Съветски и американски учени разработват ракетни двигатели с ядрено задвижване от средата на 20-ти век. Тези разработки не напреднаха по-далеч от прототипи и единични тестове, но сега в Русия се създава единствената ракетна задвижваща система, която използва ядрена енергия. Reactor изучава историята на опитите за въвеждане на ядрени ракетни двигатели.
Когато човечеството току-що е започнало да завладява космоса, учените са изправени пред задачата да доставят енергия на космическите кораби. Изследователите обърнаха внимание на възможността за използване на ядрена енергия в космоса, създавайки концепцията за ядрен ракетен двигател. Такъв двигател е трябвало да използва енергията на деленето или сливането на ядрата за създаване на реактивна тяга.
В СССР още през 1947 г. започва работата по създаването на ядрен ракетен двигател. През 1953 г. съветските експерти отбелязват, че „използването на атомна енергия ще позволи да се получи практически неограничен обхват и драстично да се намали полетното тегло на ракетите“ (цитат от публикацията „Ядрени ракетни двигатели“ под редакцията на А. С. Коротеев, Москва, 2001 г.). По това време ядрените задвижващи системи бяха предназначени предимно за оборудване на балистични ракети, така че интересът на правителството към разработката беше голям. Президентът на САЩ Джон Ф. Кенеди през 1961 г. нарече националната програма за създаване на ракета с ядрен двигател (Project Rover) една от четирите приоритетни области в завладяването на космоса.
Реактор КИВИ, 1959 г. Снимка: НАСА.
В края на 50-те години на миналия век американски учени създават реакторите KIWI. Те са тествани много пъти, разработчиците са направили голям брой модификации. Често по време на тестовете възникват повреди, например, след като сърцевината на двигателя е унищожена и се открива голям теч на водород.
В началото на 60-те години на миналия век, както в САЩ, така и в СССР, бяха създадени предпоставки за реализиране на планове за създаване на ядрени ракетни двигатели, но всяка страна тръгна по своя път. САЩ са създали много проекти на твърдофазни реактори за такива двигатели и са ги тествали на открити стендове. СССР разработваше горивната каска и други елементи на двигателя, подготвяше производството, изпитанията, кадровата база за по-широка "настъпление".
NERVA NRE схема. Илюстрация: НАСА.
В Съединените щати още през 1962 г. президентът Кенеди обяви, че „ядрена ракета няма да бъде използвана при първите полети до Луната“, така че си струва да насочите средствата, отпуснати за изследване на космоса, към други разработки. В началото на 60-те и 70-те години на миналия век бяха изпитани още два реактора (PEWEE през 1968 г. и NF-1 през 1972 г.) по програмата NERVA. Но финансирането беше фокусирано върху лунната програма, така че програмата за ядрено задвижване на САЩ намаля по обем и беше затворена през 1972 г.
Филм на НАСА за ядрения реактивен двигател NERVA.
В Съветския съюз развитието на ядрените ракетни двигатели продължава до 70-те години на миналия век и те се ръководят от сега известната триада от руски академици: Мстислав Келдиш, Игор Курчатов и др. Те оцениха доста оптимистично възможностите за създаване и използване на ракети с ядрени двигатели. Изглеждаше, че СССР е на път да изстреля такава ракета. Те преминаха огневи изпитания на полигона в Семипалатинск - през 1978 г. беше пуснат първият реактор на ядрения ракетен двигател 11B91 (или RD-0410), след това още две серии изпитания - втората и третата превозни средства 11B91-IR-100. Това бяха първите и последните съветски ядрени ракетни двигатели.
М.В. Keldysh и S.P. Королев посещава И.В. Курчатов, 1959 г
Александър Лосев
Бурното 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, като основната задача беше осигуряване на отбранителна способност и стратегически паритет с потенциален противник. Разходите за създаване на технология 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, поради което 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 в днешно време 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 поставен 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 запазва тежестта си 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, която ще възобнови проекти за изследване на дълбокия космос, за да създаде 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 дългосрочното автономно съществуване на екипажите, така и определен запас от гориво и експлоатационен живот на задвижващите двигатели и двигателите 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, 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 работна среда 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 навлиза 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 YARD. 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 овладяване на 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 фаза 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 газова фаза 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 отделянето 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 както на съветски, така и на американски превозни средства от средата на 60-те години, но поради ниската си мощност те са били използвани главно като двигатели за корекция на орбита.
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 днес е единственият в света разработчик и производител на космически атомни електроцентрали, както и Изследователският център на името на 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 елементите на 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 със 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 с един „скок“ дългосрочно изоставане от лидерите 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. Припомнете си, че човечеството използва платно от 5,5 хиляди години, а ерата на парата продължи почти 200 години и едва през двадесети век светът започна да се променя бързо, защото се случи друга научна и технологична революция, която стартира вълна от иновации и промяна в технологичните парадигми, която в крайна сметка промени както световната икономика, така и политиката. Основното нещо е да сте в основата на тези промени.
Бихме могли да започнем тази статия с традиционен пасаж за това как писателите на научна фантастика излагат смели идеи, а след това учените ги превръщат в реалност. Можете, но не искате да пишете в печати. По-добре е да запомните, че съвременните ракетни двигатели, твърдо гориво и течни, имат повече от незадоволителни характеристики за полети на относително дълги разстояния. Те позволяват да се изведе товара в орбитата на Земята, да се достави нещо на Луната - също, въпреки че такъв полет е по-скъп. Но летенето до Марс с такива двигатели вече не е лесно. Дайте им гориво и окислител в правилните количества. И тези обеми са право пропорционални на разстоянието, което трябва да се измине.
Алтернатива на традиционните химически ракетни двигатели са електрическите, плазмените и ядрените двигатели. От всички алтернативни двигатели само една система е достигнала етапа на развитие на двигателя - ядрената система (NRE). В Съветския съюз и САЩ още през 50-те години на миналия век започва работата по създаването на ядрени ракетни двигатели. Американците работеха и по двете версии на такава електроцентрала: реактивна и импулсна. Първата концепция включва нагряване на работния флуид с помощта на ядрен реактор и след това изхвърлянето му през дюзи. Импулсният NRE от своя страна задвижва космическия кораб чрез последователни експлозии на малко количество ядрено гориво.
Също така в Съединените щати е изобретен проектът Orion, който комбинира и двете версии на NRM. Това става по следния начин: малки ядрени заряди с капацитет около 100 тона в тротилов еквивалент се изхвърлят от опашката на кораба. След тях се стреляха с метални дискове. На разстояние от кораба зарядът се взривява, дискът се изпарява и веществото се разпръсква в различни посоки. Част от него падна в подсилената опашка на кораба и го премести напред. Малко увеличение на тягата трябваше да се осигури от изпаряването на плочата, поемаща ударите. Единичната цена на такъв полет трябваше да бъде само 150 долара за килограм полезен товар.
Стигна се дори до точката на тестване: опитът показва, че движението с помощта на последователни импулси е възможно, както и създаването на захранваща плоча с достатъчна сила. Но проектът Орион е затворен през 1965 г. като безперспективен. Въпреки това засега това е единствената съществуваща концепция, която може да позволи експедиции да се извършват поне в Слънчевата система.
До построяването на прототип е било възможно да се достигне само до ракетен ядрен ракетен двигател. Това бяха съветската РД-0410 и американската NERVA. Те работеха на същия принцип: в "конвенционален" ядрен реактор работният флуид се нагрява, който при изхвърляне от дюзите създава тяга. Работната течност и на двата двигателя беше течен водород, но на съветския хептан беше използван като спомагателно вещество.
Тягата на RD-0410 беше 3,5 тона, NERVA даде почти 34, но имаше и големи размери: 43,7 метра дължина и 10,5 в диаметър спрямо 3,5 и 1,6 метра съответно за съветския двигател. В същото време американският двигател беше три пъти по-нисък от съветския по отношение на ресурса - RD-0410 можеше да работи цял час.
И двата двигателя обаче, въпреки обещанието си, също останаха на Земята и не отлетяха никъде. Основната причина за затварянето на двата проекта (NERVA в средата на 70-те, RD-0410 през 1985 г.) са парите. Характеристиките на химическите двигатели са по-лоши от тези на ядрените, но цената на едно изстрелване на кораб с ядрен ракетен двигател със същия полезен товар може да бъде 8-12 пъти повече от изстрелване на същия Союз с течност - пропелентен двигател. И това е без да се вземат предвид всички разходи, необходими за привеждане на ядрените двигатели до годност за практическа употреба.
Извеждането от експлоатация на „евтините“ совалки и неотдавнашната липса на революционни пробиви в космическите технологии изискват нови решения. През април тази година тогавашният ръководител на Роскосмос А. Перминов обяви намерението си да разработи и въведе в експлоатация изцяло нов ядрен ракетен двигател. Това, според Роскосмос, би трябвало радикално да подобри "ситуацията" в цялата световна космонавтика. Сега стана ясно кои трябва да станат следващите революционери на космонавтиката: разработването на ядрения ракетен двигател ще се извършва от Федералното държавно унитарно предприятие „Център Келдиш“. Генералният директор на предприятието А. Коротеев вече зарадва обществеността, че идейният проект на космическия кораб за новия ядрен ракетен двигател ще бъде готов през следващата година. Проектът на двигателя трябва да бъде готов до 2019 г., а тестовете са насрочени за 2025 г.
Комплексът получи името ТЕМ - транспортен и енергиен модул. Той ще носи ядрен реактор с газово охлаждане. Директният двигател все още не е решен: или ще бъде реактивен двигател като RD-0410, или електрически ракетен двигател (EPM). Последният тип обаче все още не се използва масово никъде по света: само три космически кораба бяха оборудвани с тях. Но фактът, че реакторът може да захранва не само двигателя, но и много други блокове, или дори да използва целия ТЕМ като космическа електроцентрала, говори в полза на EJE.
Намерих интересна статия. По принцип атомните космически кораби винаги са ме интересували. Това е бъдещето на космонавтиката. Обширна работа по тази тема е извършена и в СССР. Статията е точно за тях.
Пространство с атомно захранване. Мечти и реалност.
Доктор на физико-математическите науки Ю. Я. Стависски
През 1950 г. защитих степента си по инженерна физика в Московския механичен институт (ММИ) на Министерството на боеприпасите. Пет години по-рано, през 1945 г., там е създаден Инженерно-физическият факултет, който подготвя специалисти за нова индустрия, чиито задачи са основно производството на ядрени оръжия. Факултетът беше несравним. Наред с фундаменталната физика в обема на университетските курсове (методи на математическа физика, теория на относителността, квантова механика, електродинамика, статистическа физика и други), ни преподаваше пълен набор от инженерни дисциплини: химия, металургия, устойчивост на материалите, теория на механизми и машини и др. физик Александър Илич Лейпунски, Инженерно-физическият факултет на MMI прераства с времето в Московския инженерно-физичен институт (МИФИ). Друг инженерно-физически факултет, който също по-късно се сля в МИФИ, е създаден в Московския енергиен институт (MEI), но ако MMI е фокусиран върху фундаменталната физика, то в катедрата по енергетиката - върху топлината и електрофизиката.
Изучавахме квантовата механика от книгата на Дмитрий Иванович Блохинцев. Представете си изненадата ми, когато по време на назначението ме изпратиха да работя при него. Аз, запален експериментатор (като дете, демонтирах всички часовници в къщата) и изведнъж стигам до известен теоретик. Обзе ме лека паника, но при пристигането на мястото - "Обект Б" на Министерството на вътрешните работи на СССР в Обнинск - веднага разбрах, че напразно се притеснявам.
По това време основната тема на "Обект Б", която до юни 1950 г. всъщност се оглавява от A.I. Лейпунски, вече се е формирал. Тук те създават реактори с разширено възпроизвеждане на ядрено гориво - "бързи размножители". Като директор Блохинцев инициира разработването на нова посока - създаването на атомни двигатели за космически полети. Овладяването на космоса беше стара мечта на Дмитрий Иванович, дори в младостта си той кореспондира и се среща с К.Е. Циолковски. Мисля, че разбирането на гигантските възможности на ядрената енергия, по отношение на калоричността, милиони пъти по-висока от най-добрите химически горива, определи жизнения път на D.I. Блохинцев.
“Не можеш да видиш лице в лице” ... В онези години не разбирахме много. Едва сега, когато най-после се появи възможността да се съпоставят делата и съдбите на изявени учени от Физико-енергийния институт (ФЕИ) - бившият "Обект Б", преименуван на 31 декември 1966 г. - вярно, струва ми се , се оформя разбирането за идеите, които ги движат по това време. ... При цялото разнообразие от казуси, с които институтът трябваше да се занимава, е възможно да се откроят приоритетните научни направления, които се оказаха в сферата на интересите на водещите му физици.
Основният интерес на AIL (както институтът нарича Александър Илич Лейпунски зад гърба си) е развитието на глобална енергетика, базирана на бързи реактори (ядрени реактори, които нямат ограничения върху ресурсите на ядрено гориво). Трудно е да се надцени значението на този наистина „космически“ проблем, на който той посвети последния четвърт век от живота си. Лейпунски похарчи много усилия за отбраната на страната, по-специално за създаването на атомни двигатели за подводници и тежки самолети.
Интересите на Д.И. Блохинцев (прякорът "DI" се залепи за него) бяха насочени към решаване на проблема с използването на ядрена енергия за космически полети. За съжаление в края на 50-те години на миналия век той е принуден да напусне тази работа и да оглави създаването на международен научен център - Съвместния институт за ядрени изследвания в Дубна. Там той се занимава с импулсни бързи реактори - IBR. Това беше последното голямо нещо в живота му.
Един гол, един отбор
DI. Блохинцев, който преподава в Московския държавен университет в края на 40-те години на миналия век, забеляза там и след това покани да работи в Обнинск младия физик Игор Бондаренко, който буквално се възхищаваше от космическите кораби с атомна енергия. Първият му научен съветник е A.I. Лейпунски и Игор, естествено, се занимаваха с неговата тема - бързите развъдчици.
Под Д.И. Блохинцев, група учени, сформирана около Бондаренко, които се обединиха, за да решат проблемите с използването на атомната енергия в космоса. В допълнение към Игор Илич Бондаренко, групата включва: Виктор Яковлевич Пупко, Едвин Александрович Стумбур и авторът на тези редове. Игор беше главният идеолог. Едуин провежда експериментални изследвания на наземни модели на ядрени реактори в космически инсталации. Занимавах се предимно с ракетни двигатели с „ниска тяга” (тягата в тях се създава от един вид ускорител – „йонно задвижващо устройство”, което се захранва от енергия от космическа ядрена електроцентрала). Проучихме процесите
течащи в йонни витла, на наземни стойки.
На Виктор Пупко (в бъдеще
той стана началник на отдела за космически технологии на IPPE) имаше много организационна работа. Игор Илич Бондаренко беше изключителен физик. Той фино усети експеримента, постави прости, елегантни и много ефективни експерименти. Мисля, че като никой друг експериментатор и може би дори няколко теоретици, „почувствах“ фундаменталната физика. Винаги отзивчив, открит и доброжелателен, Игор наистина беше душата на института. И до ден днешен IPPE живее с неговите идеи. Бондаренко е живял неоправдано кратък живот. През 1964 г., на 38-годишна възраст, той загива трагично поради лекарска грешка. Сякаш Бог, като видя колко много е направил човекът, реши, че вече е твърде много и заповяда: „Стига“.
Невъзможно е да не си припомним още един уникален човек - Владимир Александрович Малих, технолог "от Бога", модерен Лесковски левичар. Ако „продуктите“ на гореспоменатите учени са били предимно идеи и изчислени оценки на тяхната реалност, тогава творбите на Малих винаги са имали изход „в метал“. Неговият технологичен сектор, който по времето на разцвета на IPPE наброяваше повече от две хиляди служители, можеше без преувеличение всичко. Освен това самият той винаги е играл ключова роля.
V.A. Малих започва като лаборант в Изследователския институт по ядрена физика към Московския държавен университет, като в сърцето си има три курса по физика - войната не му позволява да завърши обучението си. В края на 40-те години той успява да създаде технология за производство на техническа керамика на базата на берилиев оксид, уникален материал, диелектрик с висока топлопроводимост. Преди Малих мнозина неуспешно се бориха за този проблем. А горивната клетка на основата на серийна неръждаема стомана и естествен уран, разработена от него за първата атомна електроцентрала, е чудо за това и дори днес. Или термоемисионната горивна клетка на реакторно-електрически генератор, проектиран от Малих за захранване на космически кораби – „гирлянд“. Досега нищо по-добро не се е появило в тази област. Творенията на Малих не бяха демонстрационни играчки, а елементи на ядрената технология. Работили са месеци и години. Владимир Александрович става доктор на техническите науки, лауреат на Ленинската награда, Герой на социалистическия труд. През 1964 г. той трагично загива от последиците от военен шок.
Стъпка по стъпка
S.P. Королев и Д.И. Блохинцев отдавна е мечтал за пилотиран полет в космоса. Между тях са установени тесни работни връзки. Но в началото на 50-те години, в разгара на Студената война, средствата бяха спестени само за военни цели. Ракетната технология се смяташе само за носител на ядрени заряди и дори не мислеха за спътници. Междувременно Бондаренко, знаейки за последните постижения на ракетните учени, упорито се застъпва за създаването на изкуствен спътник на Земята. Впоследствие никой не се сети за това.
Любопитна е историята на създаването на ракетата, която издигна в космоса първия космонавт на планетата Юрий Гагарин. Свързва се с името на Андрей Дмитриевич Сахаров. В края на 40-те години на миналия век той разработва комбиниран термоядрен заряд на делене - "пуф", очевидно независимо от "бащата на водородната бомба" Едуард Телър, който предлага подобен продукт, наречен "будилник". Телър обаче скоро разбра, че ядреният заряд на такава схема ще има „ограничена“ мощност, не повече от ~ 500 килотона тол еквивалент. Това не е достатъчно за „абсолютно“ оръжие, така че „будилникът“ беше изоставен. В Съветския съюз през 1953 г. са взривени бутер RDS-6 на Сахаров.
След успешни тестове и избора на Сахаров за академик, тогавашният ръководител на Министерството на средното машиностроене В.А. Малишев го покани на мястото си и постави задачата да определи параметрите на бомбата от следващото поколение. Андрей Дмитриевич оцени (без подробно проучване) теглото на новия, много по-мощен заряд. Докладът на Сахаров е в основата на постановлението на ЦК на КПСС и Министерския съвет на СССР, което задължава С.П. Королев да разработи балистична ракета-носител за този заряд. Именно тази ракета R-7, наречена Восток, изстреля в орбита изкуствен спътник на Земята през 1957 г. и космически кораб с Юрий Гагарин през 1961 г. Вече не се планираше да се използва като носител на тежък ядрен заряд, тъй като развитието на термоядрените оръжия тръгна по различен път.
В началния етап на космическата ядрена програма IPPE, заедно с конструкторското бюро V.N. Челомея разработи ядрена крилата ракета. Тази посока не се развива дълго и завърши с изчисления и тестване на елементи на двигателя, създадени в отдела на V.A. Малиха. Всъщност ставаше дума за нисколетящ безпилотен самолет с прямоточен ядрен двигател и ядрена бойна глава (един вид ядрен аналог на „бръмчащата буболечка“ – немския V-1). Системата е стартирана с помощта на конвенционални ракетни ускорители. След достигане на зададената скорост, тягата се създава от атмосферен въздух, нагрят от верижната реакция на делене на берилиев оксид, импрегниран с обогатен уран.
Най-общо казано, способността на ракетата да изпълнява определена астронавтична задача се определя от скоростта, която тя придобива след използване на целия запас от работния флуид (гориво и окислител). Изчислява се по формулата на Циолковски: V = c × lnMn / Mk, където c е скоростта на изтичане на работния флуид, а Mn и Mk са началната и крайната маса на ракетата. При конвенционалните химически ракети скоростта на потока се определя от температурата в горивната камера, вида на горивото и окислителя и молекулното тегло на продуктите от горенето. Например, американците са използвали водород като гориво в спускащия се апарат за кацане на астронавти на Луната. Продуктът от неговото изгаряне е вода, чието молекулно тегло е сравнително ниско, а дебитът е 1,3 пъти по-висок, отколкото при изгаряне на керосин. Това е достатъчно спускащият се апарат с астронавтите да достигне повърхността на Луната и след това да ги върне в орбитата на своя изкуствен спътник. При Королев работата с водородно гориво е преустановена заради авария със загинали. Нямахме време да създадем превозно средство за спускане на Луната за хората.
Един от начините за значително увеличаване на скоростта на изтичане е създаването на ядрени термични ракети. Имахме балистични атомни ракети (BAR) с обсег на действие няколко хиляди километра (съвместен проект на ОКБ-1 и IPPE), докато американците имаха подобни системи от типа Kiwi. Двигателите са тествани на полигони близо до Семипалатинск и в Невада. Принципът на тяхното действие е следният: водородът се нагрява в ядрен реактор до високи температури, преминава в атомно състояние и вече в тази форма изтича от ракетата. В този случай скоростта на изтичане се увеличава повече от четири пъти в сравнение с химическа водородна ракета. Въпросът беше да се разбере до каква температура може да се нагрее водородът в реактор с твърда горивна клетка. Изчисленията дават около 3000 ° K.
В НИИ-1, чийто научен ръководител е Мстислав Всеволодович Келдиш (тогава президент на Академията на науките на СССР), отделът на V.M. Иевлев, с участието на IPPE, беше ангажиран с абсолютно фантастична схема - газофазен реактор, в който протича верижна реакция в газова смес от уран и водород. От такъв реактор водородът изтича десет пъти по-бързо, отколкото от твърдо гориво, докато уранът се отделя и остава в активната зона. Една от идеите включваше използването на центробежно разделяне, когато гореща газова смес от уран и водород се „завихря“ от входящия студен водород, в резултат на което уранът и водородът се разделят, като в центрофуга. Иевлев всъщност се опита да възпроизведе директно процесите в горивната камера на химическа ракета, използвайки като източник на енергия не топлината на изгаряне на горивото, а верижна реакция на делене. Това проправи пътя за пълно използване на енергийната интензивност на атомните ядра. Но въпросът за възможността за изтичане на чист водород (без уран) от реактора остана нерешен, да не говорим за техническите проблеми, свързани със задържането на високотемпературни газови смеси при налягане от стотици атмосфери.
Работата на IPPE по балистични атомни ракети е завършена през 1969-1970 г. с „огневи тестове“ на полигона в Семипалатинск на прототип на ядрен ракетен двигател с твърди горивни клетки. Той е създаден от IPPE в сътрудничество с A.D. Конопатов, Московски изследователски институт-1 и редица други технологични групи. Основата на двигателя с тяга от 3,6 тона беше ядрен реактор IR-100 с горивни клетки, изработени от твърд разтвор на уранов карбид и циркониев карбид. Температурата на водорода достига 3000 ° К при мощност на реактора ~ 170 MW.
Ядрени ракети с ниска тяга
Досега говорихме за ракети с тяга, превишаваща теглото им, които биха могли да бъдат изстреляни от повърхността на Земята. В такива системи увеличаването на дебита позволява да се намали запасът от работния флуид, да се увеличи полезният товар и да се изостави многостепенната система. Въпреки това, има начини за постигане на практически неограничени скорости на потока, например ускоряване на материята от електромагнитни полета. Работя в тази област в близък контакт с Игор Бондаренко от почти 15 години.
Ускорението на ракета с електрически реактивен двигател (ERE) се определя от съотношението на специфичната мощност на инсталираната върху тях космическа ядрена електроцентрала (KNPP) към скоростта на изтичане. В обозримо бъдеще специфичните мощности на АЕЦ „Козлодуй” очевидно няма да надвишават 1 kW/kg. В този случай е възможно да се създават ракети с ниска тяга, десетки и стотици пъти по-малка от теглото на ракетата, и с много нисък разход на работната течност. Такава ракета може да стартира само от орбитата на изкуствен спътник на Земята и, бавно ускорявайки се, да достигне високи скорости.
За полети в рамките на Слънчевата система са необходими ракети със скорост на изтичане 50-500 km / s, а за полети до звездите са необходими "фотонични ракети", които надхвърлят нашето въображение със скорост на изтичане, равна на скоростта на светлината . За да се осъществи по някакъв начин разумен във времето космически полет на дълги разстояния, е необходима невъобразима специфична мощност на електроцентралите. Въпреки че е невъзможно дори да си представим на какви физически процеси могат да се основават те.
Изчисленията показаха, че по време на Голямата конфронтация, когато Земята и Марс са най-близо един до друг, е възможно за една година ядрен космически кораб с екипаж да се прелети до Марс и да се върне в орбитата на изкуствен спътник на Земята. Общото тегло на такъв кораб е около 5 тона (включително запаса от работния флуид - цезий, равен на 1,6 тона). Тя се определя основно от масата на 5 MW АЕЦ „Козлодуй”, а струйната тяга се определя от двумегаватов лъч цезиеви йони с енергия 7 keV*. Космическият кораб тръгва от орбитата на изкуствен спътник на Земята, влиза в орбитата на спътника на Марс и ще трябва да се спусне на повърхността му на устройство с водороден химически двигател, подобен на американския лунен.
Тази посока, базирана на технически решения, които вече са възможни днес, беше обект на голяма серия от IPPE работи.
Йонни двигатели
В онези години се обсъждаха начините за създаване на различни електроджетни задвижващи устройства за космически кораби, като "плазмени оръдия", електростатични ускорители на "прах" или течни капчици. Нито една от идеите обаче нямаше ясна физическа основа. Находката е повърхностна йонизация на цезий.
Още през 20-те години на миналия век американският физик Ървинг Лангмюър открива повърхностната йонизация на алкалните метали. Когато един цезиев атом се изпари от повърхността на метал (в нашия случай волфрам), за който работната функция на електроните е по-голяма от йонизационния потенциал на цезия, той губи слабо свързан електрон в почти 100% от случаите и се оказва да бъде еднозареден йон. По този начин повърхностната йонизация на цезий върху волфрам е физическият процес, който прави възможно създаването на йонно задвижващо устройство с почти 100% използване на работния флуид и с енергийна ефективност, близка до единица.
Важна роля в създаването на модели на йонно задвижващо устройство по такава схема изигра нашият колега Стал Яковлевич Лебедев. С желязната си упоритост и постоянство той преодоля всички препятствия. В резултат на това беше възможно да се възпроизведе в метала плоска триелектродна схема на йонното задвижващо устройство. Първият електрод е волфрамова плоча с размери приблизително 10 × 10 cm с потенциал +7 kV, вторият е волфрамова решетка с потенциал -3 kV, а третият е решетка от ториран волфрам с нулев потенциал. „Молекулярният пистолет“ произведе лъч цезиеви пари, които паднаха през всички решетки върху повърхността на волфрамовата плоча. Балансирана и калибрирана метална пластина, така наречената везна, беше използвана за измерване на „силата“, тоест тягата на йонния лъч.
Ускоряващото напрежение към първата решетка ускорява цезиевите йони до 10 000 eV, забавящото напрежение към втората ги забавя до 7000 eV. Това е енергията, с която йоните трябва да напуснат задвижващото устройство, което съответства на скорост на изтичане от 100 km / s. Но йонният лъч, ограничен от космическия заряд, не може да "излезе в космоса". Обемният заряд на йоните трябва да бъде компенсиран от електрони, за да се образува квазинеутрална плазма, която свободно се разпространява в пространството и създава реактивна тяга. Третата решетка (катод), нагрята от тока, служи като източник на електрони за компенсиране на пространствения заряд на йонния лъч. Втората, "блокираща" решетка предотвратява навлизането на електрони от катода към волфрамова плоча.
Първият опит с модела за йонно задвижване бележи началото на повече от десет години работа. Един от най-новите модели - с порест волфрамов емитер, създаден през 1965 г., дава "тяга" от около 20 g при ток на йонен лъч от 20 A, имаше коефициент на използване на енергия около 90% и на материя - 95% .
Директно преобразуване на ядрената топлина в електричество
Все още не са открити начини за директно преобразуване на енергията на ядрено делене в електрическа енергия. Все още не можем без междинна връзка - топлинен двигател. Тъй като неговата ефективност винаги е по-малка от единица, „отпадната“ топлина трябва да се изхвърля някъде. На сушата, във водата и във въздуха това не е проблем. В космоса има само един начин - топлинно излъчване. Така АЕЦ „Козлодуй” не може без „охладител-радиатор”. Плътността на излъчване е пропорционална на четвъртата степен на абсолютната температура, следователно температурата на радиатора-хладилник трябва да бъде възможно най-висока. Тогава ще бъде възможно да се намали площта на излъчващата повърхност и съответно масата на електроцентралата. Имахме идея да използваме „директното“ преобразуване на ядрената топлина в електричество, без турбина и генератор, което изглеждаше по-надеждно при продължителна работа при високи температури.
От литературата знаехме за произведенията на A.F. Йофе - основателят на съветската школа по техническа физика, пионер в изучаването на полупроводниците в СССР. Сега малко хора си спомнят за разработените от него настоящи източници, използвани по време на Великата отечествена война. Тогава повече от един партизански отряд има връзка с континента благодарение на „керосиновите” ТЕГ – термоелектрически генератори на Йофе. „Корона“ от TEG (това беше набор от полупроводникови елементи) беше поставена върху керосинова лампа, а проводниците й бяха свързани към радиооборудване. „Горещите“ краища на елементите се нагряват от пламъка на керосинова лампа, а „студените“ краища се охлаждат на въздух. Топлинният поток, преминаващ през полупроводника, генерира електродвижеща сила, която е достатъчна за комуникационна сесия, а в интервалите между тях TEG зарежда батерията. Когато десет години след Победата посетихме московския завод за ТЕГ, се оказа, че те все още намират продажби. По това време много от жителите на селото имаха енергийно ефективни радиостанции „Родина“ с директни лампи с нажежаема жичка и работещи на батерии. Вместо това често се използват TEG.
Проблемът с керосиновия TEG е неговата ниска ефективност (само около 3,5%) и ниска гранична температура (350 ° K). Но простотата и надеждността на тези устройства привлече разработчиците. По този начин полупроводниковите преобразуватели, разработени от групата на I.G. Гвердците от Сухумския физико-технически институт, намери приложение в космически инсталации от типа Бук.
По едно време А.Ф. Йофе предложи друг термионичен преобразувател - диод във вакуум. Принципът на неговата работа е следният: нагрят катод излъчва електрони, някои от тях, преодолявайки потенциала на анода, вършат работа. От това устройство се очакваше значително по-висока ефективност (20-25%) при работна температура над 1000 ° K. Освен това, за разлика от полупроводника, вакуумният диод не се страхува от неутронно излъчване и може да се комбинира с ядрен реактор. Оказа се обаче, че е невъзможно да се осъществи идеята за „вакумен“ преобразувател на Йофе. Както при йонно задвижващо устройство, във вакуумен преобразувател трябва да се отървете от пространствения заряд, но този път не йони, а електрони. А.Ф. Йофе предложи да се използват микронни междини между катода и анода във вакуумен преобразувател, което е практически невъзможно при условия на високи температури и термични деформации. Тук цезият беше полезен: един цезиев йон, получен поради йонизация на повърхността на катода, компенсира обемния заряд от около 500 електрона! По същество цезиевият преобразувател е „обратно“ йонно задвижващо устройство. Физическите процеси в тях са сходни.
"Гирлянди" от V.A. Малиха
Един от резултатите от работата на IPPE върху термоелектронни преобразуватели е създаването на V.A. Малко и серийно производство в отдела на горивни елементи от последователно свързани термоелектронни преобразуватели - "гирлянди" за реактора Топаз. Те дадоха до 30 V - сто пъти повече от едноелементните преобразуватели, създадени от "конкуриращи се организации" - ленинградската група на MB Барабаш и по-късно – от Института по атомна енергия. Това даде възможност да се „отстрани“ от реактора десетки и стотици пъти повече мощност. Въпреки това, надеждността на системата, натъпкана с хиляди термоелектронни елементи, предизвика опасения. В същото време парните и газовите турбинни централи работеха без прекъсвания, така че обърнахме внимание на „машинното“ преобразуване на ядрената топлина в електричество.
Цялата трудност беше в ресурса, защото при полети в дълбок космос турбогенераторите трябва да работят година, две или дори няколко години. За да се намали износването, „оборотите“ (оборотите на турбината) трябва да бъдат възможно най-ниски. От друга страна, турбината работи ефективно, ако скоростта на молекулите на газа или парата е близка до скоростта на нейните лопатки. Затова първо разгледахме използването на най-тежката - живачни пари. Но бяхме уплашени от интензивната радиационно-стимулирана корозия на желязо и неръждаема стомана, която се случи в ядрен реактор, охладен с живак. За две седмици корозията „изяде“ горивните елементи на експерименталния бърз реактор Клементин в лабораторията Аргон (САЩ, 1949 г.) и реактора BR-2 в IPPE (СССР, Обнинск, 1956 г.).
Калиевите пари се оказаха примамливи. Реактор с кипящ калий в него формира основата на електроцентралата на космически кораб с ниска тяга, който разработвахме - калиевата пара въртеше турбогенератор. Този "машинен" метод за преобразуване на топлина в електричество позволява да се разчита на ефективност до 40%, докато реалните термоелектронни инсталации дават ефективност от само около 7%. Но АЕЦ „Козлодуй” с „машинно” преобразуване на ядрената топлина в електричество не са разработени. Случаят приключи с пускането на подробен доклад, всъщност - "физическа бележка" към техническия проект на космически кораб с ниска тяга за полет с екипаж до Марс. Самият проект така и не е разработен.
Мисля, че в бъдеще интересът към космическите полети с ядрени ракетни двигатели просто изчезна. След смъртта на Сергей Павлович Королев подкрепата за работата на IPPE върху системите за йонно задвижване и „машинните“ атомни електроцентрали забележимо отслабна. ОКБ-1 се ръководеше от Валентин Петрович Глушко, който не се интересуваше от смели обещаващи проекти. Създаденото от него ОКБ „Енергия“ построи мощни химически ракети и космическия кораб „Буран“, който ще се върне на Земята.
"Бук" и "Топаз" на сателитите от поредицата "Космос".
Работата по създаването на АЕЦ „Козлодуй” с директно преобразуване на топлинна енергия в електрическа, сега като източници на енергия за мощни радиотехнически спътници (космически радарни станции и телевизионни оператори), продължи до началото на преструктурирането. От 1970 до 1988 г. в космоса са изстреляни около 30 радарни спътника с атомни електроцентрали "Бук" с полупроводникови преобразуватели и два с термоемисионни централи "Топаз". "Бук" всъщност беше TEG - полупроводников преобразувател на Йофе, само че вместо керосинова лампа използваше ядрен реактор. Това беше бърз реактор с мощност до 100 kW. Пълният товар на високообогатен уран беше около 30 кг. Топлината от сърцевината се предава от течен метал - евтектична сплав от натрий и калий към полупроводникови батерии. Електрическата мощност достигна 5 kW.
Инсталация "Бук" под научното ръководство на IPPE е разработена от експерти от ОКБ-670 ММ. Бондарюк, по-късно - НПО Красная звезда (главен дизайнер - Г. М. Грязнов). На Днепропетровското конструкторско бюро Южмаш (главен конструктор - М. К. Янгел) беше възложено да създаде ракета-носител за извеждане на спътника в орбита.
Работно време на "Бук" - 1-3 месеца. Ако инсталацията се провали, спътникът се прехвърля на дългосрочна орбита с височина 1000 км. За почти 20 години изстрелвания има три случая на падане на спътник на Земята: два - в океана и един - на сушата, в Канада, в близост до Голямото робско езеро. Космос-954, изстрелян на 24 януари 1978 г., падна там. Работил е 3,5 месеца. Урановите елементи на спътника бяха напълно изгорени в атмосферата. На земята са открити само останки от берилиев рефлектор и полупроводникови батерии. (Всички тези данни са дадени в съвместния доклад на атомните комисии на САЩ и Канада за операция Morning Light.)
В АЕЦ „Топаз” е използван термичен реактор с мощност до 150 kW. Пълното натоварване с уран беше около 12 кг - значително по-малко от това на Бук. Ядрото на реактора бяха горивни елементи - "гирлянди", разработени и произведени от групата на Малих. Те представляваха верига от термоелементи: катодът беше „напръстник“ от волфрам или молибден, пълен с уранов оксид, а анодът беше тънкостенна ниобиева тръба, охладена с течен натрий-калий. Температурата на катода достигна 1650 ° C. Електрическата мощност на инсталацията достигна 10 kW.
Първият полетен прототип, спътникът Космос-1818 с инсталацията Топаз, влиза в орбита на 2 февруари 1987 г. и работи безотказно в продължение на шест месеца, докато запасите от цезий не се изчерпват. Вторият спътник, Космос-1876, беше изстрелян година по-късно. Той работи в орбита почти два пъти по-дълго. Основният разработчик на "Топаз" беше ОКБ ММЗ "Союз", ръководен от С.К. Тумански (бивше конструкторско бюро на конструктора на самолетни двигатели A.A.Mikulin).
Това беше в края на 50-те години на миналия век, когато ние работехме върху йонната задвижваща система, а той работеше върху третата степен на двигателя, предназначена за ракета, която трябваше да лети около луната и да кацне върху нея. Спомените за лабораторията на Мелников са пресни и до днес. Намираше се в Подлипки (днес гр. Королев), на площадка No 3 на ОКБ-1. Огромна работилница с площ от около 3000 m2, облицована с десетки бюра с осцилоскопи, записващи на 100 mm ролкова хартия (това беше все още отминала ера, днес един персонален компютър би бил достатъчен). На предната стена на цеха има стойка, където е монтирана горивната камера на "лунния" ракетен двигател. Осцилоскопите са свързани към хиляди проводници от сензори за скорост на газ, налягане, температура и други параметри. Денят започва в 9.00 със запалване на двигателя. Работи няколко минути, след което веднага след спиране екип от механици от първа смяна го демонтира, внимателно оглежда и измерва горивната камера. В същото време се анализират осцилоскопските ленти и се дават препоръки за промени в дизайна. Втора смяна - проектантите и работниците в цеха правят препоръчаните промени. На трета смяна на щанда се монтира нова горивна камера и диагностична система. Ден по-късно, точно в 9.00 часа, ще се проведе следващото заседание. И така без почивни дни седмици, месеци. Над 300 опции на двигателя годишно!
Така се създават двигателите на химическите ракети, които трябва да работят само 20-30 минути. Какво да кажем за изпитанията и модификациите на атомните електроцентрали - изчислението беше, че те трябва да работят повече от една година. Това изискваше наистина гигантски усилия.
Ракетните двигатели с течно гориво дадоха на човека възможност да отиде в космоса - в околоземни орбити. Такива ракети обаче изгарят 99% от горивото в първите минути на полет. Останалото гориво може да не е достатъчно за пътуване до други планети, а скоростта ще бъде толкова ниска, че пътуването ще отнеме десетки или стотици години. Ядрените двигатели могат да решат проблема. Как? Нека го разберем заедно.
Принципът на работа на реактивния двигател е много прост: той преобразува горивото в кинетичната енергия на струята (законът за запазване на енергията), поради посоката на тази струя, ракетата се движи в пространството (законът за запазване на инерция). Важно е да се разбере, че не можем да ускорим ракета или самолет до скорост, по-висока от скоростта на изтичане на горивото - горещ газ, изхвърлен обратно.
Космически кораб New Horizons
Какво отличава ефективния двигател от неуспешен или остарял аналог?На първо място, колко гориво е необходимо на двигателя, за да ускори ракетата до желаната скорост. Този най-важен параметър на ракетния двигател се нарича специфичен импулс, което се определя като съотношението на общия импулс към разхода на гориво: колкото по-висок е този показател, толкова по-ефективен е ракетният двигател. Ако ракетата се състои почти изцяло от гориво (това означава, че в нея няма място за полезния товар, граничният случай), специфичният импулс може да се счита за равен на скоростта на изтичане на горивото (работната течност) от дюзата на ракетата. Изстрелването на ракета е изключително скъпо начинание, отчита се всеки грам не само полезен товар, но и гориво, което също тежи и заема място. Ето защо инженерите избират все по-активно гориво, чийто агрегат би дал максимална възвръщаемост, увеличавайки специфичния импулс.
По-голямата част от ракетите в историята и съвременността са били оборудвани с двигатели, които използват химическа реакция на изгаряне (окисляване) на гориво.
Те направиха възможно достигането до Луната, Венера, Марс и дори до планетите от далечния пояс - Юпитер, Сатурн и Нептун. Вярно е, че космическите експедиции отнеха месеци и години (автоматични станции Pioneer, Voyager, New Horizons и др.). Трябва да се отбележи, че всички подобни ракети изразходват значителна част от горивото, за да излетят от Земята, и след това продължават да летят по инерция с редки моменти, когато двигателят е включен.
Космически кораб Pioneer
Такива двигатели са подходящи за изстрелване на ракети в ниска земна орбита, но за да се ускори до поне една четвърт от скоростта на светлината, ще е необходимо невероятно количество гориво (изчисленията показват, че са необходими 103 200 грама гориво, въпреки фактът, че масата на нашата Галактика е не повече от 1056 грама). Очевидно, за да достигнем до най-близките планети и още повече звезди, се нуждаем от достатъчно високи скорости, които ракетите с течно гориво не могат да осигурят.
Газофазен ядрен двигател
Дълбокият космос е съвсем друг въпрос. Да вземем например Марс, „обитаван“ от писатели на научна фантастика от другата страна: той е добре проучен и научно обещаващ, и най-важното е, че е близо като никой друг. Въпросът е в "космическия автобус", който ще може да достави екипажа там в разумно време, тоест възможно най-бързо. Но има проблеми с междупланетния транспорт. Трудно е да се ускори до желаната скорост, като същевременно се поддържа приемлив размер и се харчи разумно количество гориво.
RS-25 (Rocket System 25) - ракетен двигател с течно гориво Rocketdyne, САЩ. Използван е на планер на космическата совалка, всеки от които е оборудван с три такива двигателя. По-известен като SSME (главен двигател на космическата совалка). Основните компоненти на горивото са течен кислород (окислител) и водород (гориво). RS-25 използва схема със затворена верига (с доизгаряне на генераторен газ).
Решението може да бъде "мирен атом", който бута космически кораби. Инженерите започнаха да мислят за създаване на леко и компактно устройство, способно да изведе поне себе си в орбита още в края на 50-те години на миналия век. Основната разлика между ядрените двигатели и ракетите с двигатели с вътрешно горене е, че кинетичната енергия се получава не поради изгарянето на горивото, а поради топлинната енергия от разпада на радиоактивните елементи. Нека сравним тези подходи.
От течни двигателиизлиза нажежен "коктейл" от отработени газове (законът за запазване на инерцията), образуван по време на реакцията на горивото и окислителя (законът за запазване на енергията). В повечето случаи това е комбинация от кислород и водород (резултатът от горенето на водорода е обикновена вода). H2O има много по-висока моларна маса от водорода или хелия, така че е по-трудно да се ускори, специфичният импулс за такъв двигател е 4500 m / s.
Наземни тестове на НАСА на нова система за изстрелване на космически ракети, 2016 г. (Юта, САЩ). Тези двигатели ще бъдат инсталирани на космическия кораб Орион, на който е планирана мисия до Марс.
V ядрени двигателипредлага се да се използва само водород и да се ускори (затопля) поради енергията на ядрения разпад. По този начин има спестяване на окислителя (кислорода), което вече е страхотно, но не всички. Тъй като водородът има относително ниско специфично тегло, за нас е по-лесно да го ускорим до по-високи скорости. Разбира се, можете да използвате и други чувствителни на топлина газове (хелий, аргон, амоняк и метан), но всички те са поне два пъти по-лоши от водорода в най-важното - постижим специфичен импулс (повече от 8 km / с).
Така че струва ли си да го загубите? Печалбата е толкова голяма, че инженерите не се възпират от сложността на дизайна и контрола на реактора, или от голямото му тегло, или дори от радиационната опасност. Освен това никой няма да тръгне от повърхността на Земята - сглобяването на такива кораби ще се извършва в орбита.
"Летящ" реактор
Как работи ядрен двигател? Реакторът в космически двигател е много по-малък и по-компактен от наземните си колеги, но всички основни компоненти и механизми за управление са по същество еднакви. Реакторът действа като нагревател, в който се подава течен водород. Температурите в ядрото достигат (и могат да надхвърлят) 3000 градуса. След това нагрятият газ се освобождава през дюзата.
Такива реактори обаче излъчват вредни лъчения. За да се защитят екипажът и множеството електронно оборудване от радиация, са необходими обширни мерки. Следователно проектите на междупланетни кораби с ядрен двигател често приличат на чадър: двигателят е разположен в екраниран отделен блок, свързан към основния модул чрез дълга ферма или тръба.
"Горивна камера"Ядрото на реактора служи като ядрен двигател, в който подаваният под високо налягане водород се нагрява до 3000 и повече градуса. Тази граница се определя само от топлоустойчивостта на материалите на реактора и свойствата на горивото, въпреки че повишаването на температурата увеличава специфичния импулс.
Горивни елементи- това са термоустойчиви оребрени (за увеличаване на топлопреминаващата площ) цилиндри - "чаши", пълни с уранови пелети. Те се „измиват“ от газовия поток, който играе ролята както на работния флуид, така и на охлаждащата течност на реактора. Цялата конструкция е изолирана с берилиеви рефлекторни екрани, които не отделят опасна радиация навън. Специални въртящи се барабани са разположени до екраните за контрол на генерирането на топлина.
Има редица обещаващи проекти на ядрени ракетни двигатели, чието изпълнение е в очакване. В края на краищата те ще се използват главно в междупланетни пътувания, което очевидно не е далеч.
Проекти за ядрен двигател
Тези проекти бяха замразени по различни причини - липса на пари, структурна сложност или дори необходимост от сглобяване и инсталиране в открито пространство.
"ORION" (САЩ, 1950-1960)
Проектът на пилотиран ядрено-импулсен космически кораб ("взрив") за изследване на междупланетното и междузвездното пространство.
Принцип на действие.От корабния двигател в посока на противоположния полет се изхвърля ядрен заряд от малък еквивалент и се детонира на относително малко разстояние от кораба (до 100 m). Силата на удара се отразява от масивната отразяваща плоча в опашката на кораба, като го „бута“ напред.
"PROMETHEUS" (САЩ, 2002-2005)
Проект на космическата агенция НАСА за разработване на ядрен двигател за космически кораб.
Принцип на действие.Двигателят на космическия кораб е трябвало да се състои от йонизирани частици, които създават тяга, и компактен ядрен реактор, който осигурява енергия на централата. Йонният двигател създава тяга от порядъка на 60 грама, но ще може да работи постоянно. В крайна сметка корабът постепенно ще може да набере огромна скорост - 50 km / s, като изразходва минимално количество енергия.
"ПЛУТОН" (САЩ, 1957-1964)
Проект за разработване на ядрен воздушно-реактивен двигател.
Принцип на действие.Въздухът през предната част на превозното средство влиза в ядрения реактор, в който се нагрява. Горещият въздух се разширява, набира висока скорост и се изпуска през дюзата, осигурявайки необходимата тяга.
NERVA (САЩ, 1952-1972)
(англ. Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application) е съвместна програма на Комисията по атомна енергия на САЩ и НАСА за създаване на ядрен ракетен двигател.
Принцип на действие.Течният хидрогел се подава в специално отделение, където се нагрява от ядрен реактор. Горещият газ се разширява и се освобождава от дюзата, създавайки тяга.