Vikupautomsk.ru

Выкуп Авто МСК
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Ядерный двигатель для космоса что это

Ядерный двигатель для космоса что это

Газофазные ядерные двигатели
для космических аппаратов

В соответствии с принятыми правительственными решениями в некоторых научных центрах и КБ уже со второй половины 50-х гг. начались разработки ядерных ракетных двигателей (ЯРД). Среди различных типов ядерных реакторов, которые предусматривались для применения в космических системах, особое место занимает высокотемпературный газофазный ядерный реактор (ГФЯР), обещавший достижение уникальных параметров.

Решение о разработке ЯРД и ядерных космических энергоустановок (ЯКЭУ) на основе ГФЯР было принято в 1963 г. руководителем НПО Энергомаш академиком В.П. Глушко, а затем утверждено постановлением ЦК КПСС и Совмина СССР. К этому времени научный коллектив НПО Энергомаш имел шестилетний опыт проектно-конструкторской и технологической разработки ЯРД с твердофазным реактором. Теоретические исследования по ГФЯР выполнялись с 1957 г. под руководством члена-корреспондента АН СССР В.М. Иевлева в НИИ тепловых процессов (ныне НИЦ имени М.В. Келдыша). На решение столь сложной (сопоставимой с проблемой управляемого термоядерного синтеза) и требующей колоссальных финансовых затрат научно-технической проблемы, какой является создание ГФЯР, в то время посягнули только две страны — СССР и США.

Ведущим подразделением в НПО Энергомаш по проблеме ГФЯР и двигательно-энергетических установок на его основе стал отдел под руководством Р.А. Глиника. Мы все, тогдашние участники начала разработок, были молоды и увлеклись заманчивыми революционными перспективами использования ГФЯР в космической технике, несмотря на огромные технические проблемы. Руководителям — Р.А. Глинику и В.М. Иевлеву было по 37 лет, а сами коллективы пополнялись специально подготовленными выпускниками МАИ, ХАИ, МВТУ, МГУ, МИФИ и МФТИ. Для успешного решения стоящих проблем к работам были привлечены многие институты (в первую очередь ракетно-космической и атомной отраслей) и ведущие вузы страны под общим научным руководством НИИ тепловых процессов. Большое внимание и поддержку оказали такие видные ученые, как академики М.Д. Миллионщиков, А.А. Бочвар, Е.П. Велихов.

Разработчики столкнулись с большим, совершенно новым кругом проблем организации рабочих процессов и обеспечения работоспособности конструкции в высокотемпературном ГФЯР. Вполне естественно, что и у нас, и у американцев ни аналогов, ни прототипов до тех пор не было. Несколько месяцев ушло только на предварительное ознакомление с сущностью вопросов, прослушивание лекций ведущих сотрудников НИИ тепловых процессов, изучение научных отчетов и литературы, консультации во многих организациях.

В период 1963-1973 гг. численность специализированного отдела НПО Энергомаш, занимавшегося разработкой реактора и двигательно-энергетической установки, составляла около 90 человек. В этот период проводились интенсивные экспериментальные и производственные работы по подготовке демонстрационных реакторных испытаний в 1975 г. Однако в 1974 г. в НПО Энергомаш началась разработка РД-170/171 — мощного ЖРД для системы «Энергия-Буран», в связи с чем исследования по ГФЯР были приостановлены, а коллектив специализированного отдела сокращен до 30 человек. В течение восьми лет финансировались лишь «бумажные» работы. За это время оказались утраченными обширные технологические, производственные и экспериментальные заделы.

С 1982 г. производственные работы были возобновлены, около двух лет тот же коллектив конструкторов и расчетчиков восстанавливал технологию и экспериментальную базу. Но все же в конце 1989 г. финансирование, практически, полностью прекратилось. В США также не удалось довести дело до минимальных демонстрационных испытаний.

Предполагалось, что основным элементом конструкции ГФЯР будет одна или несколько рабочих камер, окруженных замедлителем-отражателем нейтронов. Ядерное горючее внутри камер должно удерживаться изолированно от стенок в плазменном состоянии в количестве, необходимом для самоподдерживающейся цепной реакции. В промежутке между зоной делящейся плазмы и стенками организуется поток рабочего тела. Нагрев рабочего тела обеспечивается лучистым теплопереносом, при этом его средняя температура на выходе рабочей камеры достигает значений порядка 104 К. Поглощение лучистой энергии рабочим телом обеспечивает одновременно и тепловую защиту стенок.

При разработке газофазного реактора основной проблемой было снижение потерь делящегося вещества, которые не должны превышать долей процента от расхода рабочего тела. Приемлемый уровень выноса ядерного горючего из камеры предполагалось обеспечить ламинаризацией потока поступающего рабочего тела, профилированием поля его начальных скоростей, наложением внешнего магнитного поля, специальным подбором состава рабочих компонентов и выбором геометрии полости. Вынос ядерного горючего компенсировался его подачей в рабочую камеру либо в жидкометаллическом виде (1500К), либо в виде пастообразной смеси порошка с NaK эвтектикой (эвтектика — расплав, находящийся в равновесии с твердыми фазами).

Космические энергетические установки проектировались по открытой и замкнутой схемам. Если рабочее тело выбрасывается через реактивное сопло наружу, то установка представляет собой ядерный ракетный двигатель открытой схемы. В качестве рабочего тела используется водород, в который для обеспечения электропроводности и поглощения лучистого теплового потока добавляются присадки в виде паров NaK и Li, а также вольфрамового порошка (при этом одновременно достигается приемлемая температура водорода у стенки камеры). Такой ЯРД имел бы чрезвычайно высокие удельные характеристики (удельный импульс порядка 2000:3000 с). Если установка спроектирована таким образом, что рабочее тело выбрасывается наружу через МГД-генератор с высоким КПД, то имеем ЯКЭУ открытой схемы.

Двигательная энергетическая установка открытой схемы (рис. 1) включает в себя однополостной реактор с кольцевым выходным каналом и газофазным твэлом (ГФТЭ) с застойной плазменной зоной ядерного горючего. Стабилизация зоны осуществляется с помощью мощного внешнего соленоида. Применение двигателя такой схемы по экологическим соображениям возможно лишь на космических аппаратах, но не на носителях, стартующих с Земли.

Для обеспечения энергией различных потребителей, в том числе соленоида и электропривода насосов, в установке предполагалось использовать комбинацию сопла и МГД-генератора. ЯРД и ЯКЭУ, помимо схемного различия, отличаются степенью использования энергии газового потока в МГД-генераторе: в первом случае преобразуется в электроэнергию не более 2 %, а во втором — 30. 40 %.

В установках замкнутой схемы (рис. 2) преобразователем энергии является МГД-генератор, а все рабочие компоненты циркулируют по контуру, не имеющему связи с внешней средой. В этом случае получаем ЯКЭУ, имеющую весьма высокий КПД (30:40 %), низкие значения удельной массы преобразователя и удельного расхода рабочего тела. Присадки, вводимые в рабочее тело, помимо всего прочего, призваны способствовать МГД-взаимодействию. Кроме газофазного реактора и МГД-генератора в конструкции непременно должны присутствовать холодильники, сепараторы и насосы. Рабочим телом является пар NaK в смеси с гелием. Выделяющееся избыточное тепло сбрасывается в космическое пространство с помощью излучателей. Вырабатываемая энергия используется для различных целей, одним из ее потребителей может быть электроракетный двигатель.

Преимуществом использования в замкнутых схемах ГФЯР, в котором вместо твердых твэлов используются газообразные, является принципиальная возможность обеспечения весьма длительного функционирования за счет соответствующей подпитки горючим взамен выводимых из контура во внешнюю среду продуктов ядерных реакций.

Существенное значение имеет и то обстоятельство, что в замкнутых схемах требование к выносу ядерного горючего из реактора вместе с рабочим телом менее строгое, чем в открытых. Это позволяет рассматривать более простую организацию процессов, допускающих большую степень смешения ядерного горючего и рабочего тела. При этом отпадает необходимость в магнитной стабилизации — плазменная зона из застойной превращается в струйную. Использование нескольких таких зон (многополостной реактор) улучшает массогабаритные характеристики ГФЯР.

Известно, что между тепловой мощностью реактора и возможностями обеспечения приемлемого температурного режима элементов конструкции существует определенная зависимость. Исследованиями было установлено, что оптимальная тепловая мощность ГФЯР открытой схемы должна быть не ниже 2 ГВт, а замкнутой — 300 МВт (при давлении в рабочей камере порядка 1000 кгс/см2).

Концептуальная разработка ядерной двигательно-энергетической установки для обеспечения марсианской экспедиции является последней по времени, вобравшей в себя весь предшествующий опыт. Установка основана на комбинированном однополостном газофазно-твердофазном реакторе трансформируемой конструкции массой 57,5 т (рис. 3). Тепловая мощность реактора 2,14 ГВт. Твердофазные тепловыделяющие сборки (ТФТС), размещенные по кольцу вокруг центральной полости реактора и снабженные приводными механизмами, обеспечивают необходимый уровень нейтронного потока и критичность при запуске, когда ядерное горючее в полости газофазного твэла отсутствует. По мере подачи и накопления в центральной полости ядерного горючего, т.е. образования плазменной зоны и формирования газофазного твэла, ТФТС из активной зоны извлекаются, а реактор превращается в ГФЯР.

Благодаря трансформируемой конструкции установка может работать в двух режимах:
— двигательном (газофазном) тягой 17 т при удельном импульсе 2000 с — на разгонных и тормозных участках траектории;
— энергетическом (твердофазном) с электрической мощностью 200 кВт для обеспечения внутренних нужд космического аппарата без расходования рабочего тела — на маршевом участке траектории.Этот режим обеспечивается замкнутым газотурбинным контуром с гелий-ксеноновой смесью в качестве рабочего тела, преобразованием тепловой энергии в электрическую с КПД 20 % и сбросом избыточного тепла через холодильник-излучатель (цикл Брайтона).

На двигательном режиме работы электроснабжение обеспечивается встроенным в сопло многополюсным МГД-генератором мощностью 25 МВт с электродами и шинами возбуждения, ориентированными по образующим сопла.

Минимизацию массогабаритных характеристик ГФЯР обеспечивают:

  • — применение в качестве ядерного горючего урана-233;
  • — максимально возможное использование в замедлителе-отражателе реактора металлического, в том числе крупнокристаллического бериллия, а в остальной части — графита;
  • — максимально возможное использование для высокотемпературных элементов конструкций рабочей камеры тугоплавких металлов улучшенного изотопного состава, а для силовых корпусов реактора — высокопрочных титановых сплавов и упрочняющих углекомпозитов;
  • — применение для сильноточных систем магнитной стабилизации, возбуждения МГД-генератора и электропривода насосов гиперпроводящего алюминия (чистотой 0,9999), допускающего при жидководородном охлаждении плотность тока 50. 100 А/мм2 при удельном сопротивлении в десятки раз ниже, чем у меди.
Читать еще:  Что такое двигатель полуавтомат на мотоцикле

Понятно, что экстремальные температурные режимы работы многих элементов конструкции ГФЯР и крайне агрессивная среда (расплавленный уран, водород высокого давления, щелочные металлы) потребовали проведения глубоких материаловедческо-технологических проработок. В результате для системы подачи ядерного горючего были разработаны и внедрены в экспериментальное производство тугоплавкие сплавы на основе тантала — вольфрама — гафния, а также ниобия. Для некоторых участков стенок рабочей камеры были разработаны пористые тугоплавкие материалы как на основе вольфрама, так и молибдена, а для высокотемпературных фильтроэлементов — никеля и нихрома.

Дальнейший анализ выявил исключительную эффективность применения рассмотренного выше ЯРД для марсианского экспедиционного комплекса.

Американцы приступили к разработке космического аппарата на ядерной тяге

Управление перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США (DARPA) приступило к реализации программы DRACO. Ранее известная как ROAR, она подразумевает разработку и испытание космического аппарата с тепловым ядерным ракетным двигателем к 2025 году. О выборе исполнителей для программы рассказывается на сайте DARPA.

Конструкторам космических аппаратов при выборе способа передвижения приходится выбирать из двух вариантов — химических и электрических ракетных двигателей. Первые обладают высокой тягой, что позволяет быстро выполнять маневры, но сравнительно низкой скоростью истечения газов рабочего тела. Это означает, что они очень быстро и неэкономично расходуют топливо. Поэтому космическому аппарату с химическими ракетными двигателями приходится брать в полет много топлива, чтобы запаса характерестической скорости (то есть максимальной скорости, которую космический аппарат сможет достичь, израсходовав все топливо) хватало для перелета к цели. Вторые обладают превосходными показателями скорости истечения рабочего тела (в профессиональной среде вместо этого используется удельный импульс, то есть отношение создаваемого двигателем импульса к секундному расходу рабочего тела), но настолько малой тягой, что космическому аппарату с электрическими ракетными двигателями на выполнение маневра требуются недели и месяцы.

Тепловые ядерные ракетные двигатели выглядят как золотая середина. Теоретически не уступая в тяге химическим ракетам, они обладают большей скоростью истечения рабочего тела, хотя и уступают по этому показателю электрическим. Ядерные ракетные двигатели позволяет гораздо эффективнее выполнять быстрые орбитальные маневры и отправлять в межпланетные перелеты намного более массивные корабли, при этом используя меньшие по массе запасы топлива.

Ядерный ракетный двигатель NERVA

Ядерный ракетный двигатель РД-0410

Проекты тепловых ядерных ракетных двигателей уже создавались и испытывались в прошлом. Это американские NERVA и советские РД-0410, которые разрабатывались в 50-х — 80-х годах. Американский проект уже на стадии готовности к применению на космических кораблях был свернут в 1972 году решением администрации президента Никсона из-за сокращения финансирования космических программ. Разработка советского двигателя продолжалась на воронежском КБХА до 1988 года, когда тяжелая финансовая обстановка перестройки и последствия аварии на Чернобыльской АЭС привели к остановке всех работ по проекту. Единственный изготовленный РД-0410 до сих пор хранится на предприятии. Однако интерес к технологии не исчез.

В марте 2019 года в США объявили о планах разработки нового ядерного ракетного двигателя под названием ROAR (Reactor On A Rocket). В следующем году программа получила дополнительное финансирование, и была переименована в DRACO (Demonstration Rocket for Agile Cislunar Operations). Интерес к ядерному ракетному двигателю проявляет американское Министерство обороны, которое намерено расширить свою деятельность за пределы околоземной орбиты.

DARPA рассказало 12 апреля о переходе проекта DRACO в стадию технического проектирования, которое продлится ближайшие 18 месяцев. За это время компания General Atomics должна разработать ядерный реактор для двигателя, а корпорации Blue Origin и Lockheed Martin — создать конкурирующие проекты демонстрационных и рабочих космических аппаратов, на которых будут использоваться новые двигатели. Победивший проект будет реализовываться на следующем этапе. Цель программы — продемонстрировать в 2025 году работоспособность теплового ядерного ракетного двигателя на космическом корабле.

Согласно техническому заданию, реактор двигателя будет работать на низкообогащенном урановом топливе с содержанием изотопа U-235 от пяти до 20 процентов. Схожее обогащение предполагается использовать и в аналогичном проекте, который разрабатывает NASA. В сравнении, топливо для легководных реакторов АЭС содержит от трех до пяти процентов изотопа U-235, а у энергетических установок, которые используются на американском флоте — до 90 процентов.

В прошлом году сообщалось, что в США стартовали работы над мобильным ядерным реактором для нужд Министерства обороны. Подробнее узнать о способах генерации электричества в космосе можно в нашем материале «Энергетика в космосе».

Ядерный двигатель для космоса что это

Путешествие к Марсу посредством современных жидкостных ракетных двигателей без использования каких-либо других средств создания приращения скорости летательного аппарата потребует около двух лет полета, а стартовая масса такого аппарата превысит 1500 т. Чтобы сократить как время полета, так и стартовую массу летательного аппарата, необходимо создать новые, более экономичные и легкие двигательные установки, развивающие большую тягу и отличающиеся более высокой удельной тягой.
Требуемое для осуществления межпланетных перелетов ускорение может быть достигнуто с помощью лишь нескольких типов двигателей, среди которых криогенный жидкостной двигатель на компонентах кислород-водород, ядерные ракетные двигатели, а также гипотетические схемы двигателей, использующие термоядерную реакцию.
Наилучшие перспективы на ближайшие два десятилетия для осуществления относительно непродолжительных (около года или меньше) полетов имеют ядерные тепловые двигатели с твердой или газообразной активной зоной.
В отечественной технике они именуются, следуя собственной терминологии, твердофазными и газофазными. Исходными в классификационной схеме ядерных ракетных двигателей (ЯРД) являются двигатели, использующие тепловую и кинетическую энергии продуктов ядерных реакций. В свою очередь они делятся на реакторные, импульсные, радиоизотопные, аннигиляционные. Реакторные подразделяются на энергоустановки с использованием деления ядер и с синтезом ядер — термоядерные. Системы с делением ядер разделяются на твердофазные, газофазные и коллоидные. Двигатели твердофазные и радиоизотопные испытаны на стендах.
Значения удельной тяги, удельной массы, а также отношения тяги к массе этих двигателей выглядят весьма привлекательными.
Ядерный ракетный двигатель использует энергию, выделяющуюся при разложении ядерного «горючего», для нагревания рабочего вещества. Рабочее тело пропускается через ядерный реактор, в котором происходит реакция деления атомных ядер. Отпадает необходимость в окислителе.
Процессы, при которых выделяется ядерная энергия, подразделяют на реакции деления тяжелых ядер, реакцию синтеза легких ядер.
Удельная массовая энергия искусственных радиоактивных изотопов значительно выше, чем у химических топлив. Однако применение подобных двигателей на ракетных летательных аппаратах связано с трудностями, так как изотопы выделяют энергию постоянно.
Ядерные реакторы деления используют энергию изотопа урана-235. Ядерное горючее уран-233, -235, -238, плутоний-239 значительно дешевле изотопного, обладает на порядок большей удельной массовой энергией и позволяет регулировать процесс тепловыделения. В качестве рабочего тела могут быть применены жидкий водород, аммиак, гидразин. Удельные импульсы соответственно — 900, 500, 450 с.
Практические разработки ядерных двигателей, использующих твердое ядерное горючее были начаты одновременно с введением в строй первых атомных электростанций в 1953 г.
В космосе уже побывали американская установка «Снап-ЮА» и советская «Топаз».
Двигатели, использующие термоядерную реакцию синтеза, обладают уникальными характеристиками: удельный импульс превышает 18 000 секунд, причем для работы используется водород, который является основным компонентом окружающей космической среды.
Поиски путей использования ядерной энергии в реактивных двигателях в США начались вскоре после открытия цепной реакции в 1942 г. В конце 50-х гг. ВВС и Министерством энергетики была развернута программа «ПЛУТО/ТОРИ» (PLUTO/TORY), нацеленная на создание ядерного прямоточного воздушно-реактивного двигателя для самолета-носителя больших ракет с ядерными боеголовками. В начале 60-х годов программа была свернута ввиду появления компактных конструкций ракет, не требующих создания специального самолета-носителя. Рассматривалось также создание боевых ракет с ядерным ракетным двигателем, однако достигнутое сокращение размеров головных частей с ядерным зарядом сделало возможным использование для этих целей ракетных двигателей системы «Атлас». В общем, идея создания ядерных двигателей не относится к разряду новых.
Начиная с 1955 г., и до 1973 г. США вложили 1,5 млрд. долл. в программу разработки ядерного ракетного двигателя.
Идея была простой: поскольку вторая степень удельной тяги обратно пропорциональна молекулярной массе топлива, ядерный двигатель, в котором нагревается рабочее тело с низкой молекулярной массой, будет иметь большую удельную тягу, нежели двигатель, в котором тепло получается в результате химической реакции между двумя компонентами топлива. Предварительный анализ возможных вариантов рабочих тел быстро сузил круг кандидатов до одного — водорода, имеющего наименьшую молекулярную массу.
Работы по созданию ядерного ракетного двигателя «НЕРВА» (NERVA — Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application) были начаты в 1960 г. совместно с Комиссией по атомной энергии. Полученные в самом начале работ по программе «Ровер» (Rover) в Лос-Аламосской лаборатории обнадеживающие результаты послужили поводом для того, чтобы президент Кеннеди в своей известной речи в 1961 г., посвященной планам высадки на Луну, призвал к ускорению работ по созданию ядерных ракетных двигателей, «которые обещают новые возможности в осуществлении еще более заманчивых и беспрецедентных по масштабам исследований космоса, вероятно, за пределами лунной орбиты, может быть даже самых удаленных областей Солнечной системы».
Спустя восемь лет, весной 1969 г. были завершены наземные испытания «Экс-Ф Прайм» (XF Prime), прототипа ядерного двигателя. Затем, через месяц после приземления «Аполло 11», Вернер фон Браун воспользовался представившейся ему возможностью выступить в Сенате, чтобы сообщить о ключевой роли, которую может сыграть проект «НЕРВА» в осуществлении планов США совершить пилотируемый полет к Марсу. В январе 1973 г., несмотря на выдающиеся достижения в области космической техники, изменение приоритетов в стратегии развития американской науки и техники заставило НАСА отказаться от своих планов осуществления пилотируемых межпланетных полетов и создания для этих целей ядерных ракетных двигателей.
НАСА снова рассматривает технические условия и возможности для проведения полетов на Марс и создания там базы.
Кроме программы «НЕРВА», нацеленной на разработку ядерных двигателей с твердой активной зоной, в сфере исследовательской деятельности находился ядерный двигатель с газообразной зоной, удельная тяга которого лежит в диапазоне 1500-1600 с.
Проект «Ровер» стал основой для разработки ядерных ракетных двигателей, предназначенных для пилотируемого полета на Марс.
То, что пытаются сделать, представляет собой летный вариант компактного, размерами с письменный стол, реактора, мощность которого соответствует приличной гидроэлектростанции.
В Центре им. Льюиса были проведены оценки различных схем ядерных двигателей применительно к полету на Марс с возвращением корабля на Землю. Рассматривались: схема ядерного двигателя с твердой активной зоной и три схемы с газовой активной зоной — с регенеративным охлаждением элементов двигателя, со сбросом тепла в космос посредством излучателя и с прозрачными стенками, ограничивающими активную зону (типа «лампа»). Были подсчитаны массы космических кораблей, стартующих к Марсу с околоземной орбиты, для различных по своим задачам экспедиций — краткосрочная экспедиций без высадки на Марс продолжительностью не более 200 суток и научно-исследовательская экспедиция с обстоятельным изучением планеты в течение 40-дневного пребывания на ней, посредством оставляемого на Марсе специального мобильного блока массой 140 т.
Согласно расчетам, схема ядерного ракетного двигателя с регенеративным охлаждением и замкнутая цепь (или схема «лампа») позволят осуществить такую экспедицию приблизительно за год, а краткосрочную — за 150 суток, при стартовой массе 130 т. Обеспечивающая большую удельную тягу схема со сбросом тепла в космос посредством излучателя позволит осуществить научно-исследовательскую экспедицию за 200 суток, при стартовой массе 130 т, а краткосрочную — за 80 суток, при стартовой массе 90 т. Во всех расчетах рассмотренных схем, реализация которых намечалась не ранее 2000 г., закладывались данные, соответствующие уровню развития техники того времени, когда проводились оценки.
В 50-е гг. ядерные двигатели с газовой активной зоной привлекли внимание специалистов благодаря своим высоким характеристикам: в то время удельная тяга оценивалась величиной 6000 с при тяге, достигающей 130 кг.
В 60-х гг. рассматривалась замкнутая и открытая схемы ядерных двигателей с газовой активной зоной.
Реализация открытой схемы представляется более простой: необходимо лишь обеспечить требуемое содержание ядерного горючего путем соответствующей организации течения рабочего тела и управления реактором.
Несмотря на обнадеживающие результаты экспериментальных исследований схем газофазного ядерного двигателя в 60-е и 70-е гг., почти все подобные исследования были прекращены в 1975 г. Чтобы получить окончательное заключение о технической возможности создания двигателей с газовой активной зоной, необходимо провести комплексные научно-исследовательские и опытно-конструкторские испытания. Пока неизвестны другие схемы ракетных двигателей, которые используют в качестве топлива добываемые на Земле вещества и которые позволят совершить полет к Марсу с возвращением на Землю в относительно короткие сроки.
Удельная тяга электрореактивного двигателя более высокая и лежит в диапазоне 850-4400 с, однако в области создания таких двигателей еще не вышли за рамки лабораторных исследований. Согласно расчетам, межорбитальный аппарат, снабженный электро-ядерным ракетным двигателем, сможет доставлять с околоземной орбиты на геостационарную груз массой в три раза больший, чем с жидкостными двигателями на криогенных компонентах. Однако из-за низкой тяги электрореактивного двигателя продолжительность такой транспортировки увеличится до 200-400 суток, что может оказаться совершенно неприемлемым для некоторых грузов ввиду длительного нахождения в поясе Ван Аллена. Научно-исследовательские работы по созданию такого двигателя ведутся в лаборатории космической техники ВВС США и должны быть завершены к 2000 г.
Применение ядерных двигателей с непосредственньм преобразованием тепловой энергии в механическую (кинетическую) в межорбитальном аппарате позволит увеличить массу полезного груза в два раза по сравнению с аналогичным аппаратом, снабженным криогенным жидкостным двигателем, при сохранении такой же продолжительности перелета (порядка 5 ч) с низкой орбиты на геостационарную. Согласно оценкам, удельная тяга подобного двигателя составит 1000 с, при сохранении такой же высокой, как и у криогенного жидкостного двигателя, тяги. Недостатком двигателя является радиоактивное излучение, основным источником которого служит активная зона ядерного реактора.
Летом 1985 г. по инициативе ВВС была развернута программа «Проджект Форкаст 2» (Project Forecast 2), нацеленная на поиск новых схемных решений с исключительно высокими характеристиками. В фокусе исследований оказалось создание безопасного компактного ядерного двигателя для межорбитального транспортного аппарата. В это время в Лаборатории космической техники проводились исследования по разработке, изготовлению и испытаниям двигателя с делящимся веществом в виде мелких частиц.
Особое внимание уделено предотвращению нежелательных воздействий реактора на биосферу Земли при аварийном прекращении полета.
Опыт, накопленный в ходе работ по проекту «Ровер» и программе «НЕРВА», показывает, что риск, связанный с конструкцией ядерной двигательной установки и ее эксплуатацией, может быть ограничен вполне приемлемыми пределами.
Как США, так и ООН допускают возможность использования ядерных реакторов для освоения космического пространства при условии соблюдения определенных мер безопасности. Эти меры подразумевают запрещение незапланированных критических режимов работы ядерных реакторов в космосе, устранение опасности радиоактивных выбросов в случае аварий как на запуске, так и в полете, сохранение в допустимых пределах уровня радиационного облучения экипажа и обеспечение надежной работы двигательной установки, гарантирующей безопасное возвращение экипажа на Землю.
В случае полета на Марс ракеты с ядерным двигателем запуск реактора будет осуществляться на орбите сборки космического корабля. До момента старта корабля со сборочной орбиты реактор будет находиться на нулевом уровне мощности, а после выведения реактора на рабочий режим космический аппарат начнет свое ускоренное движение от Земли. При отклонении вектора тяги от расчетного направления должна быть предусмотрена возможность отсечения тяги двигателя. Время пребывания на сборочной орбите окажется вполне достаточным, чтобы уровень радиоактивности вышедшего из строя реактора постепенно снизился до безопасного при падении реактора на Землю. На случай возникновения неисправностей должна быть предусмотрена возможность ремонта или замены вышедших из строя элементов установки, чтобы обеспечить возможность повторного старта корабля в направлении к Марсу. Посредством экранирования и выбора расположения элементов компоновочной схемы аппарата, включая предельно возможное разнесение блока полезной нагрузки и реактора, можно снизить радиоактивное облучение полезной нагрузки и экипажа до приемлемого уровня. Подбором формы топливного бака и других элементов аппарата, а также их размещением можно предельно снизить эффект вторичного (наведенного) излучения.
Системы безопасности, включающие специальное диагностическое оборудование, позволят предвосхитить и предотвратить возникновение отказов или разрушение систем и агрегатов, а контроль за заданным режимом работы реактора, осуществляемый экипажем и центром управления полетом, исключил бы возможность опасных отклонений от расчетного разгона и аварий на крейсерском режиме работы.

Читать еще:  Блок управления двигателем причины выхода из строя

На Марс полетим на ядерных кораблях? Говорим с экспертом о перспективах применения ядерной энергии

Мировые лидеры в освоении космоса опять заговорили про ядерную энергию. Она может оказаться ключом к эффективному покорению ближнего космоса, колонизации Луны и высадке человека на Марс. Так считают и в России, и в США. Вопросы о ядерной энергетике в разрезе космической отрасли, а также о перспективных разработках в этом направлении мы задали кандидату физико-математических наук, доценту Института ядерной физики и технологий Национального исследовательского ядерного университета МИФИ Егору Задебе.

Ядерные ракетные двигатели долгое время работали только на бумаге — в произведениях писателей-фантастов. Хотя и в Советском Союзе, и в США в разгар космической гонки шли активные разработки в этом направлении. В СССР они воплотились в опытный двигатель РД-0410, за океаном — в проект NERVA.

Впрочем, это не единственные реализации идеи применения ядерной энергетики в космической промышленности. О них мы поговорим позже, а пока справляемся у Егора Задебы о том, в каких сферах освоения космоса использовались столь перспективные ядерные технологии.

— С самого начала освоения космоса при проектировании космических аппаратов (КА) применялись технологии и знания, приобретенные при развитии ядерной физики. В первую очередь это касается радиационной стойкости электронных компонентов КА. На поверхности Земли мы надежно защищены от частиц солнечного ветра и космических лучей атмосферой и магнитным полем планеты. Уже на низкой околоземной орбите радиационный фон на несколько порядков выше земного, и в таких условиях обычные электронные компоненты выходят из строя за секунды. Формирование элементной базы, устойчивой к радиации, было бы невозможно без технологий, созданных и совершенствуемых в рамках исследований в области ядерной физики.

Но наибольшую роль ядерные технологии сыграли, конечно же, в обеспечении космических аппаратов энергией. Речь идет о двух видах источников: «ядерных батарейках» РИТЭГ (радиоизотопный термоэлектрический генератор) и орбитальных ядерных реакторах.

В первом классе устройств в аппарат устанавливается радиоактивный источник, естественный распад изотопов является постоянным источником тепла (выделяемая тепловая мощность, как правило, не превышает 1 кВт), а термоэлектронный генератор переводит тепловую энергию в электрическую. Такие устройства отличаются, с одной стороны, простотой и надежностью (установленные на аппаратах «Вояджер» электрические генераторы на плутонии-238 функционируют уже почти 30 лет), а с другой — малыми мощностью и КПД (до 7%).

В тех случаях, когда космическому аппарату требуется высокая мощность, на них возможно разместить компактные атомные реакторы. Советский Союз достиг значительных успехов в разработке ядерных энергетических установок, ими было оснащено более 30 космических аппаратов (в США испытания в космосе прошел лишь один). При тепловой мощности около 100 кВт подобные установки обеспечивали свыше 5 кВт электрической. Перспективные ядерные установки мегаваттного класса станут полноценной заменой классическим ракетным двигателям и откроют путь к освоению Луны и Марса.

«Взрыволеты» и реальность

О том, что на химических ракетах покорение Солнечной системы будет затруднительным, было известно еще во времена Циолковского. И варианты альтернативных видов топлива предлагались давно. Когда человек приручил мирный атом, встал вопрос о том, как применить его для обеспечения движения в космосе. Были даже идеи использовать атомные бомбы: сбрасывать их с корабля, подрывать на удалении и использовать импульс плазмы через систему амортизаторов.

Читать еще:  Street legal racing redline как переместить двигатель

Такой «взрыволет» (ядерно-импульсный космический корабль) даже проходил испытания в конце 1950-х годов в США. Метр в диаметре, 105 килограммов веса — правда, обошлось без подрыва ядерных бомб. Их заменили на килограммовые шары взрывчатки C4. Получилось как минимум интересно.

Но, конечно, тестирование и тем более запуск аппарата, который потребует нескольких тысяч ядерных взрывов в пределах атмосферы Земли, даже во времена холодной войны посчитали чересчур экстравагантной затеей. Да и потенциальных эксплуатационных проблем у «взрыволета» хватало — от эрозии толкателя до влияния электромагнитных импульсов от взрывов на наземные и орбитальные установки.

От брутальной идеи выбрасывать за борт космического корабля ядерные бомбы отказались, но те объемы энергии, которые способна дать реакция расщепления ядер, продолжали будоражить умы инженеров. Так родились уже упомянутые NERVA и РД-0410. Они предполагали нагрев с помощью ядерной энергии водорода, который и создавал бы тягу в ядерных ракетных двигателях.

Вернер фон Браун, отец американской лунной программы, вполне оптимистично полагал, что три двигательные установки NERVA на одной ракете смогут доставить американских астронавтов прямиком на Марс уже в августе 1982 года. Правда, предложенный им в 1969 году план так и не был реализован. Интерес сверхдержав к космической гонке подостыл, бюджеты сократили, и в конце 1972 года разработки в области ядерной тяги в США были остановлены.

Советский РД-0410 мог стать двигателем, который доставил бы космонавтов СССР на Марс к 1994 году. Но не срослось. Испытания его реактора проводились в конце 1970-х — начале 1980-х годов на Семипалатинском полигоне (сейчас Казахстан). Разработка была свернута в середине 1980-х.

— Существует широкий список перспективных и гипотетически возможных ядерных и даже термоядерных космических установок, — продолжает рассказ Егор. — Часть из них не разрабатываются по экологическим причинам — например, двигатели, использующие в своей основе серию ядерных взрывов, или те, в которых рабочим телом при реактивном движении является само делящееся вещество. В ядерных ракетных двигателях, использующих в качестве рабочего тела водород или иной газ, приходится запасать большие его объемы, что не проходит ввиду ограничений по массе.

Наиболее перспективными являются ядерные энергодвигательные установки (ЯЭДУ), использующие реактор лишь в качестве источника электроэнергии, движение же в них обеспечивается с помощью ионных или плазменных двигателей. Основными препятствиями при разработке мощных установок такого типа являются ограничение на массу выводимых космических аппаратов, требование высочайшей надежности элементов и отсутствие теплообмена с внешней средой.

Ядерная электродвигательная установка мегаваттного класса

Если в описанных выше ядерных двигателях реактор непосредственно «крутил колеса» для движения, то в ЯЭДУ его задача сводится к выработке энергии для установки, которая будет «крутить колеса». Газ от реактора крутит турбину, турбина крутит генератор, генератор вырабатывает электричество для плазменного двигателя — так вкратце это работает. И, в отличие от прямоточного ядерного двигателя, никакой радиоактивной струи на выходе из двигателя.

— Если на Земле в качестве третьего контура ядерного реактора мы можем использовать крупные водные объекты, такие как озера или реки, а реактивные двигатели на основе атомных реакторов охлаждаются набегающим потоком воздуха, то в космосе аппарат находится в вакууме, теплоноситель охлаждается только за счет излучения. Это требует применения огромных холодильников-излучателей (ХИ), которые становятся самыми тяжелыми элементами ядерных установок.

Около 15 лет назад революцию в области разработки орбитальных энергоустановок сделали наши ученые, предложившие использование так называемого капельного ХИ. Это установка, похожая на душ, в которой жидкий теплоноситель второго контура не циркулирует в трубах, а распыляется наружу в виде капель прямо в открытое космическое пространство, там отдает тепло, затем улавливается и проходит цикл заново. В настоящее время эта технология только готовится к испытанию на орбите.

В России в 2009 году объявили о начале работ над ядерной энергодвигательной установкой мегаваттного класса силами предприятий «Роскосмоса» и «Росатома». Испытания макета в космосе должны были состояться 30 марта этого года, но пока о них ничего не слышно. С помощью этой установки Россия планирует начать освоение Солнечной системы.

В качестве теплоносителя в установке собираются применять гелий-ксеноновую смесь, турбомашинный электрогенератор для преобразования тепла в электричество уже испытан, еще в 2016 году прошла серия испытаний нового ионного электроракетного двигателя. Вот только основной разработчик установки — Исследовательский центр имени Келдыша — год назад был оштрафован за сорванные сроки. Согласно госконтракту, работы должны были завершиться еще 25 ноября 2018 года.

— Создание мегаваттной энергодвигательной установки должно стать колоссальным прорывом в освоении человечеством Солнечной системы. Предполагается создание ряда межпланетных челноков. Их энерговооруженность и запас хода позволят без дозаправки добраться до Марса и обратно всего за три месяца. Для сравнения: космическому кораблю с наиболее совершенным химическим двигателем до ближайшей к нам планеты придется лететь более года, но, что наиболее важно, при этом ему не хватит топлива, чтобы вернуться обратно!

Принципиальных препятствий для создания мегаваттной установки на сегодня нет. Наибольшие сложности остаются в создании трех важнейших узлов установки. Во-первых, это турбомеханический электрический генератор, работающий при температуре 1500 градусов и скорости вращения турбины в 60 тыс. оборотов в минуту. Подобные системы успешно функционируют на Земле, но не так просто подготовить генератор к долговременной эксплуатации без обслуживания в космосе, в условиях невесомости. Во-вторых, это система капельного охлаждения, описанная мной выше. Подобные системы никогда не применялись ранее, это наша уникальная разработка, протестировать которую в земных условиях практически невозможно. И, наконец, в-третьих, это нетривиальная задача компоновки и механизации космического аппарата, который должен умещаться под обтекателем ракеты-носителя, а на орбите раскрываться в огромную и сложную конструкцию, состоящую из множества мачт и экранов, а также обладающую всеми традиционными системами ориентации, маневрирования и телеметрии.

Нет сомнений, что в случае соблюдения всех позитивных условий мегаваттная установка будет создана.

Тепловая тяга на Западе

Если Россия пошла по пути создания ядерной энергодвигательной установки, то в США изучают привлекательность ядерной тепловой тяги. По мнению специалистов американского аэрокосмического агентства NASA, сегодняшние достижения в области материалов и разработки реакторов дают стимул для оценки перспективности этой технологии. Ведь ядерные двигатели на ракетах видели не только фантасты — сами специалисты NASA еще в 1961 году совместно с Комиссией по атомной энергии начали реализацию программы «Ядерный двигатель для ракетных транспортных средств» (NERVA).

Два года назад Дойс Митчелл, руководитель перспективного проекта ядерной тепловой тяги в Центре космических полетов имени Джорджа Маршалла, рассказывал, что ядерная двигательная установка способна в два раза сократить время на транзит между Марсом и Землей, и для миссии необязательно будет поджидать момент, когда обе планеты будут в наиболее благоприятных положениях друг относительно друга. Сокращение длительности полета уменьшит воздействие радиации и микрогравитации на пассажиров.

К тому же, по мнению представителей департамента энергетики США, ракеты на ядерной тепловой тяге в два раза эффективнее существующих химических ракет. Удельный импульс последней, сжигающей водород и жидкий кислород, оценивают в 450 секунд, для ядерных ракет этот показатель оценочно достигает 900 секунд.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector