Tuumarakettmootorid ja tuumarakettide elektrilised tõukejõusüsteemid. Venemaa uus superrelv: mis on tuumarakettmootor

Idee visata aatomipommid ahtri taha osutus liiga jõhkraks, kuid energiahulk, mida tuuma lõhustumise reaktsioon toodab, termotuumasünteesist rääkimata, on astronautika jaoks äärmiselt atraktiivne. Seetõttu loodi palju mitteimpulsssüsteeme, mis kaotasid sadade salvestamise vaeva tuumapommid pardal ja tsüklopeedilised amortisaatorid. Me räägime neist täna.

Tuumafüüsika teie käeulatuses

NERVA

Projekti ajalugu

Disain

Vesinik paagist sisenes reaktorisse, kuumutati seal ja visati välja, tekitades joa tõukejõud. Töövedelikuks valiti vesinik, kuna sellel on kerged aatomid ja seda on kergem kiirendada suurele kiirusele. Mida suurem on reaktiivlennuki väljalaskekiirus, seda tõhusam on raketimootor.
Neutronite reflektorit kasutati tagamaks, et neutronid suunatakse tagasi reaktorisse, et säilitada tuumaahelreaktsioon.
Reaktori juhtimiseks kasutati kontrollvardaid. Iga selline varras koosnes kahest poolest – reflektorist ja neutroni neeldurist. Kui varda keeras neutronreflektor, suurenes nende vooluhulk reaktoris ja reaktor suurendas soojusülekannet. Kui varda keeras neutronabsorber, vähenes nende vool reaktoris ja reaktor vähendas soojusülekannet.
Düüsi jahutamiseks kasutati ka vesinikku ja düüsi jahutussüsteemist tulev soe vesinik pööras turbopumpa, et varustada rohkem vesinikku.

Mootor töötab. Plahvatusohu vältimiseks süüdati spetsiaalselt düüsi väljalaskeava juures vesinik, ruumis põlemist ei toimuks.

NERVA mootor andis 34 tonni tõukejõudu, mis on umbes poolteist korda vähem kui J-2 mootor, mis toitis Saturn V raketi teist ja kolmandat etappi. Eriimpulss oli 800-900 sekundit, mis oli kaks korda kõrgem kui parimatel hapniku-vesiniku kütusepaari kasutavatel mootoritel, kuid väiksem kui elektrilisel tõukejõul või Orioni mootoril.

Natuke turvalisusest

RD-0410

Nõukogude RD-0410 mootoril on sarnane ajalugu. Mootori idee sündis 40ndate lõpus raketi- ja tuumatehnoloogia pioneeride seas. Sarnaselt Roveri projektiga oli esialgne idee esimese etapi tuumaõhku hingav mootor ballistiline rakett, siis liikus areng kosmosetööstusesse. RD-0410 töötati välja aeglasemalt; kodumaised arendajad tõmbasid gaasifaasilise tuumajõumootori idee (sellest lähemalt allpool). Projekt sai alguse 1966. aastal ja kestis 80ndate keskpaigani. Mootori sihtmärgiks oli Mars 94 missioon, mehitatud lend Marsile 1994. aastal.
RD-0410 disain sarnaneb NERVA-ga - vesinik läbib düüsi ja reflektoreid, jahutades neid, suunatakse reaktori südamikusse, soojendatakse seal ja vabastatakse.
Oma omaduste järgi oli RD-0410 parem kui NERVA - reaktori südamiku temperatuur oli NERVA 2000 K asemel 3000 K ja eriimpulss ületas 900 s. RD-0410 oli kergem ja kompaktsem kui NERVA ning sellel oli kümme korda väiksem tõukejõud.

Mootori testid. Vasakpoolses alumises osas asuv külgpõleti süütab vesiniku, et vältida plahvatust.

Tahkefaasiliste tuumajõumootorite arendamine

Tuumakütuse soola mootor

Idee pakkus välja 1991. aastal Robert Zubrin ja see lubab erinevatel hinnangutel konkreetset impulssi 1300–6700 s tonnides mõõdetava tõukejõuga. Kahjuks on sellisel skeemil ka puudusi:

• Kütuse ladustamise keerukus - ahelreaktsiooni paagis tuleb vältida, asetades kütust näiteks neutronabsorberist pärit õhukestesse torudesse, nii on paagid keerulised, rasked ja kallid.


• Tuumakütuse suur tarbimine on tingitud asjaolust, et reaktsiooni efektiivsus (lagunenud/kulutatud aatomite arv) on väga madal. Isegi aatomipommis lõhustuv materjal ei "põle" täielikult, kohe läheb suurem osa väärtuslikust tuumakütusest raisku.


• Maapinna testid on praktiliselt võimatud - sellise mootori heitgaasid on väga määrdunud, mustemad isegi kui Orionil.


• Tuumareaktsiooni juhtimisega seoses on mõned küsimused – see ei ole tõsiasi, et sõnaliselt lihtsat skeemi oleks lihtne tehniliselt rakendada.

Gaasifaasilised tuumajõumootorid

Gaasifaasiline tuumajõumootor lubab spetsiifilist impulssi kuni 3000-5000 sekundit. NSV Liidus alustati gaasifaasilise tuumajõumootori (RD-600) projektiga, kuid see ei jõudnud isegi maketi staadiumisse.
"Avatud tsükkel" tähendab, et tuumkütus lastakse väljapoole, mis loomulikult vähendab efektiivsust. Seetõttu leiutati järgmine idee, naastes dialektiliselt tahkefaasiliste NRE-de juurde – ümbritsegem tuumareaktsiooni piirkond piisavalt kuumakindla ainega, mis hakkab kiirgavat soojust edasi kandma. Sellise ainena pakuti välja kvarts, sest kümnete tuhandete kraadide juures kandub soojus kiirguse toimel ja anuma materjal peab olema läbipaistev. Tulemuseks on gaasifaasiline suletud tsükliga tuumajõumootor ehk "tuumapirn":

Sel juhul on sisetemperatuuri piiriks "lambipirni" kesta soojustugevus. Kvartsi sulamistemperatuur on 1700 kraadi Celsiuse järgi, aktiivse jahutamisega saab temperatuuri tõsta, kuid igal juhul on eriimpulss madalam kui avatud vooluringil (1300-1500 s), kuid tuumakütus kulub säästlikumalt ja heitgaas on puhtam.

Alternatiivsed projektid

Lõhustuv mootor

Veelgi huvitavam idee on luua lõhustuvatest materjalidest tolmune plasma (mäletatavasti ISS-il), milles ioniseeritakse tuumakütuse nanoosakeste lagunemissaadused. elektriväli ja visatakse välja, tekitades tõukejõu:

Nad lubavad fantastilist spetsiifilist impulssi 1 000 000 sekundit. Entusiasmi pärsib see, et areng on teoreetilise uurimistöö tasemel.

Tuumasünteesimootorid

Tuumafootonrakett

Radioisotoopide rakett

Järeldus

Teabeallikad

Sergeev Aleksei, 9 “A” klass, Munitsipaalharidusasutus “Keskkool nr 84”

Teaduskonsultant: , mittetulundusliku teadus- ja uuendustegevuse partnerluse "Tomski aatomikeskus" direktori asetäitja

Juhataja: , füüsikaõpetaja, Munitsipaalharidusasutus “Keskkool nr 84” CATO Seversk

Sissejuhatus

Kosmoselaeva pardal olevad tõukejõusüsteemid on loodud tõukejõu või impulsi tekitamiseks. Kasutatava tõukejõu tüübi järgi jaotatakse tõukejõusüsteem keemiliseks (CHRD) ja mittekeemiliseks (NCRD). CRD-d jagunevad vedelkütuse mootoriteks (LPRE), tahkekütuse rakettmootoriteks (tahkekütuse mootoriteks) ja kombineeritud rakettmootoriteks (RCR). Omakorda jagunevad mittekeemilised tõukejõusüsteemid tuuma- (NRE) ja elektrilisteks (EP). Suur teadlane Konstantin Eduardovitš Tsiolkovski lõi sajand tagasi esimese tõukejõusüsteemi mudeli, mis töötas tahkel ja vedelal kütusel. Hiljem, 20. sajandi teisel poolel, sooritati tuhandeid lende, kasutades peamiselt vedelkütusega mootoreid ja tahkekütuse rakettmootoreid.

Kuid praegu muutub vedelkütusega rakettmootorite ja tahkekütuse rakettmootorite kasutamine lendudeks teistele planeetidele, tähtedest rääkimata, järjest kahjumlikumaks, kuigi rakettmootoreid on välja töötatud palju. Tõenäoliselt on vedelkütusega rakettmootorite ja tahkekütuse rakettmootorite võimalused end täielikult ammendanud. Põhjus on siin selles, et kõigi keemiliste tõukurite eriimpulss on madal ja ei ületa 5000 m/s, mis nõuab tõukejõu pikaajalist tööd ja vastavalt ka suuri kütusevarusid piisavalt suurte kiiruste arendamiseks või nagu astronautikas tavaks, on vaja Tsiolkovski arvu suuri väärtusi, st kütusega töötava raketi massi suhet tühja raketi massi. Nii on 100 tonni kasulikku lasti madalale orbiidile suunava kanderaketi Energia stardimassiks umbes 3000 tonni, mis annab Tsiolkovski numbrile väärtuse 30 piires.

Näiteks lennul Marsile peaks Tsiolkovski arv olema veelgi suurem, ulatudes väärtusteni 30 kuni 50. Lihtne on hinnata, et umbes 1000 tonnise kandevõimega ja just nendes piirides on minimaalne mass. vaja tagada kõik vajalik Marsile startivale meeskonnale varieerub Võttes arvesse kütusevaru Maale tagasilennuks, peab kosmoselaeva algmass olema vähemalt 30 000 tonni, mis ületab selgelt kaasaegse astronautika arengutaseme, põhineb vedelkütuse mootorite ja tahkekütuse rakettmootorite kasutamisel.

Seega, et mehitatud meeskonnad jõuaksid ka lähimatele planeetidele, on vaja välja töötada kanderaketid mootoritel, mis töötavad muudel põhimõtetel kui keemiline tõukejõud. Kõige lootustandvamad on selles osas elektrilised reaktiivmootorid (EPE), termokeemilised rakettmootorid ja tuumareaktiivmootorid (NRE).

1.Põhimõisted

Rakettmootor on reaktiivmootor, mis ei kasuta tööks keskkonda (õhku, vett). Kõige enam kasutatakse keemilisi rakettmootoreid. Arendatakse ja katsetatakse teist tüüpi rakettmootoreid – elektri-, tuuma- ja teisi. Peal kosmosejaamad Seadmetes kasutatakse laialdaselt ka lihtsamaid surugaasidel töötavaid rakettmootoreid. Tavaliselt kasutavad nad töövedelikuna lämmastikku. /1/

Tõukejõusüsteemide klassifikatsioon

2. Rakettmootorite otstarve

Vastavalt otstarbele jagunevad rakettmootorid mitmeks põhitüübiks: kiirendavad (käivitavad), pidurdavad, tõukejõu-, juhtimis- ja teised. Rakettmootoreid kasutatakse peamiselt rakettidel (sellest ka nimi). Lisaks kasutatakse mõnikord lennunduses rakettmootoreid. Rakettmootorid on astronautika peamised mootorid.

Sõjalistel (lahingu)rakettidel on tavaliselt tahkekütuse mootorid. See on tingitud asjaolust, et sellist mootorit tankitakse tehases ja see ei vaja hooldust kogu raketi enda ladustamis- ja kasutusaja jooksul. Tahkekütuse mootoreid kasutatakse sageli kosmoserakettide võimenditena. Eriti laialdaselt kasutatakse neid selles valdkonnas USA-s, Prantsusmaal, Jaapanis ja Hiinas.

Vedelrakettmootoritel on suurem tõukejõud kui tahketel rakettmootoritel. Seetõttu kasutatakse neid kosmoserakettide Maa ümber orbiidile saatmiseks ja planeetidevahelisteks lendudeks. Peamised rakettide vedelad raketikütused on petrooleum, heptaan (dimetüülhüdrasiin) ja vedel vesinik. Seda tüüpi kütuse jaoks on vaja oksüdeerijat (hapnikku). Sellistes mootorites kasutatakse oksüdeerijatena lämmastikhapet ja veeldatud hapnikku. Lämmastikhape on oksüdeerivate omaduste poolest madalam kui veeldatud hapnik, kuid ei vaja erilist hooldust temperatuuri režiim rakettide ladustamise, tankimise ja kasutamise ajal

Kosmoselendude mootorid erinevad Maa mootoritest selle poolest, et need peavad tootma võimalikult palju võimsust võimalikult väikese massi ja mahuga. Lisaks kehtivad neile sellised nõuded nagu erakordselt kõrge efektiivsus ja töökindlus ning märkimisväärne tööaeg. Kasutatava energia tüübi järgi jagunevad kosmoselaevade tõukejõusüsteemid nelja tüüpi: termokeemilised, tuuma-, elektri-, päikesepurjed. Igal loetletud tüübil on oma eelised ja puudused ning neid saab kasutada teatud tingimustel.

Praegu saadetakse võimsate termokeemiliste mootoritega varustatud rakettidega kosmosesse kosmoselaevu, orbitaaljaamu ja mehitamata Maa satelliite. On ka väikese tõukejõuga minimootoreid. See on võimsate mootorite väiksem koopia. Mõned neist mahuvad teie peopessa. Selliste mootorite tõukejõud on väga väike, kuid sellest piisab, et kontrollida laeva asendit ruumis

3. Termokeemilised rakettmootorid.

On teada, et sisepõlemismootoris on aurukatla ahi - kõikjal, kus põlemine toimub, võtab õhuhapnik kõige aktiivsema osa. Kosmoses pole õhku ja rakettmootorite avakosmoses töötamiseks on vaja kahte komponenti - kütust ja oksüdeerijat.

Vedelad termokeemilised rakettmootorid kasutavad kütusena alkoholi, petrooleumi, bensiini, aniliini, hüdrasiini, dimetüülhüdrasiini ja vedelat vesinikku. Oksüdeeriva ainena kasutatakse vedelat hapnikku, vesinikperoksiidi ja lämmastikhapet. Võib-olla hakatakse tulevikus vedelat fluori kasutama oksüdeeriva ainena, kui leiutatakse meetodid sellise aktiivse kemikaali säilitamiseks ja kasutamiseks

Vedelreaktiivmootorite kütust ja oksüdeerijat hoitakse eraldi spetsiaalsetes paakides ja tarnitakse pumpade abil põlemiskambrisse. Kui need põlemiskambris kokku panna, ulatuvad temperatuurid 3000 – 4500 °C.

Paisuvad põlemissaadused omandavad kiiruse 2500–4500 m/s. Mootori korpusest eemaldudes tekitavad need joa tõukejõu. Samal ajal, mida suurem on gaasivoolu mass ja kiirus, seda suurem on mootori tõukejõud.

Mootorite spetsiifilist tõukejõudu hinnatakse tavaliselt ühe sekundi jooksul põletatud kütuse massiühiku kohta tekitatud tõukejõu järgi. Seda suurust nimetatakse rakettmootori eriimpulsiks ja seda mõõdetakse sekundites (kg tõukejõudu / kg põletatud kütust sekundis). Parimatel tahkekütuse rakettmootoritel on eriimpulss kuni 190 s, see tähendab, et 1 kg kütuse põlemine sekundis tekitab tõukejõu 190 kg. Vesinik-hapnik rakettmootori eriimpulss on 350 s. Teoreetiliselt võib vesinikfluorimootor arendada spetsiifilise impulsi, mis on pikem kui 400 s.

Tavaliselt kasutatav vedela rakettmootori vooluring töötab järgmiselt. Surugaas tekitab krüogeense kütusega paakides vajaliku rõhu, et vältida gaasimullide tekkimist torustikes. Pumbad varustavad rakettmootoreid kütusega. Kütus süstitakse põlemiskambrisse läbi suur hulk pihustid. Läbi düüside süstitakse põlemiskambrisse ka oksüdeerija.

Igas autos tekivad kütuse põlemisel suured soojusvood, mis soojendavad mootori seinu. Kui te kambri seinu ei jahuta, põleb see kiiresti läbi, olenemata sellest, mis materjalist see on valmistatud. Vedelreaktiivmootorit jahutatakse tavaliselt ühe kütusekomponendiga. Sel eesmärgil on kamber valmistatud kahest seinast. Kütuse külm komponent voolab seinte vahelises pilus.

Alumiinium" href="/text/category/alyuminij/" rel="bookmark">alumiinium jne. Eelkõige lisandina tavalistele kütustele, nagu vesinik-hapnik. Sellised "kolmekomponentsed koostised" suudavad tagada suurima võimaliku kiiruse keemiatööstusele kütused heitgaas - kuni 5 km/s.Aga see on praktiliselt keemia ressursside piir.Rohkem praktiliselt ei saagi.Kuigi pakutud kirjelduses domineerivad endiselt vedelad rakettmootorid,peab ütlema,et esimene ajaloos inimkonnast loodi tahket kütust kasutav termokeemiline rakettmootor - Tahkekütusega rakettmootor Kütus - näiteks spetsiaalne püssirohi - asub otse põlemiskambris. Tahkekütusega täidetud reaktiivotsikuga põlemiskamber - see on kogu disain. Tahkekütuse põlemisviis oleneb tahkekütuse rakettmootori otstarbest (stardi-, säilitus- või kombineeritud).Sõjanduses kasutatavatele tahkekütuse rakettidele on iseloomulik stardi- ja tõukejõumootorite olemasolu.Tahkekütuse rakettmootori käivitamine arendab suur tõukejõud väga lühikest aega, mis on vajalik raketi laskumiseks kanderakett ja selle esialgne kiirendus. Tahkekütuse rakettmootor on loodud selleks, et säilitada raketi konstantne lennukiirus lennutrajektoori põhiosas (tõukejõul). Erinevused nende vahel seisnevad peamiselt põlemiskambri konstruktsioonis ja kütuselaengu põlemispinna profiilis, mis määravad ära kütuse põlemiskiiruse, millest sõltub tööaeg ja mootori tõukejõud. Erinevalt sellistest rakettidest on Maa satelliitide orbiidile mõeldud kanderaketid, orbitaaljaamad ja kosmoseaparaadid, aga ka planeetidevahelised jaamad, töötavad ainult stardirežiimis alates raketi stardist kuni objekti lennutamiseni ümber Maa orbiidile või planeetidevahelisele trajektoorile. Üldjuhul ei ole tahkekütuse rakettmootoritel vedelkütusemootorite ees palju eeliseid: neid on lihtne valmistada, neid saab kaua säilitada, need on alati töövalmis ja suhteliselt plahvatuskindlad. Kuid spetsiifilise tõukejõu poolest on tahkekütusel töötavad mootorid vedelatest mootoritest 10-30% madalamad.

4. Elektrilised rakettmootorid

Peaaegu kõik eespool käsitletud rakettmootorid arendavad tohutut tõukejõudu ja on mõeldud kosmoselaevade Maa ümber orbiidile saatmiseks ja nende kiirendamiseks planeetidevaheliste lendude jaoks kosmilise kiiruseni. Hoopis teine ​​asi on juba orbiidile või planeetidevahelisel trajektooril liikunud kosmoselaevade tõukejõusüsteemid. Siin on reeglina vaja väikese võimsusega (mitu kilovatti või isegi vatti) mootoreid, mis on võimelised töötama sadu ja tuhandeid tunde ning olema korduvalt sisse-välja lülitatavad. Need võimaldavad säilitada lendu orbiidil või mööda etteantud trajektoori, kompenseerides atmosfääri ülemiste kihtide ja päikesetuule tekitatud lennutakistust. Elektrilistes rakettmootorites kiirendatakse töövedelikku teatud kiiruseni, kuumutades seda elektrienergiaga. Elekter tuleb päikesepaneelidest või tuumajaamast. Töövedeliku kuumutamise meetodid on erinevad, kuid tegelikkuses kasutatakse peamiselt elektrikaar. See on osutunud väga töökindlaks ja talub paljusid käivitamisi. Vesinikku kasutatakse töövedelikuna elektrikaaremootorites. Elektrikaare abil kuumutatakse vesinik väga kõrge temperatuurini ja see muutub plasmaks – positiivsete ioonide ja elektronide elektriliselt neutraalseks seguks. Plasma väljavoolu kiirus mootorist ulatub 20 km/s. Kui teadlased lahendavad plasma magnetilise isoleerimise probleemi mootorikambri seintest, on võimalik plasma temperatuuri märkimisväärselt tõsta ja heitgaasi kiirust 100 km/s-ni. Esimene elektriline rakettmootor töötati välja Nõukogude Liidus aastatel. juhtimisel (hiljem sai temast Nõukogude kosmoserakettide mootorite looja ja akadeemik) kuulsas Gas Dynamics Laboratory (GDL) juures./10/

5. Muud tüüpi mootorid

Tuumarakettmootorite jaoks on ka eksootilisemaid konstruktsioone, milles lõhustuv materjal on vedelas, gaasilises või isegi plasma olekus, kuid selliste konstruktsioonide rakendamine praegusel tehnoloogia ja tehnoloogia tasemel on ebareaalne. Järgmised rakettmootorite projektid on veel teoreetilises või laboratoorses staadiumis:

Impulss-tuumarakettmootorid, mis kasutavad väikeste tuumalaengute plahvatuste energiat;

Termotuumarakettmootorid, mis võivad kütusena kasutada vesiniku isotoopi. Vesiniku energiatootlikkus sellises reaktsioonis on 6,8 * 1011 KJ/kg, st ligikaudu kaks suurusjärku kõrgem kui tuumalõhustumisreaktsioonide tootlikkus;

Päikesepurje mootorid - mis kasutavad päikesevalguse rõhku (päikesetuul), mille olemasolu tõestas empiiriliselt üks vene füüsik juba 1899. aastal. Teadlased on arvutustega kindlaks teinud, et 1 tonni kaaluv seade, mis on varustatud 500 m läbimõõduga purjega, suudab lennata Maalt Marsile umbes 300 päevaga. Päikesepurje efektiivsus väheneb aga Päikesest kaugenedes kiiresti.

6.Tuumarakettmootorid

Vedelkütuse rakettmootorite üks peamisi puudusi on seotud piiratud kiirus gaaside lekkimine. Tuumarakettmootorites näib olevat võimalik kasutada tuuma "kütuse" lagunemisel vabanevat kolossaalset energiat tööaine soojendamiseks. Tuumarakettmootorite tööpõhimõte ei erine peaaegu üldse termokeemiliste mootorite tööpõhimõttest. Erinevus seisneb selles, et töövedelikku kuumutatakse mitte tema enda keemilise energia, vaid tuumasisese reaktsiooni käigus vabaneva "võõra" energia tõttu. Töövedelik juhitakse läbi tuumareaktori, milles toimub aatomituumade (näiteks uraani) lõhustumisreaktsioon, ja kuumutatakse. Tuumarakettmootorid kaotavad vajaduse oksüdeerija järele ja seetõttu saab kasutada ainult ühte vedelikku. Töövedelikuna on soovitav kasutada aineid, mis võimaldavad mootoril suuremat veojõudu arendada. Selle tingimuse rahuldab kõige paremini vesinik, millele järgneb ammoniaak, hüdrasiin ja vesi. Protsessid, mille käigus tuumaenergia vabaneb, jagunevad radioaktiivseteks transformatsioonideks, raskete tuumade lõhustumisreaktsioonideks ja kergete tuumade ühinemisreaktsioonideks. Radioisotoopide transformatsioonid realiseeritakse nn isotoopide energiaallikates. Tehislike radioaktiivsete isotoopide erimassienergia (energia, mida 1 kg kaaluv aine suudab vabastada) on oluliselt suurem kui keemilistel kütustel. Seega 210Po puhul võrdub see 5*10 8 KJ/kg, samas kui kõige energiasäästlikuma keemilise kütuse (hapnikuga berüllium) puhul ei ületa see väärtus 3*10 4 KJ/kg. Kahjuks ei ole veel ratsionaalne selliseid mootoreid kosmosekanderakettidel kasutada. Selle põhjuseks on isotoopaine kõrge hind ja kasutusraskused. Isotoop eraldab ju pidevalt energiat, isegi kui seda transporditakse spetsiaalses konteineris ja kui rakett on stardipaigas pargitud. Tuumareaktorid kasutavad energiasäästlikumat kütust. Seega on 235U (uraani lõhustuva isotoobi) massi erienergia võrdne 6,75 * 10 9 KJ/kg, st ligikaudu suurusjärgu võrra suurem kui 210Po isotoobi oma. Neid mootoreid saab “sisse lülitada” ja “välja lülitada”, tuumkütus (233U, 235U, 238U, 239Pu) on palju odavam kui isotoopkütus. Sellistes mootorites saab töövedelikuna kasutada mitte ainult vett, vaid ka tõhusamaid tööaineid - piiritust, ammoniaaki, vedelat vesinikku. Vedela vesinikuga mootori eritõukejõud on 900 s. Tahkel tuumakütusel töötava reaktoriga tuumarakettmootori lihtsaima konstruktsiooni korral asetatakse töövedelik paaki. Pump annab selle mootorikambrisse. Düüside abil pihustades puutub töövedelik kokku kütust tekitava tuumkütusega, soojeneb, paisub ja paiskub suurel kiirusel läbi düüsi välja. Tuumakütus on energiavarude poolest parem kui mis tahes muud tüüpi kütus. Siis tekib loogiline küsimus: miks on seda kütust kasutavatel käitistel ikkagi suhteliselt madal eritõukejõud ja suur mass? Fakt on see, et tahkefaasilise tuumarakettmootori spetsiifilist tõukejõudu piirab lõhustuva materjali temperatuur ja elektrijaam kiirgab töötamise ajal tugevat ioniseerivat kiirgust, millel on kahjulik mõju elusorganismidele. Bioloogiline kaitse sellise kiirguse eest on väga oluline ja seda ei kohaldata kosmosesõidukitel. Tahket tuumakütust kasutavate tuumarakettmootorite praktiline väljatöötamine algas 20. sajandi 50. aastate keskel Nõukogude Liidus ja USA-s peaaegu samaaegselt esimeste tuumaelektrijaamade ehitamisega. Tööd tehti kõrgendatud salastatuse õhkkonnas, kuid on teada, et sellised rakettmootorid pole astronautikas veel päris kasutust leidnud. Siiani on kõik piirdunud suhteliselt väikese võimsusega isotoopsete elektrienergiaallikate kasutamisega mehitamata tehissatelliitidel, planeetidevahelistel kosmoselaevadel ja maailmakuulsal Nõukogude "kuukulguril".

7.Tuumareaktiivmootorid, tööpõhimõtted, impulsi saamise meetodid tuumakäituris.

Tuumarakettmootorid said oma nime tänu sellele, et nad loovad tuumaenergia kasutamise kaudu tõukejõu ehk energia, mis vabaneb tuumareaktsioonide tulemusena. Üldises mõttes tähendavad need reaktsioonid mis tahes muutusi aatomituumade energiaseisundis, samuti mõnede tuumade muutumist teisteks, mis on seotud tuumade struktuuri ümberkorraldamisega või neis sisalduvate elementaarosakeste arvu muutumisega. nukleonid. Pealegi võivad tuumareaktsioonid, nagu teada, toimuda kas spontaanselt (s.o spontaanselt) või kunstlikult, näiteks siis, kui mõnda tuuma pommitatakse teiste (või elementaarosakeste) poolt. Tuuma lõhustumise ja termotuumasünteesi reaktsioonid ületavad keemilisi reaktsioone vastavalt miljoneid ja kümneid miljoneid kordi energia poolest. Seda seletatakse asjaoluga, et aatomite keemilise sideme energia molekulides on kordades väiksem kui tuumas olevate nukleonide tuumasideme energia. Tuumaenergiat rakettmootorites saab kasutada kahel viisil:

1. Vabanenud energiat kasutatakse töövedeliku soojendamiseks, mis seejärel düüsis paisub, nagu tavalises rakettmootoris.

2. Tuumaenergia muundatakse elektrienergiaks ja seejärel kasutatakse seda töövedeliku osakeste ioniseerimiseks ja kiirendamiseks.

3. Lõpuks tekitavad impulsi protsessi käigus tekkinud lõhustumisproduktid ise (näiteks tulekindlaid metalle - volframi, molübdeeni) kasutatakse lõhustuvatele ainetele eriliste omaduste andmiseks.

Tahkefaasilise reaktori kütuseelemendid on läbi imbunud kanalitega, mille kaudu voolab tuumajõumootori töövedelik, mis järk-järgult soojeneb. Kanalite läbimõõt on umbes 1-3 mm ja nende kogupindala moodustab 20-30% aktiivse tsooni ristlõikest. Südamik on riputatud jõupaagi sees oleva spetsiaalse võre abil, et see saaks reaktori kuumenemisel laieneda (muidu vajuks see termiliste pingete tõttu kokku).

Südamik kogeb suuri mehaanilisi koormusi, mis on seotud märkimisväärse hüdraulilise rõhu langusega (kuni mitukümmend atmosfääri) voolavast töövedelikust, termilistest pingetest ja vibratsioonist. Aktiivse tsooni suuruse suurenemine reaktori kuumenemisel ulatub mitme sentimeetrini. Aktiivne tsoon ja reflektor on paigutatud vastupidavasse võimsusega korpusesse, mis neelab töövedeliku survet ja joaotsiku tekitatud tõukejõudu. Korpus on suletud vastupidava kaanega. Selles on pneumaatilised, vedru- või elektrimehhanismid reguleerivate organite juhtimiseks, tuumajõumootori kinnituspunktid kosmoselaeva külge ja äärikud tuumajõumootori ühendamiseks töövedeliku toitetorustikuga. Kaanel võib asuda ka turbopumba agregaat.

8 - otsik,

9 - laienev düüsi otsik,

10 - turbiini tööaine valik,

11 - Jõukorpus,

12 - Juhttrummel,

13 - Turbiini heitgaasid (kasutatakse asendi kontrollimiseks ja tõukejõu suurendamiseks),

14 - Juhttrumlite ajamirõngas)

1957. aasta alguses määrati Los Alamose labori töö lõplik suund ning otsustati ehitada grafiidis dispergeeritud uraankütusega grafiidist tuumareaktor. Selles suunas loodud Kiwi-A reaktorit katsetati 1959. aastal 1. juulil.

Ameerika tahkefaasiline tuumareaktiivmootor XE Prime katsestendil (1968)

Lisaks reaktori ehitamisele tegeles Los Alamose laboratoorium Nevadasse spetsiaalse katseobjekti ehitamisega ning täitis sellega seotud valdkondades ka mitmeid USA õhujõudude eritellimusi (üksikute väljatöötamine). TURE ühikut). Los Alamose labori tellimusel täitsid kõik üksikute komponentide valmistamise eritellimused järgmised ettevõtted: Aerojet General, Põhja-Ameerika lennunduse osakond Rocketdyne. 1958. aasta suvel läks kogu kontroll Roveri programmi üle USA õhujõududelt äsja organiseeritud Riiklik administratsioon Lennundus ja kosmos (NASA). 1960. aasta kesksuvel AEC ja NASA vahel sõlmitud erikokkuleppe tulemusena moodustati G. Fingeri juhtimisel kosmose tuumajõuamet, mis hiljem juhtis Roveri programmi.

Tuumareaktiivmootorite kuue "kuuma katse" tulemused olid väga julgustavad ja 1961. aasta alguses koostati reaktori lennukatsetuste (RJFT) aruanne. Seejärel, 1961. aasta keskel, käivitati Nerva projekt (tuumamootori kasutamine kosmoserakettide jaoks). Peatöövõtjaks valiti Aerojet General ja reaktori ehituse eest vastutavaks alltöövõtjaks Westinghouse.

10.2 Töö TURE-ga Venemaal

Ameerika" href="/text/category/amerikanetc/" rel="bookmark">ameeriklased, vene teadlased kasutasid teadusreaktorites üksikute kütuseelementide kõige ökonoomsemaid ja tõhusamaid katseid. Kogu 70.-80. lubasid projekteerimisbürool "Salyut", keemiaautomaatika disainibürool, IAE, NIKIET ja mittetulundusühingu "Luch" (PNITI) välja töötada erinevaid kosmose tuumajõumootorite ja hübriidtuumaelektrijaamade projekte. Teadusliku automaatika projekteerimisbüroos loodi NIITP juhtkond (FEI, IAE, NIKIET, NIITVEL, NPO vastutasid reaktori elementide eest Luch, MAI). YARD RD 0411 ja minimaalse suurusega tuumamootor RD 0410 tõukejõud vastavalt 40 ja 3,6 tonni.

Selle tulemusena valmistati reaktor, "külm" mootor ja stendi prototüüp katsetamiseks vesinikgaasil. Erinevalt Ameerika omast, mille eriimpulss ei ületanud 8250 m/s, oli Nõukogude TNRE tänu kuumuskindlamate ja täiustatud disainiga kütuseelementide kasutamisele ning südamiku kõrgele temperatuurile võrdne 9100 m. /s ja kõrgem. MTÜ "Luch" ühisekspeditsiooni TURE testimise pingibaas asus Semipalatinsk-21 linnast 50 km edelas. Ta asus tööle 1962. aastal. sisse Katseplatsil katsetati tuumajõul töötavate rakettmootorite prototüüpide täismahus kütuseelemente. Sel juhul sisenes heitgaas suletud väljalaskesüsteemi. Baikal-1 katsestendi kompleks täissuuruses tuumamootorite katsetamiseks asub Semipalatinsk-21-st 65 km lõuna pool. Aastatel 1970–1988 viidi läbi umbes 30 reaktori "kuumkäivitust". Samal ajal ei ületanud võimsus 230 MW vesiniku kuluga kuni 16,5 kg/sek ja selle temperatuur reaktori väljalaskeava juures 3100 K. Kõik käivitamised olid edukad, tõrgeteta ja plaanipärased.

Nõukogude TNRD RD-0410 on ainus töötav ja töökindel tööstuslik tuumarakettmootor maailmas

Praegu on sellised tööd objektil peatatud, kuigi tehnikat hoitakse suhteliselt töökorras. NPO Luchi katsestendi alus on maailmas ainuke katsekompleks, kus on võimalik katsetada tuumajõureaktorite elemente ilma märkimisväärsete rahaliste ja ajakuludeta. Võimalik, et USA-s Space Research Initiative'i programmi raames Kuule ja Marsile lendudeks mõeldud tuumajõumootorite kallal töö taasalustamine Venemaa ja Kasahstani spetsialistide kavandatud osalusel toob kaasa tegevuse taastamise kl. Semipalatinski baasi ja “Marsi” ekspeditsiooni elluviimist 2020. aastatel .

Peamised omadused

Vesiniku eriimpulss: 910–980 sek(teoreetiliselt kuni 1000 sek).

· Töövedeliku (vesiniku) väljavoolu kiirus: 9100 - 9800 m/sek.

· Saavutatav tõukejõud: kuni sadu ja tuhandeid tonne.

· Maksimaalsed töötemperatuurid: 3000°С - 3700°С (lühiajaline sisselülitamine).

· Kasutusiga: kuni mitu tuhat tundi (perioodiline aktiveerimine). /5/

11.Seade

Nõukogude tahkefaasilise tuumarakettmootori RD-0410 disain

1 - torustik töövedeliku paagist

2 - turbopumba seade

3 - juhttrumli ajam

4 - kiirguskaitse

5 - reguleerimistrummel

6 - aeglusti

7 - kütusekomplekt

8 - reaktori anum

9 - tulekahju põhi

10 - düüsi jahutusliin

11- düüsikamber

12 - otsik

12.Tööpõhimõte

Oma tööpõhimõtte kohaselt on TURE kõrgtemperatuuriline reaktor-soojusvaheti, millesse juhitakse rõhu all töövedelik (vedel vesinik) ja kuumutamisel kõrgele temperatuurile (üle 3000°C) väljastatakse see läbi jahutatud otsik. Soojuse regenereerimine düüsis on väga kasulik, kuna võimaldab vesinikku palju kiiremini soojendada ja kasutades ära märkimisväärsel hulgal soojusenergiat, saab eriimpulsi tõsta 1000 sek-ni (9100-9800 m/s).

Tuumarakettmootori reaktor

MsoNormalTable">

Töövedelik

Tihedus, g/cm3

Konkreetne tõukejõud (küttekambri kindlaksmääratud temperatuuridel, °K), sek

0,071 (vedelik)

0,682 (vedelik)

1000 (vedelik)

Ei. Dann

Ei. Dann

Ei. Dann

(Märkus: rõhk küttekambris on 45,7 atm, paisumine rõhuni 1 atm konstantsel keemiline koostis töövedelik) /6/

15.Kasu

TNRE-de peamine eelis keemiliste rakettmootorite ees on kõrgema eriimpulsi saavutamine, olulised energiavarud, süsteemi kompaktsus ja võime saavutada väga suurt tõukejõudu (kümned, sajad ja tuhanded tonnid vaakumis. Üldiselt on vaakumis saavutatav eriimpulss on kasutatud kahekomponendilise raketikütuse (petrooleum-hapnik, vesinik-hapnik) omast 3-4 korda ja kõrgeima soojusintensiivsusega töötamisel 4-5 korda suurem. USA-s ja Venemaal on selliste mootorite väljatöötamisel ja ehitamisel märkimisväärne kogemus ning vajadusel (kosmoseuuringute eriprogrammid) saab selliseid mootoreid toota lühikese aja jooksul ja nende maksumus on mõistlik. TURE kasutamise korral kosmoselaevade kiirendamiseks kosmoses ja suurte planeetide (Jupiter, Uraan, Saturn, Neptuun) gravitatsioonivälja abil täiendavate häirete manöövrite kasutamisel laienevad Päikesesüsteemi uurimise piirid oluliselt ning kaugematele planeetidele jõudmiseks kuluv aeg on oluliselt laienemas. vähendatud. Lisaks saab TNRE-sid edukalt kasutada hiiglaslike planeetide madalatel orbiitidel töötavate seadmete jaoks, kasutades töövedelikuna nende haruldast atmosfääri, või nende atmosfääris töötamiseks. /8/

16. Puudused

TNRE peamiseks puuduseks on võimsa läbistava kiirguse voo olemasolu (gammakiirgus, neutronid), samuti kõrge radioaktiivsete uraaniühendite, indutseeritud kiirgusega tulekindlate ühendite ja radioaktiivsete gaaside eemaldamine töövedelikuga. Sellega seoses on TURE maapealsete startide puhul vastuvõetamatu, et vältida keskkonnaseisundi halvenemist stardipaigas ja atmosfääris. /14/

17.TURD omaduste parandamine. Hübriid turbopropellermootorid

Nagu iga rakett või mootor üldiselt, on ka tahkefaasilisel tuumareaktiivmootoril saavutatavad olulised piirangud. kõige olulisemad omadused. Need piirangud näitavad seadme (TJRE) võimetust töötada temperatuurivahemikus, mis ületab mootori konstruktsioonimaterjalide maksimaalse töötemperatuuri vahemikku. TNRE võimaluste laiendamiseks ja peamiste tööparameetrite oluliseks suurendamiseks saab kasutada erinevaid hübriidskeeme, milles TNRE mängib soojuse ja energia allika rolli ning kasutatakse täiendavaid füüsilisi meetodeid töövedelike kiirendamiseks. Kõige usaldusväärsem, praktiliselt teostatav ning kõrgete spetsiifiliste impulsside ja tõukeomadustega on hübriidskeem koos täiendava MHD-ahelaga (magnetohüdrodünaamiline ahel) ioniseeritud töövedeliku (vesiniku ja spetsiaalsete lisandite) kiirendamiseks. /13/

18. Tuumajõumootoritest tulenev kiirgusoht.

Töötav tuumamootor on võimas kiirgusallikas – gamma- ja neutronkiirgus. Erimeetmeid rakendamata võib kiirgus põhjustada kosmoselaevas töövedeliku ja konstruktsiooni lubamatut kuumenemist, murenemist, plasti hävimist ja kummiosade vananemist, elektrikaablite isolatsiooni kahjustusi ja elektroonikaseadmete rikkeid. Kiirgus võib põhjustada materjalide indutseeritud (kunstlikku) radioaktiivsust – nende aktiveerumist.

Praegu peetakse tuumajõumootoritega kosmoselaevade kiirguskaitse probleemi põhimõtteliselt lahendatuks. Samuti on lahendatud põhimõttelised küsimused, mis on seotud tuumajõumootorite hooldusega katsestendidel ja stardiplatsidel. Kuigi töötav NRE kujutab endast ohtu operatiivpersonalile, võib juba üks päev pärast NRE töö lõppu ilma isikukaitsevahenditeta seista mitukümmend minutit NRE-st 50 m kaugusel ja isegi läheneda. Lihtsaimad kaitsevahendid võimaldavad operaatoritel siseneda tööalale YARD kohe pärast katseid.

Nakatumise määr käivituskompleksid ja keskkond ei saa ilmselt takistuseks tuumajõumootorite kasutamisele kosmoserakettide madalamatel astmetel. Kiirgusohu probleemi keskkonnale ja töötavale personalile leevendab suuresti asjaolu, et töövedelikuna kasutatav vesinik reaktorit läbides praktiliselt ei aktiveeru. Seetõttu ei ole tuumajõul töötava mootori joa ohtlikum kui vedelkütuse rakettmootori joa./4/

Järeldus

Tuumajõumootorite arendamise ja kasutamise väljavaadete kaalumisel astronautikas tuleks lähtuda erinevat tüüpi tuumajõumootorite saavutatud ja eeldatavatest omadustest, sellest, mida nende rakendamine astronautikale võib anda, ja lõpuks tihedast seosest. tuumajõumootorite probleemist koos energiavarustuse probleemiga kosmoses ja üldse energiaarengu probleemidega.

Nagu eespool mainitud, on kõigist võimalikest tuumajõumootoritest enim arenenud termiline radioisotoopmootor ja tahkefaasilise lõhustumisreaktoriga mootor. Aga kui radioisotoopide tuumajõumootorite omadused ei luba loota nende laialdasele kasutuselevõtule astronautikas (vähemalt lähitulevikus), siis tahkefaasiliste tuumajõumootorite loomine avab astronautikale suuri väljavaateid.

Näiteks on välja pakutud seade, mille algmass on 40 000 tonni (st umbes 10 korda suurem kui suurimatel kaasaegsetel kanderakettidel), millest 1/10 moodustab kasuliku koormuse ja 2/3 tuumamassiga. süüdistused . Kui lõhatate ühe laengu iga 3 sekundi järel, piisab nende varust 10 päevaks tuumajõusüsteemi pidevaks tööks. Selle aja jooksul kiirendab seade kiiruseni 10 000 km/s ja tulevikus võib see 130 aasta pärast jõuda tähe Alpha Centaurini.

Tuumaelektrijaamadel on ainulaadsed omadused, mille hulka kuuluvad praktiliselt piiramatu energiaintensiivsus, töö sõltumatus keskkonnast ja vastupidavus välismõjudele ( kosmiline kiirgus, meteoriidikahjustused, kõrged ja madalad temperatuurid jne.). Tuumaradioisotoopide rajatiste maksimaalne võimsus on aga piiratud mitmesaja vati suuruse väärtusega. See piirang puudub tuumareaktorielektrijaamade puhul, mis määrab nende kasutamise tasuvuse raskete kosmoselaevade pikaajaliste lendude ajal Maa-lähedases kosmoses, lendude ajal Päikesesüsteemi kaugetele planeetidele ja muudel juhtudel.

Tahkefaasiliste ja muude lõhustumisreaktoriga tuumajõumootorite eelised ilmnevad kõige täielikumalt selliste keerukate kosmoseprogrammide uurimisel nagu mehitatud lennud Päikesesüsteemi planeetidele (näiteks ekspeditsioonil Marsile). Sel juhul võimaldab tõukejõu eriimpulsi suurenemine kvalitatiivselt uusi probleeme lahendada. Kõik need probleemid leevenevad oluliselt, kui kasutada tahkefaasilist tuumakütusega rakettmootorit, mille spetsiifiline impulss on kaks korda suurem kui tänapäevastel vedelkütusel kasutatavatel rakettmootoritel. Sel juhul on võimalik ka lennuaegu oluliselt vähendada.

Suure tõenäosusega saavad lähitulevikus tahkefaasilised tuumajõumootorid üheks levinumaks rakettmootoriks. Tahkefaasilisi tuumajõumootoreid saab kasutada seadmetena kauglendudeks, näiteks sellistele planeetidele nagu Neptuun, Pluuto ja isegi Päikesesüsteemist kaugemale lendamiseks. Kuid lendudeks tähtede poole ei sobi lõhustumispõhimõtetel põhinev tuumajõul töötav mootor. Sel juhul on paljutõotavad tuumasünteesireaktsioonide põhimõttel töötavad tuumamootorid või täpsemalt termotuumareaktiivmootorid (TRE) ja fotoonilised reaktiivmootorid (PRE), mille impulsi allikaks on aine ja antiaine annihilatsioonireaktsioon. . Tõenäoliselt kasutab inimkond aga tähtedevahelises ruumis reisimiseks teistsugust transpordiviisi, mis erineb reaktiivlennukist.

Lõpetuseks toon parafraasi kuulus lause Einstein – tähtede poole reisimiseks peab inimkond välja pakkuma midagi, mis oleks keerukuse ja taju poolest võrreldav neandertallase jaoks tuumareaktoriga!

KIRJANDUS

Allikad:

1. "Raketid ja inimesed. 4. raamat Moon Race" - M: Znanie, 1999.
2. http://www. lpre. de/energomash/index. htm
3. Pervushin "Lahing tähtede eest. Kosmiline vastasseis" - M: teadmised, 1998.
4. L. Gilberg “Taeva vallutamine” - M: Znanie, 1994.
5. http://epizodsspace. *****/bibl/molodtsov
6. "Mootor", "Kosmoseaparaatide tuumamootorid", nr 5 1999

7. "Mootor", "Kosmoselaevade gaasifaasilised tuumamootorid",

nr 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., Tuleviku Chekalini transport.

M.: Teadmised, 1983.

11. , Chekalini kosmoseuuring. - M.:

Teadmised, 1988.

12. Gubanov B. "Energia - Buran" - samm tulevikku // Teadus ja elu.-

13. Gatland K. Kosmosetehnoloogia. - M.: Mir, 1986.

14., Sergeyuk ja kaubandus. - M.: APN, 1989.

15.NSVL kosmoses. 2005 – M.: APN, 1989.

16. Teel süvakosmosesse // Energia. - 1985. - nr 6.

RAKENDUS

Tahkefaasiliste tuumareaktiivmootorite peamised omadused

Aleksander Losev

Raketi- ja kosmosetehnoloogia kiire arengu 20. sajandil määrasid kahe suurriigi - NSV Liidu ja USA - sõjalis-strateegilised, poliitilised ja teatud määral ka ideoloogilised eesmärgid ja huvid ning kõik riiklikud kosmoseprogrammid olid oma sõjaliste projektide jätkamine, kus peamiseks ülesandeks oli vajadus tagada kaitsevõime ja strateegiline võrdsus potentsiaalse vaenlasega. Seadmete loomise maksumus ja tegevuskulud ei olnud siis põhimõttelise tähtsusega. Kanderakettide ja kosmoselaevade loomisele eraldati tohutult ressursse ning Juri Gagarini 108-minutiline lend 1961. aastal ning Neil Armstrongi ja Buzz Aldrini telesaade Kuu pinnalt 1969. aastal ei olnud pelgalt teaduse ja tehnika võidukäik. arvati, et neid peeti ka strateegilisteks võitudeks külma sõja lahingutes.

Kuid pärast seda, kui Nõukogude Liit lagunes ja langes võidujooksust maailma juhtpositsiooni nimel, ei olnud tema geopoliitilistel vastastel, eelkõige USA-l, enam vaja rakendada prestiižseid, kuid ülimalt kulukaid kosmoseprojekte, et tõestada kogu maailmale lääneriikide paremust. majandussüsteem ja ideoloogilised kontseptsioonid.
90ndatel kaotasid eelmiste aastate peamised poliitilised ülesanded aktuaalsuse, blokkide vastasseis andis teed globaliseerumisele, maailmas valitses pragmatism, mistõttu enamik kosmoseprogramme kärbiti või lükati edasi, pärandina jäi alles vaid ISS. minevik. Lisaks on lääne demokraatia varustanud kõik kalli valitsuse programmid sõltuvalt valimistsüklitest.
Valijate toetus, mis on vajalik võimu saavutamiseks või säilitamiseks, sunnib poliitikuid, parlamente ja valitsusi kalduma populismi poole ja lahendama lühiajalisi probleeme, mistõttu kulutusi kosmoseuuringutele vähendatakse aasta-aastalt.
Enamik fundamentaalseid avastusi tehti 20. sajandi esimesel poolel ning tänapäeval on teadus ja tehnika jõudnud teatud piiridesse ning populaarsus on kogu maailmas langenud. teaduslikud teadmised matemaatika, füüsika ja muu õpetamise kvaliteet loodusteadused. Sellest on saanud viimase kahe aastakümne stagnatsiooni põhjus, sealhulgas kosmosesektoris.
Nüüd aga saab ilmselgeks, et maailm on lähenemas järjekordse, eelmise sajandi avastustel põhineva tehnoloogilise tsükli lõpule. Seetõttu tagab iga võim, mis globaalse tehnoloogilise struktuuri muutumise ajal omab põhimõtteliselt uusi paljutõotavaid tehnoloogiaid, automaatselt ülemaailmse juhtpositsiooni vähemalt järgmiseks viiekümneks aastaks.

Vesiniku töövedelikuga tuumajõumootori põhikonstruktsioon

Seda teadvustatakse nii Ameerika Ühendriikides, mis on võtnud kursi Ameerika suursugususe taaselustamisele kõigis tegevusvaldkondades, kui ka Ameerika hegemooniale väljakutse esitavas Hiinas kui ka Euroopa Liidus, mis püüab kõigest väest. säilitada oma kaalu maailmamajanduses.
Seal valitseb tööstuspoliitika ja nad tegelevad tõsiselt oma teadusliku, tehnilise ja tootmispotentsiaali arendamisega ning kosmosesfäärist võib saada parim katsepolügooni uute tehnoloogiate katsetamiseks ning teaduslike hüpoteeside tõestamiseks või ümberlükkamiseks, mis võivad sellele aluse panna. põhimõtteliselt teistsuguse, arenenuma tulevikutehnoloogia loomiseks.
Ja on täiesti loomulik eeldada, et USA on esimene riik, kes jätkab süvakosmoseuuringute projekte eesmärgiga luua ainulaadseid uuenduslikud tehnoloogiad nii relvade, transpordi ja ehitusmaterjalide valdkonnas kui ka biomeditsiinis ja telekommunikatsioonis
Tõsi, isegi USA-le pole edu revolutsiooniliste tehnoloogiate loomisel garanteeritud. Pool sajandit vanade keemilisel kütusel põhinevate rakettmootorite täiustamisel, nagu teeb Elon Muski SpaceX, või luues pikkadeks lendudeks sarnaseid elutagamissüsteeme, mis on sarnased nendele, mis on juba kasutusele võetud lennukitel, on suur oht sattuda ummikusse. ISS.
Kas Venemaa, kelle seisak kosmosesektoris muutub iga aastaga märgatavamaks, suudab teha hüppe võidujooksus selle nimel, et tulevane tehnoloogiline juhtpositsioon jääks superriikide klubisse, mitte aga arengumaade nimekirja?
Jah, loomulikult saab Venemaa, ja pealegi on juba tehtud märgatav samm edasi tuumaenergeetikas ja tuumarakettmootorite tehnoloogiates, hoolimata kosmosetööstuse kroonilisest alarahastamisest.
Astronautika tulevik on tuumaenergia kasutamine. Et mõista, kuidas tuumatehnoloogia ja kosmos on omavahel seotud, on vaja arvestada reaktiivjõu põhiprintsiipe.
Niisiis, peamised kaasaegsed tüübid kosmosemootorid loodud keemilise energia põhimõtetel. Tegemist on tahkekütuse kiirendite ja vedelrakettmootoritega, mille põlemiskambrites lähevad kütusekomponendid (kütus ja oksüdeerija) eksotermilisele füüsikalisele ja keemilisele põlemisreaktsioonile, moodustades jugajoa, mis paiskab mootori düüsist igas sekundis välja tonnide viisi ainet. Joa töövedeliku kineetiline energia muundatakse reaktiivjõuks, mis on piisav raketi edasiliikumiseks. Selliste keemiamootorite eriimpulss (tekkiva tõukejõu suhe kasutatud kütuse massi) sõltub kütuse komponentidest, rõhust ja temperatuurist põlemiskambris, samuti läbi gaasilise segu väljapaiskuva molekulmassist. mootori otsik.
Ja mida kõrgem on aine temperatuur ja rõhk põlemiskambris ning mida väiksem on gaasi molekulmass, seda suurem on eriimpulss ja seega ka mootori kasutegur. Spetsiifiline impulss on liikumise suurus ja seda mõõdetakse tavaliselt meetrites sekundis, nagu ka kiirust.
Keemiamootorites annavad kõrgeima eriimpulsi hapniku-vesiniku ja fluori-vesiniku kütusesegud (4500–4700 m/s), kuid populaarseimaks (ja mugavamaks töötamiseks) on kujunenud petrooleumil ja hapnikul töötavad rakettmootorid, Näiteks Sojuzi ja Muski Falconi raketid, samuti mootorid, mis kasutavad ebasümmeetrilist dimetüülhüdrasiini (UDMH) koos oksüdeerijaga lämmastiktetroksiidi ja lämmastikhappe segu kujul (Nõukogude ja Vene Proton, Prantsuse Ariane, Ameerika Titan). Nende kasutegur on 1,5 korda madalam kui vesinikkütusega mootoritel, kuid 3000 m/s impulsist ja võimsusest piisab täiesti, et tonnide kaupa kasulikku lasti Maa-lähedastel orbiitidel oleks majanduslikult tasuv.
Kuid lendudeks teistele planeetidele on vaja palju suuremaid kosmoseaparaate kui kõik, mida inimkond on varem loonud, sealhulgas modulaarne ISS. Nendes laevades on vaja tagada pikaajaline autonoomne olemasolu meeskonnad ning manöövrite ja orbiidi korrigeerimise mootorite teatav kütusevaru ja tööiga tagavad astronautide toimetamise spetsiaalses maandumismoodulis teise planeedi pinnale ja nende tagasisaatmise põhitranspordilaevale ning seejärel ekspeditsiooni naasmine Maale.
Mootorite kogunenud inseneriteadmised ja keemiline energia võimaldavad naasta Kuule ja jõuda Marsile, mistõttu on suur tõenäosus, et inimkond külastab järgmisel kümnendil Punast planeeti.
Kui tugineda ainult olemasolevatele kosmosetehnoloogiatele, on elamiskõlbliku mooduli minimaalne mass mehitatud lennuks Marsile või Jupiteri ja Saturni satelliitidele ligikaudu 90 tonni, mis on 3 korda suurem kui 1970. aastate alguse Kuu laevadel. , mis tähendab, et kanderaketid nende viimiseks võrdlusorbiitidele edasiseks lennuks Marsile on palju paremad kui Apollo Kuuprojekti Saturn 5 (stardi kaal 2965 tonni) või Nõukogude kanderakett Energia (stardi kaal 2400 tonni). Orbiidil on vaja luua planeetidevaheline kompleks, mis kaalub kuni 500 tonni. Lend planeetidevahelisel laeval keemiliste rakettmootoritega võtab aega 8 kuud kuni 1 aasta ainult ühes suunas, sest laeva täiendavaks kiirendamiseks peate tegema gravitatsioonimanöövreid, kasutades planeetide gravitatsioonijõudu ja kolossaalset kütusevaru. .
Kuid rakettmootorite keemilist energiat kasutades ei lenda inimkond kaugemale kui Marsi või Veenuse orbiit. Vajame kosmoselaevade erinevat lennukiirust ja muud võimsamat liikumisenergiat.

Princeton Satellite Systemsi tuumarakettmootori kaasaegne disain

Süvakosmose uurimiseks on vaja oluliselt tõsta rakettmootori tõukejõu ja kaalu suhet ja efektiivsust ning seega suurendada selle eriimpulssi ja kasutusiga. Ja selleks on vaja mootorikambris olevat gaasi või töövedelikku kuumutada madalal temperatuuril aatommass temperatuuridele, mis on mitu korda kõrgemad traditsiooniliste kütusesegude keemilisest põlemistemperatuurist ja seda saab teha tuumareaktsiooni abil.
Kui tavapärase põlemiskambri asemel paigutatakse rakettmootori sisse tuumareaktor, mille aktiivsesse tsooni juhitakse vedelal või gaasilisel kujul aine, siis hakkab see kõrge rõhu all kuumutatuna kuni mitme tuhande kraadini. välja lasta läbi düüsikanali, tekitades joa tõukejõu. Sellise tuumareaktiivmootori eriimpulss saab olema mitu korda suurem kui tavalisel keemiliste komponentidega mootoril, mis tähendab, et nii mootori enda kui ka kanderaketi kui terviku efektiivsus tõuseb kordades. Sel juhul ei ole kütuse põletamiseks vaja oksüdeerijat ja kerget vesinikgaasi saab kasutada ainena, mis tekitab joa tõukejõudu; me teame, et mida madalam on gaasi molekulmass, seda suurem on impulss ja see suurendab oluliselt vähendada raketi massi juures parimad omadused mootori võimsus.
Tuumamootor on parem kui tavaline, kuna reaktoritsoonis saab kerget gaasi kuumutada temperatuurini, mis ületab 9 tuhat Kelvinit, ja sellise ülekuumendatud gaasi juga annab palju suurema eriimpulsi kui tavalised keemiamootorid suudavad pakkuda. . Aga see on teoorias.
Oht ei seisne isegi selles, et sellise tuumapaigaldisega kanderaketti käivitamisel võib tekkida atmosfääri ja stardiplatvormi ümbritseva ruumi radioaktiivne saastumine, põhiprobleem on see, et kõrgel temperatuuril võib mootor ise koos kosmoselaevaga. sulama. Disainerid ja insenerid mõistavad seda ning on mitukümmend aastat püüdnud leida sobivaid lahendusi.
Tuumarakettmootoritel (NRE) on juba oma kosmoses loomise ja töötamise ajalugu. Tuumamootorite esimene väljatöötamine algas 1950. aastate keskel, st juba enne inimese kosmosesselendu ja peaaegu samaaegselt nii NSV Liidus kui ka USA-s ning juba idee kasutada tuumareaktoreid töötavate reaktorite soojendamiseks. aine rakettmootoris sündis koos esimeste rektoritega 40ndate keskel, see tähendab rohkem kui 70 aastat tagasi.
Meie riigis oli tuumajõu loomise algataja soojusfüüsik Vitali Mihhailovitš Ievlev. 1947. aastal esitas ta projekti, mida toetasid S. P. Korolev, I. V. Kurchatov ja M. V. Keldysh. Esialgu kavatseti selliseid mootoreid kasutada tiibrakettide jaoks ja seejärel paigaldada need ballistilistele rakettidele. Arendustööga tegelesid Nõukogude Liidu juhtivad kaitseprojekteerimisbürood, samuti uurimisinstituudid NIITP, CIAM, IAE, VNIINM.
Nõukogude tuumamootor RD-0410 pandi kokku 60ndate keskel Voroneži keemiaautomaatika projekteerimisbüroos, kus loodi enamik kosmosetehnoloogia vedelaid rakettmootoreid.
RD-0410-s kasutati töövedelikuna vesinikku, mis vedelal kujul läbis "jahutussärgi", eemaldades düüsi seintelt liigse soojuse ja takistades selle sulamist ning sisenes seejärel reaktori südamikusse, kus seda soojendati. 3000K-ni ja vabaneb läbi kanaliotsikute, muutes seeläbi soojusenergia kineetiliseks energiaks ja tekitades spetsiifilise impulsi 9100 m/s.
USA-s käivitati tuumajõuprojekt 1952. aastal ning esimene töötav mootor loodi 1966. aastal ja sai nimeks NERVA (Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application). 60ndatel ja 70ndatel püüdsid Nõukogude Liit ja USA üksteisele mitte järele anda.
Tõsi, nii meie RD-0410 kui ka Ameerika NERVA olid tahkefaasilised tuumamootorid (urankarbiididel põhinev tuumakütus oli reaktoris tahkes olekus) ja nende töötemperatuur jäi vahemikku 2300–3100K.
Südamiku temperatuuri tõstmiseks ilma plahvatuse või reaktori seinte sulamise ohuta on vaja luua sellised tuumareaktsiooni tingimused, mille korral kütus (uraan) muutub gaasiliseks või plasmaks ja hoitakse reaktoris. tugeva magnetvälja abil, seinu puudutamata. Ja siis reaktori südamikusse sisenev vesinik "voolab" ümber gaasifaasis oleva uraani ja muutudes plasmaks, väljutatakse düüsikanali kaudu väga suure kiirusega.
Seda tüüpi mootoreid nimetatakse gaasifaasi tuumajõumootoriks. Gaasilise uraankütuse temperatuurid sellistes tuumamootorites võivad olla vahemikus 10 tuhat kuni 20 tuhat kelvinit kraadi ja eriimpulss ulatuda 50 000 m/s, mis on 11 korda kõrgem kui kõige tõhusamatel keemiliste rakettmootoritel.
Avatud ja suletud tüüpi gaasifaasiliste tuumajõumootorite loomine ja kasutamine kosmosetehnoloogias on enim paljutõotav suund kosmoserakettmootorite arendamine ja täpselt see, mida inimkond vajab, et uurida päikesesüsteemi planeete ja nende satelliite.
Esimesed uuringud gaasifaasilise tuumajõuprojekti kohta algasid NSV Liidus 1957. aastal termiliste protsesside uurimisinstituudis (M. V. Keldyshi nimeline riiklik uurimiskeskus) ja otsus arendada gaasifaasilistel tuumareaktoritel põhinevaid tuumaelektrijaamasid. tegi 1963. aastal akadeemik V. P. Glushko (MTÜ Energomash) ja seejärel kinnitati NLKP Keskkomitee ja NSV Liidu Ministrite Nõukogu otsusega.
Gaasfaasiliste tuumajõumootorite väljatöötamist tehti Nõukogude Liidus kaks aastakümmet, kuid kahjuks ei jõutud seda ebapiisava rahastamise ja lisavajaduse tõttu kunagi lõpule. alusuuringud tuumakütuse ja vesiniku plasma termodünaamika, neutronifüüsika ja magnetilise hüdrodünaamika valdkonnas.
Nõukogude tuumateadlased ja projekteerimisinsenerid seisid silmitsi mitmete probleemidega, nagu kriitilisuse saavutamine ja gaasifaasilise tuumareaktori töö stabiilsuse tagamine, sula uraani kadude vähendamine mitme tuhande kraadini kuumutatud vesiniku vabastamisel, termiline kaitse. düüsi ja magnetvälja generaatori ning uraani lõhustumisproduktide kogunemine, keemiliselt vastupidavate ehitusmaterjalide valik jne.
Ja millal selleks Nõukogude programm Esimesest Marsile mehitatud lennust "Mars-94" hakati looma energia kanderakett, tuumamootori projekt lükati määramata ajaks edasi. Nõukogude Liidul ei olnud piisavalt aega, ja mis kõige tähtsam, poliitilist tahet ja majanduslikku tõhusust, et 1994. aastal meie kosmonautid Marsi planeedile maanduda. See oleks vaieldamatu saavutus ja tõend meie juhtimisest kõrgtehnoloogia paari järgmise aastakümne jooksul. Kuid kosmose, nagu palju muid asju, reetis NSV Liidu viimane juhtkond. Ajalugu ei saa muuta, lahkunud teadlasi ja insenere tagasi tuua ning kadunud teadmisi taastada. Palju tuleb uuesti luua.
Kuid kosmose tuumaenergia ei piirdu ainult tahke- ja gaasifaasiliste tuumajõumootorite sfääriga. Elektrienergiat saab kasutada reaktiivmootoris kuumutatud ainevoolu tekitamiseks. Seda ideed väljendas esmakordselt Konstantin Eduardovitš Tsiolkovski 1903. aastal oma teoses "Maailmaruumide uurimine reaktiivinstrumentide abil".
Ja esimese elektrotermilise rakettmootori NSV Liidus lõi 1930. aastatel tulevane NSVL Teaduste Akadeemia akadeemik ja NPO Energia juht Valentin Petrovitš Glushko.
Elektriliste rakettmootorite tööpõhimõtted võivad olla erinevad. Tavaliselt jagunevad need nelja tüüpi:

• elektrotermiline (küte või elektrikaar). Neis kuumutatakse gaas temperatuurini 1000–5000K ja väljutatakse düüsist samamoodi nagu tuumarakettmootoris.
• elektrostaatilised mootorid (kolloidsed ja ioonsed), milles tööaine esmalt ioniseeritakse ja seejärel positiivsed ioonid (elektronideta aatomid) kiirendatakse elektrostaatilises väljas ja väljutatakse samuti läbi düüsikanali, tekitades joa tõukejõu. Elektrostaatiliste mootorite hulka kuuluvad ka statsionaarsed plasmamootorid.
• magnetoplasma ja magnetodünaamilised rakettmootorid. Seal kiireneb gaasiplasma tänu amprijõule risti ristuvates magnet- ja elektriväljades.
• impulssrakettmootorid, mis kasutavad elektrilahenduses töövedeliku aurustumisel tekkivate gaaside energiat.

Nende elektriliste rakettmootorite eeliseks on nende väike töövedeliku kulu, kasutegur kuni 60% ja suur kiirus osakeste vool, mis võib oluliselt vähendada kosmoselaeva massi, kuid on ka miinus - madal tõukejõu tihedus ja seetõttu väike võimsus, samuti plasma loomiseks kasutatava töövedeliku (inertgaasid või leelismetalliaurud) kõrge hind .
Kõiki loetletud elektrimootorite tüüpe on praktikas rakendatud ja neid on alates 60. aastate keskpaigast korduvalt kasutatud kosmoses nii Nõukogude kui ka Ameerika kosmoselaevadel, kuid väikese võimsuse tõttu kasutati neid peamiselt orbiidi korrigeerimismootoritena.
Aastatel 1968–1988 saatis NSVL kosmosesse terve rea Cosmose satelliite, mille pardal olid tuumarajatised. Reaktorite tüübid nimetati: "Buk", "Topaz" ja "Jenissei".
Jenissei projekti reaktori soojusvõimsus oli kuni 135 kW ja elektrivõimsus umbes 5 kW. Jahutusvedelik oli naatrium-kaaliumsulam. See projekt suleti 1996. aastal.
Tõeline tõukejõu rakettmootor nõuab väga võimsat energiaallikat. Ja selliste kosmosemootorite parim energiaallikas on tuumareaktor.
Tuumaenergeetika on üks kõrgtehnoloogilisi tööstusharusid, kus meie riik hoiab liidripositsiooni. Ja Venemaal luuakse juba põhimõtteliselt uut rakettmootorit ja see projekt on lähedal edukale lõpuleviimisele 2018. aastal. Lennutestid on kavandatud 2020. aastaks.
Ja kui gaasifaasiline tuumajõud on tulevaste aastakümnete teema, mille juurde tuleb pärast fundamentaalseid uuringuid tagasi pöörduda, siis selle tänaseks alternatiiviks on megavatt-klassi tuumajõujõusüsteem (NPPU), mille on juba loonud Rosatom ja Roscosmos ettevõtted alates 2009. aastast.
Mittetulundusühing Krasnaja Zvezda, mis on praegu maailmas ainus kosmose tuumaelektrijaamade arendaja ja tootja, samuti A. järgi nime saanud uurimiskeskus. M. V. Keldysh, NIKIET im. N.A. Dollezhala, teadusinstituut MTÜ "Luch", "Kurchatovi Instituut", IRM, IPPE, RIAR ja MTÜ Mashinostroeniya.
Tuumajõu tõukejõusüsteem sisaldab kõrgtemperatuurset gaasjahutusega kiirneutronite tuumareaktorit turbomasinasüsteemiga soojusenergia muundamiseks elektrienergiaks, külmiku-emitrite süsteemi liigse soojuse eemaldamiseks kosmosesse, mõõteriistade kambrit, toiteplokki. plasma- või ioonelektrimootorid ja konteiner kasuliku koorma mahutamiseks.
Jõujõusüsteemis toimib tuumareaktor elektrilise plasmamootori töös elektrienergia allikana, südamikku läbiv reaktori gaasjahutusvedelik aga siseneb elektrigeneraatori ja kompressori turbiini ning naaseb reaktorisse. suletud ahelaga ja seda ei visata kosmosesse nagu tuumajõumootoril, mis muudab konstruktsiooni töökindlamaks ja ohutumaks ning sobib seetõttu mehitatud kosmoselendudeks.
Tuumajaama plaanitakse kasutada korduvkasutatava kosmosepuksiiri jaoks, et tagada Kuu uurimisel või mitmeotstarbeliste orbitaalkomplekside loomisel lasti kohaletoimetamine. Eeliseks pole mitte ainult transpordisüsteemi elementide korduvkasutus (mida Elon Musk üritab oma SpaceX-i kosmoseprojektides saavutada), vaid ka võimalus tarnida kolm korda rohkem lasti kui võrreldava võimsusega keemiliste reaktiivmootoritega rakettidel. vähendades transpordisüsteemi stardimassi . Installatsiooni eriline disain muudab selle Maa inimestele ja keskkonnale ohutuks.
2014. aastal monteeriti JSC Mashinostroitelny Zavodis Elektrostalis selle tuumaelektrilise tõukejõusüsteemi esimene standardkonstruktsiooniga kütuseelement (kütuseelement) ja 2016. aastal viidi läbi reaktorisüdamiku korvi simulaatori katsetused.
Praegu (2017. aastal) on käimas töö konstruktsioonielementide valmistamise kallal, komponentide ja koostude paigaldamisel ja katsetamisel maketidel, samuti turbomasinate energiamuundamissüsteemide ja jõuallikate prototüüpide autonoomne testimine. Tööde valmimine on kavandatud järgmise 2018. aasta lõpuks, kuid alates 2015. aastast hakkas kogunema ajagraafiku mahajäämus.
Nii et niipea kui see installatsioon luuakse, saab Venemaast esimene riik maailmas, millel on tuumakosmosetehnoloogiad, mis on aluseks mitte ainult tulevastele päikesesüsteemi uurimisprojektidele, vaid ka maapealsele ja maavälisele energiale. . Kosmose tuumaelektrijaamu saab kasutada süsteemide loomiseks elektri kaugülekandeks Maale või elektromagnetkiirgust kasutavatele kosmosemoodulitele. Ja sellest saab ka arenenud tulevikutehnoloogia, kus meie riigil on liidripositsioon.
Arendatavatele plasmaelektrimootoritele tuginedes luuakse võimsad tõukejõusüsteemid inimeste pikamaalendudeks kosmosesse ja ennekõike Marsi uurimiseks, mille orbiidile saab jõuda vaid 1,5 kuuga, mitte aga rohkem kui aasta, nagu tavaliste keemiliste reaktiivmootorite kasutamisel.
Ja tulevik algab alati revolutsiooniga energeetikas. Ja ei midagi muud. Energia on primaarne ja see on energiatarbimise hulk, mis mõjutab tehnika arengut, kaitsevõimet ja inimeste elukvaliteeti.

NASA eksperimentaalne plasma rakettmootor

Nõukogude astrofüüsik Nikolai Kardašev pakkus välja tsivilisatsioonide arengu skaala juba 1964. aastal. Selle skaala järgi sõltub tsivilisatsioonide tehnoloogilise arengu tase energia hulgast, mida planeedi elanikkond oma vajadusteks kasutab. Seega kasutab I tüüpi tsivilisatsioon kõiki planeedil saadaolevaid ressursse; II tüüpi tsivilisatsioon – saab oma tähe energiat, mille süsteemis ta asub; ja III tüüpi tsivilisatsioon kasutab oma galaktika olemasolevat energiat. Inimkond pole veel sellisel skaalal I tüüpi tsivilisatsiooniks küpsenud. Me kasutame ainult 0,16% kogu planeedi Maa potentsiaalsest energiavarust. See tähendab, et Venemaal ja kogu maailmas on kasvuruumi ning need tuumatehnoloogiad avavad meie riigile tee mitte ainult kosmosesse, vaid ka tulevasele majanduslikule õitsengule.
Ja võib-olla on Venemaa ainus võimalus teadus- ja tehnikavaldkonnas teha nüüd revolutsiooniline läbimurre tuuma-kosmosetehnoloogiate vallas, et ületada ühe "hüppega" liidritest mahajäämus mitu aastat ja olla õigel kohal. uus tehnoloogiline revolutsioon inimtsivilisatsiooni järgmises arengutsüklis. Selline ainulaadne võimalus langeb konkreetsele riigile vaid kord paari sajandi jooksul.
Kahjuks riskib Venemaa, kes ei ole viimase 25 aasta jooksul pööranud piisavalt tähelepanu fundamentaalteadustele ning kõrg- ja keskhariduse kvaliteedile, selle võimaluse igaveseks kaotada, kui programmi kärbitakse ja uus põlvkond teadlasi ei asenda praeguseid teadlasi ja insenerid. Geopoliitilised ja tehnoloogilised väljakutsed, millega Venemaa 10–12 aasta pärast silmitsi seisavad, on väga tõsised, võrreldavad 20. sajandi keskpaiga ohtudega. Venemaa suveräänsuse ja terviklikkuse säilitamiseks tulevikus on nüüd hädasti vaja hakata koolitama spetsialiste, kes suudavad nendele väljakutsetele vastata ja luua midagi põhimõtteliselt uut.
Venemaa muutmiseks ülemaailmseks intellektuaalseks ja tehnoloogiliseks keskuseks on aega vaid umbes 10 aastat ja seda ei saa teha ilma hariduse kvaliteedi tõsise muutuseta. Teadustehnoloogiliseks läbimurdeks on vaja haridussüsteemi (nii kooli kui ülikooli) juurde tagasi tuua süsteemsed maailmapildi, teadusliku fundamentaalsuse ja ideoloogilise terviklikkuse seisukohad.
Mis puudutab praegust seisakut kosmosetööstuses, siis see pole hirmutav. Kaasaegse kosmosetehnoloogia aluseks olevate füüsiliste põhimõtete järele on tavapäraste satelliiditeenuste sektoris nõudlus veel pikka aega. Meenutagem, et inimkond kasutas purje 5,5 tuhat aastat ja auruajastu kestis ligi 200 aastat ning alles kahekümnendal sajandil hakkas maailm kiiresti muutuma, sest toimus järjekordne teadus-tehnoloogiline revolutsioon, mis käivitas laine innovatsiooni ja tehnoloogiliste struktuuride muutumist, mis lõpuks muutis ja maailmamajandus ja poliitika. Peaasi on olla nende muutuste alged.

40ndate lõpus, pärast eufooriat tuumaenergia kasutamise väljavaadetest, alustasid nii USA kui ka NSV Liit tööd tuumamootorite paigaldamisega kõigele, mis võiks liikuda. Sellise "igavese" mootori loomise idee oli sõjaväe jaoks eriti atraktiivne. Tuumaelektrijaamu (NPP) kasutati peamiselt mereväes, sest laevaelektrijaamadele ei kehtinud nii ranged suuruse ja kaalu nõuded nagu näiteks lennunduses. Sellegipoolest ei saanud õhuvägi "mööda minna" võimalusest piiramatult laiendada strateegilise lennunduse ulatust. Mais 1946 USA õhujõudude väejuhatus kiitis heaks tuumamootorite loomise projekti strateegiliste pommitajate varustamiseks "Tuumaenergia õhusõidukite käitamiseks" (lühendatult NEPA, tõlgitud kui "Tuumaenergia lennukimootoritele"). Töö selle rakendamisega algas Oak Ridge'i riiklikus laboris. 1951. aastal see asendati õhujõudude ja aatomienergia komisjoni (AEC) ühisprogrammiga “Aircraft Nuclear Propulsion” (ANP, “Aviation Nuclear Propulsion”). General Electricu firma lõi turboreaktiivmootori (TRJ), mis erines “tavalisest” vaid selle poolest, et tavapärase põlemiskambri asemel oli tuumareaktor, mis soojendas kompressori poolt kokkusurutud õhku. Samal ajal muutus õhk radioaktiivseks – avatud vooluringiks. Neil aastatel käsitlesid nad seda lihtsamalt, kuid siiski, et oma lennuvälja mitte reostada, pidid õhkutõusmiseks ja maandumiseks mõeldud lennukid olema varustatud tavaliste petrooleumimootoritega. Esimene USA tuumalennukite projekt loodi ülehelikiirusega strateegilise pommitaja B-58 baasil. Arendaja (Convair) määras sellele X-6. Delta tiiva all asus neli tuumajõul töötavat turboreaktiivmootorit, lisaks pidi õhkutõusmisel ja maandumisel töötama veel 2 “tavalist” turboreaktiivmootorit. 1950. aastate keskpaigaks valmistati väikese õhkjahutusega tuumareaktori prototüüp, mille võimsus oli 1 MW. Selle lennu- ja meeskonnakaitsekatseteks eraldati pommitaja B-36H. Lendava labori meeskond oli kaitsekapslis, kuid pommilahtris asunud reaktoril endal polnud bioloogilist kaitset. Lendav labor sai nimeks NB-36H. Alates juulist 1955 märtsini 1957 ta tegi 47 lendu Texase ja New Mexico kõrbepiirkondade kohal, mille käigus lülitati reaktor sisse ja välja. Järgmises etapis loodi uus tuumareaktor HTRE (selle viimase mudeli võimsus oli 35 MW, millest piisas kahe mootori töötamiseks) ja eksperimentaalne X-39 mootor, mis läbis edukalt ühised maapealsed stendikatsetused. Selleks ajaks mõistsid ameeriklased aga, et avatud vooluring ei sobi, ja asusid projekteerima soojusvahetis õhkküttega elektrijaama. Uus Convair NX-2 oli kanardisainiga (horisontaalne saba asus tiiva ees). Tuumareaktor pidi asuma keskosas, mootorid taga ja õhuvõtuavad tiiva all. Lennuk pidi kasutama 2 kuni 6 turboreaktiivmootorit. Kuid 1961. aasta märtsis ANP programm suleti. Aastatel 1954-1955. Los Alamose laboratooriumi teadlaste rühm koostas aruande tuumarakettmootori (NRE) loomise võimaluse kohta. USA AEC otsustas alustada tööd selle loomisega. Programmi nimi oli "Rover". Paralleelselt tehti tööd Los Alamose teaduslaboris ja California ülikooli Livermore'i kiirguslaboratooriumis. Alates 1956. aastast on kõik kiirguslabori jõupingutused olnud suunatud PLUTO projekti järgi tuumareaktiivmootori (NRJE) loomisele (Los Alamoses hakati looma tuumareaktiivmootorit).

Tuumajõul töötav reaktiivmootor plaaniti paigaldada arendatavale ülehelikiirusega madala kõrgusega raketile (SLAM). Rakett (nüüd nimetataks seda tiibraketiks) oli sisuliselt vertikaalse stardiga mehitamata pommitaja (kasutades nelja tahkekütuse võimendajat). Tuumareaktiivmootor lülitati sisse teatud kiiruse saavutamisel ja juba piisaval kaugusel oma territooriumist. Õhuvõtuava kaudu sisenev õhk kuumutati tuumareaktoris ja läbi düüsi voolates tekitas tõukejõu. Lend sihtmärgile ja lõhkepeade vabastamine varguse eesmärgil tuli sooritada ülimadalal kõrgusel helikiirusest kolmekordse kiirusega. Tuumareaktori soojusvõimsus oli 500 MW, südamiku töötemperatuur oli üle 1600 kraadi C. Mootori testimiseks ehitati spetsiaalne katsepolügooni.

Leidsin huvitava artikli. Üldiselt on tuumakosmoselaevad mind alati huvitanud. See on astronautika tulevik. Põhjalikku tööd sel teemal tehti ka NSV Liidus. Artikkel räägib ainult neist.

Tuumaenergia kosmosesse. Unistused ja reaalsus.

Füüsikaliste ja matemaatikateaduste doktor Yu. Ya Stavissky

1950. aastal kaitsesin laskemoonaministeeriumi Moskva Mehaanikainstituudis (MMI) insener-füüsiku diplomi. Viis aastat varem, 1945. aastal moodustati seal uuele tööstusele spetsialiste koolitav inseneri-füüsikateaduskond, mille ülesannete hulka kuulus peamiselt tuumarelvade tootmine. Õppejõud oli ületamatu. Lisaks põhifüüsikale ülikoolikursuste raames (matemaatilise füüsika meetodid, relatiivsusteooria, kvantmehaanika, elektrodünaamika, statistiline füüsika jt) õpetati meile kõiki inseneriteadusi: keemia, metallurgia, materjalide tugevus, teooria. mehhanismidest ja masinatest jne. Silmapaistva nõukogude füüsiku Aleksandr Iljitš Leipunski loodud MMI tehnika- ja füüsikateaduskond kasvas aja jooksul Moskva Tehnika- ja Füüsika Instituudiks (MEPhI). Moskva Energeetikainstituudi (MPEI) juurde moodustati veel üks inseneri-füüsikateaduskond, mis samuti hiljem ühines MEPhI-ga, kuid kui MMI-s oli põhirõhk fundamentaalfüüsikal, siis energeetikainstituudis soojus- ja elektrifüüsikal.

Kvantmehaanikat õppisime Dmitri Ivanovitš Blokhintsevi raamatust. Kujutage ette minu üllatust, kui mind tema juurde tööle saadeti ülesande saamisel. Mina, innukas eksperimenteerija (lapsena võtsin kõik maja kellad lahti) ja äkki avastan end kuulsa teoreetiku juurest. Mind haaras kerge paanika, kuid jõudes kohale - NSVL Siseministeeriumi Obninskis asuvasse objekti B - sain kohe aru, et muretsen asjata.

Selleks ajaks oli “Objekti B” peateema, mida kuni 1950. aasta juunini tegelikult juhtis A.I. Leypunsky, on juba moodustatud. Siin lõid nad tuumakütuse laiendatud paljundamisega reaktorid - "kiired kasvatajad". Režissöörina algatas Blokhintsev uue suuna – kosmoselendudeks tuumajõul töötavate mootorite loomise. Kosmose valdamine oli Dmitri Ivanovitši kauaaegne unistus, isegi nooruses pidas ta kirjavahetust ja kohtus K.E. Tsiolkovski. Ma arvan, et tuumaenergia hiiglaslike võimaluste mõistmine, mille kütteväärtus on miljoneid kordi suurem kui parimal keemilised kütused ja määras D.I. elutee. Blokhintseva.
“You can’t see face to face”... Neil aastatel ei saanud me paljust aru. Alles nüüd, kui lõpuks on avanenud võimalus võrrelda Füüsika ja Energeetika Instituudi (PEI) - endise 31. detsembril 1966 ümbernimetatud "Objekti B" - väljapaistvate teadlaste tegemisi ja saatusi, on õige, nagu tundub. minu jaoks tekkis arusaam ideedest, mis neid tol ajal motiveerisid. Kõigi tegevuste mitmekesisusega, millega instituut pidi tegelema, on võimalik kindlaks teha prioriteetsed teadusvaldkonnad, mis olid selle juhtivate füüsikute huvides.

AIL-i (nagu Aleksander Iljitš Leipunskit instituudis selja taga kutsuti) peamiseks huviks on kiiretel aretusreaktoritel (tuumareaktorid, millel puuduvad piirangud tuumakütuse ressurssidele) põhineva globaalse energeetika arendamine. Selle tõeliselt "kosmilise" probleemi tähtsust, millele ta pühendas oma elu viimase veerandsajandi, on raske üle hinnata. Leypunsky tegi palju jõupingutusi riigi kaitsmiseks, eriti allveelaevade ja raskete lennukite tuumamootorite loomisel.

Huvid D.I. Blokhintsevi (ta sai hüüdnime D.I.) eesmärk oli lahendada tuumaenergia kasutamise probleem kosmoselendudel. Kahjuks oli ta 1950. aastate lõpus sunnitud selle töö pooleli jätma ja juhtima rahvusvahelise teaduskeskus— Dubna tuumauuringute ühisinstituut. Seal töötas ta impulss-kiire reaktorite – IBR kallal. Sellest sai tema elu viimane suur asi.

Üks värav – üks meeskond

DI. 1940. aastate lõpus Moskva Riiklikus Ülikoolis õpetanud Blohhintsev märkas seal ja kutsus seejärel Obninskisse tööle noore füüsiku Igor Bondarenko, kes sõna otseses mõttes raevutses tuumajõul töötavate kosmoselaevade üle. Tema esimene teaduslik juhendaja oli A.I. Leypunsky ja Igor tegelesid loomulikult tema teemaga - kiired kasvatajad.

D.I. Blokhintsev, Bondarenko ümber moodustatud teadlaste rühm, kes ühines aatomienergia kosmoses kasutamise probleemide lahendamiseks. Lisaks Igor Iljitš Bondarenkole kuulusid rühma: Viktor Jakovlevitš Pupko, Edwin Aleksandrovitš Stumbur ja nende ridade autor. Peaideoloog oli Igor. Edwin viis läbi kosmoserajatiste tuumareaktorite maapealsete mudelite eksperimentaalsed uuringud. Töötasin peamiselt "madala tõukejõuga" rakettmootorite kallal (tõukejõu nendes loob mingi kiirendi - "ioontõukejõud", mis saab toite kosmilisest energiast tuumaelektrijaam). Uurisime protsesse
voolab ioontõukurites, maapealsetel alustel.

Viktor Pupko kohta (tulevikus
temast sai IPPE kosmosetehnoloogia osakonna juhataja) organiseerimistööd oli palju. Igor Iljitš Bondarenko oli silmapaistev füüsik. Tal oli innukas katsetaju ning ta viis läbi lihtsaid, elegantseid ja väga tõhusaid katseid. Ma arvan, et ükski eksperimentalist ja võib-olla vähesed teoreetikud ei "tundnud" fundamentaalset füüsikat. Alati vastutulelik, avatud ja sõbralik Igor oli tõeline instituudi hing. Tänaseni elab IPPE tema ideede järgi. Bondarenko elas põhjendamatult lühikest elu. 1964. aastal suri ta 38-aastaselt traagiliselt meditsiinilise vea tõttu. Tundus, nagu oleks Jumal, nähes, kui palju inimene oli teinud, otsustas, et seda on liiga palju, ja käskis: "Aitab."

Ma ei suuda jätta meelde üht teist ainulaadne isiksus— Vladimir Aleksandrovitš Malyh, tehnoloog "jumalast", kaasaegne Leskovski vasakpoolne. Kui ülalnimetatud teadlaste “produktideks” olid peamiselt ideed ja kalkuleeritud hinnangud nende tegelikkusele, siis Malyhi töödel oli alati väljund “metallis”. Selle tehnoloogiasektor, mis IPPE hiilgeaegadel töötas üle kahe tuhande, suutis liialdamata teha kõike. Pealegi mängis ta ise alati võtmerolli.

V.A. Malykh alustas laborandina uurimisinstituudis tuumafüüsika MSU-l, kellel oli füüsikaosakonnas kolm kursust, ei lubatud sõda mu õpinguid lõpetada. 1940. aastate lõpus õnnestus tal luua tehnoloogia tehnilise keraamika tootmiseks, mis põhineb berülliumoksiidil, mis on ainulaadne kõrge soojusjuhtivusega dielektriline materjal. Enne Malykhi võitlesid paljud selle probleemiga edutult. Ja tema poolt esimese tuumaelektrijaama jaoks välja töötatud kaubanduslikul roostevabal terasel ja looduslikul uraanil põhinev kütuseelement on tol ajal ja tänapäevalgi ime. Või Malyhi loodud reaktor-elektrigeneraatori termiline kütuseelement kosmoselaevade toiteks - "pärnik". Siiani pole selles vallas midagi paremat ilmunud. Malykhi looming ei olnud näidismänguasjad, vaid tuumatehnoloogia elemendid. Nad töötasid kuid ja aastaid. Vladimir Aleksandrovitšist sai tehnikateaduste doktor, Lenini preemia laureaat, sotsialistliku töö kangelane. 1964. aastal suri ta traagiliselt sõjalise mürsušoki tagajärgede tõttu.

Samm sammu haaval

S.P. Korolev ja D.I. Blokhintsev on pikka aega turgutanud unistust mehitatud kosmoselennust. Nende vahel tekkisid tihedad töösidemed. Kuid 1950. aastate alguses, külma sõja haripunktis, ei säästetud kulusid ainult sõjalistel eesmärkidel. Raketitehnoloogiat peeti ainult tuumalaengute kandjaks ja satelliitidele isegi ei mõelnud. Samal ajal propageeris Bondarenko, teades raketiteadlaste viimastest saavutustest, visalt loomist. tehissatelliit Maa. Hiljem ei mäletanud seda keegi.

Huvitav on planeedi esimese kosmonaudi Juri Gagarini kosmosesse tõstnud raketi loomise ajalugu. See on seotud Andrei Dmitrijevitš Sahharovi nimega. 1940. aastate lõpus töötas ta välja kombineeritud lõhustumis-termotuumalaengu - "sloyka", ilmselt sõltumatult "isast". vesinikupomm"Edward Teller, kes pakkus välja sarnase toote nimega "äratuskell". Teller mõistis aga peagi, et sellise konstruktsiooniga tuumalaengu võimsus on piiratud, mitte rohkem kui ~ 500 kilotonni ekvivalenti. Sellest "absoluutse" relva jaoks ei piisa, seetõttu loobuti "äratuskellast". Liidus lasti 1953. aastal õhku Sahharovi RDS-6 paisupasta.

Pärast edukaid katseid ja Sahharovi akadeemikuks valimist otsustas Keskmise masinaehituse ministeeriumi toonane juht V.A. Malõšev kutsus ta enda juurde ja pani talle ülesandeks määrata järgmise põlvkonna pommi parameetrid. Andrei Dmitrijevitš hindas (ilma üksikasjaliku uurimiseta) uue, palju võimsama laengu kaalu. Sahharovi aruanne oli aluseks NLKP Keskkomitee ja NSV Liidu Ministrite Nõukogu otsusele, mis kohustas S.P. Korolev arendab selle laengu jaoks välja ballistilise kanderakett. Just see R-7 rakett nimega "Vostok" saatis 1957. aastal orbiidile kunstliku Maa satelliidi ja 1961. aastal koos Juri Gagariniga kosmoseaparaadi. Raske tuumalaengu kandjana ei olnud plaanis seda kasutada, kuna termotuumarelvade arendamine läks teistmoodi.

Kosmoseuuringute algfaasis tuumaprogramm IPPE koos KB V.N. Chelomeya arendas tuumatiibraketti. See suund ei arenenud kaua ja lõppes V.A osakonnas loodud mootorielementide arvutuste ja katsetamisega. Malykha. Sisuliselt rääkisime madalalt lendavast mehitamata õhusõidukist, millel on reaktiiv-tuumamootor ja tuumalõhkepea (omamoodi "sumiseva vea" tuumaanaloog - Saksa V-1). Süsteem käivitati tavaliste raketivõimendite abil. Pärast etteantud kiiruse saavutamist tekitas tõukejõu atmosfääriõhk, mida kuumutati rikastatud uraaniga immutatud berülliumoksiidi lõhustumise ahelreaktsiooniga.

Üldiselt määrab raketi võime täita konkreetset astronautikaülesannet kiirusega, mis saavutatakse pärast kogu töövedeliku (kütus ja oksüdeerija) ärakasutamist. See arvutatakse Tsiolkovski valemi abil: V = c×lnMn/ Mk, kus c on töövedeliku väljalaskekiirus ning Mn ja Mk on raketi alg- ja lõppmass. Tavalistes keemiarakettides määrab väljalaskekiiruse põlemiskambri temperatuur, kütuse ja oksüdeerija tüüp ning põlemisproduktide molekulmass. Näiteks kasutasid ameeriklased astronautide Kuule maandumiseks laskumismoodulis kütusena vesinikku. Selle põlemisproduktiks on vesi, mille molekulmass on suhteliselt väike ja voolukiirus on 1,3 korda suurem kui petrooleumi põletamisel. Sellest piisab, et astronautidega laskuv sõiduk jõuaks Kuu pinnale ja viiks nad seejärel oma tehissatelliidi orbiidile tagasi. Korolevi töö vesinikkütusega peatati inimohvritega õnnetuse tõttu. Meil ei olnud aega inimeste jaoks Kuu maandurit luua.

Üks võimalus heitgaasikiirust oluliselt suurendada on tuumasoojusrakettide loomine. Meie jaoks olid need ballistilised tuumaraketid (BAR), mille lennuulatus oli mitu tuhat kilomeetrit (OKB-1 ja IPPE ühisprojekt), ameeriklaste jaoks kasutati sarnaseid "Kiwi" tüüpi süsteeme. Mootoreid testiti Semipalatinski ja Nevada lähistel asuvates testimispaikades. Nende tööpõhimõte on järgmine: vesinikku kuumutatakse tuumareaktoris kõrgete temperatuurideni, läheb aatomi olekusse ja voolab sellisel kujul raketist välja. Sellisel juhul suureneb heitgaasi kiirus keemilise vesiniku raketiga võrreldes rohkem kui neli korda. Küsimus oli välja selgitada, millise temperatuurini saab vesinikku soojendada tahke kütuseelementidega reaktoris. Arvutused andsid umbes 3000°K.

NII-1-s, mille teaduslik juht oli Mstislav Vsevolodovitš Keldõš (toona NSVL Teaduste Akadeemia president), asus V.M. Ievleva töötas IPPE osalusel täiesti fantastilise skeemi kallal - gaasifaasilise reaktori kallal, milles uraani ja vesiniku gaasisegus toimub ahelreaktsioon. Vesinik voolab sellisest reaktorist välja kümme korda kiiremini kui tahkekütuse reaktorist, uraan aga eraldub ja jääb südamikusse. Üks ideedest hõlmas tsentrifugaaleralduse kasutamist, kui sissetuleva külma vesiniku poolt "keerises" keeratakse uraani ja vesiniku kuuma gaasisegu, mille tulemusena eralduvad uraan ja vesinik, nagu tsentrifuugis. Ievlev püüdis tegelikult keemilise raketi põlemiskambris toimuvaid protsesse vahetult reprodutseerida, kasutades energiaallikana mitte kütuse põlemissoojust, vaid lõhustumisahelreaktsiooni. See avas tee aatomituumade energiamahu täielikule ärakasutamisele. Kuid küsimus puhta vesiniku (ilma uraanita) reaktorist väljavoolu võimalikkuse kohta jäi lahendamata, rääkimata tehnilistest probleemidest, mis on seotud kõrge temperatuuriga gaasisegude hoidmisega sadade atmosfääride rõhul.

IPPE töö ballistiliste tuumarakettidega lõppes aastatel 1969–1970 tahkekütuse elementidega tuumarakettmootori prototüübi „tulekatsetustega“ Semipalatinski katsepaigas. Selle lõi IPPE koostöös Voroneži disainibürooga A.D. Konopatov, Moskva Uurimisinstituut-1 ja mitmed teised tehnoloogilised rühmad. 3,6-tonnise tõukejõuga mootori aluseks oli uraankarbiidi ja tsirkooniumkarbiidi tahkest lahusest valmistatud kütuseelementidega tuumareaktor IR-100. Vesiniku temperatuur saavutas 3000°K reaktori võimsusega ~170 MW.

Madala tõukejõuga tuumaraketid

Siiani on räägitud nende massi ületava tõukejõuga rakettidest, mida saaks Maa pinnalt välja saata. Sellistes süsteemides võimaldab väljalaskekiiruse suurendamine vähendada töövedeliku tarnimist, suurendada kasulikku koormust ja välistada mitmeastmelise töö. Siiski on võimalusi praktiliselt piiramatute väljavoolukiiruste saavutamiseks, näiteks aine kiirendamine elektromagnetväljade toimel. Töötasin sellel alal tihedalt Igor Bondarenkoga ligi 15 aastat.

Elektrilise tõukejõuga (EPE) raketi kiirenduse määrab neile paigaldatud kosmose tuumaelektrijaama (SNPP) erivõimsuse ja väljalaskekiiruse suhe. Nähtavas tulevikus ei ületa KNPP erivõimsus ilmselt 1 kW/kg. Sel juhul on võimalik luua väikese tõukejõuga, kümneid ja sadu kordi raketi massist väiksema tõukejõuga ning väga väikese töövedeliku kuluga rakette. Selline rakett suudab startida vaid Maa tehissatelliidi orbiidilt ja aeglaselt kiirendades jõuda suure kiiruseni.

Päikesesüsteemisisesteks lendudeks on vaja rakette, mille heitgaasikiirus on 50-500 km/s, tähtede lendudeks aga “footonrakette”, mis väljuvad meie kujutlusvõimest valguse kiirusega võrdse väljalaskekiirusega. Mistahes mõistliku aja pikamaa kosmoselennu sooritamiseks on vaja elektrijaamade mõeldamatut võimsustihedust. Pole veel võimalik isegi ette kujutada, millistel füüsikalistel protsessidel need võiksid põhineda.

Arvutused on näidanud, et Suure vastasseisu ajal, mil Maa ja Marss on teineteisele kõige lähemal, on võimalik tuumakosmoselaev koos meeskonnaga ühe aastaga Marsile lennata ja Maa tehissatelliidi orbiidile tagasi saata. Kogukaal selline laev on umbes 5 tonni (sealhulgas töövedeliku - tseesiumi - tarnimine, mis võrdub 1,6 tonniga). Selle määrab peamiselt KNPP mass võimsusega 5 MW ja joa tõukejõu määrab kahe megavatine tseesiumioonide kiir energiaga 7 kiloelektronvolti *. Laev stardib Maa tehissatelliidi orbiidilt, siseneb Marsi satelliidi orbiidile ja peab laskuma selle pinnale vesinikkeemiamootoriga seadmega, mis sarnaneb Ameerika Kuu omaga.

Sellele valdkonnale pühendati suur hulk IPPE töid, mis põhinesid juba täna võimalikel tehnilistel lahendustel.

Ioonide tõukejõud

Neil aastatel arutati kosmoselaevade jaoks mitmesuguste elektriliste tõukesüsteemide, näiteks "plasmarelvade", "tolmu" või vedelikupiiskade elektrostaatiliste kiirendite loomise viise. Ühelgi ideel polnud aga selget füüsilist alust. Avastus oli tseesiumi pinnaionisatsioon.

Möödunud sajandi 20ndatel avastas Ameerika füüsik Irving Langmuir leelismetallide pinnaionisatsiooni. Kui tseesiumiaatom aurustub metalli (meie puhul volframi) pinnalt, mille elektronide tööfunktsioon on suurem kui tseesiumi ionisatsioonipotentsiaal, kaotab see peaaegu 100% juhtudest nõrgalt seotud elektroni ja osutub üksikuks. laetud ioon. Seega on tseesiumi pinnaionisatsioon volframil füüsikaline protsess, mis võimaldab luua peaaegu 100% töövedeliku ärakasutamise ja ühtsusele lähedase energiatõhususega ioontõukeseadme.

Meie kolleeg Stal Yakovlevich Lebedev mängis seda tüüpi ioontõukejõusüsteemi mudelite loomisel suurt rolli. Oma raudse visaduse ja visadusega ületas ta kõik takistused. Selle tulemusel oli võimalik reprodutseerida metallis lamedat kolmeelektroodilist ioonilist tõukeahelat. Esimene elektrood on umbes 10x10 cm mõõtmetega volframplaat, mille potentsiaal on +7 kV, teine ​​on -3 kV potentsiaaliga volframvõrk ja kolmas nullpotentsiaaliga tooriaatvolframvõre. "Molekulaarpüstol" tekitas tseesiumiauru kiire, mis langes läbi kõigi võre volframplaadi pinnale. Tasakaalustatud ja kalibreeritud metallplaat, nn kaalud, mõõtsid "jõudu", st ioonkiire tõukejõudu.

Kiirenduspinge esimesele võrgule kiirendab tseesiumioonid 10 000 eV-ni, aeglustuspinge teise võrku aeglustab neid 7000 eV-ni. See on energia, millega ioonid peavad tõukejõust lahkuma, mis vastab väljalaskekiirusele 100 km/s. Kuid ioonide kiir, mida piirab ruumilaeng, ei saa „sisse väljuda avatud ala“. Ioonide mahulaeng tuleb kompenseerida elektronidega, et moodustada kvaasineutraalne plasma, mis levib ruumis takistamatult ja tekitab reaktiivse tõukejõu. Elektronide allikaks ioonkiire mahulaengu kompenseerimiseks on vooluga kuumutatud kolmas võrk (katood). Teine, "blokeeriv" ​​võrk takistab elektronide jõudmist katoodilt volframplaadile.

Esimesed kogemused ioonjõumudeliga tähistasid enam kui kümneaastase töö algust. Üks uusimaid 1965. aastal loodud poorse volframkiirguriga mudeleid andis 20 A ioonkiire voolu juures umbes 20 g "tõukejõu", selle energiakasutusaste oli umbes 90% ja ainekasutus 95%.

Tuumasoojuse otsene muundamine elektriks

Tuuma lõhustumise energia otseseks muundamiseks elektrienergiaks ei ole veel leitud viise. Me ei saa ikka hakkama ilma vahelüli - soojusmasinata. Kuna selle kasutegur on alati alla ühe, tuleb “jääksoojus” kuhugi panna. Maal, vees ega õhus sellega probleeme pole. Kosmoses on ainult üks tee - soojuskiirgus. Seega ei saa KNPP hakkama ilma „külmiku-emitterita”. Kiirgustihedus on võrdeline absoluutse temperatuuri neljanda astmega, seega peaks kiirgava külmiku temperatuur olema võimalikult kõrge. Siis on võimalik vähendada kiirgava pinna pindala ja vastavalt ka elektrijaama massi. Tulime välja ideega kasutada tuumasoojuse "otset" muundamist elektriks ilma turbiini või generaatorita, mis tundus pikaajaliseks kõrgel temperatuuril töötamiseks usaldusväärsem.

Kirjandusest teadsime A.F. teoste kohta. Ioffe - Nõukogude tehnilise füüsika koolkonna rajaja, pooljuhtide uurimise pioneer NSV Liidus. Vähesed inimesed mäletavad praegu tema väljatöötatud allikaid, mida kasutati Suure Isamaasõja ajal. Isamaasõda. Siis mitte üksi partisanide salk oli mandriga ühenduses tänu "petrooleumi" TEG-idele - Ioffe termoelektrilistele generaatoritele. TEG-idest (see oli pooljuhtelementide komplekt) pandi petrooleumilambile “kroon”, mille juhtmed ühendati raadioseadmetega. Elementide “kuumad” otsad soojendati petrooleumilambi leegiga, “külmad” otsad jahutati õhuga. Pooljuhti läbiv soojusvoog tekitas elektromotoorjõu, millest piisas sideseansiks ning nendevahelisel ajal laadis TEG akut. Kui kümme aastat pärast Võitu Moskva TEG tehast külastasime, selgus, et neid müüakse ikka veel. Paljudel külaelanikel olid siis ökonoomsed Rodina raadiod otsesoojuslampidega, mida toiteks aku. Selle asemel kasutati sageli TAG-e.

Petrooleumi TEG probleemiks on selle madal efektiivsus (ainult umbes 3,5%) ja madal maksimaalne temperatuur (350°K). Kuid nende seadmete lihtsus ja töökindlus meelitasid arendajaid. Seega pooljuhtmuundurid, mille on välja töötanud rühm I.G. Gverdtsiteli Sukhumi Füüsika- ja Tehnoloogiainstituudis leidis rakendust Buk-tüüpi kosmoseinstallatsioonides.

Omal ajal A.F. Ioffe pakkus välja teise termomuunduri - dioodi vaakumis. Selle tööpõhimõte on järgmine: kuumutatud katood kiirgab elektrone, mõned neist, ületades anoodi potentsiaali, töötavad. Sellelt seadmelt oodati oluliselt suuremat efektiivsust (20-25%) kell Töötemperatuurüle 1000°K. Lisaks ei karda vaakumdiood erinevalt pooljuhist neutronkiirgust ning seda saab kombineerida tuumareaktoriga. Siiski selgus, et Ioffe "vaakummuunduri" ideed oli võimatu ellu viia. Nagu ioonide tõukejõuseadmes, tuleb ka vaakummuunduris vabaneda ruumilaengust, kuid seekord mitte ioonidest, vaid elektronidest. A.F. Ioffe kavatses vaakummuunduris kasutada katoodi ja anoodi vahel mikronite vahesid, mis on kõrgete temperatuuride ja termiliste deformatsioonide tingimustes praktiliselt võimatu. Siin tulebki kasuks tseesium: üks tseesiumioon, mis tekib pinnaionisatsioonil katoodil, kompenseerib umbes 500 elektroni ruumilaengu! Sisuliselt on tseesiumimuundur "ümberpööratud" ioonide tõukeseade. Füüsilised protsessid neis on lähedased.

"Garlands" autor V.A. Malykha

Üks IPPE töö tulemustest termomuundurite kallal oli V.A. Malykh ja tema osakonnas seeriatootmine kütuseelementide seeriaühendusega termomuunduritest - Topaasi reaktori "vanikud". Need andsid kuni 30 V pinget - sada korda rohkem kui "konkureerivate organisatsioonide" - Leningradi grupi M.B. loodud üheelemendilised muundurid. Barabash ja hiljem - Aatomienergia Instituut. See võimaldas reaktorist “eemaldada” kümneid ja sadu kordi rohkem võimsust. Tuhandete termoelementidega täidetud süsteemi töökindlus tekitas aga muret. Samal ajal töötasid auru- ja gaasiturbiinijaamad tõrgeteta, mistõttu pöörasime tähelepanu ka tuumasoojuse “masinale” muundamisele elektriks.

Kogu raskus seisnes ressursis, sest pikamaa kosmoselendudel peavad turbogeneraatorid töötama aasta, kaks või isegi mitu aastat. Kulumise vähendamiseks tuleks “pöörded” (turbiini pöörlemiskiirus) teha võimalikult madalaks. Teisest küljest töötab turbiin tõhusalt, kui gaasi või auru molekulide kiirus on lähedane selle labade kiirusele. Seetõttu kaalusime esmalt kõige raskema - elavhõbedaauru - kasutamist. Kuid meid ehmatas elavhõbedaga jahutatavas tuumareaktoris aset leidnud raua ja roostevaba terase intensiivne kiirgusega stimuleeritud korrosioon. Kahe nädalaga "söös" korrosioon Argonne'i laboris (USA, 1949) eksperimentaalse kiirreaktori "Clementine" ja IPPE reaktori BR-2 (NSVL, Obninsk, 1956) kütuseelemendid.

Kaaliumiaur osutus ahvatlevaks. Selles keeva kaaliumiga reaktor oli meie poolt arendatava väikese tõukejõuga kosmoselaeva elektrijaama aluseks - kaaliumiaur pööras turbogeneraatorit. See "masin" meetod soojuse elektriks muundamiseks võimaldas loota kuni 40% efektiivsusele, samas kui tõelised termoelektroonilised paigaldised andsid efektiivsuse vaid umbes 7%. Siiski ei arendatud KNPP-d, mis võimaldaksid tuumasoojuse "masinal" muundada elektrienergiaks. Asi lõppes üksikasjaliku aruande avaldamisega, mis oli sisuliselt "füüsiline märkus" väikese tõukejõuga kosmoseaparaadi tehnilise konstruktsiooni kohta meeskonnaga lennuks Marsile. Projekti ennast pole kunagi välja töötatud.

Hiljem arvan, et huvi tuumarakettmootoreid kasutavate kosmoselendude vastu lihtsalt kadus. Pärast Sergei Pavlovitš Korolevi surma nõrgenes märgatavalt toetus IPPE tööle ioonjõu ja "masinate" tuumaelektrijaamade alal. OKB-1 juhtis Valentin Petrovitš Glushko, kes ei tundnud huvi julgete ja paljutõotavate projektide vastu. Tema loodud Energia disainibüroo ehitas võimsaid keemiarakette ja Maale naasva kosmoseaparaadi Buran.

"Buk" ja "Topaz" sarja "Cosmos" satelliitidel

Töö KNPP loomisel soojuse otsese muundamisega elektriks, nüüd võimsate raadiosatelliitide toiteallikana (kosmoses radarijaamad ja telesaadete edastajad) jätkus kuni perestroika alguseni. Aastatel 1970–1988 saadeti kosmosesse umbes 30 radarsatelliiti koos pooljuhtmuunduri reaktoriga Buki tuumaelektrijaamadega ja kaks Topazi termoelektrijaamadega. Buk oli tegelikult TEG - pooljuht-Ioffe-muundur, kuid petrooleumilambi asemel kasutas see tuumareaktorit. See oli kiire reaktor võimsusega kuni 100 kW. Kõrgelt rikastatud uraani täiskoormus oli umbes 30 kg. Südamikust kanti soojus üle vedel metall— naatriumi ja kaaliumi eutektiline sulam pooljuhtpatareide jaoks. Elektrivõimsus ulatus 5 kW-ni.

Buki installatsiooni töötasid IPPE teadusliku juhendamise all välja OKB-670 spetsialistid M.M. Bondaryuk, hiljem - MTÜ "Red Star" (peadisainer - G.M. Gryaznov). Dnepropetrovski Južmaši disainibüroo (peakonstruktor – M.K. Yangel) sai ülesandeks luua kanderakett, mis viiks satelliidi orbiidile.

“Buki” tööaeg on 1-3 kuud. Kui paigaldamine ebaõnnestus, viidi satelliit pikaajalisele orbiidile 1000 km kõrgusele. Ligi 20-aastase stardiaasta jooksul oli kolm juhtumit, kus satelliit Maale kukkus: kaks ookeanis ja üks maismaal, Kanadas Great Slave Lake'i läheduses. 24. jaanuaril 1978 vette lastud Kosmos-954 kukkus sinna alla. Ta töötas 3,5 kuud. Satelliidi uraanielemendid põlesid atmosfääris täielikult ära. Maast leiti vaid berülliumreflektori ja pooljuhtpatareide jäänused. (Kõik need andmed on esitatud USA ja Kanada aatomikomisjonide ühisaruandes operatsiooni Morning Light kohta.)

Topaasi termoelektrijaamas kasutati kuni 150 kW võimsusega soojusreaktorit. Uraani täiskoormus oli umbes 12 kg – oluliselt vähem kui Bukil. Reaktori aluseks olid kütuseelemendid - "vanikud", mille töötas välja ja valmistas Malykhi grupp. Need koosnesid termoelementide ahelast: katood oli volframist või molübdeenist valmistatud "sõrmkübar", mis oli täidetud uraanoksiidiga, anood oli õhukese seinaga nioobiumitoru, mida jahutas vedel naatrium-kaalium. Katoodi temperatuur ulatus 1650 °C-ni. Käitise elektrivõimsus ulatus 10 kW-ni.

Esimene lennumudel, Topaz installatsiooniga satelliit Cosmos-1818, läks orbiidile 2. veebruaril 1987 ja töötas veatult kuus kuud, kuni tseesiumivarud olid ammendatud. Teine satelliit Cosmos-1876 lasti orbiidile aasta hiljem. Ta töötas orbiidil peaaegu kaks korda kauem. Topazi peamine arendaja oli MMZ Sojuzi disainibüroo, mida juhtis S.K. Tumansky (endine lennukimootori konstruktori A.A. Mikulini projekteerimisbüroo).

See juhtus 1950. aastate lõpus, kui me töötasime ioontõukejõu kallal, ja tema töötas raketi kolmanda astme mootoriga, mis lendaks ümber Kuu ja maanduks sellele. Mälestused Melnikovi laborist on värsked tänaseni. See asus Podlipkis (praegu Korolevi linn), OKB-1 objektil nr 3. Hiiglaslik umbes 3000 m2 suurune töökoda, mis on ääristatud kümnete töölaudadega, millel on 100 mm rullpaberile salvestavad ahelaostsilloskoobid (see oli möödunud ajastu, tänapäeval piisaks ühest personaalarvutist). Töökoja esiseinal on stend, kuhu on paigaldatud “Kuu” rakettmootori põlemiskamber. Ostsilloskoopides on tuhandeid juhtmeid gaasi kiiruse, rõhu, temperatuuri ja muude parameetrite anduritest. Päev algab kell 9.00 mootori süütamisega. See töötab mitu minutit, seejärel võtab esimese vahetuse mehaanika meeskond selle kohe pärast peatumist lahti, kontrollib ja mõõdab hoolikalt põlemiskambrit. Samal ajal analüüsitakse ostsilloskoobi linte ja antakse soovitusi disaini muudatusteks. Teine vahetus – disainerid ja töökoja töötajad teevad soovitatud muudatusi. Kolmanda vahetuse käigus paigaldatakse stendile uus põlemiskamber ja diagnostikasüsteem. Päev hiljem, täpselt kell 9.00, järgmine istung. Ja nii ilma puhkepäevadeta nädalaid, kuid. Rohkem kui 300 mootorivalikut aastas!

Nii loodi keemilised rakettmootorid, mis pidid töötama vaid 20-30 minutit. Mida öelda tuumaelektrijaamade katsetamise ja modifitseerimise kohta - arvestus oli, et need peaksid töötama üle ühe aasta. See nõudis tõeliselt hiiglaslikke pingutusi.