Sergeev Alexey, 9 clasa „A”, Instituția de învățământ municipal „Școala Gimnazială nr. 84”

Consultant științific: , Director adjunct al parteneriatului non-profit pentru activități științifice și inovatoare „Tomsk Atomic Center”

Șef: , profesor de fizică, Instituția Municipală de Învățământ „Școala Gimnazială Nr. 84” CATO Seversk

Introducere

Sistemele de propulsie de la bordul unei nave spațiale sunt proiectate pentru a crea forță sau impuls. În funcție de tipul de tracțiune utilizat, sistemul de propulsie este împărțit în chimic (CHRD) și non-chimic (NCRD). CRD-urile sunt împărțite în motoare cu propulsie lichidă (LPRE), motoare rachetă cu propulsie solidă (motoare cu propulsie solidă) și motoare rachetă combinate (RCR). La rândul lor, sistemele de propulsie nechimică sunt împărțite în nucleare (NRE) și electrice (EP). Marele om de știință Konstantin Eduardovich Tsiolkovsky a creat în urmă cu un secol primul model de sistem de propulsie care funcționa cu combustibil solid și lichid. Ulterior, în a doua jumătate a secolului al XX-lea, mii de zboruri au fost efectuate folosind în principal motoare cu combustibil lichid și motoare rachete cu combustibil solid.

Cu toate acestea, în prezent, pentru zborurile către alte planete, ca să nu mai vorbim de stele, utilizarea motoarelor rachete cu combustibil lichid și a motoarelor rachete cu combustibil solid devine din ce în ce mai nerentabilă, deși au fost dezvoltate multe motoare rachete. Cel mai probabil, capacitățile motoarelor de rachete cu combustibil lichid și ale motoarelor de rachete cu combustibil solid s-au epuizat complet. Motivul aici este că impulsul specific al tuturor propulsoarelor chimice este scăzut și nu depășește 5000 m/s, ceea ce necesită funcționarea pe termen lung a propulsorului și, în consecință, rezerve mari de combustibil pentru dezvoltarea unor viteze suficient de mari sau, după cum este obișnuit în astronautică, sunt necesare valori mari ale numărului Tsiolkovsky, adică raportul dintre masa unei rachete alimentate și masa uneia goale. Astfel, vehiculul de lansare Energia, care lansează 100 de tone de sarcină utilă pe orbită joasă, are o masă de lansare de aproximativ 3.000 de tone, ceea ce conferă numărului Tsiolkovsky o valoare în 30.

Pentru un zbor spre Marte, de exemplu, numărul lui Tsiolkovsky ar trebui să fie și mai mare, atingând valori de la 30 la 50. Este ușor de estimat că, cu o sarcină utilă de aproximativ 1.000 de tone, și în aceste limite, masa minimă Ținând cont de aprovizionarea cu combustibil pentru zborul de întoarcere pe Pământ, masa inițială a navei spațiale trebuie să fie de cel puțin 30.000 de tone, ceea ce depășește în mod clar nivelul de dezvoltare al astronauticii moderne, bazată pe utilizarea motoarelor cu combustibil lichid și a motoarelor rachete cu combustibil solid.

Astfel, pentru ca echipajele echipate să ajungă chiar și pe cele mai apropiate planete, este necesară dezvoltarea vehiculelor de lansare pe motoare care funcționează pe alte principii decât propulsia chimică. Cele mai promițătoare în acest sens sunt motoarele electrice cu reacție (EPE), motoarele cu rachete termochimice și motoarele cu reacție nucleare (NRE).

1.Concepte de bază

Un motor rachetă este un motor cu reacție care nu utilizează mediul (aer, apă) pentru funcționare. Motoarele cu rachete chimice sunt cele mai utilizate. Alte tipuri de motoare rachete sunt dezvoltate și testate - electrice, nucleare și altele. Cele mai simple motoare de rachetă care funcționează cu gaze comprimate sunt, de asemenea, utilizate pe scară largă pe stațiile și vehiculele spațiale. De obicei, folosesc azotul ca fluid de lucru. /1/

Clasificarea sistemelor de propulsie

2. Scopul motoarelor rachete

În funcție de scopul lor, motoarele de rachetă sunt împărțite în mai multe tipuri principale: accelerare (pornire), frânare, propulsie, control și altele. Motoarele de rachetă sunt utilizate în principal pe rachete (de unde și numele). În plus, motoarele de rachete sunt uneori folosite în aviație. Motoarele rachete sunt principalele motoare în astronautică.

Rachetele militare (de luptă) au de obicei motoare cu propulsie solidă. Acest lucru se datorează faptului că un astfel de motor este alimentat din fabrică și nu necesită întreținere pe toată durata de depozitare și de viață a rachetei în sine. Motoarele cu combustibil solid sunt adesea folosite ca propulsoare pentru rachetele spațiale. Ele sunt utilizate pe scară largă în această calitate în SUA, Franța, Japonia și China.

Motoarele cu rachete lichide au caracteristici de tracțiune mai mari decât motoarele cu rachete solide. Prin urmare, ele sunt folosite pentru a lansa rachete spațiale pe orbită în jurul Pământului și pentru zboruri interplanetare. Principalii propulsori lichizi pentru rachete sunt kerosenul, heptanul (dimetilhidrazină) și hidrogenul lichid. Pentru astfel de tipuri de combustibil, este necesar un oxidant (oxigen). Acidul azotic și oxigenul lichefiat sunt utilizați ca oxidanți în astfel de motoare. Acidul azotic este inferior oxigenului lichefiat în ceea ce privește proprietățile oxidante, dar nu necesită menținerea unui regim special de temperatură în timpul depozitării, realimentării și utilizării rachetelor.

Motoarele pentru zborurile spațiale diferă de cele de pe Pământ prin aceea că trebuie să producă cât mai multă putere cu cea mai mică masă și volum posibil. În plus, acestea sunt supuse unor cerințe precum eficiența și fiabilitatea excepțional de ridicate și timpul de funcționare semnificativ. În funcție de tipul de energie utilizată, sistemele de propulsie a navelor spațiale sunt împărțite în patru tipuri: termochimice, nucleare, electrice, solare. Fiecare dintre tipurile enumerate are propriile avantaje și dezavantaje și poate fi utilizat în anumite condiții.

În prezent, navele spațiale, stațiile orbitale și sateliții Pământului fără pilot sunt lansate în spațiu de rachete echipate cu motoare termochimice puternice. Există și motoare miniaturale cu tracțiune redusă. Aceasta este o copie mai mică a motoarelor puternice. Unele dintre ele pot încăpea în palma mâinii tale. Forța de împingere a unor astfel de motoare este foarte mică, dar este suficientă pentru a controla poziția navei în spațiu

3.Motoare de rachete termochimice.

Se știe că într-un motor cu ardere internă, cuptorul unui cazan cu abur - oriunde are loc arderea, oxigenul atmosferic ocupă cea mai activă parte. Nu există aer în spațiul cosmic, iar pentru ca motoarele de rachete să funcționeze în spațiul cosmic, este necesar să existe două componente - combustibil și oxidant.

Motoarele de rachete termochimice lichide folosesc ca combustibil alcool, kerosen, benzină, anilină, hidrazină, dimetilhidrazină și hidrogen lichid. Oxigenul lichid, peroxidul de hidrogen și acidul azotic sunt utilizați ca agent oxidant. Poate că în viitor fluorul lichid va fi folosit ca agent oxidant atunci când se inventează metode de depozitare și utilizare a unei astfel de substanțe chimice active.

Combustibilul și oxidantul pentru motoarele cu reacție lichidă sunt depozitate separat în rezervoare speciale și furnizate în camera de ardere cu ajutorul pompelor. Când sunt combinate în camera de ardere, temperaturile ajung la 3000 – 4500 °C.

Produsele de ardere, în expansiune, capătă viteze de la 2500 la 4500 m/s. Împingându-se din corpul motorului, ele creează tracțiunea jetului. În același timp, cu cât masa și viteza debitului de gaz sunt mai mari, cu atât tracțiunea motorului este mai mare.

De obicei, forța specifică a motoarelor este estimată prin cantitatea de forță creată pe unitatea de masă de combustibil ars într-o secundă. Această cantitate se numește impuls specific al unui motor rachetă și se măsoară în secunde (kg forță / kg combustibil ars pe secundă). Cele mai bune motoare de rachetă cu propulsie solidă au un impuls specific de până la 190 s, adică 1 kg de combustibil care arde într-o secundă creează o forță de 190 kg. Un motor de rachetă cu hidrogen-oxigen are un impuls specific de 350 s. Teoretic, un motor cu hidrogen-fluor poate dezvolta un impuls specific de peste 400 s.

Circuitul motorului rachetă lichid utilizat în mod obișnuit funcționează după cum urmează. Gazul comprimat creează presiunea necesară în rezervoarele cu combustibil criogenic pentru a preveni apariția bulelor de gaz în conducte. Pompele furnizează combustibil motoarelor rachete. Combustibilul este injectat în camera de ardere printr-un număr mare de injectoare. Un oxidant este de asemenea injectat în camera de ardere prin duze.

În orice mașină, când arde combustibilul, se formează fluxuri mari de căldură care încălzesc pereții motorului. Dacă nu răciți pereții camerei, aceasta se va arde rapid, indiferent din ce material este făcută. Un motor cu reacție lichidă este răcit de obicei de una dintre componentele combustibilului. În acest scop, camera este realizată din doi pereți. Componenta rece a combustibilului curge în golul dintre pereți.

Aluminiu" href="/text/category/alyuminij/" rel="bookmark">aluminiu etc. În special ca aditiv la combustibilii convenționali, cum ar fi hidrogen-oxigen. Astfel de „compoziții ternare” pot oferi cea mai mare viteză posibilă pentru substanțele chimice evacuarea combustibililor - până la 5 km/s.Dar aceasta este practic limita resurselor chimiei.Practic nu poate face mai mult.Deși descrierea propusă este încă dominată de motoarele cu rachete lichide, trebuie spus că primul din istorie al omenirii a fost creat un motor de rachetă termochimic folosind combustibil solid - Motor de rachetă cu propulsor solid.Combustibilul - de exemplu, praful de pușcă special - este situat direct în camera de ardere.O cameră de ardere cu o duză cu jet umplută cu combustibil solid - acesta este întregul design. Modul de ardere a combustibilului solid depinde de scopul motorului rachetei cu combustibil solid (lansare, susținător sau combinat).Pentru rachetele cu combustibil solid utilizate în afaceri militare se caracterizează prin prezența motoarelor de lansare și propulsie.Motorul de rachetă cu combustibil solid de lansare se dezvoltă tracțiune mare pentru un timp foarte scurt, care este necesar pentru ca racheta să părăsească lansator și pentru accelerarea sa inițială. Motorul rachetei cu propulsor solid este proiectat pentru a menține o viteză de zbor constantă a rachetei pe secțiunea principală (de propulsie) a traiectoriei de zbor. Diferențele dintre ele constă în principal în proiectarea camerei de ardere și în profilul suprafeței de ardere a încărcăturii de combustibil, care determină viteza de ardere a combustibilului de care depinde timpul de funcționare și forța motorului. Spre deosebire de astfel de rachete, vehiculele de lansare spațială pentru lansarea sateliților Pământului, a stațiilor orbitale și a navelor spațiale, precum și a stațiilor interplanetare funcționează numai în modul de lansare de la lansarea rachetei până când obiectul este lansat pe orbită în jurul Pământului sau pe o traiectorie interplanetară. În general, motoarele de rachetă cu combustibil solid nu au multe avantaje față de motoarele cu combustibil lichid: sunt ușor de fabricat, pot fi depozitate pentru o perioadă lungă de timp, sunt întotdeauna gata de acțiune și sunt relativ rezistente la explozie. Dar în ceea ce privește forța specifică, motoarele cu combustibil solid sunt cu 10-30% mai mici decât motoarele lichide.

4. Motoare electrice cu rachete

Aproape toate motoarele de rachetă discutate mai sus dezvoltă o forță enormă și sunt concepute pentru a lansa nave spațiale pe orbită în jurul Pământului și pentru a le accelera la viteze cosmice pentru zborurile interplanetare. O chestiune complet diferită este sistemele de propulsie pentru nave spațiale deja lansate pe orbită sau pe o traiectorie interplanetară. Aici, de regulă, avem nevoie de motoare de putere redusă (mai mulți kilowați sau chiar wați) capabile să funcționeze sute și mii de ore și să fie pornite și oprite în mod repetat. Acestea vă permit să mențineți zborul pe orbită sau de-a lungul unei traiectorii date, compensând rezistența de zbor creată de straturile superioare ale atmosferei și vântul solar. La motoarele electrice cu rachete, fluidul de lucru este accelerat la o anumită viteză prin încălzirea acestuia cu energie electrică. Electricitatea provine de la panouri solare sau de la o centrală nucleară. Metodele de încălzire a fluidului de lucru sunt diferite, dar, în realitate, arcul electric este utilizat în principal. S-a dovedit a fi foarte fiabil și poate rezista la un număr mare de porniri. Hidrogenul este folosit ca fluid de lucru în motoarele cu arc electric. Folosind un arc electric, hidrogenul este încălzit la o temperatură foarte ridicată și se transformă în plasmă - un amestec neutru din punct de vedere electric de ioni pozitivi și electroni. Viteza de ieșire a plasmei din motor ajunge la 20 km/s. Când oamenii de știință rezolvă problema izolării magnetice a plasmei de pereții camerei motorului, atunci va fi posibilă creșterea semnificativă a temperaturii plasmei și creșterea vitezei de evacuare la 100 km/s. Primul motor electric de rachetă a fost dezvoltat în Uniunea Sovietică de-a lungul anilor. sub conducere (mai târziu a devenit creatorul de motoare pentru rachete spațiale sovietice și academician) la faimosul Laborator de dinamică a gazelor (GDL)./10/

5.Alte tipuri de motoare

Există, de asemenea, modele mai exotice pentru motoarele de rachete nucleare, în care materialul fisionabil este în stare lichidă, gazoasă sau chiar plasmă, dar implementarea unor astfel de modele la nivelul actual de tehnologie și tehnologie este nerealistă. Următoarele proiecte de motoare rachetă există, încă în stadiu teoretic sau de laborator:

Motoare de rachete nucleare cu impulsuri care folosesc energia exploziilor de mici sarcini nucleare;

Motoare de rachete termonucleare, care pot folosi un izotop de hidrogen ca combustibil. Productivitatea energetică a hidrogenului într-o astfel de reacție este de 6,8 * 1011 KJ/kg, adică cu aproximativ două ordine de mărime mai mare decât productivitatea reacțiilor de fisiune nucleară;

Motoare solare - care folosesc presiunea luminii solare (vânt solar), a căror existență a fost dovedită empiric de un fizician rus încă din 1899. Prin calcule, oamenii de știință au stabilit că un dispozitiv cu o greutate de 1 tonă, echipat cu o velă cu diametrul de 500 m, poate zbura de pe Pământ pe Marte în aproximativ 300 de zile. Cu toate acestea, eficiența unei vele solare scade rapid odată cu distanța de la Soare.

6.Motoare de rachete nucleare

Unul dintre principalele dezavantaje ale motoarelor rachete care funcționează cu combustibil lichid este asociat cu debitul limitat al gazelor. În motoarele de rachete nucleare, se pare că este posibil să se folosească energia colosală eliberată în timpul descompunerii „combustibilului” nuclear pentru a încălzi substanța de lucru. Principiul de funcționare al motoarelor cu rachete nucleare nu este aproape deloc diferit de principiul de funcționare al motoarelor termochimice. Diferența este că fluidul de lucru este încălzit nu datorită energiei chimice proprii, ci datorită energiei „străine” eliberate în timpul unei reacții intranucleare. Fluidul de lucru este trecut printr-un reactor nuclear, în care are loc reacția de fisiune a nucleelor ​​atomice (de exemplu, uraniu) și este încălzit. Motoarele de rachete nucleare elimină necesitatea unui oxidant și, prin urmare, poate fi folosit un singur lichid. Ca fluid de lucru, este recomandabil să folosiți substanțe care permit motorului să dezvolte o forță de tracțiune mai mare. Această condiție este satisfăcută cel mai pe deplin de hidrogen, urmat de amoniac, hidrazină și apă. Procesele în care se eliberează energia nucleară sunt împărțite în transformări radioactive, reacții de fisiune ale nucleelor ​​grele și reacții de fuziune ale nucleelor ​​ușoare. Transformările radioizotopice sunt realizate în așa-numitele surse de energie izotopică. Energia de masă specifică (energia pe care o poate elibera o substanță cu greutatea de 1 kg) a izotopilor radioactivi artificiali este semnificativ mai mare decât cea a combustibililor chimici. Astfel, pentru 210Po este egal cu 5*10 8 KJ/kg, în timp ce pentru cel mai eficient combustibil chimic (beriliu cu oxigen) această valoare nu depășește 3*10 4 KJ/kg. Din păcate, nu este încă rațional să folosiți astfel de motoare pe vehiculele de lansare spațială. Motivul pentru aceasta este costul ridicat al substanței izotopice și dificultățile operaționale. La urma urmei, izotopul eliberează în mod constant energie, chiar și atunci când este transportat într-un container special și când racheta este parcată la locul de lansare. Reactoarele nucleare folosesc combustibil mai eficient din punct de vedere energetic. Astfel, energia de masă specifică a 235U (izotopul fisionabil al uraniului) este egală cu 6,75 * 10 9 KJ/kg, adică aproximativ cu un ordin de mărime mai mare decât cea a izotopului 210Po. Aceste motoare pot fi „pornite” și „oprite”; combustibilul nuclear (233U, 235U, 238U, 239Pu) este mult mai ieftin decât combustibilul izotop. În astfel de motoare, nu numai apa poate fi folosită ca fluid de lucru, ci și substanțe de lucru mai eficiente - alcool, amoniac, hidrogen lichid. Forța specifică a unui motor cu hidrogen lichid este de 900 s. În cel mai simplu design al unui motor de rachetă nucleară cu un reactor care funcționează cu combustibil nuclear solid, fluidul de lucru este plasat într-un rezervor. Pompa îl alimentează în camera motorului. Pulverizat folosind duze, fluidul de lucru intră în contact cu combustibilul nuclear generator de combustibil, se încălzește, se extinde și este aruncat cu viteză mare prin duză. Combustibilul nuclear este superior în rezerve de energie față de orice alt tip de combustibil. Atunci apare o întrebare logică: de ce instalațiile care folosesc acest combustibil au încă o forță specifică relativ scăzută și o masă mare? Faptul este că forța specifică a unui motor de rachetă nucleară în fază solidă este limitată de temperatura materialului fisionabil, iar centrala electrică în timpul funcționării emite radiații ionizante puternice, care are un efect dăunător asupra organismelor vii. Protecția biologică împotriva unor astfel de radiații este foarte importantă și nu este aplicabilă pe nave spațiale. Dezvoltarea practică a motoarelor de rachete nucleare cu combustibil nuclear solid a început la mijlocul anilor 50 ai secolului XX în Uniunea Sovietică și SUA, aproape simultan cu construcția primelor centrale nucleare. Lucrarea s-a desfășurat într-o atmosferă de secretizare sporită, dar se știe că astfel de motoare de rachete nu au primit încă o utilizare reală în astronautică. Totul s-a limitat până acum la utilizarea surselor izotopice de electricitate de putere relativ scăzută pe sateliții Pământeni artificiali fără pilot, nave spațiale interplanetare și faimosul „rover lunar” sovietic.

7.Motoare cu reacție nucleare, principii de funcționare, metode de obținere a impulsului într-un motor de propulsie nucleară.

Motoarele de rachete nucleare și-au primit numele datorită faptului că creează tracțiune prin utilizarea energiei nucleare, adică a energiei care este eliberată ca urmare a reacțiilor nucleare. În sens general, aceste reacții înseamnă orice modificări ale stării energetice a nucleelor ​​atomice, precum și transformări ale unor nuclee în altele, asociate cu o restructurare a structurii nucleelor ​​sau o schimbare a numărului de particule elementare conținute în ele - nucleonii. Mai mult, reacțiile nucleare, după cum se știe, pot avea loc fie spontan (adică spontan), fie cauzate artificial, de exemplu, atunci când unele nuclee sunt bombardate de altele (sau particule elementare). Reacțiile de fisiune și fuziune nucleare depășesc reacțiile chimice de milioane și, respectiv, de zeci de milioane de ori ca energie. Acest lucru se explică prin faptul că energia legăturii chimice a atomilor din molecule este de multe ori mai mică decât energia legăturii nucleare a nucleonilor din nucleu. Energia nucleară din motoarele de rachetă poate fi utilizată în două moduri:

1. Energia eliberată este folosită pentru a încălzi fluidul de lucru, care apoi se extinde în duză, la fel ca într-un motor de rachetă convențional.

2. Energia nucleară este convertită în energie electrică și apoi utilizată pentru a ioniza și accelera particulele fluidului de lucru.

3. În cele din urmă, impulsul este creat de produsele de fisiune înșiși, formate în procesul DIV_ADBLOCK265">

Prin analogie cu un motor de rachetă cu propulsie lichidă, fluidul inițial de lucru al motorului cu propulsie nucleară este stocat în stare lichidă în rezervorul sistemului de propulsie și este alimentat folosind o unitate turbopompă. Gazul pentru rotirea acestei unități, constând dintr-o turbină și o pompă, poate fi produs chiar în reactor.

O diagramă a unui astfel de sistem de propulsie este prezentată în figură.

Există multe motoare cu propulsie nucleară cu un reactor de fisiune:

fază solidă

fază gazoasă

NRE cu reactor de fuziune

Motoare cu propulsie nucleară cu impulsuri și altele

Dintre toate tipurile posibile de motoare de propulsie nucleară, cele mai dezvoltate sunt motorul radioizotop termic și motorul cu reactor de fisiune în fază solidă. Dar dacă caracteristicile motoarelor de propulsie nucleară cu radioizotopi nu ne permit să sperăm la utilizarea lor pe scară largă în astronautică (cel puțin în viitorul apropiat), atunci crearea motoarelor de propulsie nucleară în fază solidă deschide mari perspective pentru astronautică. Un motor de propulsie nucleară tipic de acest tip conține un reactor în fază solidă sub forma unui cilindru cu o înălțime și un diametru de aproximativ 1-2 m (dacă acești parametri sunt apropiați, scurgerea neutronilor de fisiune în spațiul înconjurător este minimă) .

Reactorul este format dintr-un miez; un reflector care înconjoară această zonă; organele de conducere; corp de putere și alte elemente. Miezul conține combustibil nuclear - material fisionabil (uraniu îmbogățit) conținut în elementele de combustibil și un moderator sau diluant. Reactorul prezentat în figură este omogen - în el moderatorul face parte din elementele de combustibil, fiind amestecat omogen cu combustibilul. Moderatorul poate fi amplasat și separat de combustibilul nuclear. În acest caz, reactorul este numit heterogen. Diluanții (pot fi, de exemplu, metale refractare - wolfram, molibden) sunt utilizați pentru a conferi proprietăți speciale substanțelor fisionabile.

Elementele de combustibil ale unui reactor în fază solidă sunt pătrunse de canale prin care curge fluidul de lucru al motorului de propulsie nucleară, încălzindu-se treptat. Canalele au un diametru de aproximativ 1-3 mm, iar aria lor totală este de 20-30% din secțiunea transversală a zonei active. Miezul este suspendat de o grilă specială în interiorul vasului de alimentare, astfel încât să se poată extinde atunci când reactorul se încălzește (altfel s-ar prăbuși din cauza solicitărilor termice).

Miezul suferă sarcini mecanice mari asociate cu căderi semnificative de presiune hidraulică (până la câteva zeci de atmosfere) de la curgerea fluidului de lucru, solicitări termice și vibrații. Creșterea dimensiunii zonei active atunci când reactorul se încălzește ajunge la câțiva centimetri. Zona activă și reflectorul sunt plasate într-o carcasă de putere durabilă care absoarbe presiunea fluidului de lucru și forța creată de duza cu jet. Carcasa se inchide cu un capac rezistent. Acesta găzduiește mecanisme pneumatice, arc sau electrice pentru antrenarea organelor de reglementare, puncte de atașare pentru motorul de propulsie nucleară la navă spațială și flanșe pentru conectarea motorului de propulsie nucleară la conductele de alimentare cu fluidul de lucru. Pe capac poate fi amplasată și o unitate turbopompă.

8 - Duza,

9 - duza de expansiune,

10 - Alegerea substanței de lucru pentru turbină,

11 - Corpul de putere,

12 - tambur de control,

13 - evacuare turbina (folosită pentru a controla atitudinea și a crește tracțiunea),

14 - Inel de antrenare pentru tobe de control)

La începutul anului 1957, s-a stabilit direcția finală de lucru la Laboratorul Los Alamos și s-a luat decizia de a construi un reactor nuclear de grafit cu combustibil uraniu dispersat în grafit. Reactorul Kiwi-A, creat în această direcție, a fost testat în 1959 la 1 iulie.

Motor american cu reacție nuclear în fază solidă XE Prime pe un banc de testare (1968)

Pe lângă construcția reactorului, Laboratorul Los Alamos era în plină desfășurare în construcția unui loc de testare special în Nevada și, de asemenea, a efectuat o serie de comenzi speciale de la Forțele Aeriene ale SUA în domenii conexe (dezvoltarea unități TURE). În numele Laboratorului Los Alamos, toate comenzile speciale pentru fabricarea componentelor individuale au fost efectuate de următoarele companii: Aerojet General, divizia Rocketdyne a Aviației Nord-Americane. În vara anului 1958, întregul control al programului Rover a fost transferat de la Forțele Aeriene ale Statelor Unite către Administrația Națională pentru Aeronautică și Spațiu (NASA), nou organizată. Ca urmare a unui acord special între AEC și NASA la mijlocul verii anului 1960, Biroul de Propulsie Nucleară Spațială a fost format sub conducerea lui G. Finger, care a condus ulterior programul Rover.

Rezultatele obținute din șase „teste la cald” ale motoarelor cu reacție nucleare au fost foarte încurajatoare, iar la începutul anului 1961 a fost pregătit un raport privind testarea în zbor a reactoarelor (RJFT). Apoi, la mijlocul anului 1961, a fost lansat proiectul Nerva (folosirea unui motor nuclear pentru rachete spațiale). Aerojet General a fost ales ca antreprenor general, iar Westinghouse a fost ales ca subcontractant responsabil de construcția reactorului.

10.2 Lucrări la TURE în Rusia

American" href="/text/category/amerikanetc/" rel="bookmark">Americanii, oamenii de știință ruși au folosit cele mai economice și eficiente teste ale elementelor de combustibil individuale în reactoarele de cercetare. Întreaga gamă de lucrări efectuate în anii 70-80 a permis biroului de proiectare „Salyut”, Biroului de proiectare a automatizării chimice, IAE, NIKIET și NPO „Luch” (PNITI) să dezvolte diverse proiecte de motoare de propulsie nucleară spațială și centrale nucleare hibride. Conducerea NIITP (FEI, IAE, NIKIET, NIITVEL, NPO au fost responsabile pentru elementele reactorului Luch”, MAI) au fost create CORTE RD 0411și motor nuclear de dimensiuni minime RD 0410împingerea de 40, respectiv 3,6 tone.

Ca urmare, au fost fabricate un reactor, un motor „rece” și un prototip de banc pentru testarea pe hidrogen gazos. Spre deosebire de cel american, cu un impuls specific de cel mult 8250 m/s, TNRE sovietic, datorită utilizării unor elemente combustibile mai rezistente la căldură și de design avansat și a temperaturii ridicate în miez, a avut această cifră egală cu 9100 m. /s și mai mare. Baza de bancă pentru testarea TURE a expediției comune a NPO „Luch” a fost situată la 50 km sud-vest de orașul Semipalatinsk-21. A început să lucreze în 1962. În La locul de testare, au fost testate elemente de combustibil la scară largă ale prototipurilor de motoare de rachetă cu propulsie nucleară. În acest caz, gazele de evacuare au intrat în sistemul de evacuare închis. Complexul bancului de testare Baikal-1 pentru testarea motoarelor nucleare de dimensiuni mari este situat la 65 km sud de Semipalatinsk-21. Din 1970 până în 1988, au fost efectuate aproximativ 30 de „porniri la cald” ale reactoarelor. În același timp, puterea nu a depășit 230 MW cu un consum de hidrogen de până la 16,5 kg/sec și temperatura acestuia la ieșirea din reactor de 3100 K. Toate lansările au fost reușite, fără probleme și conform planului.

Sovietic TNRD RD-0410 este singurul motor de rachetă nuclear industrial de încredere și funcțional din lume

În prezent, astfel de lucrări la șantier au fost oprite, deși echipamentul este menținut în stare relativ de funcționare. Baza bancului de testare al NPO Luch este singurul complex experimental din lume în care este posibil să se testeze elemente ale reactoarelor de propulsie nucleară fără costuri financiare și de timp semnificative. Este posibil ca reluarea în Statele Unite ale Americii a lucrărilor la motoare de propulsie nucleară pentru zborurile către Lună și Marte în cadrul programului Space Research Initiative cu participarea planificată a specialiștilor din Rusia și Kazahstan să conducă la reluarea activității la baza Semipalatinsk și implementarea unei expediții „marțiane” în anii 2020.

Principalele caracteristici

Impulsul specific asupra hidrogenului: 910 - 980 sec(teoretic până la 1000 sec).

· Viteza de scurgere a fluidului de lucru (hidrogen): 9100 - 9800 m/sec.

· Impingerea realizabilă: până la sute și mii de tone.

· Temperaturi maxime de funcționare: 3000°С - 3700°С (pornire pe termen scurt).

· Durată de funcționare: până la câteva mii de ore (activare periodică). /5/

11.Dispozitiv

Proiectarea motorului sovietic de rachetă nucleară în fază solidă RD-0410

1 - conducta din rezervorul de lichid de lucru

2 - unitate turbopompa

3 - controlul antrenării tamburului

4 - protectie impotriva radiatiilor

5 - tambur reglator

6 - retarder

7 - ansamblu combustibil

8 - vasul reactorului

9 - fund de foc

10 - linia de racire a duzei

11- camera duzei

12 - duza

12.Principiul de funcționare

Conform principiului său de funcționare, un TURE este un reactor-schimbător de căldură la temperatură înaltă în care un fluid de lucru (hidrogen lichid) este introdus sub presiune și, pe măsură ce este încălzit la temperaturi ridicate (peste 3000°C), este ejectat printr-un duză răcită. Regenerarea căldurii în duză este foarte benefică, deoarece permite ca hidrogenul să fie încălzit mult mai rapid și, prin utilizarea unei cantități semnificative de energie termică, impulsul specific poate fi crescut la 1000 sec (9100-9800 m/s).

Reactor cu motor de rachetă nucleară

MsoNormalTable">

Lichid de lucru

Densitate, g/cm3

Impingerea specifică (la temperaturi specificate în camera de încălzire, °K), sec

0,071 (lichid)

0,682 (lichid)

1.000 (lichid)

Nu. Dann

Nu. Dann

Nu. Dann

(Notă: presiunea în camera de încălzire este de 45,7 atm, expansiune la o presiune de 1 atm cu aceeași compoziție chimică a fluidului de lucru) /6/

15.Beneficii

Principalul avantaj al TNRE față de motoarele cu rachete chimice este realizarea unui impuls specific mai mare, rezerve semnificative de energie, compactitatea sistemului și capacitatea de a obține o tracțiune foarte mare (zeci, sute și mii de tone în vid. În general, impulsul specific realizat în vid este mai mare decât cel al combustibilului chimic uzat pentru rachete (kerosen-oxigen, hidrogen-oxigen) de 3-4 ori, iar atunci când funcționează la cea mai mare intensitate termică de 4-5 ori. SUA și Rusia există o experiență semnificativă în dezvoltarea și construcția unor astfel de motoare și, dacă este necesar (programe speciale de explorare a spațiului), astfel de motoare pot fi produse într-un timp scurt și vor avea un cost rezonabil. În cazul utilizării TURE pentru a accelera navele spațiale în spațiu și sub rezerva utilizării suplimentare a manevrelor de perturbare folosind câmpul gravitațional al planetelor mari (Jupiter, Uranus, Saturn, Neptun), limitele realizabile ale studierii sistemului solar se extind semnificativ, iar timpul necesar pentru a ajunge la planete îndepărtate este semnificativ. redus. În plus, TNRE-urile pot fi utilizate cu succes pentru dispozitive care funcționează pe orbite joase ale planetelor gigantice folosind atmosfera lor rarefiată ca fluid de lucru sau pentru operarea în atmosfera lor. /8/

16.Dezavantaje

Principalul dezavantaj al TNRE este prezența unui flux puternic de radiații penetrante (radiații gamma, neutroni), precum și îndepărtarea compușilor de uraniu foarte radioactivi, a compușilor refractari cu radiații induse și a gazelor radioactive cu fluidul de lucru. În acest sens, TURE este inacceptabilă pentru lansările la sol pentru a evita deteriorarea situației mediului la locul de lansare și în atmosferă. /14/

17.Îmbunătățirea caracteristicilor TURD. Motoare hibride cu turbopropulsoare

Ca orice rachetă sau orice motor în general, un motor cu reacție nuclear în fază solidă are limitări semnificative asupra celor mai importante caracteristici care pot fi atinse. Aceste restricții reprezintă incapacitatea dispozitivului (TJRE) de a funcționa în intervalul de temperatură care depășește intervalul de temperaturi maxime de funcționare ale materialelor structurale ale motorului. Pentru a extinde capacitățile și a crește semnificativ principalii parametri de funcționare ai TNRE, pot fi utilizate diverse scheme hibride în care TNRE joacă rolul de sursă de căldură și energie și sunt utilizate metode fizice suplimentare de accelerare a fluidelor de lucru. Cea mai fiabilă, practic fezabilă și având caracteristici specifice de impuls și tracțiune ridicate este o schemă hibridă cu un circuit MHD suplimentar (circuit magnetohidrodinamic) pentru accelerarea fluidului de lucru ionizat (hidrogen și aditivi speciali). /13/

18. Pericol de radiații de la motoarele de propulsie nucleară.

Un motor nuclear funcțional este o sursă puternică de radiații - radiații gamma și neutroni. Fără a lua măsuri speciale, radiațiile pot provoca încălzirea inacceptabilă a fluidului de lucru și a structurii unei nave spațiale, fragilizarea materialelor structurale metalice, distrugerea plasticului și îmbătrânirea pieselor din cauciuc, deteriorarea izolației cablurilor electrice și defecțiunea echipamentelor electronice. Radiațiile pot provoca radioactivitate indusă (artificială) a materialelor - activarea lor.

În prezent, problema protecției împotriva radiațiilor a navelor spațiale cu motoare cu propulsie nucleară este considerată a fi rezolvată în principiu. Au fost de asemenea rezolvate problemele fundamentale legate de întreținerea motoarelor de propulsie nucleară la standurile de testare și la locurile de lansare. Deși o NRE în exploatare reprezintă un pericol pentru personalul de exploatare, deja la o zi după încetarea funcționării NRE, se poate, fără echipament individual de protecție, să stea câteva zeci de minute la o distanță de 50 m de NRE și chiar să se apropie. ea.Cele mai simple mijloace de protectie permit personalului operator sa patrunda in zona de lucru CANTA la scurt timp dupa efectuarea incercarilor.

Nivelul de contaminare al complexelor de lansare și al mediului nu va fi aparent un obstacol în calea utilizării motoarelor de propulsie nucleară pe etapele inferioare ale rachetelor spațiale. Problema pericolului de radiații pentru mediu și personalul de exploatare este în mare măsură atenuată de faptul că hidrogenul, folosit ca fluid de lucru, practic nu este activat la trecerea prin reactor. Prin urmare, jetul unui motor cu propulsie nucleară nu este mai periculos decât jetul unui motor de rachetă cu propulsie lichidă./4/

Concluzie

Atunci când se analizează perspectivele dezvoltării și utilizării motoarelor de propulsie nucleară în astronautică, ar trebui să se pornească de la caracteristicile atinse și așteptate ale diferitelor tipuri de motoare de propulsie nucleară, de la ceea ce aplicarea lor poate oferi astronauticii și, în sfârșit, de la legătura strânsă. a problemei motoarelor de propulsie nucleară cu problema aprovizionării cu energie în spațiu și cu probleme de dezvoltare energetică deloc.

După cum am menționat mai sus, dintre toate tipurile posibile de motoare de propulsie nucleară, cele mai dezvoltate sunt motorul radioizotop termic și motorul cu reactor de fisiune în fază solidă. Dar dacă caracteristicile motoarelor de propulsie nucleară cu radioizotopi nu ne permit să sperăm la utilizarea lor pe scară largă în astronautică (cel puțin în viitorul apropiat), atunci crearea motoarelor de propulsie nucleară în fază solidă deschide mari perspective pentru astronautică.

De exemplu, a fost propus un dispozitiv cu o masă inițială de 40.000 de tone (adică, de aproximativ 10 ori mai mare decât cea a celor mai mari vehicule de lansare moderne), cu 1/10 din această masă reprezentând sarcina utilă și 2/3 pentru nucleară. taxe . Dacă detonați o încărcare la fiecare 3 secunde, atunci furnizarea lor va fi suficientă pentru 10 zile de funcționare continuă a sistemului de propulsie nucleară. În acest timp, dispozitivul va accelera până la o viteză de 10.000 km/s iar în viitor, după 130 de ani, poate ajunge la steaua Alpha Centauri.

Centralele nucleare au caracteristici unice, care includ intensitate energetică practic nelimitată, independență de funcționare față de mediu și imunitate la influențele externe (radiații cosmice, deteriorarea meteoriților, temperaturi ridicate și scăzute etc.). Cu toate acestea, puterea maximă a instalațiilor de radioizotopi nucleari este limitată la o valoare de ordinul a câteva sute de wați. Această limitare nu există pentru centralele cu reactoare nucleare, ceea ce determină rentabilitatea utilizării lor în timpul zborurilor pe termen lung ale navelor spațiale grele în spațiul apropiat de Pământ, în timpul zborurilor către planetele îndepărtate ale sistemului solar și în alte cazuri.

Avantajele motoarelor în fază solidă și ale altor motoare de propulsie nucleară cu reactoare de fisiune sunt dezvăluite pe deplin în studiul unor programe spațiale complexe precum zborurile cu echipaj către planetele Sistemului Solar (de exemplu, în timpul unei expediții pe Marte). În acest caz, o creștere a impulsului specific al propulsorului face posibilă rezolvarea unor probleme calitativ noi. Toate aceste probleme sunt mult atenuate atunci când se utilizează un motor de rachetă cu propulsie nucleară în fază solidă, cu un impuls specific de două ori mai mare decât cel al motoarelor rachete moderne cu propulsie lichidă. În acest caz, devine posibilă și reducerea semnificativă a timpilor de zbor.

Cel mai probabil, în viitorul apropiat, motoarele de propulsie nucleară în fază solidă vor deveni unul dintre cele mai comune motoare-rachetă. Motoarele de propulsie nucleară în fază solidă pot fi folosite ca dispozitive pentru zboruri pe distanțe lungi, de exemplu, către planete precum Neptun, Pluto și chiar pentru a zbura dincolo de Sistemul Solar. Cu toate acestea, pentru zborurile către stele, un motor nuclear bazat pe principii de fisiune nu este potrivit. În acest caz, promițătoare sunt motoarele nucleare sau, mai precis, motoarele cu reacție termonucleare (TRE), care funcționează pe principiul reacțiilor de fuziune și motoarele cu reacție fotonice (PRE), sursa de impuls în care se află reacția de anihilare a materiei și antimateriei. . Cu toate acestea, cel mai probabil, omenirea va folosi o metodă diferită de transport pentru a călători în spațiul interstelar, diferită de jet.

În concluzie, voi da o parafrazare a celebrei fraze a lui Einstein - pentru a călători spre stele, omenirea trebuie să vină cu ceva care ar fi comparabil ca complexitate și percepție cu un reactor nuclear pentru un Neanderthal!

LITERATURĂ

Surse:

1. "Rachete și oameni. Cartea a 4-a cursă lunară" - M: Znanie, 1999.
2. http://www. lpre. de/energomash/index. htm
3. Pervushin „Bătălia pentru stele. Confruntare cosmică” - M: cunoaștere, 1998.
4. L. Gilberg „Cucerirea cerului” - M: Znanie, 1994.
5. http://epizodsspace. *****/bibl/molodtsov
6. „Motor”, „Motoare nucleare pentru nave spațiale”, nr. 5 1999

7. „Motor”, „Motoare nucleare în fază gazoasă pentru nave spațiale”,

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., Transportul Chekalin al viitorului.

M.: Cunoașterea, 1983.

11. , Explorarea spațiului Chekalin. - M.:

Cunoașterea, 1988.

12. „Energie - Buran” - un pas în viitor // Știință și viață.-

13. Tehnologia spațială.- M.: Mir, 1986.

14., Sergheiuk și comerțul. - M.: APN, 1989.

15.URSS în spațiu. 2005 - M.: APN, 1989.

16. În drum spre spațiul adânc // Energie. - 1985. - Nr. 6.

APLICARE

Principalele caracteristici ale motoarelor nucleare cu reacție în fază solidă

Țara producătorului	Motor	Împingere în vid, kN	impuls specific, sec		Lucru de proiect, an
	Ciclu mixt NERVA/Lox

Un motor rachetă în care fluidul de lucru este fie o substanță (de exemplu, hidrogen) încălzită de energia eliberată în timpul unei reacții nucleare sau dezintegrare radioactivă, fie direct produsele acestor reacții. Distinge...... Dicţionar enciclopedic mare

Un motor rachetă în care fluidul de lucru este fie o substanță (de exemplu, hidrogen) încălzită de energia eliberată în timpul unei reacții nucleare sau dezintegrare radioactivă, fie direct produsele acestor reacții. Este in… … Dicţionar enciclopedic

motor de rachetă nucleară- branduolinis raketinis variklis statusas T sritis Gynyba apibrėžtis Raketinis variklis, kuriame reaktyvinė trauka sudaroma vykstant branduolinei arba termobranduolinei reakcijai. Branduoliniams raketiniams varikliams sudaroma kur kas didesnė… … Artilerijos terminų žodynas

- (Nuclear Jet) un motor de rachetă în care se creează tracțiune datorită energiei eliberate în timpul dezintegrarii radioactive sau a unei reacții nucleare. În funcție de tipul de reacție nucleară care are loc în motorul nuclear, se distinge un motor de rachetă cu radioizotop... ...

- (YRD) motor rachetă, în care sursa de energie este combustibilul nuclear. Într-un motor cu propulsie nucleară cu un reactor nuclear. Căldura torusului eliberată ca urmare a unei reacții nucleare în lanț este transferată fluidului de lucru (de exemplu, hidrogen). Miezul reactorului nuclear... ...

Acest articol ar trebui să fie Wikified. Formatați-l conform regulilor de formatare a articolului. Motor de rachetă nucleară care utilizează o soluție omogenă de săruri de combustibil nuclear (în engleză... Wikipedia

Motorul de rachetă nucleară (NRE) este un tip de motor de rachetă care utilizează energia de fisiune sau fuziune a nucleelor ​​pentru a crea tracțiunea jetului. Ele sunt de fapt reactive (încălzind fluidul de lucru într-un reactor nuclear și eliberând gaz prin... ... Wikipedia

Un motor cu reacție, a cărui sursă de energie și fluid de lucru se află în vehiculul însuși. Motorul rachetei este singurul stăpânit practic pentru a lansa o sarcină utilă pe orbita unui satelit artificial de pe Pământ și pentru a fi utilizat în ...... Wikipedia

- (RD) Un motor cu reacție care utilizează pentru funcționarea sa numai substanțe și surse de energie disponibile în rezervă pe un vehicul în mișcare (aeronava, sol, subacvatic). Astfel, spre deosebire de motoarele cu reacție de aer (vezi... ... Marea Enciclopedie Sovietică

Motor de rachetă izotopic, un motor de rachetă nuclear care utilizează energia de descompunere a izotopilor radioactivi ai substanțelor chimice. elemente. Această energie servește la încălzirea fluidului de lucru, sau fluidul de lucru este produșii de descompunere înșiși, formând... ... Big Enciclopedic Polytechnic Dictionary

Alexandru Losev

Dezvoltarea rapidă a tehnologiei rachetelor și spațiale în secolul al XX-lea a fost determinată de obiectivele și interesele militar-strategice, politice și, într-o anumită măsură, ideologice ale celor două superputeri - URSS și SUA, iar toate programele spațiale de stat au fost un continuarea proiectelor lor militare, unde sarcina principală a fost nevoia de a asigura capacitatea de apărare și paritatea strategică cu un potențial inamic. Costul creării echipamentelor și costurile operaționale nu aveau o importanță fundamentală atunci. Au fost alocate resurse enorme pentru crearea de vehicule de lansare și nave spațiale, iar zborul de 108 minute al lui Yuri Gagarin în 1961 și transmisiunea de televiziune a lui Neil Armstrong și Buzz Aldrin de la suprafața Lunii în 1969 nu au fost doar triumfuri ale științifice și tehnice. credeau că au fost considerate și victorii strategice în bătăliile din Războiul Rece.

Dar după ce Uniunea Sovietică s-a prăbușit și a renunțat la cursa pentru conducerea mondială, oponenții săi geopolitici, în primul rând Statele Unite, nu au mai avut nevoie să implementeze proiecte spațiale prestigioase, dar extrem de costisitoare, pentru a demonstra lumii întregi superioritatea economiei occidentale. sistem și concepte ideologice.
În anii '90, principalele sarcini politice din anii precedenți și-au pierdut relevanța, confruntarea blocurilor a fost înlocuită de globalizare, pragmatismul a predominat în lume, astfel că majoritatea programelor spațiale au fost restrânse sau amânate; doar ISS a rămas ca moștenire din proiectele de anvergură ale trecutul. În plus, democrația occidentală a făcut ca toate programele guvernamentale costisitoare să depindă de ciclurile electorale.
Sprijinul alegătorilor, necesar pentru a câștiga sau a menține puterea, obligă politicienii, parlamentele și guvernele să se încline spre populism și să rezolve probleme pe termen scurt, astfel încât cheltuielile pentru explorarea spațiului sunt reduse an de an.
Majoritatea descoperirilor fundamentale au fost făcute în prima jumătate a secolului al XX-lea, iar astăzi știința și tehnologia au atins anumite limite, în plus, popularitatea cunoștințelor științifice a scăzut în întreaga lume, iar calitatea predării matematicii, fizicii și a altor lucruri naturale. științele s-au deteriorat. Acesta a devenit motivul stagnării, inclusiv în sectorul spațial, din ultimele două decenii.
Dar acum devine evident că lumea se apropie de sfârșitul unui alt ciclu tehnologic bazat pe descoperirile secolului trecut. Prin urmare, orice putere care va poseda tehnologii fundamental noi promițătoare în momentul schimbării structurii tehnologice globale va asigura automat liderul global pentru cel puțin următorii cincizeci de ani.

Proiectarea fundamentală a unui motor de propulsie nucleară cu hidrogen ca fluid de lucru

Acest lucru se realizează atât în ​​Statele Unite, care au stabilit un curs pentru renașterea măreției americane în toate sferele de activitate, cât și în China, care contestă hegemonia americană, cât și în Uniunea Europeană, care încearcă din toate puterile să să-și mențină ponderea în economia globală.
Există o politică industrială acolo și sunt serios implicați în dezvoltarea propriului potențial științific, tehnic și de producție, iar sfera spațială poate deveni cel mai bun teren de testare pentru testarea noilor tehnologii și pentru demonstrarea sau infirmarea ipotezelor științifice care pot pune bazele. pentru crearea unei tehnologii fundamental diferite, mai avansate a viitorului.
Și este firesc să ne așteptăm ca Statele Unite să fie prima țară în care proiectele de explorare a spațiului adânc vor fi reluate pentru a crea tehnologii inovatoare unice în domeniul armelor, transporturilor și materialelor structurale, precum și în biomedicină și telecomunicații.
Adevărat, nici măcar SUA nu este garantat succesul în crearea de tehnologii revoluționare. Există un risc mare de a ajunge într-o fundătură atunci când se îmbunătățesc motoare de rachete vechi de o jumătate de secol bazate pe combustibil chimic, așa cum face SpaceX de la Elon Musk, sau când se creează sisteme de susținere a vieții pentru zboruri lungi, similare celor deja implementate pe ISS.
Poate Rusia, a cărei stagnare în sectorul spațial devine din ce în ce mai vizibilă în fiecare an, să facă un salt în cursa pentru ca viitoarea conducere tehnologică să rămână în clubul superputerilor, și nu pe lista țărilor în curs de dezvoltare?
Da, desigur, Rusia poate și, în plus, un pas înainte a fost deja făcut în energia nucleară și în tehnologiile motoarelor de rachete nucleare, în ciuda subfinanțării cronice a industriei spațiale.
Viitorul astronauticii este utilizarea energiei nucleare. Pentru a înțelege modul în care tehnologia nucleară și spațiul sunt conectate, este necesar să se ia în considerare principiile de bază ale propulsiei cu reacție.
Deci, principalele tipuri de motoare spațiale moderne sunt create pe principiile energiei chimice. Acestea sunt acceleratoare cu combustibil solid și motoare rachete lichide, în camerele lor de ardere componentele combustibilului (combustibil și oxidant) intră într-o reacție de combustie fizică și chimică exotermă, formând un curent jet care ejectează tone de substanță din duza motorului în fiecare secundă. Energia cinetică a fluidului de lucru al jetului este transformată într-o forță reactivă suficientă pentru a propulsa racheta. Impulsul specific (raportul dintre forța generată și masa combustibilului utilizat) al unor astfel de motoare chimice depinde de componentele combustibilului, de presiunea și temperatura din camera de ardere, precum și de greutatea moleculară a amestecului gazos ejectat prin duza motorului.
Și cu cât temperatura substanței și presiunea din interiorul camerei de ardere sunt mai mari și cu cât masa moleculară a gazului este mai mică, cu atât impulsul specific este mai mare și, prin urmare, eficiența motorului. Impulsul specific este o cantitate de mișcare și este de obicei măsurat în metri pe secundă, la fel ca viteza.
În motoarele chimice, cel mai mare impuls specific este furnizat de amestecurile de combustibil oxigen-hidrogen și fluor-hidrogen (4500–4700 m/s), dar cele mai populare (și convenabile de operat) au devenit motoarele-rachetă care funcționează cu kerosen și oxigen, pt. de exemplu, rachetele Soyuz și Musk's Falcon, precum și motoarele care utilizează dimetilhidrazină nesimetrică (UDMH) cu un oxidant sub formă de amestec de tetroxid de azot și acid azotic (proton sovietic și rusesc, francez Ariane, american Titan). Eficiența lor este de 1,5 ori mai mică decât cea a motoarelor cu hidrogen, dar un impuls de 3000 m/s și puterea sunt destul de suficiente pentru a face rentabilă din punct de vedere economic lansarea de tone de sarcină utilă pe orbitele apropiate de Pământ.
Dar zborurile către alte planete necesită nave spațiale mult mai mari decât orice a creat omenirea anterior, inclusiv ISS modulară. În aceste nave este necesar să se asigure existența autonomă pe termen lung a echipajelor și o anumită aprovizionare cu combustibil și durata de viață a principalelor motoare și motoare pentru manevre și corectarea orbitei, pentru a asigura livrarea astronauților într-un modul special de aterizare. la suprafața altei planete și întoarcerea lor pe nava principală de transport și apoi și întoarcerea expediției pe Pământ.
Cunoștințele de inginerie acumulate și energia chimică a motoarelor fac posibilă întoarcerea pe Lună și ajungerea pe Marte, așa că există o mare probabilitate ca omenirea să viziteze Planeta Roșie în următorul deceniu.
Dacă ne bazăm doar pe tehnologiile spațiale existente, atunci masa minimă a modulului locuibil pentru un zbor cu echipaj uman către Marte sau către sateliții lui Jupiter și Saturn va fi de aproximativ 90 de tone, adică de 3 ori mai mult decât navele lunare de la începutul anilor 1970. , ceea ce înseamnă că vehiculele de lansare pentru lansarea lor pe orbite de referință pentru un zbor ulterioară către Marte vor fi mult superioare Saturn 5 (greutate de lansare 2965 tone) al proiectului lunar Apollo sau transportatorului sovietic Energia (greutate de lansare 2400 tone). Va fi necesar să se creeze un complex interplanetar pe orbită cu o greutate de până la 500 de tone. Un zbor pe o navă interplanetară cu motoare cu rachete chimice va necesita de la 8 luni la 1 an doar într-o singură direcție, deoarece va trebui să faceți manevre gravitaționale, folosind forța gravitațională a planetelor și o rezervă colosală de combustibil pentru a accelera suplimentar nava. .
Dar folosind energia chimică a motoarelor de rachete, omenirea nu va zbura mai departe de orbita lui Marte sau a lui Venus. Avem nevoie de viteze diferite de zbor ale navelor spațiale și de altă energie de mișcare mai puternică.

Design modern al unui motor de rachetă nucleară Princeton Satellite Systems

Pentru a explora spațiul adânc, este necesar să creștem semnificativ raportul tracțiune-greutate și eficiența motorului rachetei și, prin urmare, să creștem impulsul specific și durata de viață a acestuia. Și pentru a face acest lucru, este necesar să încălziți un gaz sau o substanță fluidă de lucru cu masă atomică scăzută în interiorul camerei motorului la temperaturi de câteva ori mai mari decât temperatura de ardere chimică a amestecurilor de combustibil tradiționale, iar acest lucru se poate face folosind o reacție nucleară.
Dacă, în locul unei camere de ardere convenționale, un reactor nuclear este plasat în interiorul unui motor rachetă, în zona activă a căreia este furnizată o substanță sub formă lichidă sau gazoasă, atunci acesta, încălzit la presiune ridicată până la câteva mii de grade, va începe. pentru a fi ejectat prin canalul duzei, creând tracțiunea jetului. Impulsul specific al unui astfel de motor nuclear cu reacție va fi de câteva ori mai mare decât cel al unuia convențional cu componente chimice, ceea ce înseamnă că eficiența atât a motorului în sine, cât și a vehiculului de lansare în ansamblu va crește de multe ori. În acest caz, nu va fi necesar un oxidant pentru arderea combustibilului, iar hidrogenul gazos ușor poate fi utilizat ca substanță care creează propulsie de jet; știm că cu cât masa moleculară a gazului este mai mică, cu atât impulsul va fi mai mare, iar acest lucru va fi foarte mare. reduceți masa rachetei cu o putere mai bună a motorului.
Un motor nuclear va fi mai bun decât unul convențional, deoarece în zona reactorului gazul ușor poate fi încălzit la temperaturi care depășesc 9 mii de grade Kelvin, iar un jet de astfel de gaz supraîncălzit va oferi un impuls specific mult mai mare decât poate oferi motoarele chimice convenționale. . Dar asta este în teorie.
Pericolul nici măcar nu este ca atunci când este lansat un vehicul de lansare cu o astfel de instalație nucleară, poate apărea contaminarea radioactivă a atmosferei și spațiului din jurul rampei de lansare; principala problemă este că la temperaturi ridicate motorul însuși, împreună cu nava spațială, poate topi. Designerii și inginerii înțeleg acest lucru și încearcă de câteva decenii să găsească soluții potrivite.
Motoarele de rachete nucleare (NRE) au deja propria lor istorie de creare și funcționare în spațiu. Prima dezvoltare a motoarelor nucleare a început la mijlocul anilor 1950, adică chiar înainte de zborul uman în spațiu și aproape simultan atât în ​​URSS, cât și în SUA, și însăși ideea de a folosi reactoare nucleare pentru a încălzi funcționarea. substanța într-un motor de rachetă s-a născut împreună cu primii rectori la mijlocul anilor 40, adică acum mai bine de 70 de ani.
În țara noastră, inițiatorul creării propulsiei nucleare a fost fizicianul termic Vitali Mikhailovici Ievlev. În 1947, a prezentat un proiect care a fost susținut de S. P. Korolev, I. V. Kurchatov și M. V. Keldysh. Inițial, s-a planificat utilizarea unor astfel de motoare pentru rachete de croazieră și apoi instalarea lor pe rachete balistice. Dezvoltarea a fost întreprinsă de principalele birouri de proiectare a apărării din Uniunea Sovietică, precum și de institutele de cercetare NIITP, CIAM, IAE, VNIINM.
Motorul nuclear sovietic RD-0410 a fost asamblat la mijlocul anilor ’60 la Biroul de proiectare a automatelor chimice Voronezh, unde au fost create majoritatea motoarelor de rachete lichide pentru tehnologia spațială.
Hidrogenul a fost folosit ca fluid de lucru în RD-0410, care în formă lichidă a trecut printr-o „manta de răcire”, eliminând excesul de căldură de pe pereții duzei și împiedicând-o să se topească, apoi a intrat în miezul reactorului, unde a fost încălzit. la 3000K și eliberat prin duzele canalului, transformând astfel energia termică în energie cinetică și creând un impuls specific de 9100 m/s.
În SUA, proiectul de propulsie nucleară a fost lansat în 1952, iar primul motor de funcționare a fost creat în 1966 și a fost numit NERVA (Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application). În anii 60 și 70, Uniunea Sovietică și Statele Unite au încercat să nu cedeze reciproc.
Adevărat, atât RD-0410-ul nostru, cât și NERVA american au fost motoare cu propulsie nucleară în fază solidă (combustibilul nuclear pe bază de carburi de uraniu era în stare solidă în reactor), iar temperatura lor de funcționare era în intervalul 2300-3100K.
Pentru a crește temperatura miezului fără riscul de explozie sau topire a pereților reactorului, este necesar să se creeze astfel de condiții de reacție nucleară în care combustibilul (uraniul) se transformă în stare gazoasă sau se transformă în plasmă și este menținut în interiorul reactorului. printr-un câmp magnetic puternic, fără a atinge pereții. Și apoi hidrogenul care intră în miezul reactorului „curge în jurul” uraniului în fază gazoasă și, transformându-se în plasmă, este ejectat cu o viteză foarte mare prin canalul duzei.
Acest tip de motor se numește motor de propulsie nucleară în fază gazoasă. Temperaturile combustibilului gazos de uraniu din astfel de motoare nucleare pot varia de la 10 mii la 20 mii de grade Kelvin, iar impulsul specific poate ajunge la 50.000 m/s, care este de 11 ori mai mare decât cel al celor mai eficiente motoare cu rachete chimice.
Crearea și utilizarea motoarelor de propulsie nucleară în fază gazoasă de tipuri deschise și închise în tehnologia spațială este cea mai promițătoare direcție în dezvoltarea motoarelor de rachete spațiale și exact ceea ce umanitatea are nevoie pentru a explora planetele Sistemului Solar și sateliții lor.
Primele cercetări privind proiectul de propulsie nucleară în fază gazoasă au început în URSS în 1957 la Institutul de Cercetare a Proceselor Termice (Centrul Național de Cercetare numit după M. V. Keldysh), și decizia de a dezvolta centrale nucleare spațiale bazate pe reactoare nucleare în fază gazoasă. a fost realizat în 1963 de academicianul V. P. Glushko (NPO Energomash), apoi aprobat printr-o rezoluție a Comitetului Central al PCUS și a Consiliului de Miniștri al URSS.
Dezvoltarea motoarelor de propulsie nucleară în fază gazoasă a fost realizată în Uniunea Sovietică timp de două decenii, dar, din păcate, nu a fost niciodată finalizată din cauza finanțării insuficiente și a necesității unor cercetări fundamentale suplimentare în domeniul termodinamicii combustibilului nuclear și a plasmei de hidrogen, fizica neutronilor si magnetohidrodinamica.
Oamenii de știință nucleari sovietici și inginerii de proiectare s-au confruntat cu o serie de probleme, cum ar fi atingerea criticității și asigurarea stabilității funcționării unui reactor nuclear în fază gazoasă, reducerea pierderii de uraniu topit în timpul eliberării hidrogenului încălzit la câteva mii de grade, protecție termică. a duzei și a generatorului de câmp magnetic și acumularea de produse de fisiune a uraniului, selecția materialelor de construcție rezistente chimic etc.
Și când vehiculul de lansare Energia a început să fie creat pentru programul sovietic Mars-94 pentru primul zbor cu echipaj către Marte, proiectul motorului nuclear a fost amânat pe termen nelimitat. Uniunea Sovietică nu a avut suficient timp și, cel mai important, voință politică și eficiență economică, pentru a ateriza cosmonauții noștri pe planeta Marte în 1994. Aceasta ar fi o realizare incontestabilă și o dovadă a liderului nostru în domeniul tehnologiei înalte în următoarele câteva decenii. Dar spațiul, ca multe alte lucruri, a fost trădat de ultima conducere a URSS. Istoria nu poate fi schimbată, oamenii de știință și inginerii plecați nu pot fi readuși înapoi, iar cunoștințele pierdute nu pot fi restaurate. Multe vor trebui create din nou.
Dar energia nucleară spațială nu se limitează doar la sfera motoarelor de propulsie nucleară în fază solidă și gazoasă. Energia electrică poate fi folosită pentru a crea un flux încălzit de materie într-un motor cu reacție. Această idee a fost exprimată pentru prima dată de Konstantin Eduardovich Tsiolkovsky în 1903 în lucrarea sa „Explorarea spațiilor lumii folosind instrumente cu reacție”.
Iar primul motor de rachetă electrotermic din URSS a fost creat în anii 1930 de Valentin Petrovici Glushko, viitor academician al Academiei de Științe a URSS și șeful NPO Energia.
Principiile de funcționare ale motoarelor electrice cu rachete pot fi diferite. Ele sunt de obicei împărțite în patru tipuri:

• electrotermic (încălzire sau arc electric). În ele, gazul este încălzit la temperaturi de 1000–5000K și ejectat din duză în același mod ca într-un motor de rachetă nucleară.
• motoarele electrostatice (coloidale și ionice), în care substanța de lucru este mai întâi ionizată, iar apoi ionii pozitivi (atomi lipsiți de electroni) sunt accelerați într-un câmp electrostatic și sunt, de asemenea, ejectați prin canalul duzei, creând tracțiunea jetului. Motoarele electrostatice includ și motoarele cu plasmă staționare.
• magnetoplasmă și motoare rachete magnetodinamice. Acolo, plasma de gaz este accelerată datorită forței Ampere în câmpurile magnetice și electrice care se intersectează perpendicular.
• motoarele cu rachete cu impulsuri, care folosesc energia gazelor rezultate din evaporarea unui fluid de lucru într-o descărcare electrică.

Avantajul acestor motoare electrice de rachetă este consumul redus de fluid de lucru, eficiența de până la 60% și viteza mare de curgere a particulelor, care poate reduce semnificativ masa navei spațiale, dar există și un dezavantaj - densitatea scăzută de tracțiune și, prin urmare, putere redusă, precum și costul ridicat al fluidului de lucru (gaze inerte sau vapori de metale alcaline) pentru a crea plasmă.
Toate tipurile de motoare electrice enumerate au fost implementate în practică și au fost utilizate în mod repetat în spațiu atât pe navele spațiale sovietice, cât și pe cele americane încă de la mijlocul anilor ’60, dar datorită puterii lor reduse au fost folosite în principal ca motoare de corectare a orbitei.
Din 1968 până în 1988, URSS a lansat o serie întreagă de sateliți Cosmos cu instalații nucleare la bord. Tipurile de reactoare au fost denumite: „Buk”, „Topaz” și „Yenisei”.
Reactorul proiectului Yenisei avea o putere termică de până la 135 kW și o putere electrică de aproximativ 5 kW. Lichidul de răcire a fost o topitură de sodiu-potasiu. Acest proiect a fost încheiat în 1996.
Un motor de rachetă cu propulsie reală necesită o sursă foarte puternică de energie. Și cea mai bună sursă de energie pentru astfel de motoare spațiale este un reactor nuclear.
Energia nucleară este una dintre industriile high-tech în care țara noastră își menține o poziție de lider. Și un motor de rachetă fundamental nou este deja creat în Rusia și acest proiect este aproape de finalizare cu succes în 2018. Testele de zbor sunt programate pentru 2020.
Și dacă propulsia nucleară în fază gazoasă este un subiect pentru deceniile viitoare la care va trebui revenit după cercetări fundamentale, atunci alternativa sa de astăzi este un sistem de propulsie nucleară de clasă megawați (NPPU) și a fost deja creat de Rosatom și Întreprinderile Roscosmos din 2009.
NPO Krasnaya Zvezda, care este în prezent singurul dezvoltator și producător de centrale nucleare spațiale din lume, precum și Centrul de cercetare numit după A. M. V. Keldysh, NIKIET im. N.A. Dollezhala, Institutul de Cercetare NPO „Luch”, „Institutul Kurchatov”, IRM, IPPE, RIAR și NPO Mashinostroeniya.
Sistemul de propulsie nucleară include un reactor nuclear cu neutroni rapid, răcit cu gaz, la temperatură înaltă, cu un sistem de turbomașină pentru conversia energiei termice în energie electrică, un sistem de emițătoare frigorifice pentru îndepărtarea excesului de căldură în spațiu, un compartiment de instrumente, un bloc de susținere. motoare electrice cu plasmă sau ioni și un container pentru a găzdui sarcina utilă.
Într-un sistem de propulsie, un reactor nuclear servește ca sursă de energie electrică pentru funcționarea motoarelor electrice cu plasmă, în timp ce lichidul de răcire cu gaz al reactorului care trece prin miez intră în turbina generatorului și compresorului electric și se întoarce înapoi în reactor în o buclă închisă și nu este aruncată în spațiu ca într-un motor de propulsie nucleară, ceea ce face ca designul să fie mai fiabil și mai sigur și, prin urmare, potrivit pentru zborul spațial cu echipaj.
Este planificat ca centrala nucleară să fie folosită pentru un remorcher spațial reutilizabil pentru a asigura livrarea mărfurilor în timpul explorării Lunii sau crearea de complexe orbitale multifuncționale. Avantajul va fi nu numai utilizarea reutilizabilă a elementelor sistemului de transport (pe care Elon Musk încearcă să le realizeze în proiectele sale spațiale SpaceX), ci și capacitatea de a livra de trei ori mai multă marfă decât pe rachete cu motoare cu reacție chimice de putere comparabilă. prin reducerea masei de lansare a sistemului de transport . Designul special al instalației o face sigură pentru oameni și mediul de pe Pământ.
În 2014, primul element de combustibil de proiectare standard (element de combustibil) pentru acest sistem de propulsie electrică nucleară a fost asamblat la JSC Mashinostroitelny Zavod din Elektrostal, iar în 2016 au fost efectuate teste ale unui simulator de coș de miez de reactor.
Acum (în 2017) se lucrează la fabricarea elementelor structurale de instalare și testare a componentelor și ansamblurilor pe machete, precum și testarea autonomă a sistemelor de conversie a energiei turbomașinilor și a unităților de putere prototip. Finalizarea lucrărilor este programată pentru sfârșitul anului 2018, însă, din 2015, restanța de program a început să se acumuleze.
Deci, de îndată ce această instalație va fi creată, Rusia va deveni prima țară din lume care deține tehnologii spațiale nucleare, care vor sta la baza nu numai pentru proiectele viitoare de explorare a sistemului solar, ci și pentru energia terestră și extraterestră. . Centralele nucleare spațiale pot fi folosite pentru a crea sisteme pentru transmiterea de la distanță a energiei electrice pe Pământ sau către modulele spațiale folosind radiații electromagnetice. Și aceasta va deveni și o tehnologie avansată a viitorului, unde țara noastră va avea o poziție de lider.
Pe baza motoarelor electrice cu plasmă aflate în curs de dezvoltare, vor fi create sisteme de propulsie puternice pentru zborurile umane pe distanțe lungi în spațiu și, în primul rând, pentru explorarea lui Marte, a cărui orbită poate fi atinsă în doar 1,5 luni, și nu în mai mult de un an, ca atunci când se utilizează motoare cu reacție chimice convenționale.
Iar viitorul începe întotdeauna cu o revoluție a energiei. Si nimic altceva. Energia este primară și este cantitatea de energie consumată care afectează progresul tehnic, capacitatea de apărare și calitatea vieții oamenilor.

Motor experimental de rachetă cu plasmă NASA

Astrofizicianul sovietic Nikolai Kardashev a propus o scară de dezvoltare a civilizațiilor încă din 1964. Conform acestei scale, nivelul de dezvoltare tehnologică a civilizațiilor depinde de cantitatea de energie pe care populația planetei o folosește pentru nevoile sale. Astfel, civilizația de tip I folosește toate resursele disponibile disponibile pe planetă; Civilizația de tip II - primește energia stelei sale în sistemul în care se află; iar o civilizație de tip III folosește energia disponibilă a galaxiei sale. Omenirea nu s-a maturizat încă la civilizația de tip I la această scară. Folosim doar 0,16% din rezerva totală de energie potențială a planetei Pământ. Aceasta înseamnă că Rusia și întreaga lume au loc să crească, iar aceste tehnologii nucleare vor deschide calea țării noastre nu numai către spațiu, ci și către prosperitatea economică viitoare.
Și, poate, singura opțiune pentru Rusia în sfera științifică și tehnică este să facă acum o descoperire revoluționară în tehnologiile spațiale nucleare pentru a depăși decalajul de mulți ani în spatele liderilor într-un singur „salt” și a fi chiar la originile o nouă revoluție tehnologică în următorul ciclu de dezvoltare a civilizației umane. O astfel de șansă unică revine unei anumite țări doar o dată la câteva secole.
Din păcate, Rusia, care nu a acordat suficientă atenție științelor fundamentale și calității învățământului superior și secundar în ultimii 25 de ani, riscă să piardă pentru totdeauna această șansă dacă programul este restrâns și o nouă generație de cercetători nu îi înlocuiește pe actualii oameni de știință și ingineri. Provocările geopolitice și tehnologice cu care se va confrunta Rusia în 10-12 ani vor fi foarte serioase, comparabile cu amenințările de la mijlocul secolului XX. Pentru a păstra în viitor suveranitatea și integritatea Rusiei, acum este urgent să începem formarea de specialiști capabili să răspundă acestor provocări și să creeze ceva fundamental nou.
Sunt doar aproximativ 10 ani pentru a transforma Rusia într-un centru intelectual și tehnologic global, iar acest lucru nu se poate face fără o schimbare serioasă a calității educației. Pentru o descoperire științifică și tehnologică, este necesar să se revină sistemului de învățământ (atât școlar, cât și universitar) opinii sistematice asupra imaginii lumii, fundamentalității științifice și integrității ideologice.
În ceea ce privește stagnarea actuală din industria spațială, acest lucru nu este înfricoșător. Principiile fizice pe care se bazează tehnologiile spațiale moderne vor fi solicitate mult timp în sectorul serviciilor convenționale prin satelit. Să ne amintim că omenirea a folosit vele timp de 5,5 mii de ani, iar epoca aburului a durat aproape 200 de ani, iar abia în secolul al XX-lea lumea a început să se schimbe rapid, pentru că a avut loc o altă revoluție științifică și tehnologică, care a lansat un val de inovație. și o schimbare a structurilor tehnologice, care a schimbat în cele din urmă atât economia mondială, cât și politica. Principalul lucru este să fii la originile acestor schimbări [email protected] ,
site: https://delpress.ru/information-for-subscribers.html

Vă puteți abona la versiunea electronică a revistei Arsenalul Patriei folosind link-ul.
Costul abonamentului anual -
12.000 de ruble.

Adesea, în publicațiile educaționale generale despre astronautică, acestea nu fac diferența dintre un motor de rachetă nucleară (NRE) și un sistem de propulsie electrică nucleară (NURE). Cu toate acestea, aceste abrevieri ascund nu numai diferența dintre principiile conversiei energiei nucleare în tracțiunea rachetei, ci și o istorie foarte dramatică a dezvoltării astronauticii.

Drama istoriei constă în faptul că, dacă ar fi continuat cercetările privind propulsia nucleară și propulsia nucleară atât în ​​URSS, cât și în SUA, care fuseseră oprite în principal din motive economice, atunci zborurile umane către Marte ar fi devenit de mult un loc obișnuit.

Totul a început cu aeronave atmosferice cu un motor nuclear ramjet

Designerii din SUA și URSS au considerat că „respira” instalații nucleare capabile să atragă aerul exterior și să-l încălzească la temperaturi colosale. Probabil, acest principiu de generare a forței a fost împrumutat de la motoarele ramjet, doar că în locul combustibilului pentru rachete a fost folosită energia de fisiune a nucleelor ​​atomice de dioxid de uraniu 235.

În SUA, un astfel de motor a fost dezvoltat ca parte a proiectului Pluto. Americanii au reușit să creeze două prototipuri ale noului motor - Tory-IIA și Tory-IIC, care au alimentat chiar și reactoarele. Capacitatea de instalare trebuia să fie de 600 de megawați.

Motoarele dezvoltate ca parte a proiectului Pluto au fost planificate să fie instalate pe rachete de croazieră, care în anii 1950 au fost create sub denumirea SLAM (Rachetă supersonică de joasă altitudine, rachetă supersonică de joasă altitudine).

Statele Unite plănuiau să construiască o rachetă de 26,8 metri lungime, trei metri în diametru și cântărind 28 de tone. Corpul rachetei trebuia să conțină un focos nuclear, precum și un sistem de propulsie nucleară având o lungime de 1,6 metri și un diametru de 1,5 metri. În comparație cu alte dimensiuni, instalația arăta foarte compactă, ceea ce explică principiul său de funcționare cu flux direct.

Dezvoltatorii au crezut că, datorită motorului nuclear, raza de zbor a rachetei SLAM va fi de cel puțin 182 de mii de kilometri.

În 1964, Departamentul de Apărare al SUA a închis proiectul. Motivul oficial a fost că în zbor, o rachetă de croazieră cu propulsie nucleară poluează prea mult totul în jur. Dar, de fapt, motivul au fost costurile semnificative ale întreținerii unor astfel de rachete, mai ales că până atunci rachetele se dezvoltau rapid pe baza motoarelor de rachete cu propulsie lichidă, a căror întreținere era mult mai ieftină.

URSS a rămas fidelă ideii de a crea un design ramjet pentru un motor cu propulsie nucleară mult mai lungă decât Statele Unite, închizând proiectul abia în 1985. Dar rezultatele s-au dovedit a fi mult mai semnificative. Astfel, primul și singurul motor de rachetă nuclear sovietic a fost dezvoltat la biroul de proiectare Khimavtomatika, Voronezh. Acesta este RD-0410 (indice GRAU - 11B91, cunoscut și sub numele de „Irbit” și „IR-100”).

RD-0410 folosea un reactor cu neutroni termici eterogen, moderatorul era hidrură de zirconiu, reflectoarele pentru neutroni erau din beriliu, combustibilul nuclear era un material pe bază de uraniu și carburi de tungsten, cu aproximativ 80% îmbogățire în izotopul 235.

Designul a inclus 37 de ansambluri de combustibil, acoperite cu izolație termică care le separa de moderator. Proiectul prevedea ca fluxul de hidrogen să treacă mai întâi prin reflector și moderator, menținându-le temperatura la temperatura camerei, apoi să intre în miez, unde a răcit ansamblurile de combustibil, încălzind până la 3100 K. La stand, reflectorul și moderatorul au fost răcit printr-un flux separat de hidrogen.

Reactorul a trecut printr-o serie semnificativă de teste, dar nu a fost niciodată testat pe întreaga sa durată de funcționare. Cu toate acestea, componentele exterioare ale reactorului au fost complet epuizate.

Caracteristicile tehnice ale RD 0410

Împingere în gol: 3,59 tf (35,2 kN)
Puterea termică a reactorului: 196 MW
Impuls specific de tracțiune în vid: 910 kgf s/kg (8927 m/s)
Număr de porniri: 10
Resurse de lucru: 1 oră
Componentele combustibilului: fluid de lucru - hidrogen lichid, substanță auxiliară - heptan
Greutate cu protecție împotriva radiațiilor: 2 tone
Dimensiuni motor: inaltime 3,5 m, diametru 1,6 m.

Dimensiunile și greutatea totală relativ mici, temperatura ridicată a combustibilului nuclear (3100 K) cu un sistem de răcire eficient cu un flux de hidrogen indică faptul că RD0410 este un prototip aproape ideal de motor de propulsie nucleară pentru rachetele de croazieră moderne. Și, ținând cont de tehnologiile moderne de producere a combustibilului nuclear cu oprire automată, creșterea resursei de la o oră la câteva ore este o sarcină foarte reală.

Proiecte de motoare de rachete nucleare

Un motor de rachetă nucleară (NRE) este un motor cu reacție în care energia generată în timpul unei reacții de descompunere sau fuziune nucleară încălzește fluidul de lucru (cel mai adesea hidrogen sau amoniac).

Există trei tipuri de motoare de propulsie nucleară, în funcție de tipul de combustibil pentru reactor:

• fază solidă;
• fază lichidă;
• fază gazoasă.

Cea mai completă este versiunea în fază solidă a motorului. Figura prezintă o diagramă a celui mai simplu motor cu propulsie nucleară cu un reactor cu combustibil nuclear solid. Lichidul de lucru este situat într-un rezervor extern. Folosind o pompă, acesta este alimentat în camera motorului. În cameră, fluidul de lucru este pulverizat folosind duze și intră în contact cu combustibilul nuclear generator de combustibil. Când este încălzit, se extinde și zboară din cameră prin duză cu viteză mare.

În motoarele cu propulsie nucleară în fază gazoasă, combustibilul (de exemplu, uraniul) și fluidul de lucru sunt în stare gazoasă (sub formă de plasmă) și sunt reținute în zona de lucru de un câmp electromagnetic. Plasma de uraniu încălzită la zeci de mii de grade transferă căldură fluidului de lucru (de exemplu, hidrogen), care, la rândul său, fiind încălzit la temperaturi ridicate, formează un curent cu jet.

Pe baza tipului de reacție nucleară, se face o distincție între un motor de rachetă cu radioizotopi, un motor de rachetă termonuclear și un motor nuclear în sine (se folosește energia fisiunii nucleare).

O opțiune interesantă este, de asemenea, un motor de rachetă nuclear cu impulsuri - se propune utilizarea unei încărcături nucleare ca sursă de energie (combustibil). Astfel de instalații pot fi de tip intern și extern.

Principalele avantaje ale motoarelor cu propulsie nucleară sunt:

• impuls specific ridicat;
• rezerve semnificative de energie;
• compactitatea sistemului de propulsie;
• posibilitatea de a obține o tracțiune foarte mare - zeci, sute și mii de tone în vid.

Principalul dezavantaj este riscul ridicat de radiații al sistemului de propulsie:

• fluxuri de radiații penetrante (radiații gamma, neutroni) în timpul reacțiilor nucleare;
• îndepărtarea compușilor foarte radioactivi ai uraniului și aliajelor acestuia;
• scurgerea gazelor radioactive cu fluidul de lucru.

Sistem de propulsie nucleară

Având în vedere că este imposibil să se obțină informații fiabile despre centralele nucleare din publicații, inclusiv din articole științifice, principiul de funcționare al unor astfel de instalații este cel mai bine luat în considerare folosind exemple de materiale brevetate deschise, deși acestea conțin know-how.

De exemplu, remarcabilul om de știință rus Anatoly Sazonovich Koroteev, autorul invenției sub brevet, a oferit o soluție tehnică pentru compoziția echipamentului pentru un YARDU modern. Mai jos vă prezint o parte din documentul de brevet menționat, text și fără comentarii.

Esența soluției tehnice propuse este ilustrată de diagrama prezentată în desen. Un sistem de propulsie nucleară care funcționează în modul de propulsie-energie conține un sistem de propulsie electrică (EPS) (schema exemplu arată două motoare electrice de rachetă 1 și 2 cu sistemele de alimentare corespunzătoare 3 și 4), o instalație de reactor 5, o turbină 6, un compresor 7, un generator 8, un schimbător de căldură-recuperator 9, un tub vortex Ranck-Hilsch 10, un frigider-radiator 11. În acest caz, turbina 6, compresorul 7 și generatorul 8 sunt combinate într-o singură unitate - un turbogenerator-compresor. Unitatea de propulsie nucleară este echipată cu conducte 12 ale fluidului de lucru și linii electrice 13 care leagă generatorul 8 și unitatea de propulsie electrică. Schimbătorul-recuperator de căldură 9 are așa-numitele intrări de fluid de lucru la temperatură înaltă 14 și la temperatură joasă 15, precum și ieșiri de fluid de lucru la temperatură înaltă 16 și la temperatură joasă 17.

Ieșirea unității de reactor 5 este conectată la intrarea turbinei 6, ieșirea turbinei 6 este conectată la intrarea de temperatură înaltă 14 a schimbătorului de căldură-recuperator 9. Ieșirea la temperatură joasă 15 a schimbătorului de căldură-recuperator 9 este conectat la intrarea în tubul vortex Ranck-Hilsch 10. Tubul vortex Ranck-Hilsch 10 are două ieșiri, dintre care una (prin fluidul de lucru „fierbinte”) este conectată la frigiderul cu radiator 11, iar cealaltă ( prin fluidul de lucru „rece”) este conectat la intrarea compresorului 7. Ieșirea frigiderului cu radiator 11 este, de asemenea, conectată la intrarea la compresor 7. Ieșirea compresorului 7 este conectată la intrarea 15 de temperatură joasă la schimbător de căldură-recuperator 9. Ieșirea la temperatură înaltă 16 a schimbătorului de căldură-recuperator 9 este conectată la intrarea în instalația reactorului 5. Astfel, elementele principale ale centralei nucleare sunt interconectate printr-un singur circuit al fluidului de lucru .

Centrala nucleară funcționează după cum urmează. Fluidul de lucru încălzit în instalația de reactor 5 este trimis la turbina 6, care asigură funcționarea compresorului 7 și a generatorului 8 al turbogeneratorului-compresor. Generatorul 8 generează energie electrică, care este trimisă prin liniile electrice 13 către motoarele electrice de rachetă 1 și 2 și sistemele lor de alimentare 3 și 4, asigurând funcționarea acestora. După părăsirea turbinei 6, fluidul de lucru este trimis prin orificiul de admisie la temperatură înaltă 14 către schimbătorul de căldură-recuperator 9, unde fluidul de lucru este parțial răcit.

Apoi, de la ieșirea la temperatură joasă 17 a schimbătorului de căldură-recuperator 9, fluidul de lucru este direcționat în tubul vortex Ranque-Hilsch 10, în interiorul căruia fluxul de fluid de lucru este împărțit în componente „fierbinte” și „rece”. Partea „fierbinte” a fluidului de lucru merge apoi la frigiderul-emițător 11, unde această parte a fluidului de lucru este răcită eficient. Partea „rece” a fluidului de lucru merge la admisia compresorului 7, iar după răcire urmează și partea din fluidul de lucru care părăsește frigiderul radiant 11.

Compresorul 7 furnizează fluidul de lucru răcit la schimbătorul de căldură-recuperator 9 prin orificiul de admisie la temperatură scăzută 15. Acest fluid de lucru răcit în schimbătorul de căldură-recuperator 9 asigură răcirea parțială a contracurentului fluidului de lucru care intră în schimbătorul de căldură-recuperator. 9 de la turbina 6 prin orificiul de admisie la temperatură înaltă 14. În continuare, fluidul de lucru parțial încălzit (datorită schimbului de căldură cu contracurent al fluidului de lucru din turbina 6) de la schimbătorul de căldură-recuperator 9 prin intermediul la temperatură înaltă. ieșirea 16 intră din nou în instalația reactorului 5, ciclul se repetă din nou.

Astfel, un singur fluid de lucru situat într-o buclă închisă asigură funcționarea continuă a centralei nucleare, iar utilizarea unui tub vortex Ranque-Hilsch ca parte a centralei nucleare în conformitate cu soluția tehnică revendicată îmbunătățește caracteristicile de greutate și dimensiune. a centralei nucleare, crește fiabilitatea funcționării acesteia, simplifică proiectarea acesteia și face posibilă creșterea eficienței centralelor nucleare în general.

Linkuri:

ÎN una dintre secțiuni Pe LiveJournal, un inginer electronic scrie constant despre mașini nucleare și termonucleare - reactoare, instalații, laboratoare de cercetare, acceleratoare, precum și despre. Noua rachetă rusească, mărturie în cadrul discursului anual prezidențial, a stârnit interesul profund al bloggerului. Și asta a găsit pe această temă.

Da, din punct de vedere istoric au existat dezvoltări ale rachetelor de croazieră cu un motor cu aer nuclear ramjet: racheta SLAM în SUA cu reactorul TORY-II, conceptul Avro Z-59 în Marea Britanie, evoluții în URSS.

O redare modernă a conceptului de rachetă Avro Z-59, cântărind aproximativ 20 de tone.

Totuși, toate aceste lucrări au fost efectuate în anii 60 ca cercetare și dezvoltare de diferite grade de adâncime (Statele Unite ale Americii au mers cel mai departe, așa cum se discută mai jos) și nu a fost continuată sub forma unor modele în funcțiune. Nu l-am primit din același motiv ca multe alte dezvoltări ale epocii atomice - avioane, trenuri, rachete cu centrale nucleare. Toate aceste opțiuni de vehicule, cu unele avantaje oferite de densitatea energetică nebunească din combustibilul nuclear, au dezavantaje foarte serioase - cost ridicat, complexitate de operare, cerințe de securitate constantă și, în sfârșit, rezultate nesatisfăcătoare de dezvoltare, despre care de obicei se știe puțin (prin publicarea rezultatelor cercetării și dezvoltării este mai profitabilă pentru toate părțile afișarea realizărilor și ascunderea eșecurilor).

În special, pentru rachetele de croazieră este mult mai ușor să creezi un transportator (submarin sau avion) ​​care va „trage” multe lansatoare de rachete la locul de lansare decât să te prostești cu o flotă mică (și este incredibil de dificil să dezvolți o flotă mare). ) de rachete de croazieră lansate de pe teritoriul propriu. Un produs universal, ieftin, produs în masă, a câștigat în cele din urmă un produs la scară mică, scump, cu avantaje ambigue. Rachetele de croazieră nucleare nu au depășit testele la sol.

Această fundătură conceptuală a anilor ’60 a Republicii Kârgâze cu centrale nucleare, după părerea mea, este încă actuală, așa că întrebarea principală la cea afișată este „de ce?”. Dar ceea ce o face și mai proeminentă sunt problemele care apar în timpul dezvoltării, testării și funcționării unor astfel de arme, despre care vom discuta în continuare.

Deci, să începem cu reactorul. Conceptele SLAM și Z-59 erau rachete de trei mach, cu dimensiuni și greutate impresionante (20+ tone după ce propulsoarele de lansare au fost aruncate). Supersonicul îngrozitor de scump care zboară jos a făcut posibilă utilizarea maximă a prezenței unei surse practic nelimitate de energie la bord; în plus, o caracteristică importantă a motorului cu reacție nucleară este eficiență de operare îmbunătățită (ciclu termodinamic) cu viteza in crestere, i.e. aceeasi idee, dar la viteze de 1000 km/h ar avea un motor mult mai greu si mai mare. În cele din urmă, 3M la o altitudine de o sută de metri în 1965 a însemnat invulnerabilitate la apărarea aeriană. Se dovedește că mai devreme conceptul de lansatoare de rachete cu energie nucleară era „legat” la viteză mare, unde avantajele conceptului erau puternice și concurenții cu hidrocarburi slăbeau.Racheta arătată, după părerea mea, arată transonic sau subsonic (dacă, bineînțeles, crezi că este ea în videoclip). Dar, în același timp, dimensiunea reactorului a scăzut semnificativ în comparație cu TORY-II de la racheta SLAM, unde avea până la 2 metri, inclusiv reflectorul radial de neutroni din grafit

Este posibil chiar instalarea unui reactor cu diametrul de 0,4-0,6 metri?

Să începem cu un reactor fundamental minim - un porc Pu239. Un bun exemplu de implementare a unui astfel de concept este reactorul spațial Kilopower, care, totuși, folosește U235. Diametrul miezului reactorului este de doar 11 centimetri! Dacă trecem la plutoniu 239, dimensiunea miezului va scădea de încă 1,5-2 ori. Acum de la dimensiunea minimă vom începe să pășim către un adevărat motor nuclear cu reacție de aer, amintindu-ne dificultățile.

Primul lucru de adăugat la dimensiunea reactorului este dimensiunea reflectorului - în special, în Kilopower BeO triplează dimensiunea. În al doilea rând, nu putem folosi semifabricate U sau Pu - pur și simplu se vor arde în fluxul de aer în doar un minut. Este nevoie de o carcasă, de exemplu din incaloy, care rezistă la oxidarea instantanee până la 1000 C, sau alte aliaje de nichel cu un posibil înveliș ceramic. Introducerea unei cantități mari de material de înveliș în miez crește cantitatea necesară de combustibil nuclear de mai multe ori simultan - la urma urmei, absorbția „neproductivă” a neutronilor în miez a crescut acum brusc!

Mai mult decât atât, forma metalică a U sau Pu nu mai este potrivită - aceste materiale în sine nu sunt refractare (plutoniul se topește în general la 634 C) și, de asemenea, interacționează cu materialul carcasei metalice. Transformăm combustibilul în forma clasică de UO2 sau PuO2 - obținem o altă diluție a materialului din miez, de data aceasta cu oxigen.

În cele din urmă, să ne amintim scopul reactorului. Trebuie să pompăm mult aer prin el, căruia îi vom degaja căldură. Aproximativ 2/3 din spațiu va fi ocupat de „tuburi de aer”.

Ca urmare, diametrul minim al miezului crește la 40-50 cm (pentru uraniu), iar diametrul reactorului cu un reflector de beriliu de 10 centimetri la 60-70 cm. Estimările mele „prin analogie” sunt confirmat de proiectarea unui motor nuclear cu reacție MITEE , conceput pentru zboruri în atmosfera lui Jupiter. Acest proiect complet de hârtie (de exemplu, se presupune că temperatura miezului este de 3000 K, iar pereții sunt din beriliu, care poate rezista la cel mult 1200 K) are un diametru al miezului calculat din neutronici de 55,4 cm, în ciuda faptului că răcirea cu hidrogen face posibilă reducerea ușoară a dimensiunii canalelor prin care este pompat lichidul de răcire .

În opinia mea, un motor cu reacție nuclear aeropurtat poate fi împins într-o rachetă cu un diametru de aproximativ un metru, care, totuși, nu este radical mai mare decât 0,6-0,74 m declarată, dar este încă alarmant. Într-un fel sau altul, centrala nucleară va avea o putere de ~ câțiva megawați, alimentată cu ~10^16 dezintegrare pe secundă. Aceasta înseamnă că reactorul în sine va crea un câmp de radiații de câteva zeci de mii de roentgen la suprafață și până la o mie de roentgen de-a lungul întregii rachete. Chiar și instalarea a câteva sute de kg de protecție a sectorului nu va reduce semnificativ aceste niveluri, deoarece Neutronii și razele gamma vor fi reflectate din aer și „ocolesc protecția”.

În câteva ore, un astfel de reactor va produce ~10^21-10^22 atomi de produse de fisiune c cu o activitate de câțiva (câteva zeci) petabecquereli, care chiar și după oprire vor crea un fundal de câteva mii de roentgen în apropierea reactorului.

Designul rachetei va fi activat la aproximativ 10^14 Bq, deși izotopii vor fi în principal emițători beta și sunt periculoși doar de razele X bremsstrahlung. Fundalul structurii în sine poate ajunge la zeci de roentgens la o distanță de 10 metri de corpul rachetei.

Toată această „distracție” dă ideea că dezvoltarea și testarea unei astfel de rachete este o sarcină în pragul posibilului. Este necesar să se creeze un întreg set de echipamente de navigație și control rezistente la radiații, pentru a le testa totul într-un mod destul de cuprinzător (radiații, temperatură, vibrații - și toate acestea pentru statistici). Testele de zbor cu un reactor în funcțiune se pot transforma în orice moment într-un dezastru de radiații cu eliberarea a sute de terrabecquerel la mai mulți petabecquerel. Chiar și fără situații catastrofale, este foarte probabilă depresurizarea elementelor individuale de combustibil și eliberarea de radionuclizi.

Desigur, în Rusia există încă Locul de testare Novozemelsky asupra cărora se pot efectua astfel de teste, dar acest lucru ar fi contrar spiritului acordului privind interzicerea testării armelor nucleare în trei medii (interdicția a fost introdusă pentru a preveni poluarea sistematică a atmosferei și oceanelor cu radionuclizi).

În cele din urmă, mă întreb cine în Federația Rusă ar putea dezvolta un astfel de reactor. În mod tradițional, Institutul Kurchatov (proiectare generală și calcule), Obninsk IPPE (testare experimentală și combustibil) și Institutul de Cercetare Luch din Podolsk (tehnologia combustibilului și a materialelor) au fost inițial implicate în reactoare de înaltă temperatură. Mai târziu, echipa NIKIET s-a implicat în proiectarea unor astfel de mașini (de exemplu, reactoarele IGR și IVG sunt prototipuri ale miezului motorului de rachetă nucleară RD-0410).

Astăzi, NIKIET are o echipă de proiectanți care efectuează lucrări la proiectarea reactorului ( RUGK răcit cu gaz la temperatură înaltă , reactoare rapide MBIR, ), iar IPPE și Luch continuă să se angajeze în calcule și, respectiv, tehnologii aferente. În ultimele decenii, Institutul Kurchatov s-a îndreptat mai mult spre teoria reactoarelor nucleare.

În rezumat, aș dori să spun că realizarea unei rachete de croazieră cu motoare cu reacție de aer cu o centrală nucleară este în general o sarcină fezabilă, dar în același timp extrem de costisitoare și complexă, care necesită o mobilizare semnificativă a resurselor umane și financiare. , mi se pare într-o măsură mai mare decât toate celelalte proiecte anunțate („Sarmat”, „Pumnal”, „Status-6”, „Vanguard”). Este foarte ciudat că această mobilizare nu a lăsat nici cea mai mică urmă. Și, cel mai important, este complet neclar care sunt beneficiile obținerii unor astfel de tipuri de arme (pe fondul transportatorilor existenți) și cum pot depăși numeroasele dezavantaje - probleme de siguranță la radiații, cost ridicat, incompatibilitate cu tratatele strategice de reducere a armelor. .

P.S. Cu toate acestea, „sursele” încep deja să atenueze situația: „O sursă apropiată complexului militar-industrial a spus” Vedomosti „că siguranța la radiații a fost asigurată în timpul testării rachetei. Instalația nucleară de la bord a fost reprezentată de o machetă electrică, spune sursa.