Jadrové termonukleárne palivové rakety. Krížová strela s jadrovým pohonom

Vo všeobecných vzdelávacích publikáciách o astronautike sa často nerozlišuje rozdiel medzi jadrovým raketovým motorom (NRE) a jadrovým raketovým elektrickým pohonným systémom (NRE). Za týmito skratkami sa však skrýva nielen rozdielnosť princípov premeny jadrovej energie na raketový ťah, ale aj veľmi dramatická história vývoja kozmonautiky.

Dráma dejín spočíva v tom, že ak by pokračoval najmä z ekonomických dôvodov zastavený výskum jadrového pohonu a jadrového pohonu v ZSSR aj USA, potom by sa ľudské lety na Mars už dávno stali samozrejmosťou.

Všetko to začalo atmosférickým lietadlom s náporovým jadrovým motorom

Motory vyvinuté v rámci projektu Pluto sa plánovali inštalovať na riadené strely, ktoré v 50. rokoch vznikli pod označením SLAM (Supersonic Low Altitude Missile, nadzvuková strela s nízkou výškou).

Spojené štáty plánovali postaviť raketu s dĺžkou 26,8 metra, priemerom tri metre a hmotnosťou 28 ton. Telo rakety malo obsahovať jadrovú hlavicu, ako aj jadrový pohonný systém s dĺžkou 1,6 metra a priemerom 1,5 metra. V porovnaní s inými veľkosťami vyzerala inštalácia veľmi kompaktne, čo vysvetľuje jej princíp priameho toku.

Vývojári verili, že vďaka jadrovému motoru bude dolet strely SLAM minimálne 182-tisíc kilometrov.

V roku 1964 ministerstvo obrany USA projekt uzavrelo. Oficiálnym dôvodom bolo, že počas letu raketa s jadrovým pohonom príliš znečisťuje všetko naokolo. V skutočnosti však dôvodom boli značné náklady na údržbu takýchto rakiet, najmä preto, že v tom čase sa raketová technika rýchlo rozvíjala na základe raketových motorov na kvapalné palivo, ktorých údržba bola oveľa lacnejšia.

ZSSR zostal verný myšlienke vytvoriť náporový dizajn pre jadrový motor oveľa dlhšie ako Spojené štáty, pričom projekt uzavrel až v roku 1985. Ale výsledky sa ukázali byť oveľa významnejšie. Prvý a jediný sovietsky jadrový raketový motor bol teda vyvinutý v konštrukčnej kancelárii Khimavtomatika vo Voroneži. Toto je RD-0410 (index GRAU - 11B91, tiež známy ako „Irbit“ a „IR-100“).

RD-0410 používal heterogénny tepelný neutrónový reaktor, moderátorom bol hydrid zirkónia, reflektory neutrónov boli vyrobené z berýlia, jadrové palivo bol materiál na báze uránu a karbidov volfrámu, s asi 80% obohatením izotopom 235.

Návrh zahŕňal 37 palivových kaziet pokrytých tepelnou izoláciou, ktorá ich oddeľovala od moderátora. Konštrukcia predpokladala, že prúd vodíka najprv prechádzal cez reflektor a moderátor, pričom ich teplota sa udržiaval na izbovej teplote, a potom vstupoval do aktívnej zóny, kde ochladzoval palivové kazety, pričom sa zahrial až na 3100 K. Na stánku bol reflektor a moderátor chladený oddeleným prúdom vodíka.

Reaktor prešiel značnou sériou testov, ale nikdy nebol testovaný počas celej doby prevádzky. Vonkajšie komponenty reaktora však boli úplne vyčerpané.

Technické vlastnosti RD 0410

Ťah v prázdnote: 3,59 tf (35,2 kN)
Tepelný výkon reaktora: 196 MW
Špecifický ťahový impulz vo vákuu: 910 kgf s/kg (8927 m/s)
Počet štartov: 10
Pracovný zdroj: 1 hodina
Zložky paliva: pracovná kvapalina - kvapalný vodík, pomocná látka - heptán
Hmotnosť s ochranou proti žiareniu: 2 tony
Rozmery motora: výška 3,5 m, priemer 1,6 m.

Pomerne malé celkové rozmery a hmotnosť, vysoká teplota jadrového paliva (3100 K) s účinným chladiacim systémom s prietokom vodíka naznačujú, že RD0410 je takmer ideálnym prototypom jadrového pohonného motora pre moderné riadené strely. A berúc do úvahy moderné technológie výroby jadrového paliva s automatickým zastavením, zvýšenie zdroja z hodiny na niekoľko hodín je veľmi reálna úloha.

Konštrukcia jadrových raketových motorov

Existujú tri typy jadrových hnacích motorov v závislosti od typu paliva pre reaktor:

• tuhá fáza;
• kvapalná fáza;
• plynná fáza.

V plynových motoroch s jadrovým pohonom sú palivo (napríklad urán) a pracovná kvapalina v plynnom stave (vo forme plazmy) a sú udržiavané v pracovnej oblasti elektromagnetickým poľom. Uránová plazma zahriata na desiatky tisíc stupňov odovzdáva teplo pracovnej tekutine (napríklad vodíku), ktorá zahriatím na vysoké teploty vytvára prúdový prúd.

Na základe typu jadrovej reakcie sa rozlišuje rádioizotopový raketový motor, termonukleárny raketový motor a samotný jadrový motor (využíva sa energia jadrového štiepenia).

Zaujímavou možnosťou je aj pulzný jadrový raketový motor – ako zdroj energie (paliva) sa navrhuje použiť jadrovú nálož. Takéto inštalácie môžu byť vnútorného a vonkajšieho typu.

Hlavné výhody jadrových motorov sú:

• vysoký špecifický impulz;
• značné zásoby energie;
• kompaktnosť pohonného systému;
• možnosť získať veľmi vysoký ťah - desiatky, stovky a tisíce ton vo vákuu.

• toky prenikavého žiarenia (gama žiarenie, neutróny) počas jadrových reakcií;
• odstraňovanie vysoko rádioaktívnych zlúčenín uránu a jeho zliatin;
• únik rádioaktívnych plynov s pracovnou tekutinou.

Jadrový pohonný systém

Napríklad vynikajúci ruský vedec Anatolij Sazonovič Koroteev, autor vynálezu podľa patentu, poskytol technické riešenie zloženia zariadenia pre moderný YARDU. Nižšie uvádzam časť uvedeného patentového dokumentu doslovne a bez komentára.

Podstatu navrhovaného technického riešenia znázorňuje schéma uvedená na výkrese. Jadrový pohonný systém pracujúci v režime pohonnej energie obsahuje elektrický pohonný systém (EPS) (v príklade sú znázornené dva elektrické raketové motory 1 a 2 so zodpovedajúcimi zásobovacími systémami 3 a 4), reaktorové zariadenie 5, turbína 6, kompresor 7, generátor 8, tepelný výmenník-rekuperátor 9, Ranck-Hilschova vírivá trubica 10, chladnička-radiátor 11. V tomto prípade sú turbína 6, kompresor 7 a generátor 8 spojené do jedného celku - turbogenerátor-kompresor. Jadrová pohonná jednotka je vybavená potrubím 12 pracovnej tekutiny a elektrickými vedeniami 13 spájajúcimi generátor 8 a elektrickú pohonnú jednotku. Výmenník tepla-rekuperátor 9 má takzvané vysokoteplotné 14 a nízkoteplotné 15 vstupy pracovnej tekutiny, ako aj vysokoteplotné 16 a nízkoteplotné 17 výstupy pracovnej tekutiny.

Výstup reaktorovej jednotky 5 je pripojený na vstup turbíny 6, výstup turbíny 6 je pripojený k vysokoteplotnému vstupu 14 tepelného výmenníka-rekuperátora 9. Nízkoteplotný výstup 15 tepelného výmenníka-rekuperátora 9 je pripojená k vstupu do Ranck-Hilschovej vírivej trubice 10. Ranck-Hilschova vírivá trubica 10 má dva výstupy, z ktorých jeden (cez „horúcu“ pracovnú tekutinu) je pripojený k chladiču 11 a druhý ( cez „studenú“ pracovnú kvapalinu) je pripojený na vstup kompresora 7. Výstup chladiča 11 je tiež pripojený na vstup do kompresora 7. Výstup 7 kompresora je pripojený k nízkoteplotnému vstupu 15 do tepelný výmenník-rekuperátor 9. Vysokoteplotný výstup 16 tepelného výmenníka-rekuperátora 9 je pripojený na vstup do reaktorového zariadenia 5. Hlavné prvky jadrovej elektrárne sú tak prepojené jedným okruhom pracovnej tekutiny. .

Jadrová elektráreň funguje nasledovne. Pracovná tekutina ohriata v reaktorovom zariadení 5 je privádzaná do turbíny 6, ktorá zabezpečuje chod kompresora 7 a generátora 8 turbogenerátora-kompresora. Generátor 8 generuje elektrickú energiu, ktorá je posielaná elektrickými vedeniami 13 do elektrických raketových motorov 1 a 2 a ich napájacích systémov 3 a 4, zabezpečujúcich ich prevádzku. Po opustení turbíny 6 je pracovná tekutina privádzaná cez vysokoteplotný vstup 14 do výmenníka tepla-rekuperátora 9, kde je pracovná tekutina čiastočne ochladená.

Potom z nízkoteplotného výstupu 17 tepelného výmenníka-rekuperátora 9 je pracovná tekutina nasmerovaná do Ranque-Hilschovej vírivej trubice 10, v ktorej je prúd pracovnej tekutiny rozdelený na „horúcu“ a „studenú“ zložku. „Horúca“ časť pracovnej tekutiny potom ide do chladničky-emitora 11, kde sa táto časť pracovnej tekutiny účinne ochladí. „Studená“ časť pracovnej tekutiny ide na vstup kompresora 7 a po ochladení tam nasleduje aj časť pracovnej tekutiny opúšťajúca chladiacu chladničku 11.

Kompresor 7 privádza ochladenú pracovnú tekutinu do výmenníka-rekuperátora 9 cez nízkoteplotný vstup 15. Táto ochladená pracovná tekutina v tepelnom výmenníku-rekuperátore 9 zabezpečuje čiastočné chladenie protiprúdu pracovnej tekutiny vstupujúcej do výmenníka-rekuperátora. 9 z turbíny 6 cez vysokoteplotný vstup 14. Ďalej čiastočne zohriata pracovná tekutina (v dôsledku výmeny tepla s protiprúdom pracovnej tekutiny z turbíny 6) z výmenníka tepla-rekuperátora 9 cez vysokoteplotný výstup 16 opäť vstupuje do reaktorovej inštalácie 5, cyklus sa znova opakuje.

Jedna pracovná kvapalina umiestnená v uzavretom okruhu teda zabezpečuje nepretržitú prevádzku jadrovej elektrárne a použitie Ranque-Hilschovej vírivej trubice ako súčasti jadrovej elektrárne v súlade s nárokovaným technickým riešením zlepšuje hmotnostné a rozmerové charakteristiky. jadrovej elektrárne, zvyšuje spoľahlivosť jej prevádzky, zjednodušuje jej projektovanie a umožňuje zvýšiť účinnosť jadrových elektrární vo všeobecnosti.

Dávajte pozor, je tam veľa písmen.

Do roku 2025 sa v Rusku plánuje vytvoriť letový model kozmickej lode s jadrovým pohonným systémom (JE). Zodpovedajúca práca je zahrnutá v návrhu Federálneho vesmírneho programu na roky 2016–2025 (FKP-25), ktorý Roskosmos poslal na schválenie ministerstvám.

Jadrové energetické systémy sú považované za hlavné perspektívne zdroje energie vo vesmíre pri plánovaní rozsiahlych medziplanetárnych expedícií. V budúcnosti bude jadrová elektráreň, ktorú v súčasnosti vytvárajú podniky Rosatomu, schopná poskytovať megawattový výkon vo vesmíre.

Všetky práce na vytvorení jadrovej elektrárne prebiehajú v súlade s plánovanými termínmi. S vysokou mierou istoty môžeme povedať, že práce budú dokončené načas, ako to zabezpečuje cieľový program,“ hovorí Andrey Ivanov, projektový manažér komunikačného oddelenia štátnej korporácie Rosatom.

Projekt nedávno ukončil dve dôležité etapy: vytvoril sa unikátny dizajn palivového článku, ktorý zabezpečuje prevádzku v podmienkach vysokých teplôt, veľkých teplotných gradientov a vysokodávkového žiarenia. Úspešne sú ukončené aj technologické skúšky reaktorovej nádoby budúceho vesmírneho energetického bloku. V rámci týchto testov bolo puzdro vystavené pretlaku a boli uskutočnené 3D merania v oblasti základného kovu, obvodového zvaru a skosených prechodových oblastí.

Princíp fungovania. História stvorenia.

S jadrovým reaktorom pre vesmírne aplikácie neexistujú žiadne zásadné ťažkosti. V období rokov 1962 až 1993 naša krajina nazbierala bohaté skúsenosti s výrobou podobných zariadení. Podobná práca bola vykonaná v USA. Od začiatku 60. rokov 20. storočia sa vo svete vyvinulo niekoľko typov elektrických pohonných motorov: iónové, stacionárne plazmové, anódové motory, pulzné plazmové motory, magnetoplazmové, magnetoplazmodynamické.

Práce na vytváraní jadrových motorov pre kozmické lode sa aktívne vykonávali v ZSSR a USA v minulom storočí: Američania uzavreli projekt v roku 1994, ZSSR - v roku 1988. Ukončenie diela do značnej miery uľahčila katastrofa v Černobyle, ktorá negatívne ovplyvnila verejnú mienku o využívaní jadrovej energie. Okrem toho testy jadrových zariadení vo vesmíre neprebiehali vždy podľa plánu: v roku 1978 vstúpil sovietsky satelit Kosmos-954 do atmosféry a rozpadol sa a rozptýlil tisíce rádioaktívnych úlomkov na ploche 100 tisíc metrov štvorcových. km v severozápadnej Kanade. Sovietsky zväz vyplatil Kanade peňažnú kompenzáciu vo výške viac ako 10 miliónov dolárov.

V máji 1988 dve organizácie – Federácia amerických vedcov a Výbor sovietskych vedcov pre mier proti jadrovej hrozbe – predložili spoločný návrh na zákaz využívania jadrovej energie vo vesmíre. Tento návrh nezískal žiadne formálne dôsledky, ale odvtedy žiadna krajina nevypustila kozmickú loď s jadrovými elektrárňami na palube.

Veľkými výhodami projektu sú prakticky dôležité prevádzkové vlastnosti - dlhá životnosť (10 rokov prevádzky), výrazný interval generálnej opravy a dlhá doba prevádzky na jednom vypínači.

V roku 2010 boli sformulované technické návrhy projektu. Dizajn sa začal tento rok.

Jadrová elektráreň obsahuje tri hlavné zariadenia: 1) reaktorové zariadenie s pracovnou kvapalinou a pomocnými zariadeniami (výmenník tepla-rekuperátor a turbogenerátor-kompresor); 2) elektrický raketový pohonný systém; 3) chladnička-emitor.

Reaktor.

Z fyzikálneho hľadiska ide o kompaktný plynom chladený rýchly neutrónový reaktor.
Použité palivo je zlúčenina (dioxid alebo karbonitrid) uránu, ale keďže konštrukcia musí byť veľmi kompaktná, urán má vyššie obohatenie izotopom 235 ako palivové tyče v konvenčných (civilných) jadrových elektrárňach, možno až nad 20 %. A ich plášť je monokryštalická zliatina žiaruvzdorných kovov na báze molybdénu.

Toto palivo bude musieť pracovať pri veľmi vysokých teplotách. Preto bolo potrebné zvoliť materiály, ktoré by mohli obsahovať negatívne faktory spojené s teplotou a zároveň umožnili palivu plniť jeho hlavnú funkciu – ohrievať chladiaci plyn, ktorý bude slúžiť na výrobu elektriny.

Chladnička.

Chladenie plynu počas prevádzky jadrového zariadenia je absolútne nevyhnutné. Ako vypúšťať teplo do vesmíru? Jedinou možnosťou je chladenie radiáciou. Zahriaty povrch v prázdnote sa ochladzuje a vyžaruje elektromagnetické vlny v širokom rozsahu, vrátane viditeľného svetla. Jedinečnosťou projektu je použitie špeciálnej chladiacej kvapaliny – zmesi hélium-xenón. Inštalácia zaisťuje vysokú účinnosť.

Motor.

Princíp činnosti iónového motora je nasledujúci. V plynovej výbojovej komore sa pomocou anód a katódového bloku umiestneného v magnetickom poli vytvára riedka plazma. Z nej sú ióny pracovnej tekutiny (xenón alebo iná látka) „ťahané“ emisnou elektródou a urýchľované v medzere medzi ňou a urýchľovacou elektródou.

Na realizáciu plánu bolo v rokoch 2010 až 2018 sľúbených 17 miliárd rubľov. Z týchto prostriedkov bolo 7,245 miliardy rubľov určených pre štátnu korporáciu Rosatom na vytvorenie samotného reaktora. Ďalších 3,955 miliardy - FSUE "Keldysh Center" na vytvorenie jadrovej elektrárne. Ďalších 5,8 miliardy rubľov poputuje do RSC Energia, kde bude potrebné v rovnakom časovom rámci vytvoriť pracovný vzhľad celého dopravného a energetického modulu.

Podľa plánov bude do konca roka 2017 pripravený jadrový pohonný systém na dokončenie dopravného a energetického modulu (modul medziplanetárneho prenosu). Do konca roka 2018 bude jadrová elektráreň pripravená na letové skúšky. Projekt je financovaný z federálneho rozpočtu.

Nie je žiadnym tajomstvom, že práce na vytvorení jadrových raketových motorov sa začali v USA a ZSSR už v 60. rokoch minulého storočia. Ako ďaleko zašli? A s akými problémami ste sa po ceste stretli?

Anatolij Korotejev: Práce na využívaní jadrovej energie vo vesmíre sa skutočne začali a aktívne uskutočňovali tu a v USA v 60-70 rokoch.

Pôvodne bolo úlohou vytvoriť raketové motory, ktoré by namiesto chemickej energie spaľovania paliva a okysličovadla využívali ohrev vodíka na teplotu okolo 3000 stupňov. Ale ukázalo sa, že takáto priama cesta bola stále neúčinná. Krátkodobo dostaneme vysoký ťah, no zároveň vyžarujeme prúd, ktorý sa v prípade abnormálnej prevádzky reaktora môže ukázať ako rádioaktívne kontaminovaný.

Nazbierali sa nejaké skúsenosti, ale ani my, ani Američania sme nedokázali vytvoriť spoľahlivé motory. Fungovali, ale nie veľa, pretože zahriatie vodíka na 3000 stupňov v jadrovom reaktore je vážna úloha. Okrem toho sa počas pozemných testov takýchto motorov vyskytli environmentálne problémy, pretože rádioaktívne prúdy sa dostali do atmosféry. Už nie je tajomstvom, že takáto práca bola vykonaná na testovacom mieste Semipalatinsk, špeciálne pripravenom na jadrové testovanie, ktoré zostalo v Kazachstane.

To znamená, že dva parametre sa ukázali ako kritické - extrémna teplota a emisie žiarenia?

Anatolij Koroteev: Vo všeobecnosti áno. Z týchto a niektorých ďalších dôvodov bola práca u nás a v USA zastavená alebo pozastavená - dá sa to hodnotiť rôzne. A zdalo sa nám nerozumné obnovovať ich tak, povedal by som, hlava-nehlava, aby sme vyrobili jadrový motor so všetkými už spomínanými nedostatkami. Navrhli sme úplne iný prístup. Od starého sa líši rovnako, ako sa líši hybridné auto od bežného. V bežnom aute roztáča kolesá motor, no v hybridných autách sa elektrina vyrába z motora a táto elektrina roztáča kolesá. To znamená, že sa vytvára akási medziľahlá elektráreň.

Navrhli sme teda schému, v ktorej vesmírny reaktor neohrieva prúd, ktorý je z neho vyvrhnutý, ale vyrába elektrinu. Horúci plyn z reaktora roztáča turbínu, turbína roztáča elektrický generátor a kompresor, ktorý cirkuluje pracovnú tekutinu v uzavretej slučke. Generátor vyrába elektrinu pre plazmový motor so špecifickým ťahom 20-krát vyšším ako majú chemické analógy.

Záludná schéma. V podstate ide o miniatómovú elektráreň vo vesmíre. A aké sú jeho výhody oproti náporovému jadrovému motoru?

Anatolij Koroteev: Hlavná vec je, že prúd vychádzajúci z nového motora nebude rádioaktívny, pretože cez reaktor prechádza úplne iná pracovná tekutina, ktorá je obsiahnutá v uzavretom okruhu.

Navyše pri tejto schéme nepotrebujeme ohrievať vodík na zakázané hodnoty: v reaktore cirkuluje inertná pracovná tekutina, ktorá sa zohrieva až na 1500 stupňov. Robíme si veci skutočne jednoduchými. A v dôsledku toho zvýšime špecifický ťah nie dvojnásobne, ale 20-krát v porovnaní s chemickými motormi.

Ďalšia vec je tiež dôležitá: nie sú potrebné komplexné testy v plnom rozsahu, ktoré si vyžadujú infraštruktúru bývalého testovacieho miesta Semipalatinsk, najmä základňu testovacej stolice, ktorá zostáva v meste Kurchatov.

V našom prípade sa všetky potrebné testy dajú vykonať na ruskom území bez toho, aby sme boli zaťahovaní do dlhých medzinárodných rokovaní o využívaní jadrovej energie za hranicami jedného štátu.

Prebiehajú v súčasnosti podobné práce aj v iných krajinách?

Anatolij Korotejev: Mal som stretnutie so zástupcom šéfa NASA, diskutovali sme o otázkach súvisiacich s návratom k práci na jadrovej energii vo vesmíre a povedal, že Američania o to prejavujú veľký záujem.

Je celkom možné, že Čína môže reagovať aktívnymi krokmi zo svojej strany, takže musíme pracovať rýchlo. A to nielen kvôli tomu, aby sme boli pred niekým o pol kroku vpredu.

Musíme pracovať rýchlo, v prvom rade, aby sme vo vznikajúcej medzinárodnej spolupráci vyzerali slušne a de facto sa formuje.

Nevylučujem, že v blízkej budúcnosti sa môže spustiť medzinárodný program pre jadrovú vesmírnu elektráreň, podobný programu riadenej termonukleárnej fúzie, ktorý sa v súčasnosti realizuje.

Sergeev Alexey, 9 „A“ trieda, Mestská vzdelávacia inštitúcia „Stredná škola č. 84“

Vedecký konzultant: , zástupca riaditeľa neziskového partnerstva pre vedecké a inovačné aktivity „Tomské atómové centrum“

Vedúci: , učiteľ fyziky, Mestský vzdelávací ústav „Stredná škola č. 84“ CATO Seversk

Úvod

Pohonné systémy na palube kozmickej lode sú navrhnuté tak, aby vytvárali ťah alebo hybnosť. Podľa typu použitého ťahu sa pohonný systém delí na chemický (CHRD) a nechemický (NCRD). CRD sa delia na motory na kvapalné palivo (LPRE), raketové motory na tuhé palivo (motory na tuhé palivo) a kombinované raketové motory (RCR). Nechemické pohonné systémy sa zase delia na jadrové (NRE) a elektrické (EP). Veľký vedec Konstantin Eduardovič Ciolkovskij pred storočím vytvoril prvý model pohonného systému, ktorý bežal na tuhé a kvapalné palivo. Potom, v druhej polovici 20. storočia, sa uskutočnili tisíce letov s použitím najmä motorov na kvapalné palivo a raketových motorov na tuhé palivo.

V súčasnosti sa však pre lety na iné planéty, nehovoriac o hviezdach, používanie raketových motorov na kvapalné palivo a raketových motorov na tuhé palivo stáva čoraz nerentabilnejším, hoci bolo vyvinutých veľa raketových motorov. S najväčšou pravdepodobnosťou sa schopnosti raketových motorov na kvapalné palivo a raketových motorov na tuhé palivo úplne vyčerpali. Dôvodom je to, že špecifický impulz všetkých chemických tryskáčov je nízky a nepresahuje 5000 m/s, čo si vyžaduje dlhodobú prevádzku trysky a tým aj veľké zásoby paliva na vývoj dostatočne vysokých rýchlostí, resp. ako je v kozmonautike zvykom, sú potrebné veľké hodnoty Ciolkovského čísla, t.j. pomer hmotnosti poháňanej rakety k hmotnosti prázdnej. Nosná raketa Energia, ktorá vynesie 100 ton užitočného zaťaženia na nízku obežnú dráhu, má teda štartovaciu hmotnosť asi 3000 ton, čo dáva Ciolkovského číslu hodnotu do 30.

Napríklad pri lete na Mars by Ciolkovského číslo malo byť ešte vyššie a dosahovať hodnoty od 30 do 50. Ľahko sa dá odhadnúť, že pri užitočnom zaťažení okolo 1000 ton a práve v týchto medziach je minimálna hmotnosť potrebné zabezpečiť všetko potrebné pre štart posádky na Mars sa líši S prihliadnutím na zásoby paliva pre spiatočný let na Zem musí byť počiatočná hmotnosť kozmickej lode minimálne 30 000 ton, čo je jednoznačne nad úroveň rozvoja modernej astronautiky, založené na použití motorov na kvapalné palivo a raketových motorov na tuhé palivo.

Aby sa teda posádky s ľudskou posádkou dostali aj na najbližšie planéty, je potrebné vyvinúť nosné rakety na motoroch fungujúcich na iných princípoch ako na chemickom pohone. Najsľubnejšie sú v tomto smere elektrické prúdové motory (EPE), termochemické raketové motory a jadrové prúdové motory (NRE).

1.Základné pojmy

Raketový motor je prúdový motor, ktorý na prevádzku nevyužíva prostredie (vzduch, voda). Najpoužívanejšie sú chemické raketové motory. Vyvíjajú sa a testujú ďalšie typy raketových motorov – elektrické, jadrové a iné. Najjednoduchšie raketové motory bežiace na stlačený plyn sú tiež široko používané na vesmírnych staniciach a vozidlách. Typicky používajú dusík ako pracovnú tekutinu. /1/

Klasifikácia pohonných systémov

2. Účel raketových motorov

Podľa účelu sa raketové motory delia na niekoľko hlavných typov: zrýchľovacie (štartovacie), brzdiace, hnacie, riadiace a iné. Raketové motory sa primárne používajú na raketách (odtiaľ názov). Okrem toho sa v letectve niekedy používajú raketové motory. Raketové motory sú hlavným motorom v astronautike.

Vojenské (bojové) rakety majú zvyčajne motory na tuhé palivo. Je to spôsobené tým, že takýto motor je tankovaný z výroby a nevyžaduje údržbu po celú dobu skladovania a životnosti samotnej rakety. Motory na tuhé palivo sa často používajú ako posilňovače pre vesmírne rakety. Obzvlášť široko sa používajú v tejto kapacite v USA, Francúzsku, Japonsku a Číne.

Raketové motory na kvapalné palivo majú vyššie ťahové charakteristiky ako raketové motory na tuhé palivo. Preto sa používajú na vynášanie vesmírnych rakiet na obežnú dráhu okolo Zeme a na medziplanetárne lety. Hlavnými kvapalnými pohonnými látkami pre rakety sú petrolej, heptán (dimetylhydrazín) a kvapalný vodík. Pre takéto druhy paliva je potrebné okysličovadlo (kyslík). V takýchto motoroch sa ako okysličovadlo používa kyselina dusičná a skvapalnený kyslík. Kyselina dusičná je z hľadiska oxidačných vlastností horšia ako skvapalnený kyslík, ale nevyžaduje udržiavanie špeciálneho teplotného režimu počas skladovania, tankovania a používania rakiet

Motory pre vesmírne lety sa od tých na Zemi líšia tým, že musia produkovať čo najväčší výkon pri čo najmenšej hmotnosti a objeme. Okrem toho sa na ne vzťahujú také požiadavky, ako je výnimočne vysoká účinnosť a spoľahlivosť a značná prevádzková doba. Na základe typu použitej energie sa pohonné systémy kozmických lodí delia na štyri typy: termochemické, jadrové, elektrické, solárne. Každý z uvedených typov má svoje výhody a nevýhody a môže byť použitý za určitých podmienok.

V súčasnosti sú vesmírne lode, orbitálne stanice a bezpilotné satelity Zeme vynášané do vesmíru raketami vybavenými výkonnými termochemickými motormi. Existujú aj miniatúrne motory s nízkym ťahom. Ide o menšiu kópiu výkonných motorov. Niektoré z nich sa zmestia do dlane. Ťahová sila takýchto motorov je veľmi malá, no na ovládanie polohy lode v priestore stačí

3.Termochemické raketové motory.

Je známe, že v spaľovacom motore, peci parného kotla - všade tam, kde dochádza k spaľovaniu, sa najaktívnejšie zúčastňuje vzdušný kyslík. Vo vesmíre nie je vzduch a aby raketové motory fungovali vo vesmíre, je potrebné mať dve zložky – palivo a okysličovadlo.

Kvapalné termochemické raketové motory používajú ako palivo alkohol, petrolej, benzín, anilín, hydrazín, dimetylhydrazín a kvapalný vodík. Ako oxidačné činidlo sa používa kvapalný kyslík, peroxid vodíka a kyselina dusičná. Možno sa v budúcnosti bude ako oxidačné činidlo používať kvapalný fluór, keď sa vynájdu spôsoby skladovania a používania takejto aktívnej chemikálie.

Palivo a okysličovadlo pre kvapalné prúdové motory sa skladujú oddelene v špeciálnych nádržiach a pomocou čerpadiel sa privádzajú do spaľovacej komory. Pri ich spojení v spaľovacej komore dosahujú teploty 3000 – 4500 °C.

Spaľovacie produkty, expandujúce, dosahujú rýchlosti od 2500 do 4500 m/s. Odtláčaním od tela motora vytvárajú prúdový ťah. Zároveň platí, že čím väčšia je hmotnosť a rýchlosť prúdenia plynu, tým väčší je ťah motora.

Špecifický ťah motorov sa zvyčajne odhaduje podľa množstva ťahu vytvoreného na jednotku hmotnosti paliva spáleného za jednu sekundu. Táto veličina sa nazýva špecifický impulz raketového motora a meria sa v sekundách (kg ťah / kg spáleného paliva za sekundu). Najlepšie raketové motory na tuhé palivo majú špecifický impulz až 190 s, to znamená, že 1 kg paliva spáleného za jednu sekundu vytvorí ťah 190 kg. Vodíkovo-kyslíkový raketový motor má špecifický impulz 350 s. Teoreticky môže vodíkovo-fluórový motor vyvinúť špecifický impulz dlhší ako 400 s.

Bežne používaný obvod kvapalného raketového motora funguje nasledovne. Stlačený plyn vytvára potrebný tlak v nádržiach s kryogénnym palivom, aby sa zabránilo vzniku plynových bublín v potrubiach. Čerpadlá dodávajú palivo do raketových motorov. Palivo sa vstrekuje do spaľovacej komory cez veľký počet vstrekovačov. Cez dýzy sa do spaľovacej komory vstrekuje aj okysličovadlo.

V každom aute sa pri spaľovaní paliva vytvárajú veľké tepelné toky, ktoré ohrievajú steny motora. Ak steny komory neochladíte, rýchlo vyhorí, bez ohľadu na to, z akého materiálu je vyrobená. Kvapalinový prúdový motor je zvyčajne chladený jednou zo zložiek paliva. Na tento účel je komora vyrobená z dvoch stien. Studená zložka paliva prúdi v medzere medzi stenami.

Hliník" href="/text/category/alyuminij/" rel="bookmark">hliník, atď. Najmä ako prísada do konvenčných palív, ako je vodík-kyslík. Takéto „ternárne kompozície“ môžu poskytnúť najvyššiu možnú rýchlosť pre chemické vyčerpanie palív - do 5 km/s Ale to je prakticky limit zdrojov chémie V navrhovanom popise stále dominujú raketové motory, treba povedať, že prvé v histórii ľudstva bol vytvorený termochemický raketový motor na tuhé palivo - napríklad špeciálny pušný prach - je umiestnený priamo v spaľovacej komore s tryskou naplnenou tuhým palivom - to je celý režim spaľovania tuhého paliva závisí od účelu raketového motora na tuhé palivo (spúšťanie, udržiavanie alebo kombinované vojenské záležitosti sa vyznačujú prítomnosťou štartovacích a hnacích motorov Štartovací raketový motor na tuhé palivo vyvíja vysoký ťah na veľmi krátku dobu, čo je nevyhnutné pre aby raketa opustila odpaľovacie zariadenie a aby jej počiatočné zrýchlenie. Udržiavací raketový motor na tuhé palivo je navrhnutý tak, aby udržiaval konštantnú rýchlosť letu rakety na hlavnej (pohonnej) časti dráhy letu. Rozdiely medzi nimi spočívajú najmä v konštrukcii spaľovacej komory a profile spaľovacej plochy palivovej náplne, ktoré určujú rýchlosť spaľovania paliva, od ktorej závisí prevádzková doba a ťah motora. Na rozdiel od takýchto rakiet fungujú kozmické nosné rakety na vypúšťanie družíc Zeme, orbitálnych staníc a kozmických lodí, ako aj medziplanetárne stanice iba v režime štartu od štartu rakety až do vypustenia objektu na obežnú dráhu okolo Zeme alebo na medziplanetárnu trajektóriu. Všeobecne platí, že raketové motory na tuhé palivo nemajú oproti motorom na kvapalné palivo veľa výhod: ľahko sa vyrábajú, možno ich dlhodobo skladovať, sú vždy pripravené na akciu a sú relatívne odolné voči výbuchu. Ale pokiaľ ide o špecifický ťah, motory na tuhé palivo sú o 10-30% horšie ako motory na kvapalné palivo.

4. Elektrické raketové motory

Takmer všetky raketové motory diskutované vyššie vyvíjajú obrovský ťah a sú navrhnuté tak, aby vypustili kozmické lode na obežnú dráhu okolo Zeme a urýchlili ich na kozmickú rýchlosť pre medziplanetárne lety. Úplne inou záležitosťou sú pohonné systémy pre kozmické lode už vypustené na obežnú dráhu alebo na medziplanetárnu trajektóriu. Tu spravidla potrebujeme motory s nízkym výkonom (niekoľko kilowattov alebo dokonca wattov), ​​ktoré dokážu pracovať stovky a tisíce hodín a ktoré sa dajú opakovane zapínať a vypínať. Umožňujú udržiavať let na obežnej dráhe alebo po danej trajektórii, pričom kompenzujú letový odpor, ktorý vytvárajú horné vrstvy atmosféry a slnečný vietor. V elektrických raketových motoroch sa pracovná kvapalina urýchľuje na určitú rýchlosť jej zahrievaním elektrickou energiou. Elektrina pochádza zo solárnych panelov alebo jadrovej elektrárne. Spôsoby ohrevu pracovnej tekutiny sú rôzne, ale v skutočnosti sa používa hlavne elektrický oblúk. Ukázalo sa, že je veľmi spoľahlivý a vydrží veľké množstvo štartov. Vodík sa používa ako pracovná tekutina v elektrických oblúkových motoroch. Pomocou elektrického oblúka sa vodík zahreje na veľmi vysokú teplotu a zmení sa na plazmu - elektricky neutrálnu zmes kladných iónov a elektrónov. Rýchlosť výtoku plazmy z motora dosahuje 20 km/s. Keď vedci vyriešia problém magnetickej izolácie plazmy od stien komory motora, potom bude možné výrazne zvýšiť teplotu plazmy a zvýšiť rýchlosť výfuku na 100 km/s. Prvý elektrický raketový motor bol vyvinutý v Sovietskom zväze v rokoch. pod vedením (neskôr sa stal tvorcom motorov pre sovietske vesmírne rakety a akademik) v známom Gas Dynamics Laboratory (GDL)./10/

5.Iné typy motorov

Existujú aj exotickejšie konštrukcie jadrových raketových motorov, v ktorých je štiepny materiál v kvapalnom, plynnom alebo dokonca plazmovom stave, no realizácia takýchto návrhov na súčasnej úrovni techniky a techniky je nereálna. Nasledujúce projekty raketových motorov existujú, stále v teoretickej alebo laboratórnej fáze:

Impulzné jadrové raketové motory využívajúce energiu výbuchov malých jadrových náloží;

Termonukleárne raketové motory, ktoré môžu ako palivo využívať izotop vodíka. Energetická produktivita vodíka pri takejto reakcii je 6,8 x 1011 KJ/kg, čo je približne o dva rády vyššia ako produktivita reakcií jadrového štiepenia;

Solárne plachetnicové motory - využívajúce tlak slnečného svetla (slnečný vietor), ktorého existenciu empiricky dokázal ruský fyzik už v roku 1899. Výpočtom vedci zistili, že zariadenie s hmotnosťou 1 tony vybavené plachtou s priemerom 500 m môže letieť zo Zeme na Mars za približne 300 dní. Účinnosť slnečnej plachty však rapídne klesá so vzdialenosťou od Slnka.

6.Jadrové raketové motory

Jedna z hlavných nevýhod raketových motorov na kvapalné palivo je spojená s obmedzeným prietokom plynov. V jadrových raketových motoroch sa zdá byť možné využiť kolosálnu energiu uvoľnenú pri rozklade jadrového „paliva“ na ohrev pracovnej látky. Princíp činnosti jadrových raketových motorov sa takmer nelíši od princípu činnosti termochemických motorov. Rozdiel je v tom, že pracovná tekutina sa neohrieva v dôsledku vlastnej chemickej energie, ale v dôsledku „cudzej“ energie uvoľnenej počas vnútrojadrovej reakcie. Pracovná kvapalina prechádza jadrovým reaktorom, v ktorom dochádza k štiepnej reakcii atómových jadier (napríklad uránu), a zahrieva sa. Jadrové raketové motory eliminujú potrebu okysličovadla a preto je možné použiť iba jednu kvapalinu. Ako pracovnú kvapalinu je vhodné použiť látky, ktoré umožňujú motoru vyvinúť väčšiu ťažnú silu. Túto podmienku najviac spĺňa vodík, za ním nasleduje amoniak, hydrazín a voda. Procesy, pri ktorých sa uvoľňuje jadrová energia, sa delia na rádioaktívne premeny, štiepne reakcie ťažkých jadier a fúzne reakcie ľahkých jadier. Rádioizotopové premeny sa realizujú v takzvaných izotopových zdrojoch energie. Špecifická hmotnostná energia (energia, ktorú môže uvoľniť látka s hmotnosťou 1 kg) umelých rádioaktívnych izotopov je výrazne vyššia ako u chemických palív. Pre 210Po sa teda rovná 5*10 8 KJ/kg, pričom pre energeticky najefektívnejšie chemické palivo (berýlium s kyslíkom) táto hodnota nepresahuje 3*10 4 KJ/kg. Bohužiaľ, zatiaľ nie je racionálne používať takéto motory na kozmických nosných raketách. Dôvodom sú vysoké náklady na izotopovú látku a prevádzkové ťažkosti. Izotop totiž neustále uvoľňuje energiu, aj keď je prepravovaný v špeciálnom kontajneri a keď je raketa zaparkovaná na mieste štartu. Jadrové reaktory využívajú energeticky efektívnejšie palivo. Špecifická hmotnostná energia 235U (štiepneho izotopu uránu) sa teda rovná 6,75 * 10 9 KJ/kg, čo je približne rádovo vyššia ako energia izotopu 210Po. Tieto motory sa dajú „zapnúť“ a „vypnúť“ jadrové palivo (233U, 235U, 238U, 239Pu) je oveľa lacnejšie ako izotopové palivo. V takýchto motoroch môže byť ako pracovná kvapalina použitá nielen voda, ale aj efektívnejšie pracovné látky - alkohol, amoniak, kvapalný vodík. Špecifický ťah motora s kvapalným vodíkom je 900 s. V najjednoduchšej konštrukcii jadrového raketového motora s reaktorom na tuhé jadrové palivo je pracovná kvapalina umiestnená v nádrži. Čerpadlo ho dodáva do motorovej komory. Pracovná kvapalina, ktorá sa rozprašuje pomocou trysiek, prichádza do kontaktu s jadrovým palivom na výrobu paliva, zahrieva sa, expanduje a je vyvrhovaná vysokou rýchlosťou cez trysku. Jadrové palivo má lepšie energetické rezervy ako akýkoľvek iný druh paliva. Potom vyvstáva logická otázka: prečo majú zariadenia využívajúce toto palivo stále relatívne nízky špecifický ťah a veľkú hmotnosť? Faktom je, že špecifický ťah jadrového raketového motora na tuhú fázu je obmedzený teplotou štiepneho materiálu a elektráreň počas prevádzky vyžaruje silné ionizujúce žiarenie, ktoré má škodlivý vplyv na živé organizmy. Biologická ochrana pred takýmto žiarením je veľmi dôležitá a nie je použiteľná na kozmických lodiach. Praktický vývoj jadrových raketových motorov na tuhé jadrové palivo sa začal v polovici 50. rokov 20. storočia v Sovietskom zväze a USA takmer súčasne s výstavbou prvých jadrových elektrární. Práce sa vykonávali v atmosfére zvýšeného utajenia, ale je známe, že takéto raketové motory zatiaľ v kozmonautike nedostali skutočné využitie. Všetko sa doteraz obmedzovalo na použitie izotopových zdrojov elektriny s relatívne nízkym výkonom na bezpilotných umelých satelitoch Zeme, medziplanetárnych kozmických lodiach a svetoznámom sovietskom „lunárnom rovere“.

7. Jadrové prúdové motory, princípy činnosti, spôsoby získavania impulzu v motore jadrového pohonu.

Jadrové raketové motory dostali svoje meno vďaka tomu, že vytvárajú ťah pomocou jadrovej energie, teda energie, ktorá sa uvoľňuje v dôsledku jadrových reakcií. Vo všeobecnom zmysle tieto reakcie znamenajú akékoľvek zmeny energetického stavu atómových jadier, ako aj premeny niektorých jadier na iné, spojené s reštrukturalizáciou štruktúry jadier alebo zmenou počtu elementárnych častíc v nich obsiahnutých - nukleóny. Okrem toho, ako je známe, jadrové reakcie môžu prebiehať buď spontánne (t.j. spontánne) alebo vyvolané umelo, napríklad keď sú niektoré jadrá bombardované inými (alebo elementárnymi časticami). Jadrové štiepenie a fúzne reakcie prevyšujú chemické reakcie miliónkrát a desiatky miliónov krát, pokiaľ ide o energiu. Vysvetľuje to skutočnosť, že energia chemickej väzby atómov v molekulách je mnohonásobne menšia ako energia jadrovej väzby nukleónov v jadre. Jadrovú energiu v raketových motoroch možno využiť dvoma spôsobmi:

1. Uvoľnená energia sa využíva na ohrev pracovnej tekutiny, ktorá následne expanduje v dýze, rovnako ako v bežnom raketovom motore.

2. Jadrová energia sa premieňa na elektrickú energiu a potom sa používa na ionizáciu a urýchlenie častíc pracovnej tekutiny.

3. Impulz nakoniec vytvoria samotné štiepne produkty, vzniknuté v procese DIV_ADBLOCK265">

Analogicky s raketovým motorom na kvapalné palivo je počiatočná pracovná kvapalina raketového motora na jadrové palivo uložená v kvapalnom stave v nádrži pohonného systému a je dodávaná pomocou turbočerpadla. Plyn na otáčanie tejto jednotky pozostávajúcej z turbíny a čerpadla sa môže vyrábať v samotnom reaktore.

Schéma takéhoto pohonného systému je znázornená na obrázku.

Existuje veľa jadrových motorov so štiepnym reaktorom:

Pevná fáza

Plynová fáza

NRE s fúznym reaktorom

Pulzné motory s jadrovým pohonom a iné

Zo všetkých možných typov jadrových pohonných motorov sú najrozvinutejšie tepelný rádioizotopový motor a motor so štiepnym reaktorom na tuhú fázu. Ak nám však charakteristiky rádioizotopových jadrových pohonných motorov neumožňujú dúfať v ich široké využitie v kozmonautike (aspoň v blízkej budúcnosti), potom vytvorenie jadrových pohonných motorov na tuhú fázu otvára kozmonautike veľké vyhliadky. Typický jadrový pohonný motor tohto typu obsahuje reaktor na tuhú fázu vo forme valca s výškou a priemerom cca 1-2 m (ak sú tieto parametre blízke, únik štiepnych neutrónov do okolitého priestoru je minimálny) .

Reaktor pozostáva z aktívnej zóny; reflektor obklopujúci túto oblasť; riadiace orgány; silové telo a ďalšie prvky. Jadro obsahuje jadrové palivo - štiepny materiál (obohatený urán) obsiahnutý v palivových článkoch a moderátor alebo riedidlo. Reaktor znázornený na obrázku je homogénny - v ňom je moderátor súčasťou palivových článkov a je homogénne zmiešaný s palivom. Moderátor môže byť umiestnený aj oddelene od jadrového paliva. V tomto prípade sa reaktor nazýva heterogénny. Riedidlá (môžu to byť napr. žiaruvzdorné kovy - volfrám, molybdén) sa používajú na dodanie špeciálnych vlastností štiepnym látkam.

Palivové články reaktora na tuhú fázu sú preniknuté kanálmi, cez ktoré prúdi pracovná tekutina jadrového hnacieho motora a postupne sa zahrieva. Kanály majú priemer asi 1 až 3 mm a ich celková plocha je 20 až 30 % prierezu aktívnej zóny. Jadro je zavesené na špeciálnej mriežke vo vnútri energetickej nádoby, aby sa mohlo roztiahnuť, keď sa reaktor zahreje (inak by sa zrútil v dôsledku tepelného napätia).

Jadro je vystavené vysokému mechanickému zaťaženiu spojenému s výraznými poklesmi hydraulického tlaku (až niekoľko desiatok atmosfér) z prúdiacej pracovnej tekutiny, tepelným namáhaním a vibráciami. Zväčšenie veľkosti aktívnej zóny pri zahrievaní reaktora dosahuje niekoľko centimetrov. Aktívna zóna a reflektor sú umiestnené vo vnútri odolného energetického krytu, ktorý absorbuje tlak pracovnej tekutiny a ťah vytvorený tryskou. Puzdro je uzavreté odolným vekom. Sú v ňom umiestnené pneumatické, pružinové alebo elektrické mechanizmy na pohon regulačných orgánov, upevňovacie body pre jadrový pohonný motor ku kozmickej lodi a príruby na pripojenie jadrového pohonného motora k prívodnému potrubiu pracovnej tekutiny. Na kryte môže byť umiestnená aj jednotka turbočerpadla.

8 - Tryska,

9 - tryska rozširujúcej trysky,

10 - výber pracovnej látky pre turbínu,

11 - Power Corps,

12 - ovládací bubon,

13 - výfuk turbíny (používaný na ovládanie polohy a zvýšenie ťahu),

14 - Hnací krúžok pre ovládacie bubny)

Začiatkom roku 1957 bol stanovený konečný smer prác v laboratóriu v Los Alamos a padlo rozhodnutie postaviť grafitový jadrový reaktor s uránovým palivom rozptýleným v grafite. Reaktor Kiwi-A, vytvorený týmto smerom, bol testovaný v roku 1959 1. júla.

Americký jadrový prúdový motor na pevnej fáze XE Prime na skúšobnej stolici (1968)

Laboratórium v ​​Los Alamos bolo okrem výstavby reaktora v plnom prúde aj na výstavbe špeciálneho testovacieho miesta v Nevade a zrealizovalo aj množstvo špeciálnych objednávok amerického letectva v súvisiacich oblastiach (vývoj jednotlivých jednotky TURE). V mene laboratória v Los Alamos všetky špeciálne objednávky na výrobu jednotlivých komponentov realizovali tieto spoločnosti: Aerojet General, divízia Rocketdyne spoločnosti North American Aviation. V lete 1958 bola všetka kontrola nad programom Rover prevedená z vzdušných síl Spojených štátov na novoorganizovaný Národný úrad pre letectvo a vesmír (NASA). V dôsledku špeciálnej dohody medzi AEC a NASA v polovici leta 1960 vznikol Space Nuclear Propulsion Office pod vedením G. Fingera, ktorý následne viedol program Rover.

Výsledky získané zo šiestich „horúcich testov“ jadrových prúdových motorov boli veľmi povzbudivé a začiatkom roku 1961 bola pripravená správa o letových skúškach reaktorov (RJFT). Potom, v polovici roku 1961, bol spustený projekt Nerva (použitie jadrového motora pre vesmírne rakety). Ako generálny dodávateľ bol vybraný Aerojet General a ako subdodávateľ zodpovedný za výstavbu reaktora Westinghouse.

10.2 Práca na TURE v Rusku

Americkí" href="/text/category/amerikanetc/" rel="bookmark">Američania, ruskí vedci použili najúspornejšie a najefektívnejšie testy jednotlivých palivových článkov vo výskumných reaktoroch. Celý rozsah prác vykonaných v 70.-80. umožnilo konštrukčnej kancelárii "Salyut", konštrukčnej kancelárii chemickej automatiky, IAE, NIKIET a NPO "Luch" (PNITI) vyvinúť rôzne projekty vesmírnych motorov s jadrovým pohonom a hybridných jadrových elektrární v rámci vedeckej konštrukčnej kancelárie boli vytvorené vedenie NIITP (FEI, IAE, NIKIET, NIITVEL, NPO boli zodpovedné za prvky reaktora Luch“, MAI). YARD RD 0411 a jadrový motor minimálnej veľkosti RD 0410ťah 40 a 3,6 tony.

Výsledkom bolo, že reaktor, „studený“ motor a prototyp na skúšobnej stolici boli vyrobené na testovanie s plynným vodíkom. Na rozdiel od amerického so špecifickým impulzom nie väčším ako 8250 m/s, sovietsky TNRE vďaka použitiu tepelne odolnejších a pokročilejších konštrukčných palivových článkov a vysokej teplote v aktívnej zóne mal tento údaj rovných 9100 m /s a vyššie. Základňa na testovanie TURE spoločnej expedície NPO "Luch" sa nachádzala 50 km juhozápadne od mesta Semipalatinsk-21. Pracovať začala v roku 1962. In Na testovacom mieste boli testované plnohodnotné palivové články prototypov raketových motorov poháňaných jadrovým pohonom. V tomto prípade výfukové plyny vstúpili do uzavretého výfukového systému. Komplex testovacej stolice Bajkal-1 na testovanie jadrových motorov v plnej veľkosti sa nachádza 65 km južne od Semipalatinska-21. Od roku 1970 do roku 1988 sa uskutočnilo asi 30 „horúcich štartov“ reaktorov. Výkon zároveň nepresiahol 230 MW pri spotrebe vodíka do 16,5 kg/s a jeho teplote na výstupe z reaktora 3100 K. Všetky štarty boli úspešné, bezproblémové a podľa plánu.

Sovietsky TNRD RD-0410 je jediný funkčný a spoľahlivý priemyselný jadrový raketový motor na svete

V súčasnosti sú takéto práce na mieste zastavené, aj keď je zariadenie udržiavané v relatívne prevádzkyschopnom stave. Základňa testovacej stolice NPO Luch je jediným experimentálnym komplexom na svete, kde je možné testovať prvky jadrových pohonných reaktorov bez výraznejších finančných a časových nákladov. Je možné, že obnovenie prác v Spojených štátoch amerických na jadrových pohonných motoroch pre lety na Mesiac a Mars v rámci programu Space Research Initiative s plánovanou účasťou špecialistov z Ruska a Kazachstanu povedie k obnoveniu činnosti na základňa Semipalatinsk a realizácia „Marťanskej“ expedície v roku 2020.

Hlavné charakteristiky

Špecifický impulz na vodík: 910 - 980 sek(teoreticky do 1000 sek).

· Rýchlosť výtoku pracovnej tekutiny (vodíka): 9100 - 9800 m/sec.

· Dosiahnuteľný ťah: až stovky a tisíce ton.

· Maximálne prevádzkové teploty: 3000°С - 3700°С (krátkodobé zapnutie).

· Životnosť: až niekoľko tisíc hodín (periodická aktivácia). /5/

11.Zariadenie

Konštrukcia sovietskeho jadrového raketového motora na tuhú fázu RD-0410

1 - vedenie z nádrže pracovnej kvapaliny

2 - agregát turbočerpadla

3 - pohon ovládacieho bubna

4 - radiačná ochrana

5 - regulačný bubon

6 - retardér

7 - palivová zostava

8 - nádoba reaktora

9 - ohnivé dno

10 - chladiaca linka trysky

11- dýzová komora

12 - tryska

12.Princíp činnosti

Podľa princípu fungovania je TNRE vysokoteplotný reaktor-výmenník tepla, do ktorého sa pod tlakom privádza pracovná tekutina (kvapalný vodík) a keď sa zahreje na vysoké teploty (nad 3000 °C), vyžaruje sa cez chladená tryska. Regenerácia tepla v dýze je veľmi výhodná, pretože umožňuje oveľa rýchlejší ohrev vodíka a využitím značného množstva tepelnej energie možno zvýšiť špecifický impulz na 1000 s (9100-9800 m/s).

Reaktor jadrových raketových motorov

MsoNormalTable">

Pracovná kvapalina

Hustota, g/cm3

Špecifický ťah (pri špecifikovaných teplotách v ohrievacej komore, °K), sek

0,071 (kvapalina)

0,682 (kvapalina)

1 000 (kvapalina)

Nie Dann

Nie Dann

Nie Dann

(Poznámka: Tlak v ohrievacej komore je 45,7 atm, expanzia na tlak 1 atm pri rovnakom chemickom zložení pracovnej tekutiny) /6/

15.Výhody

Hlavnou výhodou TNRE oproti chemickým raketovým motorom je dosiahnutie vyššieho špecifického impulzu, značné energetické rezervy, kompaktnosť systému a schopnosť získať veľmi vysoký ťah (desiatky, stovky a tisíce ton vo vákuu. špecifický impulz dosiahnutý vo vákuu je väčší ako u vyhoreného dvojzložkového chemického raketového paliva (kerozín-kyslík, vodík-kyslík) 3-4 krát a pri prevádzke na najvyššiu tepelnú intenzitu 4-5 krát V súčasnosti je v USA a Rusko majú značné skúsenosti s vývojom a konštrukciou takýchto motorov av prípade potreby (špeciálne programy na prieskum vesmíru) je možné takéto motory vyrobiť v krátkom čase a budú mať primerané náklady v prípade použitia turbovrtuľových motorov. na urýchlenie kozmickej lode vo vesmíre a pri dodatočnom použití perturbačných manévrov využívajúcich gravitačné pole veľkých planét (Jupiter, Urán, Saturn, Neptún) sa dosiahnuteľné hranice štúdia slnečnej sústavy výrazne rozširujú a čas potrebný na dosiahnutie vzdialených planét je výrazne znížená. Okrem toho môžu byť TNRE úspešne použité pre zariadenia pracujúce na nízkych obežných dráhach obrovských planét, ktoré využívajú ich riedku atmosféru ako pracovnú tekutinu, alebo na prevádzku v ich atmosfére. /8/

16.Nevýhody

Hlavnou nevýhodou TNRE je prítomnosť silného toku prenikavého žiarenia (gama žiarenie, neutróny), ako aj odstraňovanie vysoko rádioaktívnych zlúčenín uránu, žiaruvzdorných zlúčenín s indukovaným žiarením a rádioaktívnych plynov s pracovnou tekutinou. V tomto ohľade je TURE neprijateľné pre pozemné štarty, aby sa predišlo zhoršeniu environmentálnej situácie na mieste štartu a v atmosfére. /14/

17.Zlepšenie vlastností TURD. Hybridné turbovrtuľové motory

Ako každá raketa alebo akýkoľvek motor vo všeobecnosti, jadrový prúdový motor na tuhej fáze má značné obmedzenia týkajúce sa najdôležitejších dosažiteľných charakteristík. Tieto obmedzenia predstavujú neschopnosť zariadenia (TJRE) pracovať v teplotnom rozsahu presahujúcom rozsah maximálnych prevádzkových teplôt konštrukčných materiálov motora. Na rozšírenie možností a výrazné zvýšenie hlavných prevádzkových parametrov TNRE možno použiť rôzne hybridné schémy, v ktorých TNRE zohráva úlohu zdroja tepla a energie a využívajú sa dodatočné fyzikálne metódy urýchľovania pracovných kvapalín. Najspoľahlivejšia, prakticky realizovateľná a s vysokými špecifickými impulznými a ťahovými charakteristikami je hybridná schéma s prídavným obvodom MHD (magnetohydrodynamický obvod) na urýchlenie ionizovanej pracovnej tekutiny (vodík a špeciálne prísady). /13/

18. Nebezpečenstvo žiarenia z motorov jadrových pohonov.

Pracovný jadrový motor je silným zdrojom žiarenia – gama a neutrónového žiarenia. Bez vykonania špeciálnych opatrení môže žiarenie spôsobiť neprijateľné zahrievanie pracovnej tekutiny a konštrukcie v kozmickej lodi, krehnutie kovových konštrukčných materiálov, zničenie plastov a starnutie gumových častí, poškodenie izolácie elektrických káblov a zlyhanie elektronických zariadení. Žiarenie môže spôsobiť indukovanú (umelú) rádioaktivitu materiálov – ich aktiváciu.

V súčasnosti sa problém radiačnej ochrany kozmických lodí s jadrovými pohonnými motormi považuje za principiálne vyriešený. Vyriešené sú aj základné otázky súvisiace s údržbou motorov jadrových pohonov na skúšobných stanovištiach a štartovacích miestach. Hoci prevádzkovaný NRE predstavuje nebezpečenstvo pre obsluhujúci personál, už jeden deň po ukončení prevádzky NRE možno bez osobných ochranných prostriedkov niekoľko desiatok minút stáť vo vzdialenosti 50 m od NRE a dokonca sa priblížiť Najjednoduchší ochranný prostriedok umožňuje obsluhujúcemu personálu vstup do pracovného priestoru YARD krátko po testoch.

Úroveň kontaminácie odpaľovacích komplexov a životného prostredia zrejme nebude prekážkou pre použitie jadrových pohonných motorov na nižších stupňoch vesmírnych rakiet. Problém radiačného nebezpečenstva pre životné prostredie a obsluhujúci personál do značnej miery zmierňuje skutočnosť, že vodík používaný ako pracovná tekutina sa pri prechode reaktorom prakticky neaktivuje. Prúdový prúd jadrového motora preto nie je nebezpečnejší ako prúd raketového motora na kvapalné palivo./4/

Záver

Pri zvažovaní perspektív vývoja a využitia jadrových hnacích motorov v kozmonautike treba vychádzať z dosahovaných a očakávaných vlastností rôznych typov jadrových hnacích motorov, z toho, čo môže kozmonautike poskytnúť ich aplikácia a napokon z úzkeho prepojenia problému jadrových pohonných motorov s problémom zásobovania energiou vo vesmíre a s otázkami rozvoja energetiky vôbec.

Ako už bolo spomenuté vyššie, zo všetkých možných typov jadrových pohonných motorov sú najrozvinutejšie tepelný rádioizotopový motor a motor so štiepnym reaktorom na tuhú fázu. Ak nám však charakteristiky rádioizotopových jadrových pohonných motorov neumožňujú dúfať v ich široké využitie v kozmonautike (aspoň v blízkej budúcnosti), potom vytvorenie jadrových pohonných motorov na tuhú fázu otvára kozmonautike veľké vyhliadky.

Napríklad bolo navrhnuté zariadenie s počiatočnou hmotnosťou 40 000 ton (t. j. približne 10-krát väčšou ako u najväčších moderných nosných rakiet), pričom 1/10 tejto hmotnosti pripadá na užitočné zaťaženie a 2/3 na jadrové poplatky . Ak odpálite jednu nálož každé 3 sekundy, potom ich zásoba vystačí na 10 dní nepretržitej prevádzky jadrového pohonného systému. Počas tejto doby sa zariadenie zrýchli na rýchlosť 10 000 km/s a v budúcnosti, po 130 rokoch, môže dosiahnuť hviezdu Alpha Centauri.

Atómové elektrárne majú jedinečné vlastnosti, medzi ktoré patrí prakticky neobmedzená energetická náročnosť, nezávislosť prevádzky od okolia a odolnosť voči vonkajším vplyvom (kozmické žiarenie, poškodenie meteoritmi, vysoké a nízke teploty a pod.). Maximálny výkon jadrových rádioizotopových zariadení je však obmedzený na hodnotu rádovo niekoľko stoviek wattov. Toto obmedzenie pre elektrárne s jadrovým reaktorom neexistuje, čo určuje rentabilitu ich využitia pri dlhodobých letoch ťažkých kozmických lodí v blízkozemskom priestore, pri letoch na vzdialené planéty slnečnej sústavy a v iných prípadoch.

Výhody motorov na tuhú fázu a iných jadrových pohonov so štiepnymi reaktormi sa najplnšie odhaľujú pri štúdiu tak zložitých vesmírnych programov, akými sú pilotované lety na planéty Slnečnej sústavy (napríklad počas expedície na Mars). V tomto prípade zvýšenie špecifického impulzu trysky umožňuje vyriešiť kvalitatívne nové problémy. Všetky tieto problémy sa výrazne zmiernia pri použití raketového motora na jadrové palivo na tuhú fázu so špecifickým impulzom dvakrát vyšším ako majú moderné raketové motory na kvapalné palivo. V tomto prípade je tiež možné výrazne skrátiť dobu letu.

Je veľmi pravdepodobné, že v blízkej budúcnosti sa jadrové motory na tuhú fázu stanú jedným z najbežnejších raketových motorov. Jadrové motory na tuhú fázu môžu byť použité ako zariadenia na diaľkové lety, napríklad na také planéty ako Neptún, Pluto, a dokonca aj na prelety za hranicami Slnečnej sústavy. Na lety ku hviezdam však nie je vhodný jadrový motor založený na princípoch štiepenia. Perspektívne sú v tomto prípade jadrové motory alebo presnejšie termonukleárne prúdové motory (TRE), fungujúce na princípe fúznych reakcií, a fotonické prúdové motory (PRE), zdrojom hybnosti, v ktorom prebieha anihilačná reakcia hmoty a antihmoty. . S najväčšou pravdepodobnosťou však ľudstvo použije na cestovanie v medzihviezdnom priestore iný spôsob dopravy, odlišný od prúdového lietadla.

Na záver uvediem parafrázu slávnej Einsteinovej vety – na cestu ku hviezdam musí ľudstvo prísť s niečím, čo by bolo zložitosťou a vnímaním porovnateľné s jadrovým reaktorom pre neandertálca!

LITERATÚRA

Zdroje:

1. "Rakety a ľudia. Kniha 4 Moon Race" - M: Znanie, 1999.
2. http://www. lpre. de/energomash/index. htm
3. Pervushin „Bitka o hviezdy“ - M: vedomosti, 1998.
4. L. Gilberg „Dobytie neba“ - M: Znanie, 1994.
5. http://epizodsspace. *****/bibl/molodtsov
6. „Motor“, „Jadrové motory pre kozmické lode“, č. 5 z roku 1999

7. "Motor", "Plynové jadrové motory pre kozmické lode",

č. 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., Chekalin transport budúcnosti.

M.: Vedomosti, 1983.

11. , Chekalinský vesmírny prieskum - M.:

Vedomosti, 1988.

12. “Energia - Buran” - krok do budúcnosti // Veda a život.-

13. Vesmírna technika - M.: Mir, 1986.

14., Sergeyuk a obchod - M.: APN, 1989.

15.ZSSR vo vesmíre. 2005 - M.: APN, 1989.

16. Na ceste do hlbokého vesmíru // Energia. - 1985. - č.6.

APLIKÁCIA

Hlavné charakteristiky prúdových jadrových motorov na tuhú fázu

O riadenej rakete s „neobmedzeným doletom vďaka supervýkonnej jadrovej elektrárni“ v rozmeroch riadených striel Tomahawk (priemer 0,53 m a hmotnosť 1400 kg) alebo X-101 (priemer 0,74 m a hmotnosť 2 300 kg) .

Sovietsky prototyp RD-0410(index GRAU - 11B91, tiež známy ako "Irgit" a "IR-100") - prvý a jediný sovietsky jadrový raketový motor

Začnime videoprezentáciou HDP

Keď zhrnieme pocity z predvedeného projektu, môžeme povedať, že ide o extrémne prekvapenie na hranici nespoľahlivosti toho, čo sa ukázalo. Pokúsim sa vysvetliť prečo.

Áno, historicky došlo k vývoju riadených striel s náporovým jadrovým pohonom: raketa SLAM v USA s reaktorom TORY-II, koncept Avro Z-59 vo Veľkej Británii a vývoj v ZSSR.

Moderné stvárnenie konceptu rakety Avro Z-59 s hmotnosťou okolo 20 ton.

Všetky tieto práce sa však vykonávali v 60. rokoch ako výskum a vývoj rôzneho stupňa hĺbky (najďalej zašli Spojené štáty, ako je uvedené nižšie) a nepokračovalo sa v nich vo forme modelov v prevádzke. Nedostali sme to z rovnakého dôvodu ako mnoho iných vývojov Atom Age - lietadlá, vlaky, rakety s jadrovými elektrárňami. Všetky tieto možnosti vozidiel, s niektorými výhodami, ktoré poskytuje šialená energetická hustota v jadrovom palive, majú veľmi vážne nevýhody - vysoké náklady, zložitosť prevádzky, požiadavky na stálu bezpečnosť a napokon neuspokojivé výsledky vývoja, o ktorých sa zvyčajne vie len málo (napr. zverejňovanie výsledkov výskumu a vývoja je pre všetky strany výhodnejšie zobrazovať úspechy a skrývať zlyhania).

Najmä v prípade riadených rakiet je oveľa jednoduchšie vytvoriť nosič (ponorku alebo lietadlo), ktorý „vtiahne“ veľa rakiet na miesto štartu, než sa poblázniť s malou flotilou (a je neuveriteľne ťažké vyvinúť veľkú flotilu) riadených striel odpálených z vlastného územia. Univerzálny, lacný, masovo vyrábaný produkt nakoniec zvíťazil nad malosériovým drahým produktom s nejednoznačnými výhodami. Jadrové riadené strely neprekročili pozemné testovanie.

Táto koncepčná slepá ulička 60-tych rokov Kirgizskej republiky s jadrovými elektrárňami je podľa mňa stále aktuálna aj teraz, takže hlavná otázka k zobrazenej je „prečo??“. Čo to však robí ešte výraznejším, sú problémy, ktoré vznikajú pri vývoji, testovaní a prevádzke takýchto zbraní, o ktorých budeme diskutovať ďalej.

Takže začnime s reaktorom. Koncepty SLAM a Z-59 boli trojzápalové nízko letiace rakety impozantnej veľkosti a hmotnosti (20+ ton po odhodení nosných rakiet). Strašne drahý nízko letiaci nadzvuk umožňoval maximálne využiť prítomnosť prakticky neobmedzeného zdroja energie na palube navyše dôležitou vlastnosťou jadrového vzduchového prúdového motora je zlepšenie prevádzkovej účinnosti (termodynamický cyklus) s zvýšenie rýchlosti, t.j. ten istý nápad, ale pri rýchlosti 1000 km/h by mal oveľa ťažší a väčší motor. Napokon 3M vo výške sto metrov v roku 1965 znamenali nezraniteľnosť proti PVO.

Ukazuje sa, že predtým bol koncept odpaľovača rakiet s jadrovým pohonom „zviazaný“ vysokou rýchlosťou, kde boli výhody konceptu silné a konkurenti s uhľovodíkovým palivom slabli.

Zobrazená raketa je podľa mňa transsonická alebo podzvuková (ak, samozrejme, veríte, že je to tá na videu). No zároveň sa veľkosť reaktora výrazne zmenšila v porovnaní s TORY-II z rakety SLAM, kde to bolo až 2 metre vrátane radiálneho neutrónového reflektora vyrobeného z grafitu.

Jadro prvého testovacieho reaktora TORY-II-A počas montáže.

Je vôbec možné inštalovať reaktor s priemerom 0,4-0,6 metra? Začnime zásadne minimálnym reaktorom – prasaťom Pu239. Dobrým príkladom realizácie takéhoto konceptu je vesmírny reaktor Kilopower, ktorý však využíva U235. Priemer jadra reaktora je len 11 centimetrov! Ak prejdeme na plutónium 239, veľkosť jadra klesne ešte 1,5-2 krát.

Teraz od minimálnej veľkosti začneme kráčať ku skutočnému jadrovému vzduchovému prúdovému motoru, pamätajúc na ťažkosti. Úplne prvá vec, ktorú treba pridať k veľkosti reaktora, je veľkosť reflektora - konkrétne v Kilopower BeO trojnásobok veľkosti. Po druhé, nemôžeme použiť U alebo Pu polotovary - jednoducho zhoria v prúde vzduchu len za minútu. Potrebný je plášť, napríklad z incaloy, ktorý odolá okamžitej oxidácii až do 1000 C, alebo iných zliatin niklu s prípadným keramickým povlakom. Zavedenie veľkého množstva obalového materiálu do jadra zvyšuje potrebné množstvo jadrového paliva niekoľkokrát naraz - napokon „neproduktívna“ absorpcia neutrónov v jadre sa teraz prudko zvýšila!

Navyše, kovová forma U alebo Pu už nie je vhodná - tieto materiály samotné nie sú žiaruvzdorné (plutónium sa všeobecne topí pri 634 C) a tiež interagujú s materiálom kovových obalov. Palivo prevedieme na klasickú formu UO2 alebo PuO2 - získame ďalšie zriedenie materiálu v jadre, tentokrát kyslíkom.

Na záver si pripomeňme účel reaktora. Potrebujeme cez ňu prečerpať veľa vzduchu, ktorému budeme odovzdávať teplo. približne 2/3 priestoru budú zaberať „vzduchovky“.

TORY-IIC. Palivovými článkami v aktívnej zóne sú šesťhranné duté rúrky z UO2, pokryté ochranným keramickým plášťom, zostavené v palivových kazetách incalo.

Výsledkom je, že minimálny priemer jadra narastie na 40-50 cm (pre urán) a priemer reaktora s 10-centimetrovým berýliovým reflektorom na 60-70 cm potvrdené konštrukciou jadrového prúdového motora MITEE, určeného pre lety v atmosfére Jupitera. Tento úplne papierový projekt (napríklad sa predpokladá, že teplota jadra je 3000 K a steny sú vyrobené z berýlia, ktoré znesie najviac 1200 K) má priemer jadra vypočítaný z neutroniky 55,4 cm, napriek tomu, že chladenie s vodíkom umožňuje mierne zmenšiť veľkosť kanálov, cez ktoré sa čerpá chladivo.

Prierez jadrom atmosferického prúdového jadrového motora MITEE a minimálne dosiahnuteľné hmotnosti pre rôzne verzie geometrie aktívnej zóny - pomer dĺžky k rozstupu palivovej tyče (prvá číslica), počet palivových tyčí (druhá číslica), počet reflektorové prvky (tretia číslica) pre rôzne kompozície sú uvedené v zátvorkách. Bez zaujímavosti nie je ani variant s palivom v podobe Americium 242m a reflektorom z tekutého vodíka :)

Podľa mňa sa vzduchový jadrový prúdový motor dá strčiť do rakety s priemerom okolo metra, ktorý však stále nie je radikálne väčší ako udávaných 0,6-0,74 m, no aj tak je alarmujúci.

Tak či onak, jadrová elektráreň bude mať výkon ~niekoľko megawattov s výkonom ~10^16 rozpadov za sekundu. To znamená, že samotný reaktor vytvorí na povrchu radiačné pole niekoľkých desiatok tisíc röntgenov a pozdĺž celej rakety až tisíc röntgenov. Ani inštalácia niekoľko stoviek kg sektorovej ochrany tieto úrovne výrazne nezníži, pretože Neutrónové a gama lúče sa budú odrážať od vzduchu a „obídu ochranu“. Za pár hodín takýto reaktor vyprodukuje ~10^21-10^22 atómov štiepnych produktov c s aktivitou niekoľkých (niekoľko desiatok) petabecquerelov, ktoré aj po odstavení vytvoria v blízkosti reaktora niekoľkotisícové pozadie röntgenov. Konštrukcia rakety bude aktivovaná na približne 10^14 Bq, hoci izotopy budú primárne beta žiariče a sú nebezpečné len brzdným röntgenovým žiarením. Pozadie zo samotnej konštrukcie môže dosahovať desiatky röntgenov vo vzdialenosti 10 metrov od tela rakety.

Röntgenový snímok rakety SLAM. Všetky pohony sú pneumatické, ovládacie zariadenie je umiestnené v kapsule tlmiacej žiarenie.

Celá táto „zábava“ dáva predstavu, že vývoj a testovanie takejto rakety je úloha na hranici možného. Je potrebné vytvoriť celú sadu navigačných a riadiacich zariadení odolných voči žiareniu, všetko to pomerne komplexne otestovať (žiarenie, teplota, vibrácie - a to všetko pre štatistiku). Letové testy s funkčným reaktorom sa môžu kedykoľvek zmeniť na radiačnú katastrofu s vypustením stoviek terrabecquerelov do niekoľkých petabecquerelov. Aj bez katastrofických situácií je veľmi pravdepodobné odtlakovanie jednotlivých palivových článkov a únik rádionuklidov.

Samozrejme, v Rusku stále existuje testovacie miesto Nová Zem, kde je možné takéto testy vykonávať, ale to bude v rozpore s duchom zmluvy o zákaze testov jadrových zbraní v troch prostrediach (zákaz bol zavedený s cieľom zabrániť systematickému znečisťovaniu atmosféry a oceán s rádionuklidmi).

Nakoniec by ma zaujímalo, kto v Ruskej federácii dokázal vyvinúť takýto reaktor. Na vysokoteplotných reaktoroch sa tradične pôvodne podieľali Kurčatov inštitút (všeobecný návrh a výpočty), Obninsk IPPE (experimentálne testovanie a palivo) a Luchov výskumný ústav v Podolsku (technológia palív a materiálov). Neskôr sa do návrhu takýchto strojov zapojil tím NIKIET (napríklad reaktory IGR a IVG sú prototypmi jadra jadrového raketového motora RD-0410). Dnes má NIKIET tím dizajnérov, ktorí vykonávajú práce na návrhu reaktorov (vysokoteplotný plynom chladený RUGK, rýchle reaktory MBIR), IPPE a Luch sa naďalej zaoberajú súvisiacimi výpočtami a technológiami. V posledných desaťročiach sa Kurčatov inštitút posunul viac k teórii jadrových reaktorov.

Najbližší príbuzní vzdušných NRE sú vesmírne NRE, prečistené vodíkom.

V súhrne by som chcel povedať, že vytvorenie riadenej strely s prúdovými motormi s jadrovou elektrárňou je vo všeobecnosti realizovateľnou úlohou, ale zároveň mimoriadne nákladnou a zložitou, ktorá si vyžaduje značnú mobilizáciu ľudských a finančných zdrojov. , zdá sa mi to vo väčšej miere ako všetky ostatné ohlásené projekty („Sarmat“, „Dagger“, „Status-6“, „Vanguard“). Je veľmi zvláštne, že táto mobilizácia nezanechala ani najmenšiu stopu. A čo je najdôležitejšie, nie je úplne jasné, aké sú výhody získania takýchto typov zbraní (na pozadí existujúcich nosičov) a ako môžu prevážiť početné nevýhody - otázky radiačnej bezpečnosti, vysoké náklady, nezlučiteľnosť so zmluvami o znížení strategických zbraní. .

P.S. Situáciu však už začínajú zmäkčovať „zdroje“: „Zdroj v blízkosti vojensko-priemyselného komplexu pre Vedomosti povedal, že radiačná bezpečnosť bola zabezpečená počas testovania rakiet. Jadrové zariadenie na palube predstavovala elektrická maketa, zdroj hovorí.”

RD-0410

RD-0410 používal heterogénny tepelný neutrónový reaktor, moderátorom bol hydrid zirkónia, reflektory neutrónov boli vyrobené z berýlia, jadrové palivo bol materiál na báze uránu a karbidov volfrámu, s asi 80% obohatením izotopom 235. Návrh zahŕňal 37 palivových kaziet pokrytých tepelnou izoláciou, ktorá ich oddeľovala od moderátora. Konštrukcia predpokladala, že prúd vodíka najprv prechádzal cez reflektor a moderátor, pričom ich teplota sa udržiaval na izbovej teplote, a potom vstupoval do aktívnej zóny, kde ochladzoval palivové kazety, pričom sa zahrial až na 3100 K. Na stánku bol reflektor a moderátor chladený oddeleným prúdom vodíka.

Reaktor prešiel značnou sériou testov, ale nikdy nebol testovaný počas celej doby prevádzky. Komponenty mimo reaktora boli úplne vyčerpané.

Mimoriadne zaujímavé video:

Ukazuje sa pomerne veľa zaujímavých vecí. Video bolo zrejme urobené koncom 80. rokov pre interné použitie Ministerstvom výroby stredných strojov/Ministerstvom všeobecnej strojárskej výroby a začiatkom 90. rokov tam boli vložené anglické titulky, aby Američania zaujali túto technológiu.

Rusko bolo a zostáva lídrom v oblasti jadrovej vesmírnej energie. Organizácie ako RSC Energia a Roskosmos majú skúsenosti s návrhom, konštrukciou, štartom a prevádzkou kozmických lodí vybavených jadrovým zdrojom energie. Jadrový motor umožňuje prevádzkovať lietadlá mnoho rokov, čím sa výrazne zvyšuje ich praktická vhodnosť.

Historická kronika

Dodanie výskumného vozidla na obežnú dráhu vzdialených planét slnečnej sústavy si zároveň vyžaduje zvýšenie zdrojov takéhoto jadrového zariadenia na 5 až 7 rokov. Je dokázané, že komplex s jadrovým pohonným systémom s výkonom okolo 1 MW ako súčasť výskumnej kozmickej lode umožní za 5-7 rokov zrýchlené dodanie umelých družíc najvzdialenejších planét, planetárnych roverov na povrch prirodzené satelity týchto planét a dodanie pôdy z komét, asteroidov, Merkúru a satelitov Jupitera a Saturnu na Zem.

Opakovane použiteľný remorkér (MB)

Jedným z najdôležitejších spôsobov zvýšenia efektívnosti dopravných operácií vo vesmíre je opakovane použiteľné využitie prvkov dopravného systému. Jadrový motor pre kozmické lode s výkonom najmenej 500 kW umožňuje vytvoriť opätovne použiteľný remorkér a tým výrazne zvýšiť efektivitu viacčlánkového vesmírneho transportného systému. Takýto systém je obzvlášť užitočný v programe na poskytovanie veľkých ročných tokov nákladu. Príkladom môže byť mesačný prieskumný program s vytváraním a udržiavaním neustále sa rozširujúcej obývateľnej základne a experimentálnych technologických a výrobných komplexov.

Výpočet obratu prepravy

Podľa projektových štúdií RSC Energia by sa pri výstavbe základne mali na mesačný povrch dostať moduly s hmotnosťou asi 10 ton a na obežnú dráhu Mesiaca celkový tok nákladu zo Zeme obývateľná lunárna základňa a navštívená lunárna orbitálna stanica sa odhaduje na 700 - 800 ton a ročný tok nákladu na zabezpečenie fungovania a rozvoja základne je 400 - 500 ton.

Princíp činnosti jadrového motora však neumožňuje transportéru dostatočne rýchlo zrýchliť. Vzhľadom na dlhý čas prepravy, a teda aj značný čas strávený nákladom v radiačných pásoch Zeme, nie je možné všetok náklad doručiť pomocou remorkérov s jadrovým pohonom. Tok nákladu, ktorý je možné zabezpečiť na základe jadrových pohonných systémov, sa preto odhaduje len na 100 – 300 ton/rok.

Ekonomická efektívnosť

Ako kritérium ekonomickej efektívnosti interorbitálneho transportného systému je vhodné použiť hodnotu špecifických nákladov na prepravu jednotky hmotnosti užitočného zaťaženia (PG) z povrchu Zeme na cieľovú obežnú dráhu. RSC Energia vyvinula ekonomický a matematický model, ktorý zohľadňuje hlavné zložky nákladov v dopravnom systéme:

• vytvoriť a spustiť na obežnú dráhu vlečné moduly;
• na nákup funkčného jadrového zariadenia;
• prevádzkové náklady, ako aj náklady na výskum a vývoj a prípadné kapitálové náklady.

Ukazovatele nákladov závisia od optimálnych parametrov MB. Pri použití tohto modelu je porovnateľná ekonomická efektívnosť použitia opakovane použiteľného remorkéra založeného na jadrovom pohonnom systéme s výkonom okolo 1 MW a jednorazového remorkéra založeného na pokročilých kvapalných pohonných systémoch v programe na zabezpečenie dodávky užitočného zaťaženia s celkovou Študovala sa hmotnosť 100 ton/rok zo Zeme na obežnú dráhu Mesiaca vo výške 100 km. Pri použití rovnakej nosnej rakety s nosnosťou rovnajúcou sa nosnosti nosnej rakety Proton-M a schémou dvoch štartov na konštrukciu dopravného systému, špecifické náklady na dodanie jednotky hmotnosti užitočného zaťaženia pomocou remorkéra s jadrovým pohonom bude trikrát nižšia ako pri použití jednorazových remorkérov na báze rakiet s kvapalinovými motormi typu DM-3.

Záver

Efektívny jadrový motor pre vesmír prispieva k riešeniu environmentálnych problémov Zeme, letu človeka na Mars, vytvoreniu systému bezdrôtového prenosu energie vo vesmíre, implementácii so zvýšenou bezpečnosťou zakopania do vesmíru obzvlášť nebezpečného rádioaktívneho odpadu zo zeme. jadrovej energie, vytvorenie obývateľnej lunárnej základne a začiatok priemyselného rozvoja Mesiaca, ktorý zabezpečuje ochranu Zeme pred nebezpečenstvom asteroidu-kométy.