Alexander Losev
Rýchly rozvoj raketovej a vesmírnej techniky v 20. storočí bol determinovaný vojensko-strategickými, politickými a do určitej miery aj ideologickými cieľmi a záujmami dvoch superveľmocí – ZSSR a USA a všetky štátne vesmírne programy boli pokračovanie ich vojenských projektov, kde hlavnou úlohou bola potreba zabezpečiť obranyschopnosť a strategickú paritu s potenciálnym nepriateľom. Náklady na vytvorenie zariadenia a prevádzkové náklady vtedy nemali zásadný význam. Na vytvorenie nosných rakiet a kozmických lodí boli pridelené obrovské zdroje a 108-minútový let Jurija Gagarina v roku 1961 a televízne vysielanie Neila Armstronga a Buzza Aldrina z povrchu Mesiaca v roku 1969 neboli len triumfom vedecko-technickej Mysleli si, že boli tiež považované za strategické víťazstvá v bitkách studenej vojny.
Ale potom, čo sa Sovietsky zväz zrútil a vypadol z pretekov o svetové prvenstvo, jeho geopolitickí oponenti, predovšetkým Spojené štáty, už nepotrebovali realizovať prestížne, no mimoriadne nákladné vesmírne projekty, aby celému svetu dokázali nadradenosť západnej ekonomiky. systémových a ideologických koncepcií.
V 90. rokoch stratili hlavné politické úlohy predchádzajúcich rokov aktuálnosť, blokovú konfrontáciu nahradila globalizácia, vo svete prevládol pragmatizmus, takže väčšina vesmírnych programov bola obmedzená alebo odložená, zostala len ISS ako dedičstvo z rozsiahlych projektov minulosť. Západná demokracia navyše urobila všetky drahé vládne programy závislé od volebných cyklov.
Podpora voličov, potrebná na získanie alebo udržanie moci, núti politikov, parlamenty a vlády prikloniť sa k populizmu a riešiť krátkodobé problémy, takže výdavky na prieskum vesmíru sa rok čo rok znižujú.
Väčšina zásadných objavov sa uskutočnila v prvej polovici dvadsiateho storočia a dnes už veda a technika dosiahli určité hranice, navyše popularita vedeckých poznatkov vo svete klesla a kvalita výučby matematiky, fyziky a iných prírodných vedy sa zhoršila. To sa stalo dôvodom stagnácie, a to aj vo vesmírnom sektore, v posledných dvoch desaťročiach.
Teraz je však zrejmé, že svet sa blíži ku koncu ďalšieho technologického cyklu založeného na objavoch minulého storočia. Preto každá veľmoc, ktorá bude disponovať zásadne novými sľubnými technológiami v čase zmien v globálnej technologickej štruktúre, automaticky zabezpečí globálne vedúce postavenie na minimálne ďalších päťdesiat rokov.
Základná konštrukcia jadrového hnacieho motora s vodíkom ako pracovnou tekutinou
Realizuje sa to tak v Spojených štátoch, ktoré určili smer obnovy americkej veľkosti vo všetkých sférach činnosti, ako aj v Číne, ktorá spochybňuje americkú hegemóniu, ako aj v Európskej únii, ktorá sa zo všetkých síl snaží udržať si svoju váhu v globálnej ekonomike.
Existuje tam priemyselná politika a vážne sa angažujú v rozvoji vlastného vedeckého, technického a výrobného potenciálu a vesmírna sféra sa môže stať najlepším testovacím priestorom na testovanie nových technológií a na dokazovanie alebo vyvracanie vedeckých hypotéz, ktoré môžu položiť základy. na vytvorenie zásadne odlišnej, vyspelejšej technológie budúcnosti.
A je celkom prirodzené očakávať, že Spojené štáty americké budú prvou krajinou, kde budú obnovené projekty prieskumu hlbokého vesmíru s cieľom vytvoriť jedinečné inovatívne technológie v oblasti zbraní, dopravy a konštrukčných materiálov, ako aj v biomedicíne a telekomunikáciách.
Pravda, ani Spojené štáty nemajú zaručený úspech pri vytváraní revolučných technológií. Existuje vysoké riziko, že skončíte v slepej uličke pri zdokonaľovaní pol storočia starých raketových motorov na báze chemického paliva, ako to robí SpaceX Elona Muska, alebo pri vytváraní systémov podpory života pre dlhé lety podobné tým, ktoré už boli implementované na ISS.
Môže Rusko, ktorého stagnácia vo vesmírnom sektore je každým rokom citeľnejšia, urobiť skok v pretekoch o budúce technologické vedúce postavenie o zotrvanie v klube superveľmocí a nie v zozname rozvojových krajín?
Áno, samozrejme, Rusko môže, a navyše, v jadrovej energetike a technológiách jadrových raketových motorov sa už urobil citeľný krok vpred, a to aj napriek chronickému podfinancovaniu vesmírneho priemyslu.
Budúcnosťou astronautiky je využívanie jadrovej energie. Aby sme pochopili, ako sú jadrové technológie a vesmír prepojené, je potrebné zvážiť základné princípy prúdového pohonu.
Hlavné typy moderných vesmírnych motorov sú teda vytvorené na princípoch chemickej energie. Ide o urýchľovače na tuhé palivo a kvapalné raketové motory, v ich spaľovacích komorách zložky paliva (palivo a okysličovadlo) vstupujú do exotermickej fyzikálnej a chemickej spaľovacej reakcie, pričom vytvárajú prúd prúdu, ktorý každú sekundu vyvrhne tony látky z dýzy motora. Kinetická energia pracovnej tekutiny prúdu sa premieňa na reaktívnu silu dostatočnú na pohon rakety. Špecifický impulz (pomer generovaného ťahu k hmotnosti použitého paliva) takýchto chemických motorov závisí od zložiek paliva, tlaku a teploty v spaľovacej komore, ako aj od molekulovej hmotnosti plynnej zmesi vytlačenej cez tryska motora.
A čím vyššia je teplota látky a tlak vo vnútri spaľovacej komory a čím nižšia je molekulová hmotnosť plynu, tým vyšší je špecifický impulz, a teda aj účinnosť motora. Špecifický impulz je množstvo pohybu a zvyčajne sa meria v metroch za sekundu, rovnako ako rýchlosť.
V chemických motoroch poskytujú najvyšší špecifický impulz palivové zmesi kyslík-vodík a fluór-vodík (4500–4700 m/s), no najobľúbenejšími (a najpohodlnejšími na obsluhu) sa stali raketové motory na petrolej a kyslík, napr. napríklad rakety Sojuz a Muskov Falcon, ako aj motory využívajúce nesymetrický dimetylhydrazín (UDMH) s oxidačným činidlom vo forme zmesi oxidu dusnatého a kyseliny dusičnej (sovietsky a ruský protón, francúzsky Ariane, americký titán). Ich účinnosť je 1,5-krát nižšia ako u motorov na vodíkové palivo, ale impulz 3000 m/s a výkon sú dosť dostatočné na to, aby bolo ekonomicky výhodné vypustiť tony užitočného zaťaženia na obežnú dráhu blízko Zeme.
Lety na iné planéty si však vyžadujú oveľa väčšie vesmírne lode, než aké ľudstvo doteraz vytvorilo, vrátane modulárnej ISS. Na týchto lodiach je potrebné zabezpečiť dlhodobú autonómnu existenciu posádok a určitú zásobu paliva a životnosť hlavných motorov a motorov na manévre a korekciu obežnej dráhy, zabezpečiť dodávku astronautov v špeciálnom pristávacom module. na povrch inej planéty a ich návrat na hlavnú transportnú loď a potom a návrat expedície na Zem.
Nahromadené inžinierske znalosti a chemická energia motorov umožňujú návrat na Mesiac a dosiahnutie Marsu, takže je vysoká pravdepodobnosť, že ľudstvo v nasledujúcom desaťročí navštívi Červenú planétu.
Ak sa spoliehame len na existujúce vesmírne technológie, tak minimálna hmotnosť obývateľného modulu pre let s ľudskou posádkou na Mars alebo k satelitom Jupitera a Saturnu bude približne 90 ton, čo je 3-krát viac ako pri lunárnych lodiach zo začiatku 70. rokov 20. storočia. , čo znamená, že nosné rakety na ich vypustenie na referenčné dráhy pre ďalší let na Mars budú oveľa lepšie ako Saturn 5 (štartovacia hmotnosť 2965 ton) lunárneho projektu Apollo alebo sovietsky nosič Energia (štartovacia hmotnosť 2400 ton). Bude potrebné vytvoriť medziplanetárny komplex na obežnej dráhe s hmotnosťou do 500 ton. Let na medziplanetárnej lodi s chemickými raketovými motormi bude vyžadovať 8 mesiacov až 1 rok iba jedným smerom, pretože budete musieť robiť gravitačné manévre s využitím gravitačnej sily planét a obrovského množstva paliva na dodatočné zrýchlenie lode. .
Ale pomocou chemickej energie raketových motorov ľudstvo nedoletí ďalej, ako je obežná dráha Marsu alebo Venuše. Potrebujeme rôzne rýchlosti letu kozmických lodí a inú silnejšiu energiu pohybu.
Moderný dizajn jadrového raketového motora Princeton Satellite Systems
Na prieskum hlbokého vesmíru je potrebné výrazne zvýšiť pomer ťahu k hmotnosti a účinnosť raketového motora, a teda zvýšiť jeho špecifický impulz a životnosť. A k tomu je potrebné zahriať plyn alebo pracovnú kvapalinu s nízkou atómovou hmotnosťou vo vnútri komory motora na teploty niekoľkonásobne vyššie, ako je teplota chemického spaľovania tradičných palivových zmesí, a to sa dá dosiahnuť pomocou jadrovej reakcie.
Ak sa namiesto klasickej spaľovacej komory umiestni do raketového motora jadrový reaktor, do ktorého aktívnej zóny sa privádza látka v kvapalnej alebo plynnej forme, potom sa začne zahrievať pod vysokým tlakom až na niekoľko tisíc stupňov. byť vyvrhnutý cez kanál dýzy, čím sa vytvorí prúdový ťah. Špecifický impulz takéhoto jadrového prúdového motora bude niekoľkonásobne väčší ako pri klasickom s chemickými zložkami, čím sa mnohonásobne zvýši účinnosť ako samotného motora, tak aj nosnej rakety ako celku. V tomto prípade nebude potrebné okysličovadlo na spaľovanie paliva a ako látku, ktorá vytvára prúdový ťah, možno použiť ľahký vodíkový plyn; vieme, že čím nižšia je molekulová hmotnosť plynu, tým vyšší je impulz, a to výrazne znížiť hmotnosť rakety s lepším výkonom motora.
Jadrový motor bude lepší ako konvenčný, pretože v zóne reaktora sa môže svetelný plyn zahriať na teplotu presahujúcu 9 tisíc stupňov Kelvina a prúd takéhoto prehriateho plynu poskytne oveľa vyšší špecifický impulz, ako dokážu poskytnúť bežné chemické motory. . Ale to je teoreticky.
Nebezpečenstvo nespočíva ani v tom, že pri štarte nosnej rakety s takýmto jadrovým zariadením môže dôjsť k rádioaktívnej kontaminácii atmosféry a priestoru okolo štartovacej rampy, problémom je najmä to, že pri vysokých teplotách môže dôjsť k zamoreniu samotného motora spolu s kozmickou loďou. roztopiť. Dizajnéri a inžinieri to chápu a už niekoľko desaťročí sa snažia nájsť vhodné riešenia.
Jadrové raketové motory (NRE) už majú svoju históriu vzniku a prevádzky vo vesmíre. Prvý vývoj jadrových motorov sa začal v polovici 50. rokov 20. storočia, teda ešte pred letom človeka do vesmíru a takmer súčasne v ZSSR aj v USA, a samotná myšlienka využitia jadrových reaktorov na ohrev pracovnej látka v raketovom motore sa zrodila spolu s prvými rektormi v polovici 40. rokov, teda pred viac ako 70 rokmi.
V našej krajine bol iniciátorom vytvorenia jadrového pohonu tepelný fyzik Vitalij Michajlovič Ievlev. V roku 1947 predstavil projekt, ktorý podporili S. P. Korolev, I. V. Kurčatov a M. V. Keldysh. Spočiatku sa plánovalo použiť takéto motory pre riadené strely a potom ich nainštalovať na balistické strely. Na vývoji sa podieľali popredné obranné dizajnérske kancelárie Sovietskeho zväzu, ako aj výskumné ústavy NIITP, CIAM, IAE, VNIINM.
Sovietsky jadrový motor RD-0410 bol zostavený v polovici 60. rokov vo Voronezh Chemical Automatics Design Bureau, kde bola vytvorená väčšina kvapalných raketových motorov pre vesmírne technológie.
Ako pracovná tekutina v RD-0410 bol použitý vodík, ktorý v kvapalnej forme prešiel cez „chladiaci plášť“, odvádzal prebytočné teplo zo stien dýzy a bráni jeho roztaveniu a potom vstúpil do aktívnej zóny reaktora, kde sa zahrial. do 3000K a uvoľňuje sa cez kanálové dýzy, čím sa tepelná energia premieňa na kinetickú energiu a vytvára sa špecifický impulz 9100 m/s.
V USA bol projekt jadrového pohonu spustený v roku 1952 a prvý funkčný motor bol vytvorený v roku 1966 a dostal názov NERVA (Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application). V 60-tych a 70-tych rokoch sa Sovietsky zväz a USA snažili navzájom neustúpiť.
Je pravda, že náš RD-0410 aj americký NERVA boli motory na jadrovú pohonnú hmotu na tuhú fázu (jadrové palivo na báze karbidov uránu bolo v reaktore v tuhom stave) a ich prevádzková teplota bola v rozmedzí 2300–3100 K.
Na zvýšenie teploty aktívnej zóny bez rizika výbuchu alebo roztavenia stien reaktora je potrebné vytvoriť také podmienky jadrovej reakcie, pri ktorých sa palivo (urán) premení na plynné skupenstvo alebo sa zmení na plazmu a udrží sa vo vnútri reaktora. silným magnetickým poľom, bez dotyku stien. A potom vodík vstupujúci do jadra reaktora „obteká“ urán v plynnej fáze a mení sa na plazmu, ktorá je veľmi vysokou rýchlosťou vyvrhovaná cez kanál dýzy.
Tento typ motora sa nazýva plynový jadrový pohon. Teploty plynného uránového paliva v takýchto jadrových motoroch sa môžu pohybovať od 10 tisíc do 20 tisíc stupňov Kelvina a špecifický impulz môže dosiahnuť 50 000 m/s, čo je 11-krát viac ako u najúčinnejších chemických raketových motorov.
Vytvorenie a využitie plynových jadrových pohonných motorov otvoreného a uzavretého typu vo vesmírnej technike je najsľubnejším smerom vo vývoji vesmírnych raketových motorov a presne tým, čo ľudstvo potrebuje na skúmanie planét slnečnej sústavy a ich satelitov.
Prvý výskum projektu jadrového pohonu v plynnej fáze sa začal v ZSSR v roku 1957 vo Výskumnom ústave tepelných procesov (Národné výskumné centrum pomenované po M. V. Keldyshovi) a rozhodnutie o vývoji jadrových vesmírnych elektrární založených na jadrových reaktoroch v plynnej fáze bol vyrobený v roku 1963 akademik V. P. Glushko (NPO Energomash), a potom schválený uznesením Ústredného výboru CPSU a Rady ministrov ZSSR.
Vývoj plynových jadrových pohonných motorov prebiehal v Sovietskom zväze dve desaťročia, ale, žiaľ, nebol nikdy dokončený pre nedostatočné financovanie a potrebu ďalšieho základného výskumu v oblasti termodynamiky jadrového paliva a vodíkovej plazmy, neutrónová fyzika a magnetohydrodynamika.
Sovietski jadroví vedci a konštruktéri čelili množstvu problémov, ako je dosiahnutie kritickosti a zabezpečenie stability prevádzky jadrového reaktora v plynnej fáze, zníženie strát roztaveného uránu pri uvoľňovaní vodíka zahriateho na niekoľko tisíc stupňov, tepelná ochrana trysky a generátora magnetického poľa a akumulácia produktov štiepenia uránu, výber chemicky odolných konštrukčných materiálov atď.
A keď sa začala vytvárať nosná raketa Energia pre sovietsky program Mars-94 pre prvý pilotovaný let na Mars, projekt jadrového motora bol odložený na neurčito. Sovietsky zväz nemal dostatok času a hlavne politickej vôle a ekonomickej efektívnosti, aby v roku 1994 vysadil našich kozmonautov na planéte Mars. Bol by to nepopierateľný úspech a dôkaz nášho vedúceho postavenia v oblasti špičkových technológií v priebehu niekoľkých nasledujúcich desaťročí. Ale vesmír, ako mnoho iných vecí, zradilo posledné vedenie ZSSR. Históriu nemožno zmeniť, odchádzajúcich vedcov a inžinierov nemožno vrátiť späť a stratené vedomosti nemožno obnoviť. Veľa sa bude musieť vytvoriť nanovo.
Vesmírna jadrová energia sa však neobmedzuje len na oblasť jadrových pohonných motorov na tuhú a plynnú fázu. Elektrická energia môže byť použitá na vytvorenie zohriateho toku hmoty v prúdovom motore. Túto myšlienku prvýkrát vyjadril Konstantin Eduardovič Ciolkovskij v roku 1903 vo svojom diele „Skúmanie svetových priestorov pomocou prúdových prístrojov“.
A prvý elektrotermálny raketový motor v ZSSR vytvoril v 30. rokoch 20. storočia Valentin Petrovič Gluško, budúci akademik Akadémie vied ZSSR a šéf NPO Energia.
Princípy činnosti elektrických raketových motorov môžu byť rôzne. Zvyčajne sú rozdelené do štyroch typov:
- elektrotermické (vykurovanie alebo elektrický oblúk). V nich sa plyn zahrieva na teploty 1000–5000 K a vystrekuje sa z dýzy rovnakým spôsobom ako v jadrovom raketovom motore.
- elektrostatické motory (koloidné a iónové), v ktorých sa pracovná látka najskôr ionizuje a potom sa kladné ióny (atómy bez elektrónov) urýchľujú v elektrostatickom poli a sú tiež vyvrhované cez kanál dýzy, čím sa vytvára prúdový ťah. Medzi elektrostatické motory patria aj stacionárne plazmové motory.
- magnetoplazmové a magnetodynamické raketové motory. Tam sa plynová plazma zrýchľuje v dôsledku ampérovej sily v magnetických a elektrických poliach, ktoré sa kolmo pretínajú.
- pulzné raketové motory, ktoré využívajú energiu plynov vznikajúcu pri vyparovaní pracovnej tekutiny v elektrickom výboji.
Výhodou týchto elektrických raketových motorov je nízka spotreba pracovnej tekutiny, účinnosť až 60% a vysoká rýchlosť prúdenia častíc, čo môže výrazne znížiť hmotnosť kozmickej lode, ale je tu aj nevýhoda - nízka hustota ťahu, a preto nízky výkon, ako aj vysoké náklady na pracovnú kvapalinu (inertné plyny alebo výpary alkalických kovov) na vytvorenie plazmy.
Všetky vymenované typy elektromotorov sa v praxi realizovali a od polovice 60. rokov boli opakovane využívané vo vesmíre na sovietskych aj amerických kozmických lodiach, no pre nízky výkon sa používali najmä ako korekčné motory na dráhu.
Od roku 1968 do roku 1988 ZSSR vypustil celú sériu satelitov Cosmos s jadrovými zariadeniami na palube. Typy reaktorov boli pomenované: „Buk“, „Topaz“ a „Yenisei“.
Reaktor projektu Yenisei mal tepelný výkon až 135 kW a elektrický výkon asi 5 kW. Chladivom bola sodno-draselná tavenina. Tento projekt bol ukončený v roku 1996.
Skutočný hnací raketový motor vyžaduje veľmi výkonný zdroj energie. A najlepším zdrojom energie pre takéto vesmírne motory je jadrový reaktor.
Jadrová energetika patrí medzi high-tech odvetvia, kde si naša krajina udržuje popredné miesto. A v Rusku sa už vytvára zásadne nový raketový motor a tento projekt sa blíži k úspešnému dokončeniu v roku 2018. Letové testy sú naplánované na rok 2020.
A ak je jadrový pohon v plynnej fáze témou budúcich desaťročí, ku ktorej sa bude treba vrátiť po základnom výskume, tak jeho dnešnou alternatívou je megawattový jadrový pohonný systém (NPPU), ktorý už vytvorili Rosatom a Podniky Roskosmos od roku 2009.
NPO Krasnaya Zvezda, ktorá je v súčasnosti jediným svetovým vývojárom a výrobcom vesmírnych jadrových elektrární, ako aj Výskumné centrum pomenované po A. M. V. Keldysh, NIKIET im. N.A. Dollezhala, Výskumný ústav NPO „Luch“, „Kurchatov Institute“, IRM, IPPE, RIAR a NPO Mashinostroeniya.
Pohonný systém jadrovej energie zahŕňa vysokoteplotný plynom chladený rýchly neutrónový jadrový reaktor s turbostrojovým systémom na premenu tepelnej energie na elektrickú energiu, systém chladiacich žiaričov na odvádzanie prebytočného tepla do vesmíru, prístrojový priestor, blok podporného zariadenia. plazmové alebo iónové elektromotory a kontajner na uloženie užitočného zaťaženia.
V silovom pohonnom systéme slúži jadrový reaktor ako zdroj elektriny pre prevádzku elektrických plazmových motorov, pričom chladivo plynu reaktora prechádzajúce aktívnou zónou vstupuje do turbíny elektrického generátora a kompresora a vracia sa späť do reaktora v r. uzavretá slučka a nie je vymrštený do vesmíru ako v prípade jadrového hnacieho motora, vďaka čomu je konštrukcia spoľahlivejšia a bezpečnejšia, a preto je vhodná na vesmírne lety s ľudskou posádkou.
Plánuje sa, že jadrová elektráreň bude využitá na opakovane použiteľný vesmírny remorkér na zabezpečenie dodávky nákladu počas prieskumu Mesiaca či vytváranie viacúčelových orbitálnych komplexov. Výhodou bude nielen opätovne použiteľné využitie prvkov dopravného systému (o čo sa snaží Elon Musk vo svojich vesmírnych projektoch SpaceX), ale aj možnosť dopraviť trikrát viac nákladu ako na raketách s chemickými prúdovými motormi porovnateľného výkonu. znížením štartovacej hmotnosti dopravného systému . Vďaka špeciálnemu dizajnu je inštalácia bezpečná pre ľudí a životné prostredie na Zemi.
V roku 2014 bol v JSC Mashinostroitelny Zavod v Elektrostale zmontovaný prvý palivový článok štandardnej konštrukcie (palivový článok) pre tento jadrový elektrický pohonný systém a v roku 2016 boli vykonané testy simulátora koša aktívnej zóny reaktora.
Teraz (v roku 2017) prebiehajú práce na výrobe konštrukčných prvkov inštalácie a testovania komponentov a zostáv na maketách, ako aj autonómne testovanie systémov premeny energie turbostrojov a prototypových pohonných jednotiek. Ukončenie prác je naplánované na koniec budúceho roka 2018, no od roku 2015 sa začali hromadiť rozpisy.
Akonáhle bude toto zariadenie vytvorené, Rusko sa stane prvou krajinou na svete, ktorá bude vlastniť jadrové vesmírne technológie, ktoré budú tvoriť základ nielen pre budúce projekty na prieskum slnečnej sústavy, ale aj pre pozemskú a mimozemskú energiu. . Vesmírne jadrové elektrárne možno využiť na vytváranie systémov na diaľkový prenos elektriny na Zem alebo do vesmírnych modulov pomocou elektromagnetického žiarenia. A to sa stane aj vyspelou technológiou budúcnosti, kde bude mať naša krajina vedúce postavenie.
Na základe vyvíjaných plazmových elektromotorov sa vytvoria výkonné pohonné systémy na diaľkové lety ľudí do vesmíru a v prvom rade na prieskum Marsu, ktorého obežnú dráhu je možné dosiahnuť už za 1,5 mesiaca a nie v r. viac ako rok, ako pri použití konvenčných chemických prúdových motorov .
A budúcnosť vždy začína revolúciou v energetike. A nič iné. Energia je primárna a práve množstvo jej spotreby ovplyvňuje technický pokrok, obranyschopnosť a kvalitu života ľudí.
Experimentálny plazmový raketový motor NASA
Sovietsky astrofyzik Nikolaj Kardashev navrhol rozsah rozvoja civilizácií už v roku 1964. Podľa tejto stupnice závisí úroveň technologického rozvoja civilizácií od množstva energie, ktorú obyvateľstvo planéty využíva pre svoje potreby. Civilizácia typu I teda využíva všetky dostupné zdroje na planéte; Civilizácia typu II - prijíma energiu svojej hviezdy v systéme, v ktorom sa nachádza; a civilizácia typu III využíva dostupnú energiu svojej galaxie. Ľudstvo ešte nedozrelo na civilizáciu typu I v tomto meradle. Využívame len 0,16 % z celkovej potenciálnej zásoby energie planéty Zem. To znamená, že Rusko a celý svet majú priestor na rast a tieto jadrové technológie otvoria našej krajine cestu nielen do vesmíru, ale aj k budúcej ekonomickej prosperite.
A možno jedinou možnosťou pre Rusko vo vedeckej a technickej sfére je teraz urobiť revolučný prelom v technológiách jadrového vesmíru, aby prekonalo mnohoročné zaostávanie za lídrami jedným „skokom“ a bolo priamo pri začiatku nová technologická revolúcia v ďalšom cykle rozvoja ľudskej civilizácie. Takáto jedinečná šanca pripadá konkrétnej krajine len raz za niekoľko storočí.
Žiaľ, Rusku, ktoré za posledných 25 rokov nevenovalo dostatočnú pozornosť základným vedám a kvalite vysokoškolského a stredoškolského vzdelávania, riskuje, že túto šancu navždy stratí, ak sa program obmedzí a nová generácia výskumníkov nenahradí súčasných vedcov. inžinierov. Geopolitické a technologické výzvy, ktorým bude Rusko čeliť o 10 – 12 rokov, budú veľmi vážne, porovnateľné s hrozbami v polovici dvadsiateho storočia. V záujme zachovania suverenity a integrity Ruska v budúcnosti je teraz naliehavo potrebné začať s prípravou špecialistov schopných reagovať na tieto výzvy a vytvoriť niečo zásadne nové.
Na premenu Ruska na globálne intelektuálne a technologické centrum je len asi 10 rokov, a to sa nezaobíde bez vážnej zmeny kvality vzdelávania. Pre vedecko-technický prielom je potrebné vrátiť do vzdelávacieho systému (školského aj univerzitného) systematické pohľady na obraz sveta, vedeckú fundamentálnosť a ideologickú integritu.
Pokiaľ ide o súčasnú stagnáciu vo vesmírnom priemysle, nie je to strašidelné. Fyzikálne princípy, na ktorých sú založené moderné vesmírne technológie, budú v sektore konvenčných satelitných služieb ešte dlho žiadané. Pripomeňme si, že ľudstvo využívalo plachtu 5,5 tisíc rokov a éra pary trvala takmer 200 rokov a až v dvadsiatom storočí sa svet začal rýchlo meniť, pretože nastala ďalšia vedecko-technická revolúcia, ktorá spustila vlnu tzv. inovácie a zmena technologických štruktúr, ktoré v konečnom dôsledku zmenili svetovú ekonomiku aj politiku. Hlavná vec je byť pri počiatkoch týchto zmien [chránený e-mailom] ,
webová stránka: https://delpress.ru/information-for-subscribers.html
Elektronickú verziu časopisu Arsenal of the Fatherland si môžete predplatiť pomocou odkazu.
Cena ročného predplatného -
12 000 rubľov.
Skeptici tvrdia, že vytvorenie jadrového motora nie je významným pokrokom v oblasti vedy a techniky, ale iba „modernizáciou parného kotla“, kde namiesto uhlia a palivového dreva funguje urán ako palivo a vodík ako palivo. pracovná kvapalina. Je NRE (jadrový prúdový motor) taký beznádejný? Skúsme na to prísť.
Prvé rakety
Všetky úspechy ľudstva pri prieskume blízkozemského priestoru možno bezpečne pripísať chemickým prúdovým motorom. Prevádzka takýchto pohonných jednotiek je založená na premene energie chemickej reakcie spaľovania paliva v okysličovadle na kinetickú energiu prúdového prúdu a tým aj rakety. Používaným palivom je kerozín, kvapalný vodík, heptán (pre raketové motory na kvapalné palivo (LPRE)) a polymerizovaná zmes chloristanu amónneho, hliníka a oxidu železa (pre raketové motory na tuhé palivo (SRRE)).
Je všeobecne známe, že prvé rakety používané na ohňostroje sa objavili v Číne v druhom storočí pred naším letopočtom. Vzniesli sa do neba vďaka energii práškových plynov. K rozvoju raketovej techniky významne prispel teoretický výskum nemeckého zbrojára Konrada Haasa (1556), poľského generála Kazimira Semenoviča (1650) a ruského generálporučíka Alexandra Zasyadka.
Americký vedec Robert Goddard získal patent na vynález prvej rakety na kvapalné palivo. Jeho aparatúra s hmotnosťou 5 kg a dĺžkou asi 3 m na benzín a kvapalný kyslík trvala v roku 1926 2,5 s. preletel 56 metrov.
Rýchlosť naháňania
Vážne experimentálne práce na vytvorení sériových chemických prúdových motorov sa začali v 30. rokoch minulého storočia. V Sovietskom zväze sú V. P. Glushko a F. A. Tsander právom považovaní za priekopníkov konštrukcie raketových motorov. Za ich účasti boli vyvinuté pohonné jednotky RD-107 a RD-108, ktoré zabezpečili prvenstvo ZSSR v kozmickom prieskume a položili základ pre budúce vedúce postavenie Ruska v oblasti prieskumu vesmíru s ľudskou posádkou.
Pri modernizácii motora s kvapalinovou turbínou sa ukázalo, že teoretická maximálna rýchlosť prúdového prúdu nemôže prekročiť 5 km/s. To môže stačiť na štúdium blízkozemského priestoru, ale lety na iné planéty, a ešte viac ku hviezdam, zostanú pre ľudstvo snom. V dôsledku toho sa už v polovici minulého storočia začali objavovať projekty alternatívnych (nechemických) raketových motorov. Najpopulárnejšie a najsľubnejšie zariadenia boli tie, ktoré využívali energiu jadrových reakcií. Prvé experimentálne vzorky jadrových vesmírnych motorov (NRE) v Sovietskom zväze a USA prešli testami už v roku 1970. Po černobyľskej katastrofe však boli pod tlakom verejnosti práce v tejto oblasti pozastavené (v ZSSR v roku 1988, v USA - od roku 1994).
Prevádzka jadrových elektrární je založená na rovnakých princípoch ako termochemické. Jediný rozdiel je v tom, že ohrev pracovnej tekutiny sa uskutočňuje energiou rozpadu alebo fúzie jadrového paliva. Energetická účinnosť takýchto motorov výrazne prevyšuje chemickú. Napríklad energia, ktorú môže uvoľniť 1 kg najlepšieho paliva (zmes berýlia s kyslíkom) je 3 × 107 J, zatiaľ čo pre izotopy polónia Po210 je táto hodnota 5 × 1011 J.
Energiu uvoľnenú v jadrovom motore je možné využiť rôznymi spôsobmi:
zahrievanie pracovnej tekutiny emitovanej cez dýzy, ako v tradičnom raketovom motore na kvapalné palivo, po premene na elektrickú energiu, ionizujúce a urýchľujúce častice pracovnej tekutiny, vytvárajúce impulz priamo produktmi štiepenia alebo syntézy.Aj obyčajná voda môže pôsobiť ako pracovná kvapalina, ale oveľa efektívnejšie bude použitie alkoholu, amoniaku alebo kvapalného vodíka. V závislosti od stavu agregácie paliva pre reaktor sa jadrové raketové motory delia na pevnú, kvapalnú a plynnú fázu. Najrozvinutejší jadrový pohonný motor je so štiepnym reaktorom na tuhú fázu, využívajúci ako palivo palivové tyče (palivové články) používané v jadrových elektrárňach. Prvý takýto motor v rámci amerického projektu Nerva prešiel pozemným testovaním v roku 1966, pričom pracoval asi dve hodiny.
Dizajnové prvky
Srdcom každého jadrového vesmírneho motora je reaktor pozostávajúci z jadra a berýliového reflektora umiestneného v energetickom kryte. V jadre dochádza k štiepeniu atómov horľavej látky, zvyčajne uránu U238, obohateného o izotopy U235. Na udelenie určitých vlastností procesu rozpadu jadier sa tu nachádzajú aj moderátory - žiaruvzdorný volfrám alebo molybdén. Ak je moderátor súčasťou palivových tyčí, reaktor sa nazýva homogénny a ak je umiestnený oddelene, nazýva sa heterogénny. Súčasťou jadrového motora je aj jednotka na prívod pracovnej tekutiny, ovládacie prvky, ochrana pred tieňovým žiarením a tryska. Konštrukčné prvky a komponenty reaktora, ktoré sú vystavené vysokému tepelnému zaťaženiu, sú ochladzované pracovnou kvapalinou, ktorá je následne čerpaná do palivových kaziet turbočerpadlom. Tu sa zahreje na takmer 3000˚C. Pracovná kvapalina, ktorá prúdi cez trysku, vytvára prúdový ťah.
Typickým riadením reaktora sú riadiace tyče a otočné taniere vyrobené z látky absorbujúcej neutróny (bór alebo kadmium). Tyče sú umiestnené priamo v aktívnej zóne alebo v špeciálnych výklenkoch reflektorov a rotačné bubny sú umiestnené na obvode reaktora. Pohybom tyčí alebo otáčaním bubnov sa mení počet štiepnych jadier za jednotku času, čím sa reguluje úroveň uvoľňovania energie reaktora a tým aj jeho tepelný výkon.
Na zníženie intenzity neutrónového a gama žiarenia, ktoré je nebezpečné pre všetko živé, sú v budove elektrárne umiestnené prvky primárnej ochrany reaktora.
Zvýšená účinnosť
Jadrový motor v kvapalnej fáze je svojím princípom činnosti a konštrukciou podobný ako motor v tuhej fáze, ale kvapalný stav paliva umožňuje zvýšiť teplotu reakcie a tým aj ťah pohonnej jednotky. Ak teda pre chemické jednotky (kvapalné prúdové motory a raketové motory na tuhé palivo) je maximálny špecifický impulz (rýchlosť prúdenia prúdu) 5 420 m/s, pre jadrové motory na tuhú fázu je 10 000 m/s ďaleko od limitu, potom priemerná hodnota tohto ukazovateľa pre motory na plynné jadrové pohonné látky sa pohybuje v rozmedzí 30 000 - 50 000 m/s.
Existujú dva typy projektov plynových jadrových motorov:
Otvorený cyklus, v ktorom dochádza k jadrovej reakcii vo vnútri plazmového oblaku pracovnej tekutiny, ktorú drží elektromagnetické pole a absorbuje všetko vytvorené teplo. Teploty môžu dosiahnuť niekoľko desiatok tisíc stupňov. V tomto prípade je aktívna oblasť obklopená tepelne odolnou látkou (napríklad kremeň) - jadrovou lampou, ktorá voľne prenáša emitovanú energiu. V zariadeniach druhého typu bude teplota reakcie obmedzená teplotou topenia materiálu banky. Zároveň sa mierne znižuje energetická účinnosť jadrového vesmírneho motora (špecifický impulz až 15 000 m/s), ale zvyšuje sa účinnosť a radiačná bezpečnosť.
Praktické úspechy
Formálne sa za vynálezcu jadrovej elektrárne považuje americký vedec a fyzik Richard Feynman. Vo výskumnom centre Los Alamos (USA) sa v roku 1955 začali rozsiahle práce na vývoji a tvorbe jadrových motorov pre kozmické lode v rámci programu Rover. Americkí vynálezcovia uprednostňovali zariadenia s homogénnym jadrovým reaktorom. Prvá experimentálna vzorka "Kiwi-A" bola zostavená v závode jadrového centra v Albuquerque (Nové Mexiko, USA) a testovaná v roku 1959. Reaktor bol umiestnený vertikálne na stojan s tryskou nahor. Počas testov bol zohriaty prúd vyčerpaného vodíka vypustený priamo do atmosféry. A hoci rektor pracoval na nízky výkon len asi 5 minút, úspech inšpiroval vývojárov.
V Sovietskom zväze dalo silný impulz pre takýto výskum stretnutie „troch veľkých K“, ktoré sa konalo v roku 1959 v Ústave atómovej energie – tvorcu atómovej bomby I. V. Kurčatova, hlavného teoretika ruskej kozmonautiky. M.V. Keldysh a generálny konštruktér sovietskych rakiet S.P. Queen. Na rozdiel od amerického modelu mal sovietsky motor RD-0410, vyvinutý v konštrukčnej kancelárii združenia Khimavtomatika (Voronež), heterogénny reaktor. Požiarne testy sa uskutočnili na cvičisku neďaleko Semipalatinska v roku 1978.
Stojí za zmienku, že bolo vytvorených pomerne veľa teoretických projektov, ale nikdy nedošlo k praktickej realizácii. Dôvodom bola prítomnosť veľkého množstva problémov v materiálovej vede a nedostatok ľudských a finančných zdrojov.
Pre poznámku: dôležitým praktickým úspechom bolo letové testovanie lietadiel s jadrovým pohonom. V ZSSR bol najsľubnejší experimentálny strategický bombardér Tu-95LAL, v USA - B-36.
Projekt "Orion" alebo impulzné jadrové raketové motory
Na lety vo vesmíre pulzný jadrový motor prvýkrát navrhol použiť v roku 1945 americký matematik poľského pôvodu Stanislaw Ulam. V nasledujúcom desaťročí túto myšlienku rozvinuli a zdokonalili T. Taylor a F. Dyson. Pointa je, že energia malých jadrových náloží, odpálených v určitej vzdialenosti od tlačnej plošiny na dne rakety, jej dodáva veľké zrýchlenie.
Počas projektu Orion, ktorý bol spustený v roku 1958, sa plánovalo vybaviť raketu práve takým motorom, ktorý by bol schopný dopraviť ľudí na povrch Marsu alebo na obežnú dráhu Jupitera. Posádku umiestnenú v prednom priestore by pred ničivými účinkami gigantických zrýchlení chránilo tlmiace zariadenie. Výsledkom podrobných inžinierskych prác boli pochodové skúšky rozsiahlej makety lode na štúdium stability letu (namiesto jadrových náloží boli použité bežné výbušniny). Pre vysoké náklady bol projekt v roku 1965 ukončený.
Podobné nápady na vytvorenie „výbušného lietadla“ vyjadril v júli 1961 sovietsky akademik A. Sacharov. Na vypustenie lode na obežnú dráhu vedec navrhol použiť konvenčné raketové motory na kvapalné palivo.
Alternatívne projekty
Obrovské množstvo projektov nikdy neprekročilo rámec teoretického výskumu. Medzi nimi bolo veľa originálnych a veľmi sľubných. Myšlienka jadrovej elektrárne na báze štiepnych úlomkov je potvrdená. Konštrukčné vlastnosti a štruktúra tohto motora umožňujú úplne sa zaobísť bez pracovnej tekutiny. Tryskový prúd, ktorý poskytuje potrebné ťahové charakteristiky, je vytvorený z vyhoreného jadrového materiálu. Reaktor je založený na rotujúcich diskoch s podkritickou jadrovou hmotnosťou (koeficient atómového štiepenia menší ako jedna). Pri rotácii v sektore disku umiestnenom v jadre sa spustí reťazová reakcia a do dýzy motora sú nasmerované rozpadajúce sa vysokoenergetické atómy, ktoré vytvárajú prúd. Zachované neporušené atómy sa zúčastnia reakcie pri ďalších otáčkach palivového disku.
Projekty jadrového motora pre lode vykonávajúce určité úlohy v blízkozemskom priestore, založené na RTG (rádioizotopových termoelektrických generátoroch), sú celkom uskutočniteľné, ale takéto inštalácie sú málo sľubné pre medziplanetárne a ešte viac medzihviezdne lety.
Motory jadrovej syntézy majú obrovský potenciál. Už v súčasnej fáze rozvoja vedy a techniky je celkom uskutočniteľná impulzná inštalácia, v ktorej, podobne ako pri projekte Orion, budú pod spodkom rakety odpálené termonukleárne nálože. Implementáciu riadenej jadrovej fúzie však mnohí odborníci považujú za záležitosť blízkej budúcnosti.
Výhody a nevýhody jadrových motorov
Medzi nesporné výhody použitia jadrových motorov ako pohonných jednotiek pre kozmické lode patrí ich vysoká energetická účinnosť, vysoký špecifický impulz a dobrý ťahový výkon (až tisíc ton v bezvzduchovom priestore) a pôsobivé energetické rezervy počas autonómnej prevádzky. Súčasná úroveň vedecko-technického rozvoja umožňuje zabezpečiť porovnateľnú kompaktnosť takejto inštalácie.
Hlavnou nevýhodou motorov s jadrovým pohonom, ktorá spôsobila obmedzenie konštrukčných a výskumných prác, je vysoké radiačné riziko. Platí to najmä pri vykonávaní pozemných požiarnych testov, v dôsledku ktorých sa spolu s pracovnou tekutinou môžu dostať do atmosféry aj rádioaktívne plyny, zlúčeniny uránu a jeho izotopy a deštruktívne účinky prenikajúceho žiarenia. Z rovnakých dôvodov je neprijateľné vypustiť kozmickú loď vybavenú jadrovým motorom priamo z povrchu Zeme.
Súčasnosť a budúcnosť
Podľa ubezpečenia akademika Ruskej akadémie vied, generálneho riaditeľa Keldyšského centra Anatolija Koroteeva, bude v Rusku v blízkej budúcnosti vytvorený zásadne nový typ jadrového motora. Podstatou prístupu je, že energia vesmírneho reaktora nebude smerovať k priamemu ohrevu pracovnej tekutiny a vytváraniu prúdového prúdu, ale k výrobe elektriny. Úloha pohonu v inštalácii je priradená plazmovému motoru, ktorého špecifický ťah je 20-krát vyšší ako ťah dnes existujúcich chemických prúdových zariadení. Hlavným podnikom projektu je divízia štátnej korporácie Rosatom, as NIKIET (Moskva).
Testy prototypov v plnom rozsahu boli úspešne ukončené už v roku 2015 na základe NPO Mashinostroeniya (Reutov). Termín začiatku letových skúšok jadrovej elektrárne je november tohto roka. Najdôležitejšie prvky a systémy budú musieť byť otestované, a to aj na palube ISS.
Nový ruský jadrový motor pracuje v uzavretom cykle, čo úplne eliminuje únik rádioaktívnych látok do okolitého priestoru. Hmotnostné a rozmerové charakteristiky hlavných prvkov elektrárne zabezpečujú jej použitie s existujúcimi domácimi nosnými raketami Proton a Angara.
Rusko bolo a zostáva lídrom v oblasti jadrovej vesmírnej energie. Organizácie ako RSC Energia a Roskosmos majú skúsenosti s návrhom, konštrukciou, štartom a prevádzkou kozmických lodí vybavených jadrovým zdrojom energie. Jadrový motor umožňuje prevádzkovať lietadlá mnoho rokov, čím sa výrazne zvyšuje ich praktická vhodnosť.
Historická kronika
Dodanie výskumného vozidla na obežnú dráhu vzdialených planét slnečnej sústavy si zároveň vyžaduje zvýšenie zdrojov takéhoto jadrového zariadenia na 5 až 7 rokov. Je dokázané, že komplex s jadrovým pohonným systémom s výkonom okolo 1 MW ako súčasť výskumnej kozmickej lode umožní za 5-7 rokov zrýchlené dodanie umelých družíc najvzdialenejších planét, planetárnych roverov na povrch prirodzené satelity týchto planét a dodanie pôdy z komét, asteroidov, Merkúru a satelitov Jupitera a Saturnu na Zem.
Opakovane použiteľný remorkér (MB)
Jedným z najdôležitejších spôsobov zvýšenia efektívnosti dopravných operácií vo vesmíre je opakovane použiteľné využitie prvkov dopravného systému. Jadrový motor pre kozmické lode s výkonom najmenej 500 kW umožňuje vytvoriť opätovne použiteľný remorkér a tým výrazne zvýšiť efektivitu viacčlánkového vesmírneho transportného systému. Takýto systém je obzvlášť užitočný v programe na poskytovanie veľkých ročných tokov nákladu. Príkladom môže byť mesačný prieskumný program s vytváraním a udržiavaním neustále sa rozširujúcej obývateľnej základne a experimentálnych technologických a výrobných komplexov.
Výpočet obratu prepravy
Podľa projektových štúdií RSC Energia by pri výstavbe základne mali byť na mesačný povrch dodané moduly s hmotnosťou okolo 10 ton, na obežnú dráhu Mesiaca do 30 ton Celkový nákladný tok zo Zeme pri výstavbe obývateľná lunárna základňa a navštívená lunárna orbitálna stanica sa odhaduje na 700-800 ton a ročný nákladný tok na zabezpečenie fungovania a rozvoja základne je 400-500 ton.
Princíp činnosti jadrového motora však neumožňuje transportéru dostatočne rýchlo zrýchliť. Vzhľadom na dlhý čas prepravy, a teda aj značný čas strávený nákladom v radiačných pásoch Zeme, nie je možné všetok náklad doručiť pomocou remorkérov s jadrovým pohonom. Tok nákladu, ktorý je možné zabezpečiť na základe jadrových pohonných systémov, sa preto odhaduje len na 100 – 300 ton/rok.
Ekonomická efektívnosť
Ako kritérium ekonomickej efektívnosti interorbitálneho transportného systému je vhodné použiť hodnotu špecifických nákladov na prepravu jednotky hmotnosti užitočného zaťaženia (PG) z povrchu Zeme na cieľovú obežnú dráhu. RSC Energia vyvinula ekonomický a matematický model, ktorý zohľadňuje hlavné zložky nákladov v dopravnom systéme:
- vytvoriť a spustiť na obežnú dráhu vlečné moduly;
- na nákup funkčného jadrového zariadenia;
- prevádzkové náklady, ako aj náklady na výskum a vývoj a prípadné kapitálové náklady.
Ukazovatele nákladov závisia od optimálnych parametrov MB. Pomocou tohto modelu sa porovnáva ekonomická efektívnosť použitia opakovane použiteľného remorkéra založeného na jadrovom pohonnom systéme s výkonom približne 1 MW a jednorazového remorkéra založeného na pokročilých kvapalných pohonných systémoch v programe na zabezpečenie dodávky užitočného zaťaženia s celkovým Študovala sa hmotnosť 100 ton/rok zo Zeme na obežnú dráhu Mesiaca vo výške 100 km. Pri použití rovnakej nosnej rakety s nosnosťou rovnajúcou sa nosnosti nosnej rakety Proton-M a schémou dvoch štartov na konštrukciu dopravného systému, špecifické náklady na dodanie jednotky hmotnosti užitočného zaťaženia pomocou remorkéra s jadrovým pohonom bude trikrát nižšia ako pri použití jednorazových remorkérov na báze rakiet s kvapalinovými motormi typu DM-3.
Záver
Efektívny jadrový motor pre vesmír prispieva k riešeniu environmentálnych problémov Zeme, letu človeka na Mars, vytvoreniu systému bezdrôtového prenosu energie vo vesmíre, implementácii so zvýšenou bezpečnosťou zakopania do vesmíru obzvlášť nebezpečného rádioaktívneho odpadu zo zeme. jadrovej energie, vytvorenie obývateľnej lunárnej základne a začiatok priemyselného rozvoja Mesiaca, ktorý zabezpečuje ochranu Zeme pred nebezpečenstvom asteroidu-kométy.
IN jedna zo sekcií Na LiveJournal elektronický inžinier neustále píše o jadrových a termonukleárnych strojoch - reaktoroch, zariadeniach, výskumných laboratóriách, urýchľovačoch, ako aj o. Nová ruská raketa, svedectvo počas výročného prezidentského prejavu, vzbudilo veľký záujem blogera. A toto našiel na túto tému.
Áno, historicky došlo k vývoju riadených striel s náporovým jadrovým vzduchovým motorom: strela SLAM v USA s reaktorom TORY-II, koncept Avro Z-59 vo Veľkej Británii, vývoj v ZSSR.
Moderné stvárnenie konceptu rakety Avro Z-59 s hmotnosťou okolo 20 ton.
Všetky tieto práce sa však vykonávali v 60. rokoch ako výskum a vývoj rôzneho stupňa hĺbky (najďalej zašli Spojené štáty, ako je uvedené nižšie) a nepokračovalo sa v nich vo forme modelov v prevádzke. Nedostali sme to z rovnakého dôvodu ako mnoho iných vývojov Atom Age - lietadlá, vlaky, rakety s jadrovými elektrárňami. Všetky tieto možnosti vozidiel, aj keď majú určité výhody, ktoré poskytuje šialená energetická hustota jadrového paliva, majú veľmi vážne nevýhody - vysoké náklady, zložitosť prevádzky, požiadavky na stálu bezpečnosť a nakoniec neuspokojivé výsledky vývoja, o ktorých sa zvyčajne vie len málo ( zverejnením výsledkov výskumu a vývoja je pre všetky strany výhodnejšie zobrazovať úspechy a skrývať zlyhania).
Najmä v prípade riadených rakiet je oveľa jednoduchšie vytvoriť nosič (ponorku alebo lietadlo), ktorý „vtiahne“ mnoho odpaľovacích zariadení rakiet na miesto odpaľovania, než sa poblázniť s malou flotilou (a je neuveriteľne ťažké vyvinúť veľkú flotilu). ) riadených striel odpálených z vlastného územia. Univerzálny, lacný, masovo vyrábaný produkt nakoniec zvíťazil nad drobným, drahým produktom s nejednoznačnými výhodami. Jadrové riadené strely neprekročili pozemné testovanie.
Táto koncepčná slepá ulička 60-tych rokov Kirgizskej republiky s jadrovými elektrárňami je podľa mňa stále aktuálna aj teraz, takže hlavná otázka k zobrazenej je „prečo??“. Čo to však robí ešte výraznejším, sú problémy, ktoré vznikajú pri vývoji, testovaní a prevádzke takýchto zbraní, o ktorých budeme diskutovať ďalej.
Takže začnime s reaktorom. Koncepty SLAM a Z-59 boli trojzápalové nízko letiace rakety impozantnej veľkosti a hmotnosti (20+ ton po odhodení nosných rakiet). Strašne drahý nízko letiaci nadzvuk umožňoval maximálne využiť prítomnosť prakticky neobmedzeného zdroja energie na palube, navyše dôležitou vlastnosťou jadrového vzduchového prúdového motora je zlepšená prevádzková efektivita (termodynamický cyklus) s rastúcou rýchlosťou, t.j. ten istý nápad, ale pri rýchlosti 1000 km/h by mal oveľa ťažší a väčší motor. Napokon, 3M vo výške sto metrov v roku 1965 znamenala nezraniteľnosť protivzdušnej obrany. Ukazuje sa, že skôr bol koncept raketometov s jadrovou energiou „zviazaný“ vysokou rýchlosťou, kde boli výhody konceptu silné a konkurenti s uhľovodíkovým palivom slabli.Zobrazená raketa podľa mňa vyzerá ako transsonická alebo podzvuková (ak samozrejme veríte, že je to ona na videu). No zároveň sa veľkosť reaktora výrazne zmenšila v porovnaní s TORY-II z rakety SLAM, kde to bolo až 2 metre vrátane radiálneho neutrónového reflektora vyrobeného z grafitu
Je vôbec možné inštalovať reaktor s priemerom 0,4-0,6 metra?
Začnime zásadne minimálnym reaktorom – prasaťom Pu239. Dobrým príkladom realizácie takéhoto konceptu je vesmírny reaktor Kilopower, ktorý však využíva U235. Priemer jadra reaktora je len 11 centimetrov! Ak prejdeme na plutónium 239, veľkosť jadra klesne ešte 1,5-2 krát.Teraz od minimálnej veľkosti začneme kráčať k skutočnému jadrovému vzduchovému prúdovému motoru, pamätajúc na ťažkosti.
Úplne prvá vec, ktorú treba pridať k veľkosti reaktora, je veľkosť reflektora - konkrétne v Kilopower BeO trojnásobok veľkosti. Po druhé, nemôžeme použiť U alebo Pu polotovary - jednoducho zhoria v prúde vzduchu len za minútu. Potrebný je plášť, napríklad z incaloy, ktorý odolá okamžitej oxidácii až do 1000 C, alebo iných zliatin niklu s prípadným keramickým povlakom. Zavedenie veľkého množstva obalového materiálu do jadra zvyšuje potrebné množstvo jadrového paliva niekoľkokrát naraz - napokon „neproduktívna“ absorpcia neutrónov v jadre sa teraz prudko zvýšila!
Navyše, kovová forma U alebo Pu už nie je vhodná - tieto materiály samotné nie sú žiaruvzdorné (plutónium sa všeobecne topí pri 634 C) a tiež interagujú s materiálom kovových obalov. Palivo prevedieme na klasickú formu UO2 alebo PuO2 - získame ďalšie zriedenie materiálu v jadre, tentokrát kyslíkom.
Na záver si pripomeňme účel reaktora. Potrebujeme cez ňu prečerpať veľa vzduchu, ktorému budeme odovzdávať teplo. Približne 2/3 priestoru budú zaberať „vzduchovky“.
Výsledkom je, že minimálny priemer jadra narastie na 40 – 50 cm (pre urán) a priemer reaktora s 10-centimetrovým berýliovým reflektorom na 60 – 70 cm. potvrdené konštrukciou jadrového prúdového motora MITEE , určený pre lety v atmosfére Jupitera. Tento úplne papierový projekt (napríklad sa predpokladá, že teplota jadra je 3000 K a steny sú vyrobené z berýlia, ktoré znesie najviac 1200 K) má priemer jadra vypočítaný z neutroniky 55,4 cm, napriek tomu, že chladenie s vodíkom umožňuje mierne zmenšiť veľkosť kanálov, cez ktoré sa čerpá chladivo.
Podľa mňa sa dá vzdušný jadrový prúdový motor strčiť do rakety s priemerom okolo metra, ktorá však stále nie je radikálne väčšia ako udávaných 0,6-0,74 m, no aj tak je alarmujúca.Tak či onak. jadrová elektráreň bude mať výkon ~niekoľko megawattov s výkonom ~10^16 rozpadov za sekundu. To znamená, že samotný reaktor vytvorí na povrchu radiačné pole niekoľkých desiatok tisíc röntgenov a pozdĺž celej rakety až tisíc röntgenov. Ani inštalácia niekoľko stoviek kg sektorovej ochrany tieto úrovne výrazne nezníži, pretože Neutrónové a gama lúče sa budú odrážať od vzduchu a „obídu ochranu“.
Za pár hodín takýto reaktor vyprodukuje ~10^21-10^22 atómov štiepnych produktov c s aktivitou niekoľkých (niekoľko desiatok) petabecquerelov, ktoré aj po odstavení vytvoria v blízkosti reaktora niekoľkotisícové pozadie röntgenov.
Konštrukcia rakety bude aktivovaná na približne 10^14 Bq, hoci izotopy budú primárne beta žiariče a sú nebezpečné len brzdným röntgenovým žiarením. Pozadie zo samotnej konštrukcie môže dosahovať desiatky röntgenov vo vzdialenosti 10 metrov od tela rakety.
Celá táto „zábava“ dáva predstavu, že vývoj a testovanie takejto rakety je úloha na hranici možného. Je potrebné vytvoriť celý súbor navigačných a riadiacich zariadení odolných voči žiareniu, všetko to pomerne komplexne otestovať (žiarenie, teplota, vibrácie - a to všetko pre štatistiku). Letové testy s funkčným reaktorom sa môžu kedykoľvek zmeniť na radiačnú katastrofu s vypustením stoviek terrabecquerelov do niekoľkých petabecquerelov. Aj bez katastrofických situácií je veľmi pravdepodobné odtlakovanie jednotlivých palivových článkov a únik rádionuklidov.
Samozrejme, v Rusku stále existujú Novozemelské testovacie miesto na ktorých sa takéto skúšky môžu vykonávať, bolo by to však v rozpore s duchom dohody o zákaz testovania jadrových zbraní v troch prostrediach (zákaz bol zavedený s cieľom zabrániť systematickému znečisťovaniu atmosféry a oceánov rádionuklidmi).
Nakoniec by ma zaujímalo, kto v Ruskej federácii by mohol vyvinúť takýto reaktor. Na vysokoteplotných reaktoroch sa tradične pôvodne podieľali Kurčatov inštitút (všeobecný návrh a výpočty), Obninsk IPPE (experimentálne testovanie a palivo) a Luchov výskumný ústav v Podolsku (technológia palív a materiálov). Neskôr sa do návrhu takýchto strojov zapojil tím NIKIET (napríklad reaktory IGR a IVG sú prototypmi jadra jadrového raketového motora RD-0410).
Dnes má NIKIET tím dizajnérov, ktorí pracujú na návrhu reaktora ( plynom chladený vysokoteplotný RUGK , rýchle reaktory MBIR, ) a IPPE a Luch sa naďalej zapájajú do súvisiacich výpočtov a technológií. V posledných desaťročiach sa Kurčatov inštitút posunul viac k teórii jadrových reaktorov.
V súhrne by som chcel povedať, že vytvorenie riadenej strely s prúdovými motormi s jadrovou elektrárňou je vo všeobecnosti realizovateľnou úlohou, ale zároveň mimoriadne nákladnou a zložitou, ktorá si vyžaduje značnú mobilizáciu ľudských a finančných zdrojov. , zdá sa mi to vo väčšej miere ako všetky ostatné ohlásené projekty („Sarmat“, „Dagger“, „Status-6“, „Vanguard“). Je veľmi zvláštne, že táto mobilizácia nezanechala ani najmenšiu stopu. A čo je najdôležitejšie, nie je úplne jasné, aké sú výhody získania takýchto typov zbraní (na pozadí existujúcich nosičov) a ako môžu prevážiť početné nevýhody - otázky radiačnej bezpečnosti, vysoké náklady, nezlučiteľnosť so zmluvami o znížení strategických zbraní. .
P.S. „Zdroje“ však už začínajú situáciu zmierňovať: „Zdroj blízky vojensko-priemyselnému komplexu povedal“ Vedomosti „Počas testovania rakiet bola zaistená radiačná bezpečnosť. Jadrové zariadenie na palube predstavovala elektrická maketa, hovorí zdroj.
Dalo by sa začať tento článok tradičnou pasážou o tom, ako autori sci-fi predkladajú odvážne myšlienky a vedci ich potom uvádzajú do života. Môžete, ale nechcete písať pečiatkami. Je lepšie si zapamätať, že moderné raketové motory na tuhé a kvapalné palivo majú viac ako nevyhovujúce vlastnosti pre lety na relatívne veľké vzdialenosti. Umožňujú vypustiť náklad na obežnú dráhu Zeme a dopraviť niečo na Mesiac, hoci takýto let je drahší. Let na Mars s takýmito motormi už ale nie je jednoduchý. Dajte im palivo a okysličovadlo v požadovanom množstve. A tieto objemy sú priamo úmerné vzdialenosti, ktorú treba prekonať.
Alternatívou k tradičným chemickým raketovým motorom sú elektrické, plazmové a jadrové motory. Zo všetkých alternatívnych motorov sa do štádia vývoja motora dostal len jeden systém – jadrový (Nuclear Reaction Engine). V Sovietskom zväze a Spojených štátoch sa začali práce na vytvorení jadrových raketových motorov už v 50. rokoch minulého storočia. Američania pracovali na oboch možnostiach takejto elektrárne: reaktívnej a pulznej. Prvý koncept zahŕňa ohrev pracovnej tekutiny pomocou jadrového reaktora a jej následné uvoľnenie cez dýzy. Pulzný jadrový pohonný motor zase poháňa kozmickú loď prostredníctvom postupných výbuchov malého množstva jadrového paliva.
Aj v USA bol vynájdený projekt Orion, ktorý kombinuje obe verzie jadrového motora. Stalo sa to nasledovným spôsobom: z chvosta lode boli vymrštené malé jadrové nálože s kapacitou asi 100 ton TNT. Po nich boli odpálené kovové kotúče. Vo vzdialenosti od lode bola nálož odpálená, disk sa odparil a látka sa rozptýlila rôznymi smermi. Časť spadla do zosilnenej chvostovej časti lode a posunula ju dopredu. Malé zvýšenie ťahu malo zabezpečiť vyparovanie platne prijímajúcej údery. Jednotková cena takéhoto letu mala byť iba 150, potom dolárov za kilogram užitočného zaťaženia.
Dostalo sa to dokonca až k testovaniu: skúsenosti ukázali, že pohyb pomocou postupných impulzov je možný, rovnako ako vytvorenie dostatočne silného kormového plátu. Ale projekt Orion bol v roku 1965 uzavretý ako neperspektívny. Ide však zatiaľ o jediný existujúci koncept, ktorý môže umožniť expedície aspoň naprieč slnečnou sústavou.
Ku konštrukcii prototypu bolo možné dospieť len s raketovým motorom na jadrový pohon. Išlo o sovietsky RD-0410 a americký NERVA. Fungovali na rovnakom princípe: v „bežnom“ jadrovom reaktore sa ohrieva pracovná tekutina, ktorá po vyvrhnutí z dýz vytvára ťah. Pracovnou kvapalinou oboch motorov bol kvapalný vodík, no sovietsky používal ako pomocnú látku heptán.
Ťah RD-0410 bol 3,5 tony, NERVA dala takmer 34, ale mala aj veľké rozmery: 43,7 metra na dĺžku a 10,5 v priemere oproti 3,5 a 1,6 metra, respektíve pre sovietsky motor. Zároveň bol americký motor z hľadiska zdrojov trikrát nižší ako sovietsky - RD-0410 mohol pracovať hodinu.
Oba motory však napriek prísľubu zostali tiež na Zemi a nikam nelietali. Hlavným dôvodom ukončenia oboch projektov (NERVA v polovici 70. rokov, RD-0410 v roku 1985) boli peniaze. Vlastnosti chemických motorov sú horšie ako vlastnosti jadrových motorov, ale náklady na jeden štart lode s jadrovým motorom s rovnakým užitočným zaťažením môžu byť 8-12 krát vyššie ako spustenie toho istého Sojuzu s motorom na kvapalné palivo. . A to ani nezohľadňuje všetky náklady potrebné na to, aby jadrové motory boli vhodné na praktické použitie.
Vyradenie „lacných“ raketoplánov z prevádzky a nedávny nedostatok revolučných objavov vo vesmírnej technológii si vyžadujú nové riešenia. V apríli tohto roku vtedajší šéf Roskosmosu A. Perminov oznámil zámer vyvinúť a uviesť do prevádzky úplne nový jadrový pohonný systém. To je presne to, čo by podľa Roskosmosu malo radikálne zlepšiť „situáciu“ v celej svetovej kozmonautike. Teraz je jasné, kto by sa mal stať ďalšími revolucionármi v astronautike: vývoj motorov s jadrovým pohonom bude vykonávať Federálny štátny jednotný podnik Keldysh Center. Generálny riaditeľ podniku A. Koroteev už potešil verejnosť, že na budúci rok bude hotový predbežný návrh kozmickej lode pre nový jadrový pohon. Dizajn motora by mal byť hotový do roku 2019, testovanie je naplánované na rok 2025.
Komplex dostal názov TEM – dopravný a energetický modul. Bude niesť plynom chladený jadrový reaktor. O priamom pohonnom systéme ešte nebolo rozhodnuté: buď to bude prúdový motor ako RD-0410, alebo elektrický raketový motor (ERE). Posledný typ sa však zatiaľ nikde na svete veľmi nepoužíval: vybavené nimi boli iba tri kozmické lode. V prospech elektrického pohonného motora ale hovorí fakt, že reaktor dokáže poháňať nielen motor, ale aj mnohé ďalšie bloky, či dokonca využívať celý TEM ako vesmírnu elektráreň.
