Aleksandra Łosiewa
Szybki rozwój technologii rakietowej i kosmicznej w XX wieku wynikał z wojskowo-strategicznych, politycznych i do pewnego stopnia ideologicznych celów i interesów dwóch supermocarstw – ZSRR i USA, a wszystkie państwowe programy kosmiczne były kontynuację projektów militarnych, w których głównym zadaniem była konieczność zapewnienia zdolności obronnej i parytetu strategicznego z potencjalnym przeciwnikiem. Koszt stworzenia sprzętu i koszt eksploatacji nie miał wtedy fundamentalnego znaczenia. Na stworzenie rakiet nośnych i statków kosmicznych przeznaczono ogromne środki, a 108 minut lotu Jurija Gagarina w 1961 roku oraz transmisja telewizyjna Neila Armstronga i Buzza Aldrina z powierzchni Księżyca w 1969 roku to nie tylko triumfy myśli naukowej i technicznej , uznano je również za strategiczne zwycięstwa w bitwach zimnej wojny.
Ale po upadku Związku Radzieckiego i wycofaniu się z wyścigu o światowe przywództwo, jego geopolityczni przeciwnicy, przede wszystkim Stany Zjednoczone, nie musieli już realizować prestiżowych, ale niezwykle kosztownych projektów kosmicznych, aby udowodnić całemu światu wyższość Zachodu. system gospodarczy i koncepcje ideologiczne.
W latach 90. główne zadania polityczne z przeszłości straciły na aktualności, konfrontację bloków zastąpiła globalizacja, na świecie zapanował pragmatyzm, więc większość programów kosmicznych została okrojona lub przesunięta w czasie, z wielkoskalowych projektów tzw. przeszłość. Ponadto zachodnia demokracja uzależniła wszystkie kosztowne programy państwowe od cykli wyborczych.
Poparcie wyborców potrzebne do zdobycia lub utrzymania władzy sprawia, że politycy, parlamenty i rządy skłaniają się ku populizmowi i rozwiązywaniu doraźnych problemów, przez co z roku na rok zmniejszane są wydatki na eksplorację kosmosu.
Większość fundamentalnych odkryć dokonano w pierwszej połowie XX wieku, a dziś nauka i technika osiągnęły pewne granice, ponadto na całym świecie spadła popularność wiedzy naukowej, a jakość nauczania matematyki, fizyki i inne nauki przyrodnicze uległy pogorszeniu. To było przyczyną stagnacji, w tym w sektorze kosmicznym, ostatnich dwóch dekad.
Ale teraz staje się oczywiste, że świat zbliża się do końca kolejnego cyklu technologicznego opartego na odkryciach ubiegłego stulecia. Dlatego każde mocarstwo, które będzie miało zasadniczo nowe, obiecujące technologie w momencie zmiany globalnego porządku technologicznego, automatycznie zapewni sobie światowe przywództwo na co najmniej następne pięćdziesiąt lat.
Główne urządzenie jądrowego silnika rakietowego z wodorem jako płynem roboczym
Realizuje się to w Stanach Zjednoczonych, gdzie obrano kurs na odrodzenie amerykańskiej wielkości we wszystkich sferach działalności, w Chinach, rzucając wyzwanie amerykańskiej hegemonii, oraz w Unii Europejskiej, która ze wszystkich sił stara się utrzymać swoją wagę w globalnej gospodarki.
Istnieje polityka przemysłowa i są one poważnie zaangażowane w rozwój własnego potencjału naukowego, technicznego i produkcyjnego, a sektor kosmiczny może stać się najlepszym poligonem doświadczalnym do testowania nowych technologii oraz dowodzenia lub obalenia hipotez naukowych, które mogą położyć podwaliny pod tworząc zupełnie inną, bardziej zaawansowaną technologię przyszłości.
I całkiem naturalne jest oczekiwanie, że Stany Zjednoczone będą pierwszym krajem, w którym zostaną wznowione projekty eksploracji głębokiego kosmosu w celu stworzenia unikalnych innowacyjnych technologii w dziedzinie uzbrojenia, transportu i materiałów konstrukcyjnych, a także w biomedycynie i telekomunikacji.
To prawda, że nawet Stany Zjednoczone nie gwarantują sukcesu na drodze do tworzenia rewolucyjnych technologii. Istnieje duże ryzyko, że utkniemy w ślepym zaułku, ulepszając półwieczne silniki rakietowe na paliwo chemiczne, jak robi to SpaceX Elona Muska, lub budując systemy podtrzymywania życia dalekiego zasięgu, podobne do tych, które już wdrożono na ISS.
Czy Rosja, której stagnacja w sektorze kosmicznym jest z roku na rok coraz bardziej zauważalna, może dokonać przełomu w wyścigu o przyszłą przewagę technologiczną, by pozostać w klubie mocarstw, a nie na liście krajów rozwijających się?
Tak, oczywiście, Rosja może, a ponadto, pomimo chronicznego niedofinansowania przemysłu kosmicznego, dokonano już znaczącego kroku naprzód w dziedzinie energetyki jądrowej i technologii jądrowych silników rakietowych.
Przyszłością astronautyki jest wykorzystanie energii jądrowej. Aby zrozumieć, w jaki sposób technologia jądrowa i przestrzeń kosmiczna są ze sobą powiązane, konieczne jest rozważenie podstawowych zasad napędu odrzutowego.
Tak więc główne typy nowoczesnych silników kosmicznych są tworzone na zasadach energii chemicznej. Są to dopalacze na paliwo stałe i silniki rakietowe na paliwo ciekłe, w swoich komorach spalania składniki paliwa (paliwo i utleniacz) wchodząc w egzotermiczną reakcję fizyczno-chemiczną spalania, tworzą strumień strumieniowy, który wyrzuca tony materii z dyszy silnika co drugi. Energia kinetyczna płynu roboczego odrzutowca jest przekształcana w siłę reakcji wystarczającą do napędzania rakiety. Impuls właściwy (stosunek wytwarzanego ciągu do masy zużytego paliwa) takich silników chemicznych zależy od składników paliwa, ciśnienia i temperatury w komorze spalania, a także od masy cząsteczkowej mieszaniny gazowej wyrzucanej przez dysza silnika.
A im wyższa temperatura substancji i ciśnienie w komorze spalania, a masa cząsteczkowa gazu mniejsza, tym większy impuls właściwy, a co za tym idzie, sprawność silnika. Impuls właściwy to wielkość ruchu i zwyczajowo mierzy się go w metrach na sekundę, podobnie jak prędkość.
W silnikach chemicznych największy impuls właściwy dają mieszanki paliwowe tlenowo-wodorowe i fluorowodorowe (4500–4700 m/s), ale silniki rakietowe zasilane naftą i tlenem, takie jak Sojuz i rakiety „Falcon” Mask, a także silniki na asymetrycznej dimetylohydrazynie (UDMH) z utleniaczem w postaci mieszaniny czterotlenku azotu i kwasu azotowego (radziecki i rosyjski „Proton”, francuski „Arian”, amerykański „Titan”). Ich sprawność jest 1,5 raza niższa niż silników zasilanych wodorem, ale impuls 3000 m/s i moc wystarczają, aby ekonomicznie opłacalne było wystrzeliwanie ton ładunków na orbity bliskie Ziemi.
Ale loty na inne planety wymagają znacznie większego statku kosmicznego niż cokolwiek, co ludzkość stworzyła wcześniej, w tym modułowa ISS. Na statkach tych konieczne jest zapewnienie zarówno długoterminowej autonomicznej egzystencji załóg, jak i pewnego zapasu paliwa oraz żywotności silników głównych i silników do manewrów i korekty orbity, zapewnienie dostarczania astronautów w specjalny moduł lądowania na powierzchnię innej planety i powrót na główny statek transportowy, a następnie powrót ekspedycji na Ziemię.
Zgromadzona wiedza inżynieryjno-techniczna oraz energia chemiczna silników umożliwiają powrót na Księżyc i dotarcie na Marsa, więc jest wysoce prawdopodobne, że w następnej dekadzie ludzkość odwiedzi Czerwoną Planetę.
Jeśli polegać tylko na dostępnych technologiach kosmicznych, to minimalna masa modułu mieszkalnego do załogowego lotu na Marsa lub na satelity Jowisza i Saturna wyniesie około 90 ton, czyli 3 razy więcej niż statki księżycowe z początku lat 70. , co oznacza, że pojazdy nośne do umieszczenia na orbitach referencyjnych w celu dalszego lotu na Marsa będą znacznie lepsze niż Saturn-5 (masa startowa 2965 ton) projektu księżycowego Apollo czy radziecki lotniskowiec Energia (masa startowa 2400 ton). Konieczne będzie stworzenie na orbicie kompleksu międzyplanetarnego o masie do 500 ton. Lot statkiem międzyplanetarnym z chemicznymi silnikami rakietowymi będzie wymagał od 8 miesięcy do 1 roku czasu tylko w jednym kierunku, ponieważ trzeba będzie wykonać manewry grawitacyjne, wykorzystując siłę grawitacji planet do dodatkowego przyspieszenia statku, oraz ogromne zapasy paliwa.
Ale wykorzystując energię chemiczną silników rakietowych, ludzkość nie wyleci poza orbitę Marsa czy Wenus. Potrzebujemy innych prędkości lotu statków kosmicznych i innej potężniejszej energii ruchu.
Projekt nowoczesnego jądrowego silnika rakietowego Princeton Satellite Systems
Do eksploracji głębokiego kosmosu konieczne jest znaczne zwiększenie stosunku ciągu do masy i sprawności silnika rakietowego, co oznacza zwiększenie jego impulsu właściwego i żywotności. A do tego konieczne jest podgrzanie gazu lub substancji płynu roboczego o małej masie atomowej wewnątrz komory silnika do temperatur kilkakrotnie wyższych niż temperatura spalania chemicznego tradycyjnych mieszanek paliwowych, a można to zrobić za pomocą reakcji jądrowej .
Jeżeli zamiast konwencjonalnej komory spalania reaktor jądrowy zostanie umieszczony wewnątrz silnika rakietowego, do którego strefy czynnej doprowadzana jest substancja w postaci ciekłej lub gazowej, to nagrzewając się pod wysokim ciśnieniem do kilku tysięcy stopni, będzie zaczynają być wyrzucane przez kanał dyszy, tworząc ciąg strumienia. Impuls właściwy takiego jądrowego silnika odrzutowego będzie kilkukrotnie większy niż konwencjonalnego, opartego na komponentach chemicznych, co oznacza, że wydajność zarówno samego silnika, jak i całej rakiety nośnej wzrośnie wielokrotnie. W tym przypadku utleniacz do spalania paliwa nie jest wymagany, a lekki wodór gazowy może być użyty jako substancja tworząca ciąg odrzutowy, ale wiemy, że im mniejsza masa cząsteczkowa gazu, tym większy pęd, a to znacznie zmniejszyć masę rakiety dzięki lepszej mocy silnika.
Silnik jądrowy byłby lepszy od konwencjonalnego, ponieważ w strefie reaktora lekki gaz może być podgrzewany do temperatur przekraczających 9 tysięcy stopni Kelwina, a strumień tak przegrzanego gazu da znacznie większy impuls właściwy niż zwykłe silniki chemiczne. dawać. Ale to w teorii.
Niebezpieczeństwo nie polega nawet na tym, że podczas startu rakiety nośnej z taką instalacją jądrową może dojść do radioaktywnego skażenia atmosfery i przestrzeni wokół wyrzutni, głównym problemem jest to, że w wysokich temperaturach sam silnik może stopić się wraz ze statkiem kosmicznym . Rozumieją to projektanci i inżynierowie, którzy od kilkudziesięciu lat starają się znaleźć odpowiednie rozwiązania.
Jądrowe silniki rakietowe (NRE) mają już swoją historię powstania i działania w kosmosie. Pierwszy rozwój silników jądrowych rozpoczął się w połowie lat 50., czyli jeszcze przed załogowym lotem kosmicznym i prawie jednocześnie w ZSRR i USA, a sam pomysł wykorzystania reaktorów jądrowych do ogrzewania substancji roboczej w rakiecie silnik narodził się wraz z pierwszymi reaktorami w połowie lat 40., czyli ponad 70 lat temu.
W naszym kraju fizyk termiczny Witalij Michajłowicz Ievlev stał się inicjatorem powstania NRE. W 1947 roku przedstawił projekt, który był wspierany przez SP Korolow, IV Kurchatov i MV Keldysh. Początkowo planowano użyć takich silników do pocisków manewrujących, a następnie umieścić je na pociskach balistycznych. Wiodące biura projektów obronnych Związku Radzieckiego, a także instytuty badawcze NIITP, CIAM, IAE, VNIINM podjęły się rozwoju.
Radziecki silnik jądrowy RD-0410 został zmontowany w połowie lat 60. przez Woroneskie „Biuro Projektowe Automatyki Chemicznej”, gdzie powstała większość ciekłych silników rakietowych dla technologii kosmicznej.
Jako płyn roboczy w RD-0410 zastosowano wodór, który w postaci płynnej przechodził przez „płaszcz chłodzący”, usuwając nadmiar ciepła ze ścianek dyszy i zapobiegając jej stopieniu, a następnie przedostał się do rdzenia reaktora, gdzie był podgrzewany do 3000K i wyrzucane przez dysze kanałowe, przekształcając w ten sposób energię cieplną w energię kinetyczną i wytwarzając impuls właściwy o prędkości 9100 m/s.
W USA projekt NRE rozpoczęto w 1952 roku, a pierwszy działający silnik powstał w 1966 roku i otrzymał nazwę NERVA (ang. Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application). W latach 60. i 70. Związek Radziecki i Stany Zjednoczone starały się nie ustępować sobie nawzajem.
Co prawda zarówno nasz RD-0410, jak i amerykańska NERVA były NRE w fazie stałej (paliwo jądrowe na bazie węglików uranu znajdowało się w reaktorze w stanie stałym), a ich temperatura pracy mieściła się w zakresie 2300–3100 K.
Aby podnieść temperaturę rdzenia bez ryzyka wybuchu lub stopienia ścian reaktora, konieczne jest stworzenie warunków do zajścia reakcji jądrowej, w której paliwo (uran) przechodzi w stan gazowy lub zamienia się w plazmę i jest utrzymywany wewnątrz reaktora dzięki silnemu polu magnetycznemu, bez dotykania ścian. A następnie wodór wchodzący do rdzenia reaktora „opływa” uran w fazie gazowej i zamieniając się w plazmę, jest wyrzucany przez kanał dyszy z bardzo dużą prędkością.
Ten typ silnika nazywany jest YRD w fazie gazowej. Temperatura gazowego paliwa uranowego w takich silnikach jądrowych może wynosić od 10 000 do 20 000 stopni Kelvina, a impuls właściwy może osiągnąć 50 000 m/s, czyli 11 razy więcej niż w najbardziej wydajnych chemicznych silnikach rakietowych.
Stworzenie i wykorzystanie w technice kosmicznej gazowych NRE typu otwartego i zamkniętego jest najbardziej obiecującym kierunkiem rozwoju kosmicznych silników rakietowych i dokładnie tym, czego ludzkość potrzebuje do eksploracji planet Układu Słonecznego i ich satelitów.
Pierwsze badania nad projektem NRE w fazie gazowej rozpoczęto w ZSRR w 1957 roku w Instytucie Badań Procesów Cieplnych (Centrum Badawcze M. V. Keldysh), a sama decyzja o budowie jądrowych elektrowni kosmicznych opartych na reaktorach jądrowych w fazie gazowej zapadła w 1963 przez akademika V. P. Głuszko (NPO Energomash), a następnie zatwierdzony dekretem Komitetu Centralnego KPZR i Rady Ministrów ZSRR.
Rozwój NRE w fazie gazowej był prowadzony w Związku Radzieckim przez dwie dekady, ale niestety nigdy nie został ukończony z powodu niewystarczających funduszy i konieczności dodatkowych badań podstawowych w dziedzinie termodynamiki paliwa jądrowego i plazmy wodorowej, neutronowej fizyka i magnetohydrodynamika.
Radzieccy naukowcy nuklearni i inżynierowie projektanci stanęli przed szeregiem problemów, takich jak osiągnięcie krytyczności i zapewnienie stabilności działania reaktora jądrowego w fazie gazowej, zmniejszenie strat stopionego uranu podczas uwalniania ogrzanego do kilku tysięcy stopni wodoru, ochrona termiczna dyszy i generatora pola magnetycznego, gromadzenie się produktów rozszczepienia uranu, wybór chemicznie odpornych materiałów konstrukcyjnych itp.
A kiedy zaczęto tworzyć pojazd nośny Energia dla radzieckiego programu Mars-94, pierwszego załogowego lotu na Marsa, projekt silnika jądrowego został odłożony na czas nieokreślony. Związek Radziecki nie miał wystarczająco dużo czasu, a co najważniejsze woli politycznej i efektywności ekonomicznej, aby wylądować naszych kosmonautów na planecie Mars w 1994 roku. Byłoby to niezaprzeczalnym osiągnięciem i dowodem naszej przywództwa w zakresie zaawansowanych technologii w ciągu najbliższych kilku dekad. Ale przestrzeń, podobnie jak wiele innych rzeczy, została zdradzona przez ostatnie kierownictwo ZSRR. Historii nie można zmienić, zmarłych naukowców i inżynierów nie można zwrócić, a utraconej wiedzy nie można przywrócić. Wiele rzeczy trzeba będzie odtworzyć.
Kosmiczna energetyka jądrowa nie ogranicza się jednak do sfery NRE w fazie stałej i gazowej. Aby wytworzyć ogrzany przepływ materii w silniku odrzutowym, można użyć energii elektrycznej. Pomysł ten został po raz pierwszy wyrażony przez Konstantina Eduardowicza Ciołkowskiego w 1903 roku w jego pracy „Badanie przestrzeni światowych za pomocą instrumentów reaktywnych”.
A pierwszy elektrotermiczny silnik rakietowy w ZSRR został stworzony w latach trzydziestych XX wieku przez Valentina Pietrowicza Głuszko, przyszłego akademika Akademii Nauk ZSRR i szefa NPO Energia.
Zasady działania elektrycznych silników rakietowych mogą być różne. Zazwyczaj dzieli się je na cztery typy:
- elektrotermiczne (ogrzewanie lub łuk elektryczny). W nich gaz jest podgrzewany do temperatury 1000–5000 K i jest wyrzucany z dyszy w taki sam sposób, jak w NRE.
- silniki elektrostatyczne (koloidalne i jonowe), w których substancja robocza jest najpierw jonizowana, a następnie jony dodatnie (atomy pozbawione elektronów) są przyspieszane w polu elektrostatycznym i również są wyrzucane przez kanał dyszy, tworząc ciąg strumienia. Stacjonarne silniki plazmowe również należą do silników elektrostatycznych.
- magnetoplazma i magnetodynamiczne silniki rakietowe. Tam gazowa plazma jest przyspieszana przez siłę Ampère'a w prostopadle przecinających się polach magnetycznym i elektrycznym.
- impulsowe silniki rakietowe, które wykorzystują energię gazów powstających w wyniku odparowania płynu roboczego w wyładowaniu elektrycznym.
Zaletą tych elektrycznych silników rakietowych jest niskie zużycie płynu roboczego, sprawność do 60% i duże natężenie przepływu cząstek, co może znacznie zmniejszyć masę statku kosmicznego, ale jest też minus - niska gęstość ciągu i odpowiednio niska moc, a także wysoki koszt płynu roboczego (gazy obojętne lub opary metali alkalicznych) do wytworzenia plazmy.
Wszystkie wymienione typy silników elektrycznych zostały wdrożone w praktyce i były wielokrotnie używane w kosmosie zarówno w pojazdach radzieckich, jak i amerykańskich od połowy lat 60. XX wieku, ale ze względu na małą moc były używane głównie jako silniki do korekcji orbity.
W latach 1968-1988 ZSRR wystrzelił całą serię satelitów Kosmos z instalacjami jądrowymi na pokładzie. Typy reaktorów nazwano: „Buk”, „Topaz” i „Jenisej”.
Reaktor projektu Jenisej miał moc cieplną do 135 kW i moc elektryczną około 5 kW. Nośnikiem ciepła był stop sodowo-potasowy. Projekt ten został zamknięty w 1996 roku.
Prawdziwy podtrzymujący silnik rakietowy wymaga bardzo mocnego źródła energii. A najlepszym źródłem energii dla takich silników kosmicznych jest reaktor jądrowy.
Energetyka jądrowa jest jedną z gałęzi przemysłu high-tech, w której nasz kraj utrzymuje wiodącą pozycję. W Rosji powstaje już zasadniczo nowy silnik rakietowy, a projekt ten jest bliski pomyślnego zakończenia w 2018 roku. Testy w locie zaplanowano na 2020 rok.
A jeśli NRE w fazie gazowej jest tematem przyszłych dziesięcioleci, do którego będziemy musieli wrócić po badaniach podstawowych, to jego obecną alternatywą jest elektrownia jądrowa klasy megawatów (EJ), a została ona już stworzona przez przedsiębiorstwa Rosatomu i Roskosmosu od 2009 roku.
NPO Krasnaya Zvezda, która jest obecnie jedynym deweloperem i producentem kosmicznych elektrowni jądrowych na świecie, a także Centrum Badawcze imienia N.I. M. V. Keldysz, NIKIET im. N. A. Dollezhala, Instytut Badawczy NPO Luch, Instytut Kurczatowa, IRM, IPPE, NIIAR i NPO Mashinostroeniya.
Elektrownia jądrowa obejmuje wysokotemperaturowy chłodzony gazem reaktor jądrowy na neutronach prędkich z maszyną wirnikową przetwarzającą energię cieplną na energię elektryczną, układ chłodziarko-emiterów do odprowadzania nadmiaru ciepła w przestrzeń, przedział aparaturowo-montażowy, blok maszerujące plazmowe lub jonowe silniki elektryczne oraz pojemnik do umieszczenia ładunku.
W energetycznym układzie napędowym reaktor jądrowy służy jako źródło energii elektrycznej do pracy elektrycznych silników plazmowych, natomiast chłodziwo gazowe reaktora przechodząc przez rdzeń wchodzi do turbiny generatora elektrycznego i sprężarki i wraca do reaktora w zamkniętej pętli i nie jest wyrzucany w kosmos, jak w NRE, co czyni projekt bardziej niezawodnym i bezpiecznym, a zatem odpowiednim dla astronautyki załogowej.
Planuje się, że elektrownia jądrowa będzie wykorzystywana jako holownik kosmiczny wielokrotnego użytku, który zapewni dostawę ładunku podczas eksploracji Księżyca lub tworzenia wielofunkcyjnych kompleksów orbitalnych. Zaletą będzie nie tylko wielokrotne wykorzystanie elementów systemu transportowego (co Elon Musk stara się osiągnąć w swoich kosmicznych projektach SpaceX), ale także możliwość dostarczenia trzykrotnie większej masy ładunku niż na rakietach z chemicznymi silnikami odrzutowymi o porównywalną moc poprzez zmniejszenie masy startowej systemu transportowego. Specjalna konstrukcja instalacji sprawia, że jest ona bezpieczna dla ludzi i środowiska na Ziemi.
W 2014 roku w OJSC Mashinostroitelny Zavod w Elektrostal zmontowano pierwszy standardowy element paliwowy (element paliwowy) dla tej elektrowni jądrowej, aw 2016 roku przetestowano symulator kosza rdzenia reaktora.
Obecnie (w 2017 r.) trwają prace nad wykonaniem elementów konstrukcyjnych instalacji oraz testowaniem podzespołów i zespołów na makietach, a także autonomicznymi testami układów przetwarzania energii maszyn wirnikowych i prototypów jednostek napędowych. Zakończenie prac planowane jest na koniec przyszłego 2018 roku, jednak od 2015 roku zaczęły narastać zaległości z harmonogramu.
Tak więc, gdy tylko ta instalacja powstanie, Rosja stanie się pierwszym krajem na świecie, który będzie posiadał jądrowe technologie kosmiczne, które będą stanowić podstawę nie tylko przyszłych projektów rozwoju układu słonecznego, ale także energii ziemskiej i pozaziemskiej. Kosmiczne elektrownie jądrowe mogą służyć do tworzenia systemów zdalnego przesyłu energii elektrycznej na Ziemię lub do modułów kosmicznych wykorzystujących promieniowanie elektromagnetyczne. I to też stanie się zaawansowaną technologią przyszłości, w której nasz kraj będzie miał wiodącą pozycję.
Na bazie opracowanych silników plazmowych powstaną potężne układy napędowe do dalekich lotów kosmicznych ludzi, a przede wszystkim do eksploracji Marsa, na którego orbitę można dotrzeć w zaledwie 1,5 miesiąca, a nie dłużej niż pół roku. rok, jak w przypadku konwencjonalnych chemicznych silników odrzutowych.
A przyszłość zawsze zaczyna się od rewolucji w energetyce. I nic więcej. Energia jest pierwotna i to właśnie wielkość zużycia energii wpływa na postęp techniczny, zdolności obronne i jakość życia ludzi.
Eksperymentalny silnik rakietowy NASA
Radziecki astrofizyk Nikołaj Kardaszew zaproponował skalę rozwoju cywilizacji już w 1964 roku. Według tej skali poziom rozwoju technologicznego cywilizacji zależy od ilości energii, jaką ludność planety zużywa na swoje potrzeby. Tak więc cywilizacja typu I wykorzystuje wszystkie dostępne zasoby dostępne na planecie; cywilizacja typu II - otrzymuje energię swojej gwiazdy, w układzie której się znajduje; a cywilizacja typu III wykorzystuje dostępną energię swojej galaktyki. Ludzkość nie dorosła jeszcze do cywilizacji typu I na taką skalę. Wykorzystujemy tylko 0,16% całkowitego potencjalnego źródła energii planety Ziemia. Oznacza to, że Rosja i cały świat mają przestrzeń do rozwoju, a te technologie jądrowe otworzą przed naszym krajem drogę nie tylko w kosmos, ale także w przyszły dobrobyt gospodarczy.
I być może jedyną opcją dla Rosji w sferze naukowo-technicznej jest teraz dokonanie rewolucyjnego przełomu w nuklearnych technologiach kosmicznych, aby jednym „skokiem” pokonać wiele lat za liderami i natychmiast znaleźć się u początków nowego rewolucja technologiczna w kolejnym cyklu rozwoju cywilizacji ludzkiej. Taka wyjątkowa szansa przypada temu czy innemu krajowi tylko raz na kilka stuleci.
Niestety Rosja, która przez ostatnie 25 lat nie przywiązywała należytej wagi do nauk podstawowych i jakości szkolnictwa wyższego i średniego, ryzykuje utratę tej szansy na zawsze, jeśli program zostanie ograniczony, a dotychczasowi naukowcy i inżynierowie nie zostaną zastąpieni przez nowe pokolenie badaczy. Wyzwania geopolityczne i technologiczne, przed którymi stanie Rosja za 10-12 lat, będą bardzo poważne, porównywalne z zagrożeniami połowy XX wieku. Aby zachować suwerenność i integralność Rosji w przyszłości, należy pilnie rozpocząć szkolenie specjalistów zdolnych odpowiedzieć na te wyzwania i stworzyć coś zasadniczo nowego już teraz.
Jest tylko około 10 lat, aby uczynić z Rosji światowe centrum intelektualne i technologiczne, a tego nie da się zrobić bez poważnej zmiany jakości edukacji. Dla przełomu naukowego i technologicznego konieczny jest powrót do systemu edukacji (zarówno szkolnej, jak i uniwersyteckiej) usystematyzowanego obrazu świata, fundamentalności naukowej i integralności ideologicznej.
Jak na obecną stagnację w branży kosmicznej, to nie jest straszna. Fizyczne zasady, na których opierają się nowoczesne technologie kosmiczne, będą jeszcze przez długi czas poszukiwane w sektorze konwencjonalnych usług satelitarnych. Przypomnijmy, że ludzkość używa żagla od 5,5 tysiąca lat, a era pary trwała prawie 200 lat i dopiero w XX wieku świat zaczął się gwałtownie zmieniać, gdyż nastąpiła kolejna rewolucja naukowo-techniczna, która zapoczątkowała falę innowacje i zmiana struktur technologicznych, które ostatecznie zmieniły światową gospodarkę i politykę. Najważniejsze jest, aby być u źródła tych zmian. [e-mail chroniony] ,
strona internetowa: https://delpress.ru/information-for-subscribers.html
Możesz subskrybować elektroniczną wersję magazynu „Arsenał Ojczyzny” pod linkiem.
Roczny koszt subskrypcji -
12 000 rub.
Sceptycy twierdzą, że stworzenie silnika jądrowego nie jest znaczącym postępem naukowo-technicznym, a jedynie „modernizacją kotła parowego”, w którym uran pełni rolę paliwa zamiast węgla i drewna opałowego, a wodór pełni rolę Działający płyn. Czy NRE (jądrowy silnik odrzutowy) jest tak mało obiecujący? Spróbujmy to rozgryźć.
Pierwsze rakiety
Wszystkie zasługi ludzkości w rozwoju przestrzeni bliskiej Ziemi można bezpiecznie przypisać chemicznym silnikom odrzutowym. Działanie takich jednostek napędowych opiera się na zamianie energii reakcji chemicznej spalania paliwa w utleniaczu na energię kinetyczną strumienia strumieniowego, aw konsekwencji rakiety. Stosowanym paliwem jest nafta, ciekły wodór, heptan (w przypadku silników rakietowych na paliwo ciekłe (LTE)) oraz spolimeryzowana mieszanina nadchloranu amonu, tlenku glinu i żelaza (w przypadku paliwa stałego (RDTT)).
Powszechnie wiadomo, że pierwsze rakiety używane do fajerwerków pojawiły się w Chinach już w II wieku pne. Wzbiły się w niebo dzięki energii gazów proszkowych. Badania teoretyczne niemieckiego rusznikarza Konrada Haasa (1556), polskiego generała Kazimierza Semenowicza (1650), rosyjskiego generała porucznika Aleksandra Zasyadko wniosły znaczący wkład w rozwój technologii rakietowej.
Patent na wynalazek pierwszego silnika rakietowego na paliwo ciekłe otrzymał amerykański naukowiec Robert Goddard. Jego aparat o wadze 5 kg i długości około 3 m, zasilany benzyną i ciekłym tlenem, w 1926 r. działał przez 2,5 s. przeleciał 56 metrów.
W pogoni za szybkością
Poważne prace eksperymentalne nad stworzeniem seryjnych chemicznych silników odrzutowych rozpoczęły się w latach 30. ubiegłego wieku. W Związku Radzieckim za pionierów budowy silników rakietowych uważani są wiceprezes Głuszko i F. A. Zander. Z ich udziałem opracowano jednostki napędowe RD-107 i RD-108, które zapewniły ZSRR prymat w eksploracji kosmosu i położyły podwaliny pod przyszłe przywództwo Rosji w dziedzinie załogowej kosmonautyki.
Wraz z modernizacją silnika na paliwo ciekłe stało się jasne, że teoretyczna maksymalna prędkość strumienia nie może przekraczać 5 km/s. To może wystarczyć do badania przestrzeni bliskiej Ziemi, ale loty na inne planety, a nawet więcej gwiazd, pozostaną nierealnym marzeniem ludzkości. W rezultacie już w połowie ubiegłego stulecia zaczęły pojawiać się projekty alternatywnych (niechemicznych) silników rakietowych. Najbardziej popularne i obiecujące były instalacje wykorzystujące energię reakcji jądrowych. Pierwsze eksperymentalne próbki jądrowych silników kosmicznych (NRE) w Związku Radzieckim i USA zostały przetestowane w 1970 roku. Jednak po katastrofie w Czarnobylu, pod naciskiem opinii publicznej, prace w tym zakresie zostały wstrzymane (w ZSRR w 1988 r., w USA – od 1994 r.).
Funkcjonowanie elektrowni jądrowych opiera się na tych samych zasadach, co elektrownie cieplno-chemiczne. Jedyną różnicą jest to, że ogrzewanie płynu roboczego odbywa się za pomocą energii rozpadu lub syntezy paliwa jądrowego. Sprawność energetyczna takich silników jest znacznie wyższa niż chemicznych. Przykładowo energia, jaką może wyzwolić 1 kg najlepszego paliwa (mieszaniny berylu z tlenem) wynosi 3 × 107 J, podczas gdy dla izotopów polonu Po210 wartość ta wynosi 5 × 1011 J.
Energia uwolniona w silniku jądrowym może być wykorzystana na różne sposoby:
podgrzanie płynu roboczego emitowanego przez dysze, jak w tradycyjnym silniku rakietowym, po przekształceniu w elektryczny, jonizacja i przyspieszenie cząstek płynu roboczego, wytworzenie impulsu bezpośrednio przez produkty rozszczepienia lub syntezy jądrowej.Nawet zwykła woda może działać jak płynem roboczym, ale użycie alkoholu będzie znacznie skuteczniejsze, amoniaku lub ciekłego wodoru. W zależności od stanu skupienia paliwa do reaktora jądrowe silniki rakietowe dzielą się na stałe, ciekłe i gazowe. Najbardziej rozwinięty NRE z reaktorem rozszczepialnym w fazie stałej, który jako paliwo wykorzystuje pręty paliwowe (elementy paliwowe) stosowane w elektrowniach jądrowych. Pierwszy taki silnik w ramach amerykańskiego projektu Nerva przeszedł testy naziemne w 1966 roku, pracując przez około dwie godziny.
Cechy konstrukcyjne
Sercem każdego jądrowego silnika kosmicznego jest reaktor składający się ze strefy aktywnej i berylowego reflektora umieszczonego w budynku energetycznym. To właśnie w strefie aktywnej następuje rozszczepienie atomów substancji palnej, z reguły uran U238, wzbogacony izotopami U235. Aby nadać procesowi rozpadu jądrowego określone właściwości, znajdują się tu również moderatory - ogniotrwały wolfram lub molibden. Jeśli moderator jest zawarty w składzie elementów paliwowych, reaktor nazywa się jednorodnym, a jeśli jest umieszczony osobno - heterogenicznym. Silnik jądrowy zawiera również jednostkę zasilającą cieczą roboczą, elementy sterujące, ochronę przed promieniowaniem cienia i dyszę. Elementy konstrukcyjne i komponenty reaktora, poddane dużym obciążeniom termicznym, są chłodzone cieczą roboczą, która jest następnie wtryskiwana do zespołów paliwowych przez zespół turbopompy. Tutaj jest podgrzewany do prawie 3000˚С. Wydychając przez dyszę, płyn roboczy wytwarza ciąg strumienia.
Typowe regulatory reaktorów to pręty sterujące i bębny obrotowe wykonane z substancji pochłaniającej neutrony (bor lub kadm). Pręty umieszcza się bezpośrednio w rdzeniu lub w specjalnych niszach reflektora, a bębny obrotowe na obrzeżach reaktora. Przesuwając pręty lub obracając bębny, zmienia się liczbę jąder rozszczepialnych w jednostce czasu, dostosowując poziom uwalniania energii przez reaktor, a co za tym idzie, jego moc cieplną.
Aby zmniejszyć intensywność promieniowania neutronowego i gamma, które jest niebezpieczne dla wszystkich żywych organizmów, w budynku energetycznym umieszczono elementy pierwotnego zabezpieczenia reaktora.
Poprawa wydajności
Silnik jądrowy w fazie ciekłej jest podobny w zasadzie i urządzeniu do silników w fazie stałej, ale ciekły stan paliwa umożliwia zwiększenie temperatury reakcji, aw konsekwencji ciągu jednostki napędowej. Jeśli więc dla jednostek chemicznych (LTE i silniki rakietowe na paliwo stałe) maksymalny impuls właściwy (prędkość podmuchu odrzutowca) wynosi 5420 m/s, dla jądrowej fazy stałej i 10 000 m/s jest to daleko od granicy, to średnia wartość wskaźnik ten dla fazy gazowej NRE mieści się w przedziale 30 000 - 50 000 m/s.
Istnieją dwa rodzaje projektów silników jądrowych w fazie gazowej:
Otwarty cykl, w którym reakcja jądrowa zachodzi wewnątrz chmury plazmy z płynu roboczego utrzymywanego przez pole elektromagnetyczne i pochłaniającego całe wytworzone ciepło. Temperatura może sięgać kilkudziesięciu tysięcy stopni. W tym przypadku obszar aktywny jest otoczony substancją żaroodporną (na przykład kwarcem) - lampą jądrową, która swobodnie przenosi wypromieniowaną energię.W instalacjach drugiego typu temperatura reakcji będzie ograniczona temperaturą topnienia materiał żarówki. Jednocześnie nieco spada sprawność energetyczna jądrowego silnika kosmicznego (impuls właściwy do 15 000 m/s), ale wzrasta wydajność i bezpieczeństwo radiacyjne.
Praktyczne osiągnięcia
Formalnie za wynalazcę elektrowni atomowej uważany jest amerykański naukowiec i fizyk Richard Feynman. Rozpoczęcie prac na dużą skalę nad rozwojem i tworzeniem silników jądrowych do statków kosmicznych w ramach programu Rover nastąpiło w Los Alamos Research Center (USA) w 1955 roku. Amerykańscy wynalazcy preferowali elektrownie z jednorodnym reaktorem jądrowym. Pierwsza eksperymentalna próbka „Kiwi-A” została zmontowana w zakładzie w centrum atomowym w Albuquerque (Nowy Meksyk, USA) i przetestowana w 1959 roku. Reaktor ustawiono pionowo na statywie dyszą do góry. Podczas testów ogrzany strumień zużytego wodoru był emitowany bezpośrednio do atmosfery. I chociaż rektor pracował na małej mocy tylko przez około 5 minut, sukces zainspirował twórców.
W Związku Radzieckim potężny impuls do takich badań nadało spotkanie „trzech wielkich K”, które odbyło się w 1959 r. W Instytucie Energii Atomowej - twórcy bomby atomowej I.V. Kurchatov, główny teoretyk rosyjskiej kosmonautyki M.V. Keldysh oraz generalny projektant radzieckich rakiet S.P. Queen. W przeciwieństwie do modelu amerykańskiego, radziecki silnik RD-0410, opracowany w biurze projektowym stowarzyszenia Khimavtomatika (Woroneż), miał heterogeniczny reaktor. Testy ogniowe odbyły się na poligonie w pobliżu miasta Semipałatyńsk w 1978 roku.
Warto zauważyć, że powstało całkiem sporo projektów teoretycznych, ale sprawa nigdy nie trafiła do praktycznej realizacji. Powodem tego była obecność ogromnej liczby problemów w materiałoznawstwie, brak zasobów ludzkich i finansowych.
Dla przypomnienia: ważnym osiągnięciem praktycznym było przeprowadzenie prób w locie samolotu z silnikiem jądrowym. W ZSRR eksperymentalny bombowiec strategiczny Tu-95LAL był najbardziej obiecujący, w USA - B-36.
Projekt Orion lub Pulse NRE
Pulsacyjny silnik jądrowy do lotów kosmicznych został po raz pierwszy zaproponowany w 1945 roku przez amerykańskiego matematyka polskiego pochodzenia Stanisława Ulama. W następnej dekadzie pomysł został rozwinięty i udoskonalony przez T. Taylora i F. Dysona. Najważniejsze jest to, że energia małych ładunków jądrowych, zdetonowanych w pewnej odległości od platformy pchającej na dnie rakiety, nadaje jej duże przyspieszenie.
W ramach rozpoczętego w 1958 roku projektu Orion planowano wyposażyć w taki właśnie silnik rakietę zdolną do wyniesienia ludzi na powierzchnię Marsa lub orbitę Jowisza. Załoga stacjonująca w przednim przedziale byłaby chroniona przed niszczącymi skutkami gigantycznych przyspieszeń przez urządzenie tłumiące. Efektem szczegółowych prac inżynierskich były testy marszowe wielkoskalowego modelu statku w celu zbadania stabilności lotu (zamiast ładunków jądrowych zastosowano konwencjonalne materiały wybuchowe). Ze względu na wysokie koszty projekt został zamknięty w 1965 roku.
Podobne pomysły na stworzenie „materiału wybuchowego” wyraził radziecki akademik A. Sacharow w lipcu 1961 r. Aby umieścić statek na orbicie, naukowiec zaproponował użycie konwencjonalnych silników na paliwo ciekłe.
Projekty alternatywne
Ogromna liczba projektów nie wyszła poza badania teoretyczne. Wśród nich było wiele oryginalnych i bardzo obiecujących. Potwierdzeniem jest idea elektrowni jądrowej opartej na rozszczepialnych fragmentach. Cechy konstrukcyjne i rozmieszczenie tego silnika umożliwiają w ogóle obejście się bez płynu roboczego. Strumień strumieniowy, który zapewnia niezbędne właściwości napędowe, powstaje ze zużytego materiału jądrowego. Reaktor oparty jest na obracających się dyskach o podkrytycznej masie jądrowej (współczynnik rozszczepienia atomów jest mniejszy od jedności). Podczas obracania się w sektorze dysku znajdującym się w strefie aktywnej, rozpoczyna się reakcja łańcuchowa i rozpadające się wysokoenergetyczne atomy są wysyłane do dyszy silnika, tworząc strumień strumieniowy. Ocalałe całe atomy wezmą udział w reakcji przy kolejnych obrotach dysku paliwowego.
Projekty silnika jądrowego dla statków wykonujących określone zadania w przestrzeni okołoziemskiej w oparciu o RTG (radioizotopowe generatory termoelektryczne) są całkiem wykonalne, ale takie instalacje nie są zbyt obiecujące dla lotów międzyplanetarnych, a tym bardziej międzygwiezdnych.
Silniki termojądrowe mają ogromny potencjał. Już na obecnym etapie rozwoju nauki i technologii instalacja pulsacyjna jest całkiem wykonalna, w której, podobnie jak w projekcie Orion, ładunki termojądrowe zostaną zdetonowane pod dnem rakiety. Wielu ekspertów uważa jednak, że wdrożenie kontrolowanej syntezy jądrowej jest kwestią niedalekiej przyszłości.
Zalety i wady YARD
Do niepodważalnych zalet wykorzystania silników jądrowych jako jednostek napędowych statków kosmicznych należy zaliczyć ich wysoką sprawność energetyczną, która zapewnia wysoki impuls właściwy i dobre parametry ciągu (do tysiąca ton w próżni), imponującą rezerwę energii podczas autonomicznej pracy. Obecny poziom rozwoju naukowego i technologicznego pozwala na zapewnienie porównywalnej zwartości takiej instalacji.
Główną wadą NRE, która spowodowała ograniczenie prac projektowych i badawczych, jest duże zagrożenie radiacyjne. Dotyczy to w szczególności przeprowadzania naziemnych testów ogniowych, w wyniku których wraz z płynem roboczym do atmosfery mogą przedostać się do atmosfery gazy radioaktywne, związki uranu i jego izotopy oraz niszczący wpływ promieniowania przenikającego. Z tych samych powodów niedopuszczalne jest wystrzeliwanie statku kosmicznego wyposażonego w silnik jądrowy bezpośrednio z powierzchni Ziemi.
Teraźniejszość i przyszłość
Według zapewnień akademika Rosyjskiej Akademii Nauk, dyrektora generalnego Keldysh Center Anatolija Korotejewa, w Rosji powstanie w niedalekiej przyszłości całkowicie nowy typ silnika jądrowego. Istotą podejścia jest to, że energia reaktora kosmicznego będzie skierowana nie na bezpośrednie ogrzewanie płynu roboczego i tworzenie strumienia strumieniowego, ale na wytwarzanie energii elektrycznej. Rolę pędnika w instalacji przypisuje się silnikowi plazmowemu, którego ciąg właściwy jest 20 razy większy niż ciąg obecnie istniejących chemicznych pojazdów rakietowych. Głównym przedsiębiorstwem projektu jest oddział państwowej korporacji „Rosatom” JSC „NIKIET” (Moskwa).
Pełnowymiarowe testy makietowe pomyślnie przeszły w 2015 roku na podstawie NPO Mashinostroeniya (Reutov). Listopad tego roku został wyznaczony jako data rozpoczęcia testów projektu lotu elektrowni jądrowej. Najważniejsze elementy i systemy będą musiały zostać przetestowane, także na pokładzie ISS.
Działanie nowego rosyjskiego silnika jądrowego odbywa się w cyklu zamkniętym, co całkowicie wyklucza przedostawanie się substancji radioaktywnych do otaczającej przestrzeni. Masa i ogólna charakterystyka głównych elementów elektrowni zapewniają jej zastosowanie z istniejącymi krajowymi rakietami nośnymi Proton i Angara.
Rosja była i nadal pozostaje liderem w dziedzinie jądrowej energii kosmicznej. Organizacje takie jak RSC Energia i Roskosmos mają doświadczenie w projektowaniu, budowaniu, uruchamianiu i eksploatacji statków kosmicznych wyposażonych w jądrowe źródło energii. Silnik jądrowy umożliwia eksploatację samolotów przez wiele lat, znacznie zwiększając ich przydatność praktyczną.
kronika historyczna
Jednocześnie dostarczenie aparatury badawczej na orbity odległych planet Układu Słonecznego wymaga zwiększenia zasobów takiej instalacji jądrowej do 5-7 lat. Udowodniono, że kompleks z jądrowym układem napędowym o mocy około 1 MW w ramach badawczego statku kosmicznego pozwoli na przyspieszone dostarczanie sztucznych satelitów najodleglejszych planet, łazików planetarnych na powierzchnię naturalnych satelitów tych planet oraz dostawy gleby z komet, asteroid, Merkurego oraz satelitów Jowisza i Saturna.
Holownik wielokrotnego użytku (MB)
Jednym z najważniejszych sposobów na zwiększenie efektywności operacji transportowych w kosmosie jest wykorzystanie elementów systemu transportowego wielokrotnego użytku. Silnik jądrowy do statków kosmicznych o mocy co najmniej 500 kW umożliwia stworzenie holownika wielokrotnego użytku, a tym samym znaczne zwiększenie wydajności wieloogniwowego systemu transportu kosmicznego. Taki system jest szczególnie przydatny w programie zapewniającym duże roczne przepływy ładunków. Przykładem może być program eksploracji Księżyca z tworzeniem i utrzymywaniem stale rosnącej bazy nadającej się do zamieszkania oraz eksperymentalnych kompleksów technologicznych i przemysłowych.
Obliczanie obrotu towarowego
Według opracowań projektowych RSC Energia podczas budowy bazy na powierzchnię Księżyca powinny zostać dostarczone moduły ważące około 10 ton, na orbitę Księżyca do 30 ton. bazy wynosi 400-500 ton.
Jednak zasada działania silnika jądrowego nie pozwala na wystarczająco szybkie rozproszenie transportera. Ze względu na długi czas transportu, a co za tym idzie, znaczny czas spędzony przez ładunek w pasach radiacyjnych Ziemi, nie cały ładunek można dostarczyć za pomocą holowników o napędzie atomowym. Dlatego przepływ ładunków, który można zapewnić na podstawie NEP, szacuje się na zaledwie 100-300 ton/rok.
Wydajność ekonomiczna
Jako kryterium efektywności ekonomicznej systemu transportu międzyorbitalnego wskazane jest przyjęcie wartości kosztu jednostkowego transportu jednostki masy ładunku (PG) z powierzchni Ziemi na orbitę docelową. RSC Energia opracowała model ekonomiczny i matematyczny uwzględniający główne składowe kosztów w systemie transportowym:
- do tworzenia i wynoszenia modułów holowniczych na orbitę;
- na zakup działającej instalacji jądrowej;
- koszty operacyjne, jak również koszty badań i rozwoju oraz ewentualne koszty kapitałowe.
Wskaźniki kosztów zależą od optymalnych parametrów MB. Za pomocą tego modelu zbadano porównawczą efektywność ekonomiczną wykorzystania holownika wielorazowego użytku opartego na napędzie jądrowym o mocy około 1 MW oraz holownika jednorazowego użytku opartego na zaawansowanych układach napędowych na ciecz w programie dostarczania ładunku o masie całkowitej 100 t/rok od Ziemi do orbity Księżyca na wysokości 100 km. W przypadku wykorzystania tej samej rakiety nośnej o nośności równej nośności rakiety nośnej Proton-M oraz schematu budowy systemu transportowego z dwoma startami, jednostkowy koszt dostarczenia jednostkowej masy ładunku holownikiem w oparciu o silnika jądrowego będzie trzykrotnie mniejsza niż przy użyciu jednorazowych holowników opartych na rakietach z silnikami płynnymi typu DM-3.
Wniosek
Wydajny silnik jądrowy dla kosmosu przyczynia się do rozwiązania problemów środowiskowych Ziemi, załogowy lot na Marsa, stworzenie bezprzewodowego systemu przesyłu mocy w kosmosie, wdrożenie wysoce niebezpiecznych odpadów radioaktywnych z naziemnej energii jądrowej o zwiększonym bezpieczeństwie, stworzenie nadającej się do zamieszkania bazy księżycowej oraz rozpoczęcie przemysłowej eksploracji Księżyca, zapewniającej ochronę Ziemi przed niebezpieczeństwem asteroid-komet.
W jedna z sekcji Na LiveJournal inżynier elektronik nieustannie pisze o maszynach jądrowych i termojądrowych - reaktorach, instalacjach, laboratoriach badawczych, akceleratorach, a także o. Nowa rosyjska rakieta, zeznania podczas dorocznego orędzia Prezydenta, wzbudziła żywe zainteresowanie blogera. A oto, co znalazł na ten temat.
Tak, historycznie rozwijano pociski manewrujące z nuklearnym silnikiem strumieniowym: jest to pocisk SLAM w USA z reaktorem TORY-II, koncepcja Avro Z-59 w Wielkiej Brytanii i rozwój w ZSRR.
Nowoczesne renderowanie koncepcji rakiety Avro Z-59, ważącej około 20 ton.
Jednak wszystkie te prace trwały w latach 60. jako B+R o różnym stopniu zaawansowania (najdalej posunęły się Stany Zjednoczone, o czym mowa poniżej) i nie były kontynuowane w postaci próbek w służbie. Nie dostali tego z tego samego powodu, co wiele innych osiągnięć epoki atomu - samoloty, pociągi, rakiety z elektrowniami jądrowymi. Wszystkie te opcje pojazdów, z pewnymi zaletami, jakie daje szaleńcza gęstość energii w paliwie jądrowym, mają bardzo poważne wady - wysokie koszty, złożoność działania, wymagania dotyczące ciągłej ochrony, a wreszcie niezadowalające wyniki prac rozwojowych, o których zwykle niewiele wiadomo (publikacja wyniki badań i rozwoju są bardziej opłacalne dla wszystkich stron, eksponują osiągnięcia i ukrywają porażki).
W szczególności pociskom manewrującym znacznie łatwiej jest stworzyć lotniskowiec (okręt podwodny lub samolot), który „przeciągnie” wiele pocisków na miejsce startu, niż wygłupiać się z małą flotą (a opanowanie dużej floty jest niezwykle trudne). floty) pocisków manewrujących wystrzeliwanych z własnego terytorium. Uniwersalny, tani, masowy produkt ostatecznie wygrał z małoseryjnym, drogim iz niejednoznacznymi plusami. Jądrowe pociski manewrujące nie wyszły poza testy naziemne.
Moim zdaniem ten koncepcyjny ślepy zaułek z lat 60. KR z elektrowniami jądrowymi jest nadal aktualny, więc główne pytanie do pokazanego brzmi „dlaczego?”. Ale jest to jeszcze bardziej wypukłe przez problemy, które pojawiają się podczas opracowywania, testowania i obsługi takiej broni, o których będziemy mówić dalej.
Zacznijmy więc od reaktora. Koncepcje SLAM i Z-59 były trzymaszynowymi nisko latającymi rakietami o imponujących wymiarach i masie (ponad 20 ton po zrzuceniu dopalaczy). Strasznie drogi nisko latający naddźwiękowy pozwolił maksymalnie wykorzystać obecność praktycznie nieograniczonego źródła energii na pokładzie, ponadto ważną cechą jądrowego silnika odrzutowego jest usprawnienia wydajności pracy (cykl termodynamiczny) z rosnącą prędkością, tj. ten sam pomysł, ale przy prędkościach 1000 km/h miałby znacznie cięższy i ogólnie silnik. Wreszcie 3M na wysokości stu metrów w 1965 r. oznaczało niewrażliwość na obronę powietrzną.Okazuje się, że wcześniej koncepcja wyrzutni rakiet z elektrownią jądrową była „związana” z dużą prędkością, gdzie zalety koncepcji były mocna, a konkurenci z paliwem węglowodorowym słabli.Pokazana rakieta moim zdaniem wygląda na transsoniczną lub lekko naddźwiękową (chyba że oczywiście wierzycie, że to ona na filmie). Ale jednocześnie wielkość reaktora znacznie się zmniejszyła w porównaniu do TORY II z rakiety SLAM, gdzie było aż 2 metry łącznie z grafitowym radialnym reflektorem neutronowym
Czy w ogóle można położyć reaktor o średnicy 0,4-0,6 metra?
Zacznijmy od zasadniczo minimalnego reaktora - pustego Pu239. Dobrym przykładem realizacji takiej koncepcji jest kosmiczny reaktor Kilopower, który jednak wykorzystuje U235. Średnica rdzenia reaktora to zaledwie 11 centymetrów! Jeśli przejdziemy na pluton 239, wymiary AZ spadną o kolejne 1,5-2 razy.Teraz, od rozmiaru minimalnego, zaczniemy iść w kierunku prawdziwego jądrowego silnika odrzutowego, pamiętając o trudnościach.
Pierwszą rzeczą, którą należy dodać do rozmiaru reaktora, jest rozmiar odbłyśnika - w szczególności w Kilopower BeO trzykrotnie zwiększa rozmiar. Po drugie, nie możemy użyć blanku U lub Pu - po prostu spalą się w strumieniu powietrza w ciągu minuty. Potrzebna jest osłona, taka jak incaloy, która jest odporna na natychmiastowe utlenianie do 1000 C lub inne stopy niklu z ewentualną powłoką ceramiczną. Wprowadzenie dużej ilości materiału powłoki do rdzenia natychmiast zwiększa wymaganą ilość paliwa jądrowego kilkukrotnie - w końcu „bezproduktywna” absorpcja neutronów w rdzeniu teraz dramatycznie wzrosła!
Co więcej, metaliczna forma U lub Pu już się nie nadaje – te materiały same w sobie nie są ogniotrwałe (pluton generalnie topi się w temperaturze 634 C), ale także wchodzą w interakcje z materiałem metalowych powłok. Zamieniamy paliwo w klasyczną postać UO2 lub PuO2 - otrzymujemy jeszcze jedno rozcieńczenie materiału w rdzeniu, tym razem tlenem.
Na koniec przypominamy sobie cel reaktora. Musimy przepompować przez nią dużo powietrza, któremu oddamy ciepło. Około 2/3 powierzchni zajmą „przewody powietrzne”.
W rezultacie minimalna średnica rdzenia wzrasta do 40-50 cm (dla uranu), a średnica reaktora z 10-centymetrowym reflektorem berylowym do 60-70 cm. MITA przeznaczony do lotów w atmosferze Jowisza. Ten całkowicie papierowy projekt (przykładowo temperaturę rdzenia podano na 3000 K, a ściany wykonano z berylu, który wytrzymuje działanie siły 1200 K) ma średnicę rdzenia obliczoną z neutroniki 55,4 cm, natomiast chłodzenie wodorem pozwala na nieznaczne zmniejszenie rozmiarów kanałów, przez które pompowany jest płyn chłodzący.
Moim zdaniem powietrzny nuklearny silnik odrzutowy można wepchnąć do rakiety o średnicy około metra, która jednak wciąż nie jest kardynalnie większa niż dźwięczne 0,6-0,74 m, ale wciąż jest niepokojąca. elektrownia atomowa będzie miała moc ~kilku megawatów, zasilana ~10^16 rozpadów na sekundę. Oznacza to, że sam reaktor wytworzy pole promieniowania o wartości kilkudziesięciu tysięcy rentgenów przy powierzchni i do tysiąca rentgenów wzdłuż całej rakiety. Nawet instalacja kilkuset kg ochrony sektora nie zmniejszy znacznie tych poziomów, bo. neutrony i kwanty gamma zostaną odbite od powietrza i „ominą ochronę”.
W ciągu kilku godzin taki reaktor wytworzy ~10^21-10^22 atomów produktów rozszczepienia c o aktywności kilku (kilkudziesięciu) petabekereli, które nawet po wyłączeniu stworzą tło o wartości kilku tysięcy rentgenów w pobliżu reaktor.
Projekt rakiety zostanie aktywowany do około 10^14 Bq, chociaż izotopy będą głównie emiterami beta i są niebezpieczne tylko przez bremsstrahlung. Tło z samej struktury może osiągnąć dziesiątki promieni rentgenowskich w odległości 10 metrów od korpusu rakiety.
Cała ta „wesołość” daje do zrozumienia, że opracowanie i przetestowanie takiej rakiety to zadanie na granicy możliwości. Konieczne jest stworzenie całego zestawu odpornego na promieniowanie sprzętu nawigacyjnego i kontrolnego, aby przetestować to wszystko w dość złożony sposób (promieniowanie, temperatura, wibracje - a wszystko to dla statystyki). Testy w locie z działającym reaktorem w każdej chwili mogą przerodzić się w katastrofę radiacyjną z uwolnieniem setek terabekereli do jednostek petabekereli. Nawet bez katastrofalnych sytuacji bardzo prawdopodobne jest obniżenie ciśnienia w poszczególnych prętach paliwowych i uwolnienie radionuklidów.
Oczywiście w Rosji nadal istnieją Wielokąt Nowej Ziemi na których można przeprowadzić takie testy, ale byłoby to sprzeczne z duchem traktatu w sprawie zakaz prób jądrowych w trzech środowiskach (Zakaz został wprowadzony, aby zapobiec systematycznemu zanieczyszczeniu atmosfery i oceanu radionuklidami).
Wreszcie ciekawe, kto w Federacji Rosyjskiej mógłby opracować taki reaktor. Tradycyjnie reaktory wysokotemperaturowe zajmowały się początkowo Instytutem Kurczatowa (ogólny projekt i obliczenia), Obnińsk FEI (badania eksperymentalne i paliwo) oraz Instytut Badawczy Łucza w Podolsku (technologia paliw i materiałów). Później zespół NIKIET włączył się w projektowanie takich maszyn (m.in. reaktory IGR i IVG – prototypy strefy aktywnej jądrowego silnika rakietowego RD-0410).
Dziś NIKIET dysponuje zespołem projektantów, którzy wykonują prace przy projektowaniu reaktorów ( RUGK chłodzony gazem do wysokich temperatur , szybkie reaktory MBIR, ), podczas gdy IPPE i Luch nadal zajmują się, odpowiednio, powiązanymi obliczeniami i technologiami. Instytut Kurczatowa w ostatnich dziesięcioleciach przesunął się bardziej w kierunku teorii reaktorów jądrowych.
Podsumowując, chciałbym powiedzieć, że stworzenie pocisku manewrującego z silnikami powietrzno-odrzutowymi z elektrowniami jądrowymi jest w sumie zadaniem wykonalnym, ale jednocześnie niezwykle kosztownym i złożonym, wymagającym znacznej mobilizacji ludzi i środków finansowych, jak mi się wydaje, w większym stopniu niż wszystkie inne dźwięczne projekty („Sarmat”, „Sztylet”, „Status-6”, „Vanguard”). To bardzo dziwne, że ta mobilizacja nie pozostawiła najmniejszego śladu. A co najważniejsze, wcale nie jest jasne, jaka jest korzyść z pozyskania tego rodzaju broni (na tle istniejących nośników) i jak mogą one przeważyć nad licznymi wadami – kwestiami bezpieczeństwa radiacyjnego, wysokimi kosztami, niekompatybilnością z bronią strategiczną traktaty redukcyjne.
PS Jednak „źródła” już zaczynają łagodzić sytuację: „Źródło zbliżone do kompleksu wojskowo-przemysłowego powiedziało” Wiedomosti ”, że zapewniono bezpieczeństwo radiacyjne podczas testów rakietowych. Źródło mówi, że instalacja jądrowa na pokładzie była reprezentowana przez układ elektryczny.
Ten artykuł można by rozpocząć od tradycyjnego fragmentu o tym, jak pisarze fantastyki naukowej przedstawiają śmiałe pomysły, a następnie naukowcy wprowadzają je w życie. Jest to możliwe, ale nie chcę pisać stemplami. Warto pamiętać, że nowoczesne silniki rakietowe, zarówno na paliwo stałe, jak i płynne, mają więcej niż niezadowalające osiągi do lotów na stosunkowo duże odległości. Pozwalają umieścić ładunek na orbicie Ziemi, dostarczyć coś na Księżyc - też, choć taki lot jest droższy. Ale lot na Marsa z takimi silnikami nie jest już łatwy. Daj im paliwo i utleniacz w odpowiednich ilościach. A te objętości są wprost proporcjonalne do odległości do pokonania.
Alternatywą dla tradycyjnych chemicznych silników rakietowych są silniki elektryczne, plazmowe i jądrowe. Spośród wszystkich alternatywnych silników tylko jeden system osiągnął etap rozwoju silnika - jądrowy (NRE). W Związku Radzieckim i Stanach Zjednoczonych już w latach pięćdziesiątych XX wieku rozpoczęto prace nad stworzeniem jądrowych silników rakietowych. Amerykanie pracowali nad obiema opcjami takiej elektrowni: odrzutową i impulsową. Pierwsza koncepcja polega na podgrzaniu płynu roboczego za pomocą reaktora jądrowego, a następnie wyrzuceniu przez dysze. Z kolei impuls NRE napędza statek kosmiczny poprzez kolejne eksplozje niewielkiej ilości paliwa jądrowego.
Również w USA powstał projekt Orion, łączący obie wersje YARD. Dokonano tego w następujący sposób: z ogona statku wyrzucono małe ładunki jądrowe o pojemności około 100 ton trotylu. Za nimi wystrzelono metalowe dyski. W pewnej odległości od statku ładunek został zdetonowany, dysk odparował, a substancja została rozproszona w różnych kierunkach. Część uderzyła we wzmocnioną część ogonową statku i przesunęła go do przodu. Niewielki wzrost ciągu powinien być spowodowany parowaniem płyty przyjmującej ciosy. Jednostkowy koszt takiego lotu miał wynosić zaledwie 150 ówczesnych dolarów za kilogram ładunku.
Doszło nawet do prób: doświadczenie pokazało, że możliwy jest ruch za pomocą kolejnych impulsów, a także stworzenie płyty rufowej o wystarczającej sile. Ale projekt Orion został zamknięty w 1965 roku jako mało obiecujący. Jest to jednak jak dotąd jedyna istniejąca koncepcja, która umożliwia wyprawy przynajmniej do Układu Słonecznego.
Przed zbudowaniem prototypu można było dotrzeć tylko do odrzutowca YARD. Były to radziecki RD-0410 i amerykańska NERVA. Pracowali na tej samej zasadzie: w „konwencjonalnym” reaktorze jądrowym podgrzewany jest płyn roboczy, który po wyrzuceniu z dysz wytwarza ciąg. Płynem roboczym obu silników był ciekły wodór, ale w sowieckim jako substancję pomocniczą zastosowano heptan.
Ciąg RD-0410 wynosił 3,5 tony, NERVA dał prawie 34, ale miał też duże wymiary: 43,7 metra długości i 10,5 średnicy w porównaniu z odpowiednio 3,5 i 1,6 metra dla silnika radzieckiego. W tym samym czasie amerykański silnik trzykrotnie przegrał z sowieckim pod względem zasobów - RD-0410 mógł pracować przez godzinę.
Jednak oba silniki, mimo obietnicy, również pozostały na Ziemi i nigdzie nie latały. Głównym powodem zamknięcia obu projektów (NERVA w połowie lat 70., RD-0410 w 1985 r.) są pieniądze. Charakterystyki silników chemicznych są gorsze niż silników jądrowych, ale cena jednego startu statku z jądrowym silnikiem rakietowym o tej samej ładowności może być 8-12 razy wyższa niż wystrzelenie tego samego Sojuza z silnikiem rakietowym. I to bez uwzględnienia wszystkich kosztów niezbędnych do doprowadzenia silników jądrowych do przydatności do praktycznego użytku.
Wycofanie z eksploatacji „tanich” wahadłowców i niedawny brak rewolucyjnych przełomów w technologii kosmicznej wymagają nowych rozwiązań. W kwietniu br. ówczesny szef Roskosmosu A. Perminow zapowiedział opracowanie i oddanie do użytku zupełnie nowego NRE. To właśnie, zdaniem Roskosmosu, powinno radykalnie poprawić „sytuację” w całej światowej astronautyce. Teraz stało się jasne, kto powinien zostać kolejnym rewolucjonistą kosmonautyki: FSUE „Centrum Keldysh” będzie zaangażowane w rozwój NRE. Dyrektor generalny przedsiębiorstwa A. Koroteev już ucieszył opinię publiczną, że projekt statku kosmicznego dla nowego nuklearnego silnika rakietowego będzie gotowy w przyszłym roku. Projekt silnika powinien być gotowy do 2019 roku, a testy zaplanowano na 2025 rok.
Kompleks otrzymał nazwę TEM - moduł transportowo-energetyczny. Będzie on wyposażony w chłodzony gazem reaktor jądrowy. Napęd bezpośredni nie został jeszcze ustalony: albo będzie to silnik odrzutowy, taki jak RD-0410, albo elektryczny silnik rakietowy (EP). Jednak ten ostatni typ nie był jeszcze masowo używany nigdzie na świecie: były w nie wyposażone tylko trzy statki kosmiczne. Ale fakt, że reaktor może zasilać nie tylko silnik, ale także wiele innych jednostek, a nawet wykorzystać cały TEM jako elektrownię kosmiczną, przemawia na korzyść EJE.
