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

Научен консултант: заместник-директор на партньорството с нестопанска цел за научни и иновативни дейности "Томски атомен център"

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

Въведение

Задвижващите системи на борда на космическия кораб са проектирани да генерират тяга или ъглов импулс. Според вида на използваната тяга, задвижващата система се разделя на химическа (CRD) и нехимическа (NHRD). HRM се делят на течни (LPRE), твърдо гориво (ракетни двигатели с твърдо гориво) и комбинирани (KRD). От своя страна нехимичните задвижващи системи се делят на ядрени (NRE) и електрически (ERE). Големият учен Константин Едуардович Циолковски преди век създава първия модел на задвижваща система, работеща на твърди и течни горива. След това през втората половина на 20-ти век са извършени хиляди полети, използващи главно двигатели с течно гориво и твърдо гориво.

В момента обаче за полети до други планети, да не говорим за звездите, използването на ракетни двигатели с течно гориво и твърдо гориво става все по-неизгодно, въпреки че са разработени много RD. Най-вероятно възможностите на ракетните двигатели с течно гориво и твърдите горива са напълно изчерпани. Причината тук е, че специфичният импулс на всички химически пътеки за рулиране е нисък и не надвишава 5000 m/s, което изисква продължителна работа на задвижването и съответно големи резерви от гориво за развиване на достатъчно високи скорости или, както е обичайно в космонавтиката , са необходими големи стойности на числото Циолковски, т.е. съотношението на масата на заредената ракета към масата на празната. Така НН Енергия, която инжектира 100 тона полезен товар в ниска орбита, има стартова маса от около 3000 тона, което дава стойност за числото Циолковски в рамките на 30.

За полет до Марс например числото на Циолковски трябва да бъде още по-високо, достигайки стойности от 30 до 50. Не е трудно да се прецени, че при полезен товар от около 1000 тона, а именно в такива граници, минималната необходима маса за осигуряване на целия необходим екипаж, стартиране на Марс се колебае. Като се има предвид доставката на гориво за обратния полет към Земята, първоначалната маса на космическия кораб трябва да бъде най-малко 30 000 тона, което очевидно е извън нивото на развитие на съвременната космонавтика, базирана на използването на ракетни двигатели с течно гориво и твърдо гориво.

По този начин, за да се достигне дори до най-близките планети от екипажи с екипаж, е необходимо да се разработят ракети-носители на двигатели, работещи на принципи, различни от химическите задвижващи системи. Най-перспективни в това отношение са електрическите реактивни двигатели (ERE), термохимичните ракетни двигатели и ядрените реактивни двигатели (NRE).

1 основни понятия

Ракетният двигател е реактивен двигател, който не използва околната среда (въздух, вода) за работа. Най-широко използвани са химическите ракетни двигатели. Разработват се и се изпитват и други видове ракетни двигатели – електрически, ядрени и други. Най-простите ракетни двигатели, работещи на сгъстени газове, също се използват широко в космическите станции и космически кораби. Обикновено азотът се използва като работен флуид в тях. /един/

Класификация на задвижващите системи

2. Предназначение на ракетните двигатели

Според предназначението си ракетните двигатели се делят на няколко основни типа: ускоряващи (стартиране), спирачни, крейсерски, контролни и други. Ракетните двигатели се използват предимно за ракети (оттук и името). Освен това в авиацията понякога се използват ракетни двигатели. Ракетните двигатели са основните двигатели в изследването на космоса.

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

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

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

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

3. Термохимични ракетни двигатели.

Известно е, че атмосферният кислород участва активно в двигателя с вътрешно горене, в пещта на парен котел - където и да се извършва горенето. В космоса няма въздух, а за да работят ракетните двигатели в космоса е необходимо да има два компонента – гориво и окислител.

В течни термохимични ракетни двигатели като гориво се използват алкохол, керосин, бензин, анилин, хидразин, диметилхидразин и течен водород. Като окислители се използват течен кислород, водороден прекис и азотна киселина. Може би в бъдеще течният флуор ще се използва като окислител, когато се измислят методи за съхранение и използване на такъв активен химикал.

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

Продуктите от горенето, разширявайки се, придобиват скорост от 2500 до 4500 m / s. Изтласквайки се от тялото на двигателя, те създават реактивна тяга. Освен това, колкото по-голяма е масата и скоростта на изтичане на газ, толкова по-голяма е силата на тягата на двигателя.

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

Често използваната схема на ракетен двигател с течно гориво работи по следния начин. Компресираният газ създава необходимото налягане в резервоарите за криогенно гориво, за да предотврати образуването на газови мехурчета в тръбопроводите. Помпите доставят гориво на ракетните двигатели. Горивото се впръсква в горивната камера чрез голям брой инжектори. Окислител също се впръсква в горивната камера през дюзите.

Във всеки автомобил по време на изгарянето на горивото се образуват големи топлинни потоци, нагряващи стените на двигателя. Ако не охладите стените на камерата, тя бързо ще изгори, независимо от какъв материал е направена. Реактивният двигател с течно гориво обикновено се охлажда от един от компонентите на горивото. За това камерата е направена с две стени. Компонентът на студеното гориво тече в пролуката между стените.

DIV_ADBLOCK345 ">

2 - основни горивни камери;

3 - силова рамка;

4 - газогенератор;

5 - топлообменник на турбината;

6 - помпа за окислител;

7 - горивна помпа

Голяма сила на тяга се създава от двигател, работещ с течен кислород и течен водород. В реактивния поток на този двигател газовете се втурват със скорост малко над 4 km / s. Температурата на тази струя е около 3000 ° C и се състои от прегрята водна пара, която се образува при горенето на водород и кислород. Основните данни за типичните горива за течни реактивни двигатели са дадени в таблица No1

Но кислородът, наред със своите предимства, има един недостатък - при нормални температури той е газ. Ясно е, че е невъзможно да се използва газообразен кислород в ракета, защото в този случай той ще трябва да се съхранява под високо налягане в масивни цилиндри. Следователно Циолковски, който пръв предложи кислорода като компонент на ракетното гориво, говори за течния кислород като компонент, без който космическите полети не биха били възможни. За да превърнете кислорода в течност, той трябва да се охлади до -183 ° C. Въпреки това, втечненият кислород се изпарява лесно и бързо, дори ако се съхранява в специални топлоизолирани съдове. Следователно е невъзможно дълго време да се държи натоварена ракета, чийто двигател използва течен кислород като окислител. Необходимо е да се напълни кислородният резервоар на такава ракета непосредствено преди изстрелването. Ако това е възможно за космически и други граждански ракети, то за военни ракети, които трябва да се държат в готовност за незабавно изстрелване за дълго време, това е неприемливо. Азотната киселина няма този недостатък и следователно е "устойчив" окислител. Това обяснява силната му позиция в ракетната техника, особено военната, въпреки значително по-ниската тяга, която осигурява. Използването на най-мощния окислител, известен в химията, флуор, значително ще повиши ефективността на реактивните двигатели с течно гориво. Въпреки това, течният флуор е много неудобен за използване и съхранение поради своята токсичност и ниска точка на кипене (-188 ° C). Но това не спира ракетните учени: експериментални флуорни двигатели вече съществуват и се тестват в лаборатории и на експериментални щандове. Още през 30-те години съветски учен в своите писания предлага използването на леки метали като гориво при междупланетни полети, от които да се направи космически кораб - литий, берилий, алуминий и т.н. Особено като добавка към конвенционалното гориво, например водород- кислород. Такива "тройни състави" са в състояние да осигурят възможно най-високата скорост на изтичане на химически горива - до 5 km / s. Но това на практика е границата на ресурсите на химията. Тя практически не може да направи повече. Въпреки че ракетните двигатели с течно гориво все още преобладават в предложеното описание, трябва да се каже, че първият в историята на човечеството е създаден термохимичен ракетен двигател с твърдо гориво - ракетен двигател с твърдо гориво. Горивото - например специален барут - се намира директно в горивната камера. Горивна камера с реактивна дюза, пълна с твърдо гориво - това е цялата конструкция. Режимът на изгаряне на твърдо гориво зависи от предназначението на ракетата с твърдо гориво (стартова, поддържаща или комбинирана). За ракетите с твърдо гориво, използвани във военните дела, е характерно наличието на изстрелващи и маршеви двигатели. Стартовият двигател на твърдо гориво развива висока тяга за много кратко време, което е необходимо за излизане на ракетата от пусковата установка и първоначалното й ускорение. Маршетото твърдо гориво е предназначено да поддържа постоянна скорост на полета на ракетата в основния (маршевия) участък от траекторията на полета. Разликите между тях се крият главно в конструкцията на горивната камера и профила на горивната повърхност на горивния заряд, които определят скоростта на изгаряне на горивото, от която зависи времето за работа и тягата на двигателя. За разлика от такива ракети, космическите ракети-носители за изстрелване на земни спътници, орбитални станции и космически кораби, както и междупланетните станции работят само в стартов режим от изстрелването на ракетата до изстрелването на обекта в орбита около Земята или до междупланетна траектория. Като цяло ракетните двигатели с твърдо гориво нямат много предимства пред двигателите с течно гориво: те са лесни за производство, могат да се съхраняват дълго време, винаги са готови за действие и са относително взривобезопасни. Но по отношение на специфичната тяга двигателите на твърдо гориво са с 10-30% по-ниски от течните.

4 електрически ракетни двигателя

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

5.Други видове двигатели

Има и по-екзотични проекти на ядрени ракетни двигатели, при които делящото се вещество е в течно, газообразно или дори плазмено състояние, но изпълнението на такива структури при сегашното ниво на технологиите и технологиите е нереалистично. На теоретичен или лабораторен етап има следните проекти за ракетни двигатели

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

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

Слънчеви ветроходни двигатели - в които се използва налягането на слънчевата светлина (слънчев вятър), чието съществуване е експериментално доказано от руски физик още през 1899 година. Чрез изчисление учените са установили, че апарат с маса 1 тон, оборудван с платно с диаметър 500 m, може да лети от Земята до Марс за около 300 дни. Въпреки това, ефективността на слънчевото платно намалява бързо с разстоянието от Слънцето.

6 ядрени ракетни двигателя

Един от основните недостатъци на ракетните двигатели с течно гориво е свързан с ограничения дебит на газове. В ядрените ракетни двигатели изглежда възможно да се използва колосалната енергия, освободена при разлагането на ядреното „гориво“ за нагряване на работното вещество. Принципът на работа на ядрените ракетни двигатели е почти същият като принципа на работа на термохимичните двигатели. Разликата се състои във факта, че работният флуид се нагрява не поради собствената си химическа енергия, а поради „външната“ енергия, освободена по време на вътреядрена реакция. Работната течност преминава през ядрен реактор, в който протича реакцията на делене на атомни ядра (например уран) и в същото време се нагрява. Ядрените ракетни двигатели премахват нуждата от окислител и следователно може да се използва само една течност. Като работен флуид е препоръчително да се използват вещества, които позволяват на двигателя да развие висока сила на тяга. На това условие най-пълно отговаря водородът, следван от амоняк, хидразин и вода. Процесите, при които се отделя ядрена енергия, се подразделят на радиоактивни трансформации, реакции на делене на тежки ядра и реакция на сливане на леки ядра. Радиоизотопните трансформации се осъществяват в т. нар. изотопни енергийни източници. Специфичната масова енергия (енергията, която може да отдели вещество с тегло 1 kg) на изкуствените радиоактивни изотопи е много по-висока от тази на химическите горива. Така че за 210Ро тя е равна на 5 * 10 8 KJ / kg, докато за най-енергичното химическо гориво (берилий с кислород) тази стойност не надвишава 3 * 10 4 KJ / kg. За съжаление не е рационално да се използват такива двигатели на космически ракети-носители. Причината за това е високата цена на изотопното вещество и трудността на работа. В крайна сметка изотопът освобождава енергия постоянно, дори когато се транспортира в специален контейнер и когато ракетата е паркирана на старта. Ядрените реактори използват по-енергийно ефективно гориво. И така, специфичната масова енергия на 235U (делящият се изотоп на урана) е 6,75 * 10 9 kJ / kg, тоест с порядък по-висока от тази на изотопа 210Ро. Тези двигатели могат да се включват и изключват, ядреното гориво (233U, 235U, 238U, 239Pu) е много по-евтино от изотопното гориво. В такива двигатели като работен флуид може да се използва не само вода, но и по-ефективни работни вещества - алкохол, амоняк, течен водород. Специфичната тяга на двигател с течен водород е 900 s. В най-простата схема на ядрен ракетен двигател с реактор, работещ на твърдо ядрено гориво, работният флуид се намира в резервоара. Помпата го доставя в камерата на двигателя. Разпръсквайки с помощта на дюзи, работният флуид влиза в контакт с генериращото топлина ядрено гориво, нагрява се, разширява се и с висока скорост се изхвърля през дюзата. Ядреното гориво превъзхожда всеки друг вид гориво в съхранението на енергия. Тогава възниква естествен въпрос - защо инсталациите на това гориво все още имат относително малка специфична тяга и голяма маса? Факт е, че специфичната тяга на твърдофазен ядрен ракетен двигател е ограничена от температурата на делящия се материал, а електроцентралата излъчва силно йонизиращо лъчение по време на работа, което има вредно въздействие върху живите организми. Биологичната защита срещу такова излъчване е от голямо значение и не е приложима за космически кораби. Практическото развитие на ядрени ракетни двигатели, използващи твърдо ядрено гориво, започва в средата на 50-те години на миналия век в Съветския съюз и Съединените щати, почти едновременно с изграждането на първите атомни електроцентрали. Работата е извършена в атмосфера на повишена секретност, но е известно, че подобни ракетни двигатели все още не са получили реална употреба в астронавтиката. Досега всичко се ограничаваше до използването на изотопни източници на електричество с относително ниска мощност върху безпилотни изкуствени земни спътници, междупланетни космически кораби и световноизвестния съветски "луноход".

7. Ядрени реактивни двигатели, принцип на действие, методи за получаване на импулс в NRE.

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

1. Освободената енергия се използва за загряване на работния флуид, който след това се разширява в дюзата, точно както при конвенционален ракетен двигател.

2. Ядрената енергия се превръща в електрическа енергия и след това се използва за йонизиране и ускоряване на частиците на работния флуид.

3. И накрая, импулсът се създава от самите продукти на делене, образувани в процеса DIV_ADBLOCK349 ">

По аналогия с ракетните двигатели с течно гориво, първоначалният работен флуид на NRE се съхранява в течно състояние в резервоара на задвижващата система и се захранва от турбо-помпа. Газът за въртене на този блок, състоящ се от турбина и помпа, може да се генерира в самия реактор.

Диаграмата на такава задвижваща система е показана на фигурата.

Има много NRE с реактор на делене:

Твърда фаза

Газова фаза

NRE с термоядрен реактор

Pulse NRE и др

От всички възможни видове NRE най-развити са термичният радиоизотопен двигател и двигателят с твърдфазен реактор на делене. Но ако характеристиките на радиоизотопните NRE не ни позволяват да се надяваме на широкото им използване в астронавтиката (поне в близко бъдеще), тогава създаването на твърдофазни NRE открива големи перспективи за астронавтиката. Типичен NRE от този тип съдържа твърдофазен реактор под формата на цилиндър с височина и диаметър около 1–2 m (когато тези параметри са близки, изтичането на неутрони на делене в околното пространство е минимално).

Реакторът се състои от активна зона; рефлектор около тази зона; ръководни органи; захранващ корпус и други елементи. Ядрото съдържа ядрено гориво - делящ се материал (обогатен уран), затворен в горивни елементи, и забавител или разредител. Реакторът, показан на фигурата, е хомогенен - ​​в него модераторът е част от горивните елементи, хомогенно смесени с горивото. Забавителят може да бъде поставен отделно от ядреното гориво. В този случай реакторът се нарича хетерогенен. Разредителите (те могат да бъдат например огнеупорни метали - волфрам, молибден) се използват за придаване на специални свойства на делящите се вещества.

Горивните елементи на реактора в твърда фаза са пробити от канали, през които протича NRE работният флуид, като постепенно се нагрява. Каналите имат диаметър от порядъка на 1-3 mm, а общата им площ е 20-30% от напречното сечение на сърцевината. Активната зона е окачена посредством специална решетка вътре в корпуса на захранването, така че да може да се разширява при нагряване на реактора (в противен случай би се срутила поради термични напрежения).

Сърцевината изпитва големи механични натоварвания, свързани с действието на значителни спадове на хидравличното налягане (до няколко десетки атмосфери) от течащия работен флуид, термични напрежения и вибрации. Увеличаването на размера на активната зона по време на нагряване на реактора достига няколко сантиметра. Активната зона и рефлекторът са поставени вътре в здраво тяло, което възприема налягането на работния флуид и тягата, генерирана от струйната дюза. Корпусът се затваря със здрав капак. В него са разположени пневматични, пружинни или електрически задвижващи механизми на регулиращи тела, възли за закрепване на NRE към космическия кораб, фланци за свързване на NRE с тръбопроводи за подаване на работния флуид. Върху капака може да се постави и турбо помпа.

8 - дюза,

9 - Приставка за разширяване на дюзата,

10 - Избор на работно вещество за турбината,

11 - Силово тяло,

12 - Контролен барабан,

13 - Изпускане на турбината (използва се за контрол на ориентацията и увеличаване на тягата),

14 - Пръстен на задвижванията на контролните барабани)

В началото на 1957 г. се определя окончателното направление на работата на лабораторията в Лос Аламос и се взема решение за изграждане на графитен ядрен реактор с диспергирано в графит ураново гориво. Създаденият в тази посока реактор Kiwi-A е тестван през 1959 г. на 1 юли.

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

В допълнение към изграждането на реактора, лабораторията в Лос Аламос беше в разгара си по изграждането на специален полигон в Невада, а също така изпълни редица специални поръчки на ВВС на САЩ в свързани области (разработване на индивидуални TNRD единици). От името на лабораторията в Лос Аламос, всички специални поръчки за производството на отделни единици бяха изпълнени от следните компании: Aerojet General, подразделение на Rocketdyne на North American Aviation. През лятото на 1958 г. целият контрол върху изпълнението на програмата Rover е прехвърлен от ВВС на САЩ към новоорганизираното Национално управление по аеронавтика и космос (НАСА). В резултат на специално споразумение между CAE и NASA, в средата на лятото на 1960 г. се сформира Office of Space Nuclear Engines под ръководството на G. Finger, който по-късно оглавява програмата Rover.

Резултатите от шест „горещи теста“ на ядрени реактивни двигатели бяха много обнадеждаващи и в началото на 1961 г. беше издаден доклад за изпитване на реактора в полет (RJFT). Тогава, в средата на 1961 г., стартира проектът Nerva (използване на ядрен двигател за космически ракети). Aerojet General беше избран за главен изпълнител, а Westinghouse за подизпълнител, отговорен за изграждането на реактора.

10.2 Работа по TNRE в Русия

Американски "href =" / text / category / amerikanetc / "rel =" bookmark "> Американски, руски учени използваха най-икономичните и ефективни тестове на отделни горивни елементи в изследователски реактори. Салют ", KB Khimavtomatiki, IAE, NIKIET и NPO Luch (PNITI) за разработване на различни проекти на космически ядрени двигатели и хибридни ядрени задвижващи агрегати. В КБ Химавтоматики под научното ръководство на НИИТП (реакторните елементи отговаряха за FEI, IAE, NIKIET, NIITVEL, НПО "Луч", MAI) създадена ДВОР РД 0411и ядрен двигател с минимални размери RD 0410с тяга съответно 40 и 3,6 тона.

В резултат на това бяха произведени реактор, "студен" двигател и прототип на стенд за изпитване на газообразен водород. За разлика от американския, със специфичен импулс не повече от 8250 m / s, съветският TNRE, поради използването на по-топлоустойчиви и усъвършенствани горивни елементи и висока температура в сърцевината, имаше този показател, равен на 9100 m / s и по-високи. Стендовата база за тестване на TNRM на съвместната експедиция на НПО "Луч" се намираше на 50 км югозападно от град Семипалатинск-21. Тя започва работа през 1962 г. В годините. на полигона бяха изпитани пълномащабните горивни елементи на прототипите на ядрения ракетен двигател. В този случай отпадъчният газ е попаднал в затворената изпускателна система. Стендовият комплекс Байкал-1 за пълноразмерни тестове на ядрени двигатели се намира на 65 км южно от град Семипалатинск-21. От 1970 до 1988 г. са извършени около 30 "горещи старта" на реакторите. В същото време мощността не надвишава 230 MW със скорост на водородния поток до 16,5 kg/sec и температурата на изхода на реактора 3100 K. Всички изстрелвания бяха успешни, без аварии и по план.

Съветският TYRD RD-0410 - единственият работещ и надежден индустриален ядрен ракетен двигател в света

В момента подобна работа на депото е преустановена, въпреки че оборудването се поддържа в относително ефективно състояние. Стендовата база на НПО Луч е единственият експериментален комплекс в света, където е възможно да се извършват изпитания на елементи от реактори NRD без значителни финансови и времеви разходи. Възможно е възобновяването в Съединените щати на работата по TNRE за полети до Луната и Марс в рамките на програмата на Инициативата за космически изследвания с планираното участие на специалисти от Русия и Казахстан да доведе до възобновяване на базата Семипалатинск и изпълнението на експедицията „Марсианец” през 2020 г.

Основни характеристики

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

· Скорост на изтичане на работния флуид (водород): 9100 - 9800 m / sec.

· Постижима тяга: до стотици и хиляди тона.

· Максимални работни температури: 3000°C - 3700°C (краткосрочно активиране).

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

11. Устройство

Устройство на съветския твърдфазен ядрен ракетен двигател РД-0410

1 - линия от резервоара за работна течност

2 - турбо помпа

3 - регулиращо задвижване на барабана

4 - радиационна защита

5 - регулиращ барабан

6 - забавител

7 - горивен агрегат

8 - корпус на реактора

9 - огнено дъно

10 - линия за охлаждане на дюзата

11- камера за дюзи

12 - дюза

12.Принцип на работа

TNRP, според принципа си на работа, е високотемпературен реактор-топлообменник, в който се вкарва работен флуид (течен водород) под налягане и когато се загрява до високи температури (над 3000 ° C), се се изхвърля през охладена дюза. Регенерирането на топлината в дюзата е много полезно, тъй като позволява на водорода да се нагрява много по-бързо и чрез използване на значително количество топлинна енергия да се увеличи специфичният импулс до 1000 сек (9100-9800 m/s) .

Реактор за ядрен ракетен двигател

DIV_ADBLOCK356 ">

14.Работно тяло

Течният водород с допълнително въведени функционални добавки (хексан, хелий) се използва като работен флуид в TNRP като най-ефективната охлаждаща течност, позволяваща постигане на високи специфични стойности на импулса. Освен водород могат да се използват хелий, аргон и други инертни газове. Но в случай на използване на хелий, постижимият специфичен импулс пада рязко (два пъти) и цената на охлаждащата течност се повишава рязко. Аргонът е много по-евтин от хелия и може да се използва в TNRP, но неговите топлофизични свойства са много по-ниски от хелия и още повече от водорода (4 пъти по-малко специфичен импулс). По-тежките инертни газове, поради още по-лоши топлофизични и икономически (високи разходи) показатели, не могат да се използват в TNRD. Използването на амоняк като работна среда по принцип е възможно, но при високи температури азотните атоми, образувани при разлагането на амоняка, предизвикват високотемпературна корозия на елементите на TNRP. Освен това постижимият специфичен импулс е толкова малък, че е по-нисък от някои химически горива. По принцип използването на амоняк е непрактично. Използването на въглеводороди като работен флуид също е възможно, но от всички въглеводороди може да се използва само метан поради най-голямата стабилност. Въглеводородите са показани в по-голяма степен като функционални добавки към работния флуид. По-специално, добавянето на хексан към водорода подобрява работата на TNRP в ядрено-физично отношение и увеличава експлоатационния живот на карбидното гориво.

Сравнителна характеристика на работните органи на НРМ

Работно тяло	Плътност, g / cm3	Специфична тяга (при посочените температури в нагревателната камера, ° K), сек
	0,071 (течност)
	0,682 (течност)
	1000 (течност)			не. Дън	не. Дън	не. Дън

(Забележка: Налягането в нагревателната камера е 45,7 атм, разширение до налягане от 1 атм с постоянен химичен състав на работния флуид) /6/

15.Предимства

Основното предимство на TNRE пред химическите ракетни двигатели е получаването на по-висок специфичен импулс, значително съхранение на енергия, компактност на системата и възможност за получаване на много висока тяга (десетки, стотици и хиляди тонове във вакуум. Като цяло, специфичният импулс, постигнат във вакуум, е по-голям от този на отработено двукомпонентно химическо ракетно гориво (керосин-кислород, водород-кислород) с 3-4 пъти, а при работа при най-висок топлинен интензитет с 4-5 пъти. ), такива двигатели могат да бъдат произведени за кратко време и ще имат разумна цена.достижими граници на изследването на Слънчевото с Системите се разширяват значително и времето, необходимо за достигане до далечни планети, е значително намалено. В допълнение, TNRE може успешно да се използва за космически кораби, работещи в ниски орбити на планети-гиганти, използвайки тяхната разредена атмосфера като работна среда, или за работа в тяхната атмосфера. /осем/

16.Недостатъци

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

17. Подобряване на характеристиките на турбинния двигател. Хибрид TYRD

Както всеки ракетен двигател или всеки двигател като цяло, твърдофазният ядрен реактивен двигател има значителни ограничения по отношение на най-важните постижими характеристики. Тези ограничения представляват неспособността на устройството (TNRD) да работи в температурен диапазон, надхвърлящ диапазона на максималните работни температури на конструктивните материали на двигателя. За разширяване на възможностите и значително увеличаване на основните работни параметри на TNRE могат да се прилагат различни хибридни схеми, при които TNRE играе ролята на източник на топлина и енергия и се използват допълнителни физически методи за ускоряване на работните тела. Най-надеждната, практически осъществима и с високи характеристики по отношение на специфичен импулс и тяга е хибридна схема с допълнителна MHD верига (магнитохидродинамична верига) за ускоряване на йонизиран работен флуид (водород и специални добавки). /тринадесет/

18. Радиационна опасност от NRE.

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

Понастоящем проблемът с радиационната защита на космически кораби с ядрени двигатели се счита по принцип за решен. Решени са също и основни въпроси, свързани с поддръжката на NRE на изпитателни стендове и стартови площадки. Въпреки че действащият НРЕ представлява опасност за обслужващия персонал, „вече ден след приключване на експлоатацията на НРЕ е възможно без никакви лични предпазни средства да бъде няколко десетки минути на разстояние 50 м от НРЕ и дори Приближете го. Най-простите средства за защита позволяват на обслужващия персонал да влезе в работната зона Двор скоро след тестване.

Нивото на замърсяване на стартовите комплекси и околната среда, очевидно, няма да бъде пречка за използването на NRE на по-ниските степени на космическите ракети. Проблемът с радиационната опасност за околната среда и персонала по поддръжката до голяма степен се смекчава от факта, че използваният като работна среда водород практически не се активира при преминаване през реактора. Следователно реактивната струя на NRE не е по-опасна от струята на двигателя с течно гориво. /4/

Заключение

Когато се разглеждат перспективите за развитие и използване на NRE в космонавтиката, трябва да се изхожда от постигнатите и очаквани характеристики на различните видове NRE, от това, което те могат да дадат на космонавтиката, тяхното приложение и, накрая, от наличието на близък връзка между проблема за NRM с проблема за енергийното снабдяване в космоса и с въпросите на енергийното развитие.

Както бе споменато по-горе, от всички възможни видове NRE, най-развити са термичният радиоизотопен двигател и двигателят с твърдфазен реактор на делене. Но ако характеристиките на радиоизотопните NRE не ни позволяват да се надяваме на широкото им използване в астронавтиката (поне в близко бъдеще), тогава създаването на твърдофазни NRE открива големи перспективи за астронавтиката.

Например, беше предложен апарат с първоначална маса от 40 000 тона (тоест приблизително 10 пъти по-голяма от тази на най-големите съвременни ракети-носители), като 1/10 от тази маса е полезен товар, а 2/3 - ядрен такси... Ако детонирате по един заряд на всеки 3 s, тогава тяхната доставка ще бъде достатъчна за 10 дни непрекъсната работа на NRM. През това време устройството ще ускори до скорост от 10 000 км/сек и в бъдеще, след 130 години, може да достигне звездата Алфа Кентавър.

Атомните електроцентрали имат уникални характеристики, които включват практически неограничена консумация на енергия, независимост на работа от околната среда и устойчивост на външни влияния (космическа радиация, метеоритно увреждане, високи и ниски температури и др.). Въпреки това, максималната мощност на ядрените радиоизотопни инсталации е ограничена до порядъка на няколкостотин вата. Това ограничение не съществува за електроцентрали с ядрени реактори, което предопределя рентабилността на използването им при продължителни полети на тежки космически кораби в околоземното пространство, по време на полети до далечни планети на Слънчевата система и в други случаи.

Предимствата на твърдофазните и други NRE с реактори на делене се разкриват най-пълно при изследването на такива сложни космически програми като пилотирани полети до планетите на Слънчевата система (например по време на експедиция до Марс). В този случай увеличаването на специфичния импулс на RD прави възможно решаването на качествено нови проблеми. Всички тези проблеми са значително облекчени чрез използване на твърда фаза NRE със специфичен импулс, два пъти по-голям от този на съвременните ракетни двигатели с течно гориво. В този случай също става възможно значително да се намали времето за полет.

Най-вероятно в близко бъдеще твърдофазният NRE ще стане един от най-разпространените RD. Твърдофазният NRM може да се използва като превозни средства за полети на дълги разстояния, например до планети като Нептун, Плутон и дори да излитат извън Слънчевата система. Въпреки това, за полети до звездите, NRM, базиран на принципите на делене, не е подходящ. В случая перспективни са NRE или по-точно термоядрените реактивни двигатели (TJE), работещи на принципа на реакциите на синтез, и фотонните реактивни двигатели (FRD), източници на импулс в които са реакцията на анихилация на материя и антиматерия. Най-вероятно обаче човечеството ще използва различен, различен от реактивния, метод на пътуване, за да пътува в междузвездното пространство.

В заключение ще дам парафраз на известната фраза на Айнщайн – за да пътува до звездите, човечеството трябва да измисли нещо, което би било сравнимо по сложност и възприятие с ядрен реактор за неандерталец!

ЛИТЕРАТУРА

Източници:

1. "Ракети и хора. Книга 4 Лунна надпревара" -М: Знание, 1999г.
2.http: // www. lpre. de / energomash / индекс. htm
3. Первушин "Битката за звездите. Космическа конфронтация" -М: знание, 1998г.
4. Л. Гилбърг „Завладяване на небето“ – М: Знание, 1994г.
5.http: // epizodsspace. ***** / библ / молодцов
6. „Двигател”, „Ядрени двигатели за космически кораби”, бр.5 1999г.

7. "Двигател", "Газофазни ядрени двигатели за космически кораби",

бр.6,1999г
7.http: // www. ***** / съдържание / числа / 263 / 03.shtml
8.http: // www. lpre. de / energomash / индекс. htm
9.http: // www. ***** / съдържание / числа / 219 / 37.shtml
10., Чекалин транспорт на бъдещето.

М .: Знание, 1983.

11., Чекалин за изследване на космоса .- М .:

Знание, 1988.

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

(13) Getland K. Space Engineering .- Москва: Мир, 1986.

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

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

16. По пътя към дълбокия космос // Енергия. - 1985. - бр.6.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Основни характеристики на твърдофазните ядрени реактивни двигатели

Държава производител	Двигател	Тяга във вакуум, kN	Специфичен импулс, сек		Работа по проекта, година
	NERVA / Lox смесен цикъл

Русия тества охладителна система за ядрена енергийна задвижваща система (АЕЦ) - един от ключовите елементи на космическия кораб на бъдещето, на който ще могат да се извършват междупланетни полети. Защо е необходим ядрен двигател в космоса, как работи и защо Роскосмос смята тази разработка за основния руски космически коз, разказва "Известия".

История на атома

Ако сложите ръка на сърцето си, тогава от времето на Корольов ракетите-носители, използвани за космически полети, не са претърпели никакви фундаментални промени. Общият принцип на действие - химически, базиран на изгаряне на гориво с окислител - остава същият. Двигателите, системата за управление, видовете гориво се променят. Основата на космическото пътуване остава непроменена - реактивната тяга задвижва ракета или космически кораб напред.

Много често чувате, че е необходим голям пробив, разработка, която може да замени реактивния двигател, за да повиши ефективността и да направи полетите до Луната и Марс по-реалистични. Факт е, че в момента почти по-голямата част от масата на междупланетните космически кораби е гориво и окислител. Но какво ще стане, ако изоставим изцяло химическия двигател и започнем да използваме енергията на ядрения двигател?

Идеята за създаване на ядрена задвижваща система не е нова. В СССР подробен правителствен указ за създаването на ядрен ракетен двигател е подписан още през 1958 г. Дори тогава бяха проведени проучвания, които показаха, че с помощта на ядрен ракетен двигател с достатъчна мощност можете да стигнете до Плутон (който все още не е загубил планетарния си статут) и обратно за шест месеца (два там и четири назад), като харчите 75 тона гориво по време на пътуването.

В СССР те се занимаваха с разработването на ядрен ракетен двигател, но учените започнаха да се доближават до истински прототип едва сега. Не става въпрос за пари, темата се оказа толкова сложна, че нито една държава досега не е успяла да създаде работещ прототип и в повечето случаи всичко завършваше с планове и чертежи. В Съединените щати е тествана задвижваща система за полет до Марс през януари 1965 г. Но отвъд тестовете KIWI, проектът NERVA за покоряването на Марс с ядрен двигател не помръдна и беше много по-прост от сегашната руска разработка. Китай постави в своите планове за космическо развитие създаването на ядрен двигател по-близо до 2045 г., което също е много, много не скоро.

В Русия през 2010 г. започна нов кръг от работа по ядрено електрическо задвижване от клас мегават (NEPP) за космически транспортни системи. Проектът се разработва съвместно от Роскосмос и Росатом и може да се нарече един от най-сериозните и амбициозни космически проекти в последно време. Главен изпълнител на ядрената енергетика е V.I. М.В. Келдиш.

Ядрено движение

През целия период на разработка в пресата изтичаха новини за готовността на една или друга част от бъдещия ядрен двигател. В същото време като цяло, с изключение на специалистите, малко хора си представят как и с какви средства ще работи. Всъщност същността на космическия ядрен двигател е почти същата като на Земята. Енергията на ядрена реакция се използва за нагряване и работа на турбинен генератор-компресор. Казано по-просто, ядрена реакция се използва за генериране на електричество, почти по същия начин, както в конвенционална ядрена електроцентрала. И вече с помощта на електричество работят електрическите ракетни двигатели. В тази инсталация това са йонни двигатели с висока мощност.

При йонните двигатели тягата се създава чрез създаване на реактивна тяга на базата на йонизиран газ, ускорен до високи скорости в електрическо поле. Йонните двигатели все още съществуват; те се тестват в космоса. Засега имат само един проблем - почти всички имат много малка тяга, въпреки че консумират много малко гориво. За космически пътувания такива двигатели са отличен вариант, особено ако решите проблема с генерирането на електроенергия в космоса, което ще се извършва от ядрена инсталация. В допълнение, йонните тласкатели могат да работят дълго време; максималният период на непрекъсната работа на най-модерните модели йонни тласкатели е повече от три години.

Ако погледнете диаграмата, ще забележите, че ядрената енергия не започва своята полезна работа изобщо веднага. Първо, топлообменникът се нагрява, след това се генерира електричество, което вече се използва за създаване на тягата на йонния двигател. Уви, човечеството все още не се е научило да използва ядрени инсталации за движение по по-опростен и ефективен начин.

В СССР спътници с ядрена инсталация бяха изстреляни като част от комплекса за целеуказание "Легенда" за морска ракетоносаща авиация, но това бяха много малки реактори и работата им беше достатъчна само за генериране на електричество за устройствата, окачени на спътника. Съветският космически кораб имаше инсталационна мощност от три киловата, но сега руски специалисти работят по създаването на инсталация с капацитет над мегават.

Космически проблеми

Естествено, ядрена инсталация в космоса има много повече проблеми, отколкото на Земята и най-важният от тях е охлаждането. При нормални условия за това се използва вода, която абсорбира топлината на двигателя много ефективно. В космоса обаче това не може да се направи, а ядрените двигатели изискват ефективна охладителна система – освен това топлината от тях трябва да се отвежда в космоса, тоест това може да стане само под формата на радиация. Обикновено за това в космическите кораби се използват панелни радиатори - метални, с циркулираща през тях охлаждаща течност. Уви, такива радиатори, като правило, имат много тегло и размери, освен това те по никакъв начин не са защитени от удар на метеорит.

През август 2015 г. на авиошоуто МАКС беше показан модел на капково охлаждане на ядрени задвижващи системи. В него течността, разпръсната под формата на капки, лети в открито пространство, охлажда се и след това отново се събира в инсталацията. Само си представете огромен космически кораб, в центъра на който има гигантска душ инсталация, от която милиарди микроскопични водни капчици излизат навън, летят в космоса и след това се засмукват в огромната камбана на космическата прахосмукачка.

Съвсем наскоро стана известно, че системата за капково охлаждане на ядрената задвижваща система е тествана в земни условия. В този случай охладителната система е най-важният етап от създаването на инсталацията.

Сега въпросът е да се тества работата му в условия на нулева гравитация и едва след това ще бъде възможно да се опита да се създаде охладителна система в размерите, необходими за монтаж. Всеки такъв успешен тест доближава руските специалисти малко по-близо до създаването на ядрена инсталация. Учените бързат с всички сили, защото се смята, че пускането на ядрен двигател в космоса може да помогне на Русия да си върне лидерството в космоса.

Ядрената космическа ера

Да кажем, че успява и след няколко години ядрен двигател ще започне работата си в космоса. Как ще помогне това, как може да се използва? Като начало си струва да уточним, че във вида, в който съществува ядрената задвижваща система днес, тя може да работи само в открития космос. Той не може да излети от Земята и да кацне в тази форма по никакъв начин, засега не може без традиционните химически ракети.

Защо в космоса? Е, човечеството лети бързо до Марс и Луната и това е всичко? Не със сигурност по този начин. В момента всички проекти на орбитални фабрики и фабрики, работещи в орбитата на Земята, са в застой поради липса на суровини за работа. Няма смисъл да се строи нещо в космоса, докато не бъде намерен начин да се изведе в орбита голямо количество от необходимите суровини, като метална руда.

Но защо да ги издигате от Земята, ако можете, напротив, да ги донесете от космоса. В същия астероиден пояс в Слънчевата система има просто огромни запаси от различни метали, включително скъпоценни. И в този случай създаването на ядрен влекач ще стане просто спасител.

Изведете огромен платинен или златоносен астероид в орбита и започнете да го режете точно в космоса. Според изчисленията на специалисти, такова производство, като се вземе предвид обемът, може да се окаже едно от най-печелившите.

Има ли по-малко фантастична употреба за ядрен влекач? Например, може да се използва за доставяне на спътници до желаните орбити или за довеждане на космически кораб до желаната точка в космоса, например до лунната орбита. В момента за това се използват горни стъпала, например руският "Фрегат". Те са скъпи, сложни и за еднократна употреба. Ядреният влекач ще може да ги вземе в ниска земна орбита и да ги достави, където е необходимо.

Същото е и с междупланетното пътуване. Без бърз начин за доставяне на товари и хора до орбита на Марс, просто няма шанс за колонизация. Ракетите-носители от сегашното поколение ще бъдат много скъпи и отнемат много време за това. Досега продължителността на полета остава един от най-сериозните проблеми при полети до други планети. Издържането на месеци полет до Марс и обратно в затворена капсула на космически кораб не е лесна задача. Ядреният влекач ще може да помогне и тук, като значително ще намали това време.

Необходимо и достатъчно

В момента всичко това изглежда като научна фантастика, но според учените остават само няколко години до тестването на прототипа. Основното, което се изисква, е не само завършване на развитието, но и поддържане на необходимото ниво на космонавтика в страната. Дори и при спад на финансирането, ракетите трябва да продължат да излитат, да се строят космически кораби и да работят най-ценните специалисти.

В противен случай един ядрен двигател без подходяща инфраструктура няма да помогне на бизнеса; за максимална ефективност ще бъде много важно не само да се продаде разработката, но и да се използва самостоятелно, показвайки всички възможности на новото космическо превозно средство.

Междувременно всички жители на страната, които не са обвързани с работа, могат само да гледат небето и да се надяват, че руската космонавтика ще успее. И ядреният влекач и запазването на сегашните възможности. Не искам да вярвам в други резултати.

Скептиците твърдят, че създаването на ядрен двигател не е значителен напредък в областта на науката и технологиите, а само "модернизация на парен котел", където вместо въглища и дърва за огрев се използва уран като гориво, а водородът като работен флуид. Толкова безнадежден ли е YARD (ядрен реактивен двигател)? Нека се опитаме да го разберем.

Първите ракети

Всички заслуги на човечеството в развитието на околоземното пространство могат безопасно да бъдат приписани на химически реактивни двигатели. Работата на такива силови агрегати се основава на преобразуването на енергията на химическата реакция на изгаряне на гориво в окислител в кинетичната енергия на реактивен поток и, следователно, на ракета. Като гориво се използват керосин, течен водород, хептан (за ракетни двигатели с течно гориво (ЖТРД)) и полимеризирана смес от амониев перхлорат, алуминиев и железен оксид (за твърдо гориво (ракетни двигатели с твърдо гориво)).

Общоизвестно е, че първите ракети, използвани за фойерверки, се появяват в Китай още през втори век пр.н.е. Те се издигнаха в небето благодарение на енергията на праховите газове. Теоретичните изследвания на немския оръжейник Конрад Хаас (1556), полския генерал Казимир Семенович (1650) и руския генерал-лейтенант Александър Засядко имат значителен принос за развитието на ракетната техника.

Американският учен Робърт Годард получи патент за изобретението на първата ракета с ракетен двигател с течно охлаждане. Неговият апарат, с тегло 5 кг и дължина около 3 м, работи на бензин и течен кислород, през 1926 г. за 2,5 s. прелетя 56 метра.

Скорост на преследване

Сериозна експериментална работа по създаването на серийни химически реактивни двигатели започва през 30-те години на миналия век. В. П. Глушко и Ф. А. Зандер с право се считат за пионери на ракетното задвижване в Съветския съюз. С тяхно участие бяха разработени силовите агрегати РД-107 и РД-108, които осигуриха на СССР лидерство в космическите изследвания и положиха основата на бъдещото лидерство на Русия в областта на пилотираната космонавтика.

С модернизацията на ZhTRE стана ясно, че теоретичната максимална скорост на реактивния поток не може да надвишава 5 km / s. Това може да е достатъчно за изучаване на околоземното пространство, но полетите до други планети и още повече до звездите ще останат невероятна мечта за човечеството. В резултат на това проекти за алтернативни (нехимически) ракетни двигатели започнаха да се появяват още в средата на миналия век. Най-популярните и обещаващи инсталации гледаха да използват енергията на ядрените реакции. Първите експериментални образци на ядрени космически двигатели (NRM) в Съветския съюз и Съединените щати са тествани през 1970 г. След катастрофата в Чернобил обаче, под натиска на обществеността, работата в тази област е преустановена (в СССР през 1988 г., в САЩ от 1994 г.).

Работата на атомните електроцентрали се основава на същите принципи като в термохимичните. Единствената разлика е, че нагряването на работния флуид се извършва от енергията на разпад или синтез на ядрено гориво. Енергийната ефективност на такива двигатели е значително по-добра от химическите. Например енергията, която 1 kg от най-доброто гориво (смес от берилий с кислород) може да освободи е 3 × 107 J, докато за изотопите на полоний Po210 тази стойност е 5 × 1011 J.

Освободената енергия в ядрен двигател може да се използва по различни начини:

нагряване на работния флуид, излъчван през дюзите, както при традиционен ракетен двигател с течно гориво, след преобразуване в електрически, йонизиране и ускоряване на частиците на работния флуид, създавайки импулс директно от продуктите на делене или синтез. Дори обикновената вода може да действа като работен флуид, но използването на алкохол ще бъде много по-ефективно, амоняк или течен водород. В зависимост от агрегатното състояние на горивото за реактора ядрените ракетни двигатели се делят на твърда, течна и газова фаза. Най-развитият NRE с твърдфазен реактор на делене, който използва горивни елементи (горивни елементи), използвани в атомните електроцентрали като гориво. Първият такъв двигател като част от американския проект Nerva премина наземни тестове през 1966 г., като работи около два часа.

Характеристики на дизайна

В основата на всеки ядрен космически двигател е реактор, състоящ се от активна зона и берилиев рефлектор, разположен в кутия за захранване. В ядрото се извършва деленето на атомите на горимото вещество, като правило, уран U238, обогатен с изотопи U235. За да се придадат определени свойства на процеса на ядрен разпад, тук са разположени и модератори - огнеупорен волфрам или молибден. Ако модераторът е включен в горивните пръти, реакторът се нарича хомогенен, а ако е поставен отделно, хетерогенен. Ядреният двигател включва също блок за подаване на работен флуид, органи за управление, защита от радиация в сянка и дюза. Конструктивните елементи и възли на реактора, изпитващи високи топлинни натоварвания, се охлаждат от работния флуид, който след това се изпомпва в горивните касети от турбопомпена единица. Тук се загрява до почти 3000˚С. Изтичайки през дюзата, работният флуид създава струйна тяга.

Типичните органи за управление на реактора са контролни пръти и въртящи се барабани, изработени от абсорбиращ неутрони материал (бор или кадмий). Пръчките се поставят директно в активната зона или в специални рефлекторни ниши, а въртящите се барабани се поставят по периферията на реактора. Чрез преместване на прътите или завъртане на барабаните се променя броят на делящите се ядра за единица време, регулирайки нивото на освобождаване на енергия от реактора и следователно неговата топлинна мощност.

За да се намали интензивността на неутронното и гама лъчение, което е опасно за всички живи същества, в енергийния съд се поставят елементи от първичната защита на реактора.

Подобряване на ефективността

Течнофазният ядрен двигател е подобен по принцип на действие и устройство на твърдофазния, но течнообразното състояние на горивото позволява да се увеличи температурата на реакцията и следователно тягата на мощността мерна единица. Така че, ако за химически агрегати (двигател с течно гориво и двигател на твърдо гориво) максималният специфичен импулс (скорост на струйната струя) е 5 420 m / s, за твърдофазни ядрени и 10 000 m / s е далеч от границата, тогава средната стойност на този индикатор за газофазния NRE е в диапазона 30 000 - 50 000 m / s.

Има два типа проекти за газови ядрени двигатели:

Отворен цикъл, при който ядрена реакция протича вътре в плазмен облак от работна среда, задържана от електромагнитно поле и поглъщаща цялата генерирана топлина. Температурата може да достигне няколко десетки хиляди градуса. В този случай активната област е заобиколена от топлоустойчиво вещество (например кварц) - ядрена лампа, която свободно предава излъчваната енергия.В инсталации от втория тип реакционната температура ще бъде ограничена от точката на топене на материала на колбата. В този случай енергийната ефективност на ядрения космически двигател е малко намалена (специфичен импулс до 15 000 m / s), но ефективността и радиационната безопасност се увеличават.

Практически постижения

Формално американският учен и физик Ричард Файнман се смята за изобретател на атомната електроцентрала. Началото на мащабна работа по разработването и създаването на ядрени двигатели за космически кораби по програмата Rover е дадено в Изследователския център в Лос Аламос (САЩ) през 1955 г. Американските изобретатели дадоха предпочитание на инсталации с хомогенен ядрен реактор. Първият експериментален образец "Киви-А" е сглобен в завода в ядрения център в Албакърки (Ню Мексико, САЩ) и тестван през 1959 г. Реакторът беше поставен вертикално на пейката с дюзата нагоре. По време на тестовете загрята струя от отпадъчен водород беше изхвърлена директно в атмосферата. И въпреки че ректорът работи на ниска мощност само около 5 минути, успехът вдъхнови разработчиците.

В Съветския съюз мощен тласък на подобни изследвания даде срещата, проведена през 1959 г. в Института по атомна енергия на "трите велики К" - създателят на атомната бомба И. В. Курчатов, главният теоретик на руската космонавтика М. В. Келдиш и генералният конструктор на съветските ракети SP Queen. За разлика от американския модел, съветският двигател RD-0410, разработен в конструкторското бюро на асоциацията "Химавтоматика" (Воронеж), имаше хетерогенен реактор. Огнените изпитания се провеждат на полигон близо до град Семипалатинск през 1978 г.

Струва си да се отбележи, че бяха създадени доста теоретични проекти, но те така и не стигнаха до практическо изпълнение. Причините за това бяха наличието на огромен брой проблеми в материалознанието, липсата на човешки и финансови ресурси.

Забележка: Важно практическо постижение бяха летните изпитания на самолети с ядрен двигател. В СССР най-перспективният беше експерименталният стратегически бомбардировач Ту-95ЛАЛ, в САЩ - В-36.

Проект Орион или импулсен NRE

За полети в космоса ядрен импулсен двигател е предложен за първи път да се използва през 1945 г. от американски математик от полски произход Станислав Улам. През следващото десетилетие идеята е разработена и усъвършенствана от Т. Тейлър и Ф. Дайсън. Изводът е, че енергията на малки ядрени заряди, взривени на определено разстояние от изтласкващата платформа на дъното на ракетата, й придава голямо ускорение.

В хода на проекта Орион, стартиран през 1958 г., беше планирано да се оборудва ракета с такъв двигател, способен да доставя хора до повърхността на Марс или до орбитата на Юпитер. Екипажът, разположен в носовото отделение, ще бъде защитен от разрушителното въздействие на гигантските ускорения чрез демпферно устройство. Резултатът от подробни инженерни проучвания бяха маршови тестове на мащабен макет на кораба за изследване на стабилността на полета (вместо ядрени заряди бяха използвани конвенционални експлозиви). Поради високата цена проектът е закрит през 1965 г.

През юли 1961 г. съветският академик А. Сахаров изразява подобни идеи за създаване на „взрив“. За да изведе космическия кораб в орбита, ученият предложи да се използва конвенционален ZhTRD.

Алтернативни проекти

Огромен брой проекти не са надхвърлили теоретичните изследвания. Сред тях имаше много оригинални и много обещаващи. Потвърждение е идеята за атомна електроцентрала, базирана на делящи се фрагменти. Конструктивните характеристики и устройството на този двигател позволяват изобщо да се прави без работен флуид. Реактивната струя, която осигурява необходимите характеристики на тяга, се формира от отработен ядрен материал. Реакторът се основава на въртящи се дискове с подкритична ядрена маса (отношението на делене на атомите е по-малко от единица). При въртене в сектор на диска, разположен в сърцевината, се задейства верижна реакция и разпадащите се високоенергийни атоми се насочват в дюзата на двигателя, образувайки струйна струя. Останалите непокътнати атоми ще участват в реакцията при следващите обороти на горивния диск.

Проектите на ядрен двигател за кораби, изпълняващи определени задачи в околоземното пространство, базирани на RTG (радиоизотопни термоелектрически генератори), са доста работещи, но такива инсталации не са много обещаващи за междупланетни и още повече междузвездни полети.

Двигателите за ядрен синтез имат огромен потенциал. Още на настоящия етап от развитието на науката и технологиите е напълно осъществима импулсна инсталация, в която, подобно на проекта Орион, термоядрени заряди ще бъдат взривени под дъното на ракетата. Много експерти обаче смятат, че прилагането на контролиран ядрен синтез е въпрос на близко бъдеще.

Предимства и недостатъци на ДВОР

Безспорните предимства на използването на ядрени двигатели като силови агрегати за космически кораби включват тяхната висока енергийна ефективност, която осигурява висок специфичен импулс и добра теглителна характеристика (до хиляда тона в безвъздушно пространство), впечатляващ енергиен резерв по време на автономна работа. Съвременното ниво на научно и техническо развитие позволява да се осигури сравнителна компактност на такава инсталация.

Основният недостатък на NRE, който доведе до ограничаване на проектантската и изследователската работа, е високата радиационна опасност. Това е особено важно при провеждане на наземни пожарни тестове, в резултат на които е възможно радиоактивни газове, уранови съединения и неговите изотопи да попаднат в атмосферата заедно с работния флуид и разрушителния ефект на проникващата радиация. По същите причини е неприемливо изстрелването на космически кораб, оборудван с ядрен двигател, директно от повърхността на Земята.

Настояще и бъдеще

Според уверенията на академика на Руската академия на науките, генералния директор на "Център Келдиш" Анатолий Коротеев, в близко бъдеще ще бъде създаден принципно нов тип ядрен двигател в Русия. Същността на подхода е, че енергията на космическия реактор ще бъде насочена не към директното нагряване на работния флуид и образуването на струен поток, а за производството на електричество. Ролята на задвижващото устройство в инсталацията е отредена на плазмения двигател, чиято специфична тяга е 20 пъти по-висока от тягата на съществуващия в момента химически реактивен апарат. Главното предприятие на проекта е подразделение на държавната корпорация "Росатом" АД "НИКИЕТ" (Москва).

Пълномащабните пробни тестове бяха успешно преминати през 2015 г. на базата на НПО Машиностроения (Реутов). Ноември на текущата година е посочен за дата на началото на летно-конструкторските изпитания на атомната електроцентрала. Най-важните елементи и системи ще трябва да бъдат тествани, включително на борда на МКС.

Новият руски ядрен двигател работи в затворен цикъл, който напълно изключва проникването на радиоактивни вещества в околното пространство. Масовите и габаритните характеристики на основните елементи на електроцентралата осигуряват използването й със съществуващите вътрешни ракети-носители "Протон" и "Ангара".

Александър Лосев

Бързото развитие на ракетно-космическата техника през XX век се дължи на военно-стратегическите, политически и до известна степен идеологически цели и интереси на двете суперсили - СССР и САЩ, а всички държавни космически програми са били продължаване на военните им проекти, където основната задача беше осигуряване на отбранителна способност и стратегически паритет с потенциален противник. Разходите за създаване на оборудване и оперативните разходи не бяха от основно значение по това време. Бяха отделени колосални ресурси за създаването на ракети-носители и космически кораби, а 108-те минути от полета на Юрий Гагарин през 1961 г. и телевизионното предаване на Нийл Армстронг и Бъз Олдрин от лунната повърхност през 1969 г. не бяха просто триумфи на научната и техническата мисъл, те също се считат за стратегически победи в битките на Студената война.

Но след като Съветският съюз се разпадна и отпадна от надпреварата за световно лидерство, неговите геополитически противници, преди всичко САЩ, вече нямаха нужда да изпълняват престижни, но изключително скъпи космически проекти, за да докажат на целия свят превъзходството на западната икономическа система и идеологически концепции.
През 90-те години основните политически задачи от изминалите години загубиха своята актуалност, блоковата конфронтация беше заменена от глобализация, прагматизмът преобладаваше в света, така че повечето космически програми бяха съкратени или отложени, само МКС остана от мащабни проекти от миналото като наследство. Освен това западната демокрация направи всички скъпи правителствени програми зависими от изборните цикли.
Подкрепата на избирателите, необходима за придобиване или запазване на властта, кара политиците, парламентите и правителствата да клонят към популизма и да решават непосредствени проблеми, така че разходите за изследване на космоса намаляват от година на година.
Повечето от фундаменталните открития са направени през първата половина на ХХ век, а днес науката и технологиите са достигнали определени граници, освен това популярността на научното познание е намаляла в целия свят, а качеството на преподаването на математика, физика и други естествени науката се влоши. Това се превърна в причина за стагнацията, включително в космическия сектор, през последните две десетилетия.
Но сега става очевидно, че светът наближава края на друг технологичен цикъл, базиран на откритията от миналия век. Следователно всяка сила, която ще притежава фундаментално нови обещаващи технологии по време на промяна в глобалния технологичен ред, автоматично ще си осигури световно лидерство поне през следващите петдесет години.

Основното устройство на NRE с водород като работен флуид

Това се признава както в Съединените щати, където е взет курс за възраждане на американското величие във всички сфери на дейност, така и в Китай, който оспорва американската хегемония, и в Европейския съюз, който се опитва с всички сили да поддържа тежестта му в световната икономика.
Там има индустриална политика и те са сериозно ангажирани с развитието на собствения си научен, технически и производствен потенциал, а космическият сектор може да се превърне в най-добрата изпитателна площадка за разработване на нови технологии и за доказване или опровергаване на научни хипотези, които могат да положат основите за създаване на фундаментално различна, по-напреднала технология на бъдещето.
И съвсем естествено е да се очаква, че САЩ ще бъдат първата страна, в която ще се възобновят проекти за изследване на дълбокия космос с цел създаване на уникални иновативни технологии в областта на оръжията, транспорта и конструкционните материали, както и в биомедицината и телекомуникациите.
Вярно е, че дори за Съединените щати успехът по пътя на създаване на революционни технологии не е гарантиран. Съществува голям риск да бъдете зашеметени от подобряването на ракетните двигатели преди половин век, базирани на химическо гориво, както прави SpaceX на Илон Мъск, или чрез създаване на системи за поддържане на живота за дълъг полет, подобни на тези, които вече са внедрени на МКС.
Може ли Русия, чиято стагнация в космическия сектор става все по-осезаема всяка година, да направи пробив в надпреварата за бъдещо технологично лидерство, за да остане в клуба на суперсилите, а не в списъка на развиващите се страни?
Да, разбира се, Русия може, и освен това вече е направена забележима крачка напред в ядрената енергия и ядрените ракетни технологии, въпреки хроничното недофинансиране на космическата индустрия.
Бъдещето на астронавтиката е използването на ядрена енергия. За да разберем как са свързани ядрената технология и космоса, е необходимо да се разгледат основните принципи на реактивното задвижване.
И така, основните видове съвременни космически двигатели са създадени на принципите на химическата енергия. Това са ускорители на твърдо гориво и ракетни двигатели с течно гориво, в горивните им камери компонентите на горивото (гориво и окислител), влизайки в екзотермична физикохимична реакция на горене, образуват струйна струя, всяка секунда изхвърляйки тонове материя от дюзата на двигателя. Кинетичната енергия на работния флуид на струята се превръща в реактивна сила, достатъчна за движение на ракетата. Специфичният импулс (съотношението на създадената тяга към масата на използваното гориво) на такива химически двигатели зависи от горивните компоненти, налягането и температурата в горивната камера, както и от молекулното тегло на газообразната смес, изхвърлена през дюзата на двигателя.
И колкото по-висока е температурата на веществото и налягането вътре в горивната камера, и колкото по-ниско е молекулното тегло на газа, толкова по-висок е специфичният импулс, а оттам и ефективността на двигателя. Специфичният импулс е количеството движение и е обичайно да се измерва в метри в секунда, както и скоростта.
При химическите двигатели най-големият специфичен импулс се дава от горивните смеси кислород-водород и флуор-водород (4500-4700 m / s), но най-популярните (и удобни за работа) са ракетните двигатели, работещи на керосин и кислород, например , Союз и ракети "Фалкон" Маска, както и двигатели на асиметричен диметилхидразин (UDMH) с окислител под формата на смес от азотен тетроксид и азотна киселина (съветски и руски "Протон", френски "Ариан", американски "Титан" "). Тяхната ефективност е 1,5 пъти по-ниска от тази на двигателите с водородно гориво, но импулсът от 3000 m/s и мощността са напълно достатъчни, за да бъде икономически изгодно изстрелването на тонове полезен товар в ниски земни орбити.
Но полетите до други планети изискват много по-голям космически кораб от всичко, което е било създадено от човечеството преди, включително модулната МКС. В тези кораби е необходимо да се осигури както дългосрочно автономно съществуване на екипажите, така и определен запас от гориво и експлоатационен живот на задвижващите двигатели и двигатели за маневри и корекция на орбитата, осигуряване на доставка на астронавти в специален модул за кацане на повърхността на друга планета и връщането им на главния транспортен кораб, а след това и връщането на експедицията на Земята.
Натрупаните инженерни и технически познания и химическата енергия на двигателите ни позволяват да се върнем на Луната и да достигнем до Марс, така че е много вероятно през следващото десетилетие човечеството да посети Червената планета.
Ако разчитаме само на наличните космически технологии, тогава минималната маса на обитаем модул за пилотиран полет до Марс или до спътниците на Юпитер и Сатурн ще бъде приблизително 90 тона, което е 3 пъти повече от лунните кораби на ранните 70-те години на миналия век, което означава, че ракетите носители за вкарването им в референтни орбити за по-нататъшен полет до Марс ще бъдат много по-големи от Сатурн-5 (стартова маса 2965 тона) на лунния проект Аполо или съветската ракета носител Енергия (стартова маса 2400 тона). Ще е необходимо да се създаде в орбита междупланетен комплекс с тегло до 500 тона. Полет на междупланетен космически кораб с химически ракетни двигатели ще изисква от 8 месеца до 1 година само в една посока, защото ще трябва да правите гравитационни маневри, използвайки силата на гравитацията на планетите и огромен запас от гориво за допълнително ускорение на космическия кораб.
Но използвайки химическата енергия на ракетните двигатели, човечеството няма да лети по-далеч от орбитата на Марс или Венера. Нуждаем се от други скорости на полета на космически кораб и други по-мощни енергии на движение.

Модерен проект на ядрен ракетен двигател Princeton Satellite Systems

За изследване на дълбокия космос е необходимо значително да се повиши съотношението на тягата към теглото и ефективността на ракетния двигател, а оттам и да се увеличат неговият специфичен импулс и експлоатационен живот. И за това е необходимо да се нагрее газ или вещество от работен флуид с ниска атомна маса вътре в камерата на двигателя до температури, няколко пъти по-високи от температурата на химическо изгаряне на традиционните горивни смеси, и това може да се направи с помощта на ядрена реакция.
Ако вместо конвенционална горивна камера вътре в ракетния двигател се постави ядрен реактор, в сърцевината на който ще се подава вещество в течна или газообразна форма, тогава, нагрявайки под високо налягане до няколко хиляди градуса, той ще започват да се изхвърлят през канала на дюзата, създавайки струйна тяга. Специфичният импулс на такъв ядрен реактивен двигател ще бъде няколко пъти по-висок от този на конвенционален, базиран на химически компоненти, което означава, че ефективността както на самия двигател, така и на ракетата-носител като цяло ще се увеличи многократно. В този случай не е необходим окислител за изгаряне на горивото и лекият водороден газ може да се използва като вещество, което създава реактивна тяга, но знаем, че колкото по-ниско е молекулното тегло на газа, толкова по-голям е импулсът и това значително ще намаляване на масата на ракетата с по-добри характеристики мощност на двигателя.
Ядреният двигател ще бъде по-добър от конвенционалния, тъй като в зоната на реактора лекият газ може да се нагрее до температури над 9 хиляди Келвина и струя от такъв прегрят газ ще осигури много по-висок специфичен импулс, отколкото конвенционалните химически двигатели могат предоставят. Но това е на теория.
Опасността дори не е, че по време на изстрелване на ракета носител с такава ядрена инсталация може да се получи радиоактивно замърсяване на атмосферата и пространството около стартовата площадка, основният проблем е, че при високи температури самият двигател може да се стопи заедно с космическия кораб . Дизайнерите и инженерите разбират това и от няколко десетилетия се опитват да намерят подходящи решения.
Ядрените ракетни двигатели (NRE) имат своя собствена история на създаване и експлоатация в космоса. Първите разработки на ядрените двигатели започват в средата на 50-те години на миналия век, тоест дори преди пилотирания космически полет и почти едновременно в СССР и САЩ, и самата идея за използване на ядрени реактори за нагряване на работното вещество в ракета двигател е роден заедно с първите ректори в средата на 40-те години, тоест преди повече от 70 години.
В нашата страна инициатор за създаването на ядрен ракетен двигател стана термофизик Виталий Михайлович Иевлев. През 1947 г. той представя проект, подкрепен от С. П. Королев, И. В. Курчатов и М. В. Келдиш. Първоначално беше планирано да се използват такива двигатели за крилати ракети, а след това да се поставят балистични ракети. Разработката е предприета от водещите отбранителни конструкторски бюра на Съветския съюз, както и изследователски институти NIITP, TsIAM, IAE, VNIINM.
Съветският ядрен двигател РД-0410 е сглобен в средата на 60-те години от Воронежското конструкторско бюро по химическа автоматика, където са създадени повечето ракетни двигатели с течно гориво за космически технологии.
Като работен флуид в RD-0410 е използван водородът, който в течна форма преминава през "охладителната риза", отстранявайки излишната топлина от стените на дюзата и предотвратявайки нейното топене, след което влиза в активната зона на реактора, където се нагрява до 3000K и се изхвърля през каналните дюзи, като по този начин преобразува топлинната енергия в кинетична енергия и създава специфичен импулс от 9100 m/s.
В САЩ проектът NRM стартира през 1952 г., а първият работещ двигател е създаден през 1966 г. и носи името NERVA (ядрен двигател за приложение на ракетни превозни средства). През 60-те - 70-те години на миналия век Съветският съюз и САЩ се опитваха да не отстъпват един на друг.
Вярно е, че и нашият RD-0410, и американският NERVA бяха твърдофазни NRE (ядреното гориво на базата на уранови карбиди беше в твърдо състояние в реактора), а работната им температура беше в диапазона 2300-3100K.
За да се повиши температурата на активната зона без риск от експлозия или топене на стените на реактора, е необходимо да се създадат такива условия за ядрена реакция, при която горивото (уранът) преминава в газообразно състояние или се превръща в плазма и се държи вътре в реактора. чрез силно магнитно поле, без да докосва стените. И тогава водородът, влизащ в активната зона на реактора, „обтича“ урана в газовата фаза и, превръщайки се в плазма, се изхвърля с много висока скорост през канала на дюзата.
Този тип двигател се нарича газофазен ДВОР. Температурите на газообразното ураново гориво в такива ядрени двигатели могат да варират от 10 000 до 20 000 Келвина, а специфичният импулс достига 50 000 m / s, което е 11 пъти по-високо от това на най-ефективните химически ракетни двигатели.
Създаването и използването в космическата техника на газофазни НРЕ от отворен и затворен тип е най-обещаващата посока в развитието на космическите ракетни двигатели и точно това, което е необходимо на човечеството, за да овладее планетите от Слънчевата система и техните спътници.
Първото изследване на проекта за газофазен ядрен реактор започва в СССР през 1957 г. в Научноизследователския институт по топлинни процеси (NRC на името на MV Keldysh), а самото решение за разработване на ядрени космически електроцентрали на базата на газова ядрена ядрена реактори е изработена през 1963 г. от акад. В. П. Глушко (НПО Енергомаш), а след това е одобрена с постановление на ЦК на КПСС и Министерския съвет на СССР.
Разработването на газофазен NRE се извършва в Съветския съюз в продължение на две десетилетия, но, за съжаление, така и не е завършено поради недостатъчно финансиране и необходимостта от допълнителни фундаментални изследвания в областта на термодинамиката на ядреното гориво и водородната плазма, неутронна физика и магнитохидродинамика.
Съветските ядрени учени и инженери-конструктори са изправени пред редица проблеми, като постигане на критичност и осигуряване на стабилност на работата на газофазен ядрен реактор, намаляване на загубата на разтопен уран по време на освобождаването на водород, нагрят до няколко хиляди градуса, термична защита на дюзата и генератора на магнитно поле, натрупване на продукти на делене на уран, избор на химически устойчиви строителни материали и др.
И когато започна да се създава ракета носител „Енергия“ за съветската програма „Марс-94“ за първия пилотиран полет до Марс, проектът за ядрени двигатели беше отложен за неопределено време. Съветският съюз нямаше достатъчно време, и най-важното, политическа воля и икономическа ефективност, за да осъществи кацането на нашите космонавти на планетата Марс през 1994 г. Това би било безспорно постижение и доказателство за нашето лидерство във високите технологии през следващите няколко десетилетия. Но космосът, както много други неща, беше предаден от последното ръководство на СССР. Историята вече не може да бъде променена, оставените учени и инженери не могат да бъдат върнати и загубените знания не могат да бъдат възстановени. Много ще трябва да се пресъздадат.
Но космическата ядрена енергия не се ограничава само до сферата на твърдо- и газофазни NRE. Електрическата енергия може да се използва за създаване на нагрят поток от материя в реактивен двигател. Тази идея за първи път е изразена от Константин Едуардович Циолковски през далечната 1903 г. в неговия труд "Изследване на световните пространства с реактивни устройства".
А първият електротермичен ракетен двигател в СССР е създаден през 30-те години на миналия век от Валентин Петрович Глушко, бъдещият академик на Академията на науките на СССР и ръководител на НПО "Енергия".
Електрическите ракетни двигатели могат да работят по различни начини. Обикновено те са разделени на четири вида:

• електротермичен (нагряване или електрическа дъга). При тях газът се нагрява до температури 1000–5000K и се изхвърля от дюзата по същия начин, както в NRE.
• електростатични двигатели (колоидни и йонни), при които работното вещество първо се йонизира, а след това положителните йони (атоми, лишени от електрони) се ускоряват в електростатично поле и също се изхвърлят през канала на дюзата, създавайки струйна тяга. Стационарните плазмени двигатели се наричат ​​също електростатични.
• магнитоплазмени и магнитодинамични ракетни двигатели. Там газовата плазма се ускорява от силата на Ампер в перпендикулярно пресичащите се магнитно и електрическо поле.
• импулсни ракетни двигатели, които използват енергията на газовете, произтичащи от изпарението на работна течност в електрически разряд.

Предимството на тези електрически ракетни двигатели е ниската консумация на работния флуид, ефективността до 60% и високата скорост на потока на частиците, което може значително да намали масата на космическия кораб, но има и недостатък - ниска плътност на тягата и, съответно, ниска мощност, както и високата цена на работния флуид (инертни газове или пари на алкални метали) за създаване на плазма.
Всички горепосочени типове електродвигатели са били внедрени на практика и са били многократно използвани в космоса и на съветски и американски превозни средства от средата на 60-те години, но поради ниската си мощност те са били използвани главно като двигатели за корекция на орбитата.
От 1968 до 1988 г. в СССР са изстреляни цяла серия спътници Космос с ядрени инсталации на борда. Типовете реактори бяха наречени Бук, Топаз и Енисей.
Реакторът от проекта Енисей имаше топлинна мощност до 135 kW и електрическа мощност около 5 kW. Като топлоносител се използва натриево-калиевата стопилка. Този проект е закрит през 1996 г.
Истинският ракетен двигател за задвижване изисква много мощен източник на енергия. А най-добрият източник на енергия за такива космически двигатели е ядреният реактор.
Ядрената енергетика е една от високотехнологичните индустрии, в която страната ни заема водеща позиция. И в Русия вече се създава принципно нов ракетен двигател и този проект е близо до успешното завършване през 2018 г. Полетните тестове са насрочени за 2020 г.
И ако газофазната ядрена задвижваща система е тема за следващите десетилетия, която ще трябва да се върне след фундаментални изследвания, то сегашната й алтернатива е атомна електроцентрала от клас мегават (АЕЦ) и тя вече е създадена от предприятията на Росатом и Роскосмос от 2009 г.
НПО Красная звезда, която в момента е единственият в света разработчик и производител на космически атомни електроцентрали, както и V.I. M. V. Keldysh, NIKIET им. N. A. Dollezhal, NII NPO Luch, Kurchatov Institute, IRM, IPPE, NIIAR и NPO Mashinostroienia.
Атомната електроцентрала включва високотемпературен газовоохлаждан ядрен реактор с бързи неутрони с турбомашинна система за преобразуване на топлинната енергия в електрическа енергия, система от радиаторни охладители за отвеждане на излишната топлина в пространството, отделение за измерване и монтаж, блок от задвижващи плазмени или йонни електродвигатели и контейнер за поставяне на полезен товар ...
В силовата задвижваща система ядреният реактор служи като източник на електричество за работата на електрически плазмени двигатели, докато газовата охлаждаща течност на реактора, преминавайки през активната зона, влиза в турбината на електрогенератора и компресора и се връща обратно в реактор в затворен цикъл и не се изхвърля в космоса, както в NRE, което прави структурата по-надеждна и безопасна, което означава, че е подходяща за изследване на космоса с хора.
Предвижда се ядрената задвижваща система да се използва за многократно използван космически влекач, за да се осигури доставката на товари по време на изследването на Луната или създаването на многофункционални орбитални комплекси. Предимството ще бъде не само многократното използване на елементи от транспортната система (което Илон Мъск се опитва да постигне в своите космически проекти SpaceX), но и възможността за доставяне на три пъти по-голяма маса на товара, отколкото на ракети с химически реактивни двигатели на сравнима мощност чрез намаляване на началната маса на транспортната система ... Специалният дизайн на растението го прави безопасно за хората и околната среда на Земята.
През 2014 г. първият горивен елемент (горивен елемент) от стандартна конструкция за тази атомна електрозадвижваща установка беше сглобен в OJSC Машиностроителен завод в град Електростал, а през 2016 г. беше тестван симулатор на кошницата на активната зона на реактора.
Сега (през 2017 г.) се работи по производството на конструктивни елементи за монтаж и тестване на компоненти и възли на макети, както и автономни тестове на системи за преобразуване на мощност на турбомашини и прототипи на силови агрегати. Завършването на работата е планирано за края на следващата 2018 г., но от 2015 г. изоставането започна да се натрупва.
Така че веднага щом тази инсталация бъде създадена, Русия ще стане първата страна в света с ядрени космически технологии, които ще залегнат в основата не само на бъдещи проекти за развитие на Слънчевата система, но и на земна и извънземна енергия. Космическите атомни електроцентрали могат да се използват за създаване на системи за дистанционно предаване на електричество към Земята или към космически модули с помощта на електромагнитно излъчване. И това също ще се превърне в модерната технология на бъдещето, където страната ни ще има водеща позиция.
На базата на разработените плазмени електродвигатели ще бъдат създадени мощни задвижващи системи за далечни пилотирани полети в космоса и преди всичко за изследване на Марс, чиято орбита може да бъде достигната само за 1,5 месеца, а не за повече от година, както при използване на конвенционални химически реактивни двигатели. ...
И бъдещето винаги започва с революция в енергетиката. И нищо друго. Енергията е първична и именно количеството потребление на енергия влияе върху техническия прогрес, отбранителната способност и качеството на живот на хората.

Експериментален плазмен ракетен двигател на НАСА

Съветският астрофизик Николай Кардашев още през 1964 г. предложи скала за развитие на цивилизациите. Според тази скала нивото на технологично развитие на цивилизациите зависи от количеството енергия, което населението на планетата използва за своите нужди. Ето как цивилизацията тип I използва всички налични ресурси на планетата; цивилизация тип II – получава енергията на своята звезда, в чиято система се намира; и цивилизация тип III използва наличната енергия на своята галактика. Човечеството все още не е узряло до тип I цивилизация в този мащаб. Ние използваме само 0,16% от общия потенциален енергийен запас на планетата Земя. Това означава, че както Русия, така и целият свят имат място за растеж и тези ядрени технологии ще отворят пътя на страната ни не само към космоса, но и към бъдещия икономически просперитет.
И може би единственият вариант за Русия в научната и техническата сфера сега е да направи революционен пробив в ядрените космически технологии, за да преодолее дългосрочното изоставане от лидерите с един „скок“ и да бъде непосредствено в началото на нова технологична революция в следващия цикъл на човешката цивилизация. Такъв уникален шанс се пада на тази или онази страна само веднъж на няколко века.
За съжаление Русия, която не е обърнала необходимото внимание на фундаменталните науки и качеството на висшето и средното образование през последните 25 години, рискува да загуби този шанс завинаги, ако програмата бъде съкратена и ново поколение изследователи не дойде на мястото си настоящите учени и инженери. Геополитическите и технологичните предизвикателства, пред които Русия ще се изправи след 10-12 години, ще бъдат много сериозни, сравними с тези от средата на 20-ти век. За да се запази суверенитетът и целостта на Русия в бъдеще, е спешно необходимо да започне обучението на специалисти, способни да отговорят на тези предизвикателства и да създадат нещо принципно ново.
Има само около 10 години, за да превърнем Русия в световен интелектуален и технологичен център, а това не може да стане без сериозна промяна в качеството на образованието. За научен и технологичен пробив е необходимо да се върне в образователната система (както училищна, така и университетска) последователността на възгледите за картината на света, научната фундаменталност и идеологическата цялост.
Що се отнася до сегашната стагнация в космическата индустрия, това не е голяма работа. Физическите принципи, на които се основават съвременните космически технологии, ще бъдат търсени в сектора на конвенционалните спътникови услуги още дълго време. Нека припомним, че човечеството използва платно от 5,5 хиляди години, а ерата на парата продължи почти 200 години и едва през XX век светът започна да се променя бързо, защото се случи друга научна и технологична революция, която стартира вълна от иновации и промяна в технологичните структури, които в крайна сметка промениха както световната икономика, така и политиката. Основното нещо е да сте в основата на тези промени.

Русия беше и все още остава лидер в областта на ядрената космическа енергетика. Такива организации като RSC Energia и Roskosmos имат опит в проектирането, изграждането, изстрелването и експлоатацията на космически кораби, оборудвани с ядрен източник на енергия. Ядреният двигател дава възможност за експлоатация на самолети в продължение на много години, което значително повишава тяхната практическа пригодност.

Историческа хроника

В същото време доставката на изследователски апарат до орбитите на далечни планети на Слънчевата система изисква увеличаване на ресурса на такава ядрена инсталация до 5-7 години. Доказано е, че комплекс с ядрена задвижваща система с мощност около 1 MW като част от изследователски космически кораб ще позволи ускорено доставяне на изкуствени спътници на най-далечните планети, планетарни роувъри до орбитите на изкуствените спътници на най-далечни планети, планетарни роувъри до повърхността на естествените спътници на тези планети и доставка на почва на Земята от комети, астероиди, Меркурий и луните на Юпитер и Сатурн.

Влекач за многократна употреба (MB)

Един от най-важните начини за подобряване на ефективността на транспортните операции в космоса е многократното използване на елементи от транспортната система. Ядреният двигател за космически кораби с мощност най-малко 500 kW ви позволява да създадете влекач за многократна употреба и по този начин значително да увеличите ефективността на многолинкова космическа транспортна система. Такава система е особено полезна в програмата за осигуряване на големи годишни товарни потоци. Пример за това е програмата за изследване на Луната със създаване и поддържане на постоянно разширяваща се обитаема база и експериментални технологични и индустриални комплекси.

Изчисляване на товарооборота

Според проектните проучвания на RSC Energia, по време на изграждането на базата на лунната повърхност трябва да бъдат доставени модули с тегло около 10 тона, до 30 тона в орбитата на Луната. Общият товарен трафик от Земята при изграждането на обитаема лунната база и посетената лунна орбитална станция се оценява на 700-800 тона, а годишният товарен трафик за осигуряване на функционирането и развитието на базата е 400-500 тона.

Принципът на работа на ядрения двигател обаче не позволява на транспортера да се ускорява достатъчно бързо. Поради дългото време за транспортиране и съответно значителното време, прекарано от полезния товар в радиационните пояси на Земята, не всички товари могат да бъдат доставени с помощта на влекачи с ядрено задвижване. Следователно, транспортният поток, който може да бъде осигурен на базата на ядрени задвижващи системи, се оценява само на 100-300 t/год.

Икономическа ефективност

Като критерий за икономическата ефективност на интерорбиталната транспортна система е препоръчително да се използва стойността на специфичните разходи за транспортиране на единица маса полезен товар (PG) от земната повърхност до целевата орбита. RSC Energia разработи икономически и математически модел, който отчита основните компоненти на разходите в транспортната система:

• създаване и извеждане на влекач модули в орбита;
• за закупуване на работеща ядрена инсталация;
• оперативни разходи, както и разходи за научноизследователска и развойна дейност и потенциални капиталови разходи.

Индикаторите на разходите зависят от оптималните параметри на MB. Използвайки този модел, сравнителната икономическа ефективност от използването на буксир за многократна употреба на базата на ядрени задвижващи системи с мощност около 1 MW и буксир за еднократна употреба на базата на обещаващи течни такива в програмата за осигуряване на доставка от Земята до Изследвана е лунна орбита с височина 100 км полезен товар с обща маса 100 t/год. При използване на една и съща ракета-носител с товароподемност, равна на тази на ракетата-носител Протон-М и схема с два изстрелвания за изграждане на транспортна система, единичната цена за доставка на единица маса полезен товар с помощта на влекач с ядрен двигател ще бъде три пъти по-ниско, отколкото при използване на еднократни влекачи на базата на ракети с течно гориво, тип DM-3.

Заключение

Ефективният ядрен двигател за космоса допринася за решаването на екологичните проблеми на Земята, полетът на човека до Марс, създаването на система за безжично предаване на енергия в космоса, внедряването с повишена безопасност на заравянето в космоса на особено опасни радиоактивни отпадъци от наземна ядрена енергия, създаването на обитаема лунна база и началото на индустриалното развитие на Луната, осигуряваща защита на Земята от астероидно-кометната опасност.