Как работи ядрен двигател за космоса? Ядрени двигатели за космически кораби
Александър Лосев
Бързо развитие на ракетно-космическата техника през 20 вексе определяше от военно-стратегическите, политическите и до известна степен идеологическите цели и интереси на двете суперсили - СССР и САЩ, като всички държавни космически програми бяха продължение на техните военни проекти, където основна задачаимаше нужда да се осигури отбранителна способност и стратегически паритет с потенциален враг. Разходите за създаване на оборудване и оперативните разходи тогава не бяха от основно значение. Огромни ресурси бяха отделени за създаването на ракети-носители и космически кораби, а 108-минутният полет на Юрий Гагарин през 1961 г. и телевизионното предаване на Нийл Армстронг и Бъз Олдрин от повърхността на Луната през 1969 г. не бяха просто триумфи на научно-технически Мислеха, че те също се считат за стратегически победи в битките от Студената война.
Но след като Съветският съюз се разпадна и отпадна от надпреварата за световно лидерство, неговите геополитически опоненти, преди всичко Съединените щати, вече нямаха нужда да реализират престижни, но изключително скъпи космически проекти, за да докажат на целия свят превъзходството на Запада икономическа системаи идеологически концепции.
През 90-те години основните политически задачи от предишните години загубиха актуалност, блоковата конфронтация беше заменена от глобализация, прагматизмът надделя в света, така че повечето космически програми бяха съкратени или отложени; само МКС остана като наследство от мащабните проекти на миналото. Освен това западната демокрация достави всичко скъпо държавни програмив зависимост от изборните цикли.
Подкрепата на гласоподавателите, необходима за получаване или запазване на властта, принуждава политиците, парламентите и правителствата да клонят към популизма и да решават краткосрочни проблеми, така че разходите за изследване на космоса намаляват година след година.
Повечето от фундаменталните открития са направени през първата половина на ХХ век, а в наши дни науката и технологиите са достигнали определени граници, освен това популярността на научните знания е намаляла в целия свят, а качеството на преподаване на математика, физика и др. се е влошил. природни науки. Това се превърна в причина за стагнацията, включително в космическия сектор, през последните две десетилетия.
Но сега става очевидно, че светът се приближава към края на друг технологичен цикъл, основан на откритията от миналия век. Следователно всяка сила, която ще притежава фундаментално нови обещаващи технологии по време на промяна в глобалната технологична структура, автоматично ще осигури глобално лидерство поне за следващите петдесет години.
Основен дизайн на ядрен задвижващ двигател с водород като работна течност
Това се осъзнава както в САЩ, поели курс за възраждане на американското величие във всички сфери на дейност, така и в Китай, който предизвиква американската хегемония, и в Европейския съюз, който с всички сили се опитва да запази тежестта си в световната икономика.
Съществува индустриална политикаи са сериозно ангажирани с развитието на собствения си научен, технически и производствен потенциал, а космическата сфера може да се превърне в най-добрия полигон за тестване на нови технологии и за доказване или опровергаване на научни хипотези, които могат да положат основата за създаването на фундаментално различен , по-модерна технология на бъдещето.
И съвсем естествено е да се очаква, че САЩ ще бъдат първата страна, в която ще бъдат възобновени проекти за изследване на дълбокия космос с цел създаване на уникални иновативни технологии в областта на оръжията, транспорта и структурните материали, както и в биомедицината и телекомуникациите.
Вярно е, че дори Съединените щати нямат гарантиран успех в създаването на революционни технологии. Има голям риск да се окажете в задънена улица, когато подобрявате половинвековни ракетни двигатели, базирани на химическо гориво, както прави SpaceX на Илон Мъск, или когато създавате животоподдържащи системи за дълги полети, подобни на тези, които вече са внедрени в МКС.
Може ли Русия, чиято стагнация в космическия сектор става все по-забележима всяка година, да направи скок 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 енергетика и в технологиите за ядрени ракетни двигатели, въпреки хроничното недофинансиране на космическата индустрия.
Бъдещето на астронавтиката е използването ядрена енергия. За да разберем как са свързани ядрените технологии и космоса, е необходимо да разгледаме 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 течни ракетни двигатели, в техните горивни камери горивните компоненти (гориво и окислител) влизат в екзотермична физика. химическа реакцияизгаряне, образуват струйна струя, която всяка секунда изхвърля тонове вещество от дюзата на двигателя. Кинетичната енергия на работната течност на струята се преобразува в реактивна сила, достатъчна за задвижване на ракетата. Специфичният импулс (отношението на генерираната 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 газовата смес, изхвърлена през дюза на двигателя.
И колкото по-висока е температурата на веществото и налягането вътре в горивната камера, толкова по-ниско молекулна масагаз, толкова по-висок е специфичният импулс, а оттам и ефективността на двигателя. Специфичният импулс е количество движение и обикновено се измерва в метри в секунда, точно както скоростта.
В химическите двигатели най-високият специфичен импулс се осигурява от горивни смеси кислород-водород и флуор-водород (4500–4700 m/s), но най-популярни (и удобни за работа) са станали ракетните двигатели, работещи с керосин и кислород, за например ракетите Союз и Falcon на Мъск, както и двигатели, използващи несиметричен диметилхидразин (UDMH) с окислител под формата на смес от азотен тетроксид и азотна киселина(Съветски и руски Протон, френски Ариан, американски Титан). Ефективността им е 1,5 пъти по-ниска от тази на двигателите с водородно гориво, но импулс от 3000 m/s и мощност са напълно достатъчни, за да бъде икономически изгодно извеждането на тонове полезен товар в околоземни орбити.
Но полетите до други планети изискват много по-голям размер Космически корабиотколкото всичко, създадено от човечеството преди, включително модулната МКС. В тези кораби е необходимо да се осигури дългосрочно автономно съществуване на екипажите и определен запас от гориво и експлоатационен живот на основните двигатели и двигатели за маневри и корекция на орбитата, за да се осигури доставката на астронавти в специален модул за кацане. до повърхността на друга планета и връщането им на основния транспортен кораб, а след това и връщането на експедицията на Земята.
Натрупаните инженерни знания и химическата енергия на двигателите позволяват връщането на Луната и достигането на Марс, така че има голяма вероятност човечеството да посети Червената планета през следващото десетилетие.
Ако разчитаме само на съществуващите космически технологии, тогава минималната маса на обитаемия 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 от началото на 70-те години. , което означава, че ракетите-носители за извеждането им в референтни орбити за по-нататъшен полет до Марс ще бъдат много по-добри от Сатурн 5 (стартово тегло 2965 тона) от лунния проект Apollo или съветския носител Energia (стартово тегло 2400 тона). Ще бъде необходимо да се създаде междупланетен комплекс в орбита с тегло до 500 тона. Полетът на междупланетен кораб с химически ракетни двигатели ще изисква от 8 месеца до 1 година само в едната посока, защото ще трябва да правите гравитационни маневри, използвайки гравитационната сила на планетите и колосален запас от гориво, за да ускорите допълнително кораба .
Но използвайки химическата енергия на ракетните двигатели, човечеството няма да лети по-далеч от орбитата на Марс или Венера. Имаме нужда от различни скорости на полета на космически кораби и друга по-мощна енергия на движение.
Модерен дизайн на ядрен ракетен двигател Princeton Satellite Systems
За изследване на дълбокия космос е необходимо значително да се увеличи съотношението на тягата към теглото и ефективността на ракетния двигател и следователно да се увеличи неговият специфичен импулс и експлоатационен живот. И за това е необходимо да се нагрее газът или работната течност в камерата на двигателя с ниско ниво атомна масадо температури няколко пъти по-високи от температурата на химическо изгаряне на традиционните горивни смеси и това може да стане с помощта на ядрена реакция.
Ако вместо конвенционална горивна камера в ракетен двигател се постави ядрен реактор, в активната зона на който се подава вещество в течна или газообразна форма, тогава то ще се нагрее под високо наляганедо няколко хиляди градуса, ще започне да се изхвърля през канала на дюзата, създавайки реактивна тяга. Специфичният импулс на такъв ядрен реактивен двигател ще бъде няколко пъти по-голям от този на конвенционален с химически компоненти, което означава, че ефективността както на самия двигател, така и на ракетата-носител като цяло ще се увеличи многократно. В този случай няма да е необходим окислител за изгаряне на гориво и лекият водороден газ може да се използва като вещество, което създава реактивна тяга; ние знаем, че колкото по-ниска е молекулната маса на газа, толкова по-висок е импулсът и това значително ще намаляване на масата на ракетата при най-добри характеристикимощност 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 градуса по Келвин, а струя от такъв прегрят газ ще осигури много по-висок специфичен импулс, отколкото могат да осигурят конвенционалните химически двигатели . Но това е на теория.
Опасността дори не е, че при 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 когато високи температуриСамият 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 (ЯРД) вече имат своя история на създаване и експлоатация в космоса. Първото разработване на ядрени двигатели започва в средата на 50-те години на миналия век, тоест дори преди човешкия полет в космоса, и почти едновременно в СССР и САЩ, и самата идея за използване на ядрени реактори за отопление на работния вещество в ракетен двигател се ражда заедно с първите ректори в средата на 40-те години, тоест преди повече от 70 години.
В нашата страна инициаторът на създаването на ядрено задвижване беше термичният физик Виталий Михайлович Иевлев. През 1947 г. той представя проект, който е подкрепен от С. П. Королев, И. В. Курчатов и М. В. Келдиш. Първоначално се планираше да се използват такива двигатели за крилати ракети и след това да се инсталират на балистични ракети. Разработката е поета от водещите конструкторски бюра на отбраната на Съветския съюз, както и от изследователските институти NIITP, CIAM, IAE, VNIINM.
Съветският ядрен двигател РД-0410 е сглобен в средата на 60-те години във Воронежското конструкторско бюро за химическа автоматика, където са създадени повечето течни ракетни двигатели за космическа техника.
RD-0410 използва водород като работна течност, която в течна форма преминава през "охлаждаща риза", премахвайки излишната топлина от стените на дюзата и предотвратявайки разтопяването й, след което влиза в активната зона на реактора, където се нагрява до 3000K и се отделя през каналните дюзи, като по този начин преобразува топлинната енергия в кинетична и създава специфичен импулс от 9100 m/s.
В САЩ проектът за ядрено задвижване стартира през 1952 г., а първият действащ двигател е създаден през 1966 г. и е наречен NERVA (Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application). През 60-те и 70-те години Съветският съюз и САЩ се опитват да не отстъпват един на друг.
Вярно е, че и нашият RD-0410, и американският NERVA бяха твърдофазни ядрени двигатели (ядреното гориво на базата на уранови карбиди беше в твърдо състояние в реактора) и тяхната работна температура беше в диапазона 2300–3100K.
За да се повиши температурата на активната зона без риск от експлозия или стопяване на стените на реактора, е необходимо да се създадат такива условия на ядрена реакция, при които горивото (уран) преминава в газообразно състояние или се превръща в плазма и се задържа вътре в реактора чрез силно магнитно поле, без да докосвате стените. И тогава водородът, влизащ в активната зона на реактора, "обикаля" урана в газовата фаза и, превръщайки се в плазма, се изхвърля с много висока скорост през канала на дюзата.
Този тип двигател се нарича газофазов ядрен задвижващ двигател. Температурите на газообразното ураново гориво в такива ядрени двигатели могат да варират от 10 хиляди до 20 хиляди градуса по Келвин, а специфичният импулс може да достигне 50 000 m/s, което е 11 пъти по-високо от това на най-ефективните химически ракетни двигатели.
Създаването и използването на газови ядрени двигатели от отворен и затворен тип в космическите технологии е най-обещаващата посока в развитието на космическите ракетни двигатели и точно това, от което човечеството се нуждае, за да изследва планетите слънчева системаи техните спътници.
Първите изследвания на проекта за ядрено задвижване в газова фаза започват в СССР през 1957 г. в Научноизследователския институт по топлинни процеси (Национален изследователски център на името на М. В. Келдиш) и решението за разработване на ядрени космически електроцентрали на базата на ядрени реактори в газова фаза е направен през 1963 г. от академик В. П. Глушко (НПО Енергомаш), след което е одобрен с резолюция на ЦК на КПСС и Министерския съвет на СССР.
Разработването на газофазни ядрени задвижващи двигатели се извършва в Съветския съюз в продължение на две десетилетия, но, за съжаление, никога 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 стабилността на работата на газофазов 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 и натрупването 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 ядрения двигател беше отложен за неопределено време. съветски съюзНямаше достатъчно време и най-важното политическа воля и икономическа ефективност, за да приземим нашите космонавти на планетата Марс през 1994 г. Това би било неоспоримо 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 не може да бъде променена, заминалите учени и инженери не могат да бъдат върнати и изгубените знания не могат да бъдат възстановени. Много ще трябва да се създават наново.
Но космическата ядрена енергия не се ограничава само до сферата на твърдо- и газофазните ядрени двигатели. За да създадете нагрят поток от материя в реактивен двигател, можете да използвате електрическа енергия. Тази идея е изразена за първи път от Константин Едуардович Циолковски през 1903 г. в неговия труд „Изследване на световните пространства с помощта на реактивни инструменти“.
А първият електротермичен ракетен двигател в СССР е създаден през 30-те години на миналия век от Валентин Петрович Глушко, бъдещ академик на Академията на науките на СССР и ръководител на НПО „Енергия“.
Принципите на работа на електрическите ракетни двигатели могат да бъдат различни. Те обикновено се разделят на четири вида:
- електротермичен (нагряване или електрическа дъга). В тях газът се нагрява до температури 1000–5000K и се изхвърля от дюзата по същия начин, както в ядрен ракетен двигател.
- 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 реактивна тяга. Електростатичните двигатели също включват стационарни плазмени двигатели.
- 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 в резултат на изпарението на работния флуид при електрически разряд.
Предимството на тези електрически ракетни двигатели е ниската консумация на работна течност, 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 следователно ниска мощност, както и високата цена на работната течност (инертни газове или изпарения на алкални метали) за създаване на плазма.
Всички изброени видове електродвигатели са внедрени на практика и са били многократно използвани в космоса както на съветски, така и на американски космически кораби от средата на 60-те години, но поради ниската си мощност те са използвани главно като двигатели за корекция на орбитата.
От 1968 до 1988 г. СССР изстрелва цяла серия спътници Космос с ядрени инсталации на борда. Типовете реактори бяха наречени: "Бук", "Топаз" и "Енисей".
Реакторът по проекта Енисей имаше топлинна мощност до 135 kW и електрическа мощност около 5 kW. Охлаждащата течност беше натриево-калиева стопилка. Този проект е затворен през 1996 г.
Един истински задвижващ ракетен двигател изисква много мощен източник на енергия. А най-добрият източник на енергия за такива космически двигатели е ядреният реактор.
Ядрената енергетика е един от високотехнологичните отрасли, в който страната ни заема водеща позиция. А принципно нов ракетен двигател вече се създава в Русия и този проект е близо до успешно завършване през 2018 г. Летателните тестове са планирани за 2020 г.
И ако ядреното задвижване в газова фаза е тема за бъдещите десетилетия, към която ще трябва да се върнем след фундаментални изследвания, тогава днешната му алтернатива е система за ядрено задвижване от мегаватов клас (NPPU) и тя вече е създадена от Росатом и Предприятията на Роскосмос от 2009 г.
НПО Красная звезда, която в момента е единственият в света разработчик и производител на космически атомни електроцентрали, както и Изследователският център на името на А. М. В. Келдиш, НИКИЕТ им. N.A. Dollezhala, Научноизследователски институт NPO "Luch", "Kurchatov Institute", IRM, IPPE, RIAR и NPO Mashinostroeniya.
Системата за задвижване на ядрената енергия включва високотемпературен ядрен реактор с бързи неутрони с газово охлаждане с турбомашинна система за преобразуване на топлинна енергия в електрическа енергия, система от хладилни излъчватели за отстраняване на излишната топлина в космоса, отделение за прибори, опорен блок плазмени или йонни електродвигатели и контейнер за поместване на полезния товар.
В силовата задвижваща система ядрен реактор служи като източник на електроенергия за работата на електрически плазмени двигатели, докато газовият охладител на реактора, преминаващ през активната зона, навлиза в турбината на електрическия генератор и компресора и се връща обратно в реактора в затворен контур и не се изхвърля в космоса, както при ядрен задвижващ двигател, което прави дизайна по-надежден и безопасен и следователно подходящ за пилотирани космически полети.
Предвижда се атомната електроцентрала да се използва за космически влекач за многократна употреба, за да се осигури доставката на товари по време на изследването на Луната или създаването на многоцелеви орбитални комплекси. Предимството ще бъде не само повторното използване на елементи от транспортната система (което Илон Мъск се опитва да постигне в своите космически проекти на SpaceX), но и способността да доставят три пъти повече товари, отколкото на ракети с химически реактивни двигатели със сравнима мощност чрез намаляване на стартовата маса на транспортната система . Специалният дизайн на инсталацията я прави безопасна за хората и заобикаляща средаНа земята.
През 2014 г. първият стандартен дизайн на горивния елемент (горивен елемент) за тази ядрена електрическа задвижваща система беше сглобен в JSC Mashinostroitelny Zavod в Електростал, а през 2016 г. бяха извършени тестове на симулатор на кошница на активната зона на реактора.
Сега (през 2017 г.) се работи по производството на конструктивни елементи на инсталацията и тестването на компоненти и възли върху макети, както и автономно тестване на системи за преобразуване на енергия на турбомашини и прототипни енергийни агрегати. Завършването на работата е планирано за края на следващата 2018 г., но от 2015 г. изоставането на графика започна да се натрупва.
Така че, веднага след създаването на тази инсталация, Русия ще стане първата страна в света, притежаваща ядрени космически технологии, които ще формират основата не само за бъдещи проекти за изследване на Слънчевата система, но и за земна и извънземна енергия . Космическите ядрени електроцентрали могат да се използват за създаване на системи за дистанционно предаване на електроенергия към Земята или към космически модули с помощта на електромагнитно излъчване. И това също ще се превърне в напреднала технология на бъдещето, където страната ни ще има водеща позиция.
Въз основа на разработваните плазмени електродвигатели ще бъдат създадени мощни задвижващи системи за човешки полети на дълги разстояния в космоса и на първо място за изследване на Марс, чиято орбита може да бъде достигната само за 1,5 месеца, а не в повече от година, както при използване на конвенционални химически реактивни двигатели.
А бъдещето винаги започва с революция в енергетиката. И нищо друго. Енергията е първостепенна и количеството консумирана енергия влияе върху техническия прогрес, отбранителната способност и качеството на живот на хората.
Експериментален плазмен ракетен двигател на НАСА
Съветският астрофизик Николай Кардашев предложи мащаб на развитие на цивилизациите още през 1964 г. Според тази скала нивото на технологично развитие на цивилизациите зависи от количеството енергия, което населението на планетата използва за своите нужди. По този начин цивилизацията от тип I използва всички налични ресурси на планетата; Тип II цивилизация – получава енергията на своята звезда, в системата на която се намира; и тип III цивилизация използва наличната енергия на своята галактика. Човечеството все още не е узряло до цивилизация от първи тип в този мащаб. Ние използваме само 0,16% от общия потенциален енергиен резерв на планетата Земя. Това означава, че Русия и целият свят имат накъде да се развиват 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 научно-техническата сфера е сега да направи революционен пробив в ядрените космически технологии, за да преодолее с един „скок“ многогодишното изоставане от лидерите и да бъде точно в началото на нова технологична революция в следващия цикъл на развитие на човешката цивилизация. Такъв уникален шанс се пада на дадена държава само веднъж на всеки няколко века.
За съжаление, Русия, която през последните 25 години не обърна достатъчно внимание на фундаменталните науки и качеството на висшето и средното образование, рискува да загуби този шанс завинаги, ако програмата бъде съкратена и ново поколение изследователи не замени сегашните учени и инженери. Геополитическите и технологични предизвикателства, пред които Русия ще се изправи след 10-12 години, ще бъдат много сериозни, сравними със заплахите от средата на ХХ век. За да се запази суверенитета и целостта на Русия в бъдеще, сега е спешно необходимо да се започне обучение на специалисти, способни да отговорят на тези предизвикателства и да създадат нещо принципно ново.
Има само около 10 години, за да превърнем Русия в глобален 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 върнат в образователната система (както училищна, така и университетска) систематизирани възгледи за картината на света, научна фундаменталност и идеологическа цялост.
Що се отнася до сегашната стагнация в космическата индустрия, това не е страшно. Физическите принципи, на които се основават съвременните космически технологии, ще бъдат търсени дълго време в сектора на конвенционалните сателитни услуги. Нека си припомним, че човечеството е използвало платна в продължение на 5,5 хиляди години, а ерата на парата е продължила почти 200 години и едва през ХХ век светът започва да се променя бързо, защото се извършва друга научно-техническа революция, която стартира вълна от иновации и промяна в технологичните структури, която в крайна сметка промени както световната икономика, така и политиката. Основното нещо е да сте в основата на тези промени.
Човек може да започне тази статия с традиционен пасаж за това как писателите на научна фантастика излагат смели идеи, а учените след това ги оживяват. Можете, но не искате да пишете с печати. По-добре е да запомните, че съвременните ракетни двигатели, твърдо гориво и течност, имат повече от незадоволителни характеристики за полети на относително големи разстояния. Те ви позволяват да изстреляте товари в околоземна орбита и да доставите нещо на Луната, въпреки че такъв полет е по-скъп. Но летенето до Марс с такива двигатели вече не е лесно. Дайте им гориво и окислител в необходимите количества. И тези обеми са право пропорционални на разстоянието, което трябва да се преодолее.
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 (Nuclear Reaction Engine). В Съветския съюз и Съединените щати работата по създаването на ядрени ракетни двигатели започна още през 50-те години на миналия век. Американците работеха и по двата варианта на такава електроцентрала: реактивна и импулсна. Първата концепция включва нагряване на работния флуид с помощта на ядрен реактор и след това освобождаването му през дюзи. Импулсният ядрен задвижващ двигател от своя страна задвижва космическия кораб чрез последователни експлозии на малки количества ядрено гориво.
Също така в САЩ е изобретен проектът Орион, който комбинира и двете версии на ядрения двигател. Това става по следния начин: от опашката на кораба се изхвърлят малки ядрени заряди с капацитет около 100 тона тротил. След тях са изстреляни метални дискове. На разстояние от кораба зарядът беше детониран, дискът се изпари и веществото се разпръсна в различни посоки. Част от него попадна в подсилената опашна част на кораба и го премести напред. Малко увеличение на тягата трябва да се осигури от изпарението на плочата, поемаща ударите. Единичната цена на такъв полет трябваше да бъде само 150 тогавашни долара за килограм полезен товар.
Дори се стигна до точката на тестване: опитът показа, че движението с помощта на последователни импулси е възможно, както и създаването на кърмова плоча с достатъчна здравина. Но проектът Орион беше затворен през 1965 г. като необещаващ. Това обаче засега е единствената съществуваща концепция, която може да позволи експедиции поне в цялата Слънчева система.
Беше възможно да се стигне само до изграждането на прототип с ядрен ракетен двигател. Това бяха съветският RD-0410 и американският NERVA. Те работеха на същия принцип: в „конвенционален“ ядрен реактор работната течност се нагрява, която при изхвърляне от дюзите създава тяга. Работната течност и на двата двигателя е течен водород, но съветският използва хептан 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 срещу съответно 3,5 и 1,6 метра за съветския двигател. В същото време американският двигател беше три пъти по-нисък от съветския по отношение на ресурса - RD-0410 можеше да работи един час.
И двата двигателя обаче, въпреки обещанието си, също останаха на Земята и не отлетяха никъде. главната причиназакриването на двата проекта (NERVA в средата на 70-те, RD-0410 през 1985 г.) - пари. Характеристиките на химическите двигатели са по-лоши от тези на ядрените двигатели, но цената на едно изстрелване на кораб с ядрен двигател в същото време полезен товарможе би 8-12 пъти повече от изстрелването на същия Союз с течно-ракетен двигател. И това дори не взема предвид всички разходи, необходими за привеждане на ядрените двигатели до степен, годна за практическа употреба.
Извеждането от експлоатация на „евтините“ совалки и скорошната 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 нова ядрена двигателна система. Именно това, според Роскосмос, трябва радикално да подобри „ситуацията“ в цялата световна космонавтика. Сега стана ясно кои трябва да станат следващите революционери в космонавтиката: разработването на ядрени задвижващи двигатели ще се извършва от Федералното държавно унитарно предприятие „Център Келдиш“. изпълнителен директорпредприятие А. Коротеев вече зарадва обществеността, че предварителният проект на космическия кораб за новия ядрен задвижващ двигател ще бъде готов през следващата година. Дизайнът на двигателя трябва да бъде готов до 2019 г., като тестовете са планирани за 2025 г.
Комплексът беше наречен ТЕМ - транспортен и енергиен модул. Той ще носи ядрен реактор с газово охлаждане. Системата за директно задвижване все още не е решена: или ще бъде реактивен двигател като RD-0410, или електрически ракетен двигател (ERE). Последният тип обаче все още не е широко използван никъде по света: само три бяха оборудвани с тях. космически кораб. Но фактът, че реакторът може да захранва не само двигателя, но и много други агрегати или дори да използва цялата ТЕМ като космическа електроцентрала, говори в полза на електрическия двигател.
Ракетните двигатели с течно гориво дадоха възможност на човека да отиде в космоса - в околоземни орбити. Такива ракети обаче изгарят 99% от горивото си в първите няколко минути от полета. Оставащото гориво може да не е достатъчно за пътуване до други планети и скоростта ще бъде толкова ниска, че пътуването ще отнеме десетки или стотици години. Ядрените двигатели могат да решат проблема. как? Ще 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) и поради посоката на тази струя ракетата се движи в пространството (законът за запазване на импулс). Важно е да разберете, че не можем да ускорим ракета или самолет до скорост, по-голяма от скоростта на изтичане на гориво - горещ газ, изхвърлен обратно.
Космически кораб New Horizons
Какво отличава един ефективен двигател от неуспешен или остарял аналог?На първо място, колко гориво ще трябва на двигателя, за да ускори ракетата до желаната скорост. Този най-важен параметър на ракетен двигател се нарича специфичен импулс, което се определя като отношението 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 (което означава, че няма място за полезен товар, краен случай), специфичният импулс може да се счита за равен на скоростта на горивото (работната течност), изтичаща от соплото на ракетата. Изстрелването на ракета е изключително скъпо начинание, взема се предвид всеки грам не само от товара, но и от горивото, което също тежи и заема място. Ето защо инженерите избират все по-активно гориво, единица от което би дала максимална ефективност, увеличавайки специфичния импулс.
По-голямата част от ракетите в историята и съвременните времена са били оборудвани с двигатели, които използват реакция на химическо изгаряне (окисление) на гориво.
Те направиха възможно достигането до Луната, Венера, Марс и дори до далечните планети - 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 такива ракети изразходват значителна част от горивото, за да излетят от Земята, и след това продължават да летят по инерция с редки моменти на включване на двигателя.
Космически кораб Pioneer
Такива двигатели са подходящи за изстрелване на ракети в околоземна 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 факта, че че масата на нашата Галактика е не повече от 1056 грама). Очевидно е, че за да достигнем най-близките планети и още повече звездите, са необходими достатъчно високи скорости, които ракетите с течно гориво не могат да осигурят.
Газофазен ядрен двигател
Дълбокият космос е съвсем различен въпрос. Вземете например Марс, „обитаван“ от писатели на научна фантастика надлъж и нашир: той е добре проучен и научно обещаващ, и най-важното е, че е по-близо от всеки друг. Въпросът е „космически автобус“, който може да достави екипажа там за разумно време, тоест възможно най-бързо. Но има проблеми с междупланетния транспорт. Трудно е да се ускори до необходимата скорост, като същевременно се поддържат приемливи размери и се изразходва разумно количество гориво.
RS-25 (Rocket System 25) е ракетен двигател с течно гориво, произведен от Rocketdyne, САЩ. Той беше използван на планера на космическата транспортна система Space Shuttle, всяка от които имаше инсталирани три такива двигателя. По-известен като двигател SSME (англ. Space Shuttle Main Engine – основният двигател на космическата совалка). Основните компоненти на горивото са течен кислород (окислител) и водород (гориво). RS-25 използва схема на затворен цикъл (с доизгаряне на генераторния газ).
Решението може да бъде „мирен атом“, който да тласка космически кораби. Още в края на 50-те години на миналия век инженерите започнаха да мислят за създаването на леко и компактно устройство, способно поне да се изстреля в орбита. Основната разлика между ядрените двигатели и ракетите с двигатели с вътрешно горене е, че кинетичната енергия се получава не от изгарянето на гориво, а от топлинната енергия на разпадането на радиоактивни елементи. Нека сравним тези подходи.
от течни двигателивъзниква горещ „коктейл“ от отработени газове (законът за запазване на импулса), образуван по време на реакцията на гориво и окислител (законът за запазване на енергията). В повечето случаи това е комбинация от кислород и водород (резултатът от изгарянето на водород е обикновена вода). H2O има много по-голяма 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 нова системаизстрелване на космическа ракета, 2016 г. (Юта, САЩ). Тези двигатели ще бъдат инсталирани на космическия кораб Orion, който е планиран за мисия до Марс.
IN ядрени двигателиПредлага се да се използва само водород и да се ускорява (нагрява) с помощта на енергията на ядрения разпад. Това води до спестяване на окислител (кислород), което вече е страхотно, но не всичко. Тъй като водородът има относително ниско специфично тегло, за нас е по-лесно да го ускорим до повече високи скорости. Разбира се, можете да използвате други чувствителни към топлина газове (хелий, аргон, амоняк и метан), но всички те са поне два пъти по-ниски от водорода в най-важното нещо - постижим специфичен импулс (повече от 8 km/s) .
Така че струва ли си да го загубим? Печалбата е толкова голяма, че инженерите не са спрени нито от сложността на дизайна и управлението на реактора, нито от голямото му тегло, нито дори от опасността от радиация. Освен това никой няма да стартира от повърхността на Земята - сглобяването на такива кораби ще се извършва в орбита.
"Летящ" реактор
Как работи ядрен двигател? Реакторът в космическия двигател е много по-малък и по-компактен от неговите земни аналогове, но всички основни компоненти и механизми за управление са фундаментално 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 изпуска през дюзата.
Такива реактори обаче излъчват вредни лъчения. За да се защити екипажът и многобройното електронно оборудване от радиация, са необходими задълбочени мерки. Следователно проектите на междупланетни космически кораби с ядрен двигател често приличат на чадър: двигателят е разположен в екраниран отделен блок, свързан с главния модул чрез дълга ферма или тръба.
"Горивна камера"Ядреният двигател е активната зона на реактора, в която водородът, подаден под високо налягане, се нагрява до 3000 градуса или повече. 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 топлоустойчиви оребрени (за увеличаване на площта на топлообмен) цилиндри-„стъкла“, пълни с уранови пелети. Те се "измиват" от газов поток, който играе ролята както на работна течност, така и на охлаждаща течност на реактора. Цялата конструкция е изолирана с берилиеви отразяващи екрани, които не изпускат опасна радиация навън. За контрол на отделянето на топлина до екраните са разположени специални въртящи се барабани
Има редица обещаващи дизайни на ядрени ракетни двигатели, чието внедряване чака в момента. В края на краищата те ще се използват главно в междупланетни пътувания, които, очевидно, са точно зад ъгъла.
Проекти за ядрено задвижване
Тези проекти бяха замразени поради различни причини- липса на пари, сложност на дизайна или дори необходимост от монтаж и монтаж в космоса.
"ORION" (САЩ, 1950–1960)
Проект на пилотиран космически кораб с ядрен импулс („самолет на експлозия“) за изследване на междупланетното и междузвездното пространство.
Принцип на действие.От двигателя на кораба, в посока, обратна на полета, се изхвърля малък еквивалентен ядрен заряд и се детонира на сравнително малко разстояние от кораба (до 100 m). Силата на удара се отразява от масивната отразяваща плоча в опашката на кораба, „избутвайки“ го напред.
"ПРОМЕТЕЙ" (САЩ, 2002–2005)
Проект на космическа агенция на НАСА за разработване на ядрен двигател за космически кораби.
Принцип на действие.Двигателят на космическия кораб трябваше да се състои от йонизирани частици, които създават тяга, и компактен ядрен реактор, който осигурява енергия на инсталацията. Йонният двигател създава тяга от около 60 грама, но може да работи непрекъснато. В крайна сметка корабът постепенно ще може да набере огромна скорост - 50 км/сек, като изразходва минимално количество енергия.
"ПЛУТОН" (САЩ, 1957–1964)
Проект за разработване на ядрен прямоточен двигател.
Принцип на действие.Въздухът влиза в ядрения реактор през предната част на автомобила, където се нагрява. Горещият въздух се разширява, придобива по-голяма 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 за атомна енергия на САЩ и НАСА за създаване на ядрен ракетен двигател.
Принцип на действие.Течният хидрогел се подава в специално отделение, в което се нагрява от ядрен реактор. Горещият газ се разширява и се освобождава в дюзата, създавайки тяга.
Ядреният ракетен двигател е ракетен двигател, чийто принцип на работа се основава на ядрена реакция или радиоактивно разпадане, при което се отделя енергия, която загрява работния флуид, който може да бъде продукти на реакцията или друго вещество, като водород. Има няколко вида ракетни двигатели, които използват описания по-горе принцип на работа: ядрени, радиоизотопни, термоядрени. Използвайки ядрени ракетни двигатели, е възможно да се получат специфични импулсни стойности, значително по-високи от тези, които могат да бъдат постигнати от химически ракетни двигатели. Високата стойност на специфичния импулс се обяснява с високата скорост на изтичане на работния флуид - около 8-50 km/s. Силата на тягата на ядрения двигател е сравнима с тази на химическите двигатели, което ще позволи в бъдеще всички химически двигатели да бъдат заменени с ядрени.
Основната пречка за пълната подмяна е радиоактивното замърсяване, причинено от ядрените ракетни двигатели.
Делят се на два вида – твърда и газофазна. При първия тип двигатели делящият се материал се поставя в прътови възли с развита повърхност. Това дава възможност за ефективно нагряване на газообразен работен флуид, обикновено водородът действа като работен флуид. Скоростта на изпускане е ограничена от максималната температура на работния флуид, която от своя страна зависи пряко от максимално допустимата температура на конструктивните елементи и не надвишава 3000 K. В газофазните ядрени ракетни двигатели делящото се вещество е в газообразно състояние. Задържането му в работната зона се осъществява чрез въздействие електромагнитно поле. За този тип ядрени ракетни двигатели структурните елементи не са ограничаващ фактор, така че скоростта на изпускане на работния флуид може да надвишава 30 km/s. Те могат да се използват като двигатели на първа степен, въпреки изтичането на делящ се материал.
През 70-те години ХХ век В САЩ и Съветския съюз активно се изпитват ядрени ракетни двигатели с делящо се вещество в твърда фаза. В Съединените щати се разработва програма за създаване на експериментален ядрен ракетен двигател като част от програмата NERVA.
Американците разработиха графитен реактор, охлаждан с течен водород, който се нагряваше, изпаряваше и изхвърляше през ракетна дюза. Изборът на графит се дължи на неговата температурна устойчивост. Според този проект специфичният импулс на получения двигател трябваше да бъде два пъти по-висок от съответната цифра, характерна за химическите двигатели, с тяга от 1100 kN. Реакторът Nerva трябваше да работи като част от третата степен на ракетата носител Saturn V, но поради затварянето на лунната програма и липсата на други задачи за ракетни двигатели от този клас, реакторът никога не беше тестван на практика.
Газофазен ядрен ракетен двигател в момента е в етап на теоретична разработка. Ядрен двигател с газова фаза включва използването на плутоний, чийто бавно движещ се газов поток е заобиколен от по-бърз поток от охлаждащ водород. На орбита космически станции MIR и ISS проведоха експерименти, които биха могли да дадат тласък на по-нататъшното развитие на газови двигатели.
Днес можем да кажем, че Русия леко е „замразила“ изследванията си в областта на ядрените задвижващи системи. Работата на руските учени е насочена повече към разработването и усъвършенстването на основните компоненти и възли на атомните електроцентрали, както и тяхната унификация. Приоритетно направление за по-нататъшни изследвания в тази област е създаването на ядрени задвижващи системи, способни да работят в два режима. Първият е режим на ядрен ракетен двигател, а вторият е инсталационен режим за генериране на електричество за захранване на оборудването, инсталирано на борда на космическия кораб.
© Оксана Викторова/Колаж/Ридус
Изявлението на Владимир Путин по време на обръщението му към Федералното събрание за присъствието в Русия на крилата ракета с ядрен двигател предизвика бурно вълнение в обществото и медиите. В същото време доскоро беше доста малко известно както на широката общественост, така и на специалистите за това какво представлява такъв двигател и възможностите за неговото използване.
Рийдъс се опита да разбере за какъв вид техническо устройство може да говори президентът и какво го прави уникално.
Като се има предвид, че презентацията в Манежа не беше направена за аудитория от технически специалисти, а за „широката“ публика, нейните автори можеха да допуснат известна подмяна на понятията, каза Георги Тихомиров, зам.-директор на Института по ядрена физика и технологии на Националният изследователски ядрен университет МИФИ, не изключва.
„Това, което президентът каза и показа, експертите наричат компактни електроцентрали, експерименти с които бяха проведени първоначално в авиацията, а след това в изследването на дълбокия космос. Това бяха опити за решаване на неразрешимия проблем с достатъчно количество гориво при полет на неограничени разстояния. В този смисъл представянето е напълно правилно: наличието на такъв двигател осигурява захранване на системите на ракета или друго устройство за неопределено дълго време“, каза той на Рийдъс.
Работата с такъв двигател в СССР започва точно преди 60 години под ръководството на академиците М. Келдиш, И. Курчатов и С. Королев. През същите години подобна работа е извършена в САЩ, но е прекратена през 1965 г. В СССР работата продължи още около десетилетие, преди да бъде счетена за неуместна. Може би затова Вашингтон не реагира много, заявявайки, че не са изненадани от представянето на руската ракета.
В Русия идеята за ядрен двигател никога не е умирала - по-специално от 2009 г. насам е в ход практическото разработване на такъв завод. Съдейки по времето, обявените от президента тестове се вписват идеално в този съвместен проект на Роскосмос и Росатом - тъй като разработчиците планираха да проведат полеви тестове на двигателя през 2018 г. Вероятно поради политически причиниТе се натиснаха малко повече и преместиха крайните срокове „наляво“.
„Технологично той е проектиран така, че атомният енергоблок да загрява газовия топлоносител. И този нагрят газ или върти турбината, или директно създава реактивна тяга. Известна хитрост в представянето на ракетата, която чухме, е, че нейният обсег на полет не е безкраен: той е ограничен от обема на работния флуид - втечнен газ, който физически може да се изпомпва в резервоарите на ракетата“, казва специалистът.
В същото време космическата ракета и крилатата ракета имат фундаментално различни схеми за управление на полета, тъй като имат различни задачи. Първият лети в безвъздушно пространство, не е необходимо да маневрира - достатъчно е да му се даде първоначален импулс, след което той се движи по изчислената балистична траектория.
Крилатата ракета, от друга страна, трябва непрекъснато да променя траекторията си, за което трябва да има достатъчен запас от гориво за създаване на импулси. Дали това гориво ще се запали от атомна централа или от традиционна, в случая не е важно. Единственото, което има значение, е доставката на това гориво, подчертава Тихомиров.
„Смисълът на ядрена инсталация при полет в дълбокия космос е наличието на борда на източник на енергия за захранване на системите на апарата за неограничено време. В този случай може да има не само ядрен реактор, но и радиоизотопни термоелектрически генератори. Но смисълът от такава инсталация на ракета, чийто полет няма да продължи повече от няколко десетки минути, все още не ми е напълно ясен“, признава физикът.
Докладът на Manege закъсня само с няколко седмици в сравнение със съобщението на НАСА от 15 февруари, че американците възобновяват изследователската работа върху ядрен ракетен двигател, който изоставиха преди половин век.
Между другото, през ноември 2017 г. Китайската корпорация за аерокосмическа наука и технологии (CASC) обяви, че до 2045 г. в Китай ще бъде създаден космически кораб с ядрен двигател. Следователно днес можем спокойно да кажем, че глобалната надпревара за ядрено задвижване е започнала.