гирлянди", разработени и произведени от групата на Малих. Те бяха верига от термоелементи: катодът беше „напръстник“ от волфрам или молибден, напълнен с ураниев оксид, анодът беше тънкостенна ниобиева тръба, охлаждана с течен натрий-калий. Температурата на катода достига 1650°C. Електрическата мощност на инсталацията достигна 10 kW.

Първият летателен модел, спътникът Космос-1818 с инсталацията Топаз, излезе в орбита на 2 февруари 1987 г. и работи безупречно шест месеца, докато резервите от цезий бяха изчерпани. Вторият спътник, Космос-1876, беше изстрелян година по-късно. Той работи в орбита почти два пъти по-дълго. Основният разработчик на Topaz беше OKB MMZ Soyuz, ръководен от S.K. Тумански (бивше конструкторско бюро на конструктора на авиационни двигатели А.А. Микулин).

Беше в края на 50-те години на миналия век, когато работехме върху йонно задвижване и той работеше върху двигател от трета степен за ракета, която щеше да лети около Луната и да кацне на нея. Спомените за лабораторията на Мелников са пресни и до днес. Намираше се в Подлипки (сега град Королев), на площадка № 3 на ОКБ-1. Огромна работилница с площ от около 3000 m2, подредена с десетки бюра с циклични осцилоскопи, записващи на 100 mm ролна хартия (това все още беше отминала епоха, днес един персонален компютър би бил достатъчен). На предната стена на работилницата има стойка, където е монтирана горивната камера на "лунния" ракетен двигател. Хиляди проводници отиват към осцилоскопите от сензори за скорост на газа, налягане, температура и други параметри. Денят започва в 9.00 със запалване на двигателя. Работи няколко минути, след което веднага след спирането му екипът на първа смяна го демонтира, внимателно оглежда и измерва горивната камера. В същото време се анализират лентите на осцилоскопа и се правят препоръки за промени в дизайна. Втората смяна - дизайнери и работници в работилницата правят препоръчителните промени. В третата смяна на стенда се монтира нова горивна камера и диагностична система. Ден по-късно, точно в 9.00, следващата сесия. И така без почивни дни седмици, месеци. Повече от 300 варианта на двигателя годишно!

Така се създават химически ракетни двигатели, които трябва да работят само 20-30 минути. Какво да кажем за тестването и усъвършенстването на атомните електроцентрали - изчислението беше, че те трябва да работят повече от една година. Това изискваше наистина гигантски усилия.