Jądrowe silniki rakietowe. jądrowy silnik rakietowy

Uważaj na wiele liter.

Model lotu statku kosmicznego z elektrownią atomową (NPP) w Rosji ma powstać do 2025 roku. Odpowiednia praca jest zawarta w projekcie Federalnego Programu Kosmicznego na lata 2016–2025 (FKP-25), który Roskosmos skierował do ministerstw do zatwierdzenia.

Systemy energii jądrowej są uważane za główne obiecujące źródła energii w kosmosie podczas planowania ekspedycji międzyplanetarnych na dużą skalę. W przyszłości elektrownie atomowe, które są obecnie budowane przez przedsiębiorstwa Rosatom, będą mogły w przyszłości dostarczać megawatową moc w kosmosie.

Wszystkie prace nad budową elektrowni jądrowych przebiegają zgodnie z zaplanowanymi terminami. Z dużą dozą pewności możemy powiedzieć, że prace zostaną wykonane w terminie określonym w programie docelowym – mówi Andriej Iwanow, kierownik projektu wydziału komunikacji państwowej korporacji Rosatom.

Za Ostatnio W ramach projektu przeszły dwa ważne etapy: stworzono unikalną konstrukcję elementu paliwowego, zapewniającą sprawność w warunkach wysokie temperatury, duże gradienty temperatury, napromienianie wysokimi dawkami. Pomyślnie zakończono także testy technologiczne zbiornika reaktora przyszłego kosmicznego bloku energetycznego. W ramach tych badań nadwozie poddano nadciśnieniu i wykonano pomiary 3D w obszarach metalu nieszlachetnego, pierścieniowe złącze spawane i stożkowe przejście.

Zasada działania. Historia stworzenia.

Z reaktor jądrowy nie ma podstawowych trudności w zastosowaniach kosmicznych. W okresie od 1962 do 1993 roku w naszym kraju zgromadzono bogate doświadczenie w produkcji podobnych instalacji. Podobną pracę przeprowadzono w USA. Od początku lat sześćdziesiątych na świecie opracowano kilka typów elektrycznych silników napędowych: jonowy, stacjonarny plazmowy, silnik warstwy anodowej, impulsowy silnik plazmowy, magnetoplazma, magnetoplazmodynamiczny.

Prace nad stworzeniem silników jądrowych do statków kosmicznych były aktywnie prowadzone w ZSRR i USA w ubiegłym stuleciu: Amerykanie zamknęli projekt w 1994 r., ZSRR - w 1988 r. Zamknięcie pracy w dużej mierze ułatwiła katastrofa w Czarnobylu, która negatywnie wpłynęła na opinię publiczną w zakresie wykorzystania energii jądrowej. Ponadto testy instalacji jądrowych w kosmosie nie zawsze były przeprowadzane regularnie: w 1978 roku radziecki satelita Kosmos-954 wszedł w atmosferę i rozpadł się, rozrzucając tysiące radioaktywnych fragmentów na powierzchni 100 tysięcy metrów kwadratowych. km w północno-zachodniej Kanadzie. związek Radziecki wypłacił Kanadzie ponad 10 milionów dolarów odszkodowania pieniężnego.

W maju 1988 r. dwie organizacje - Federacja Naukowców Amerykańskich i Komitet Naukowców Radzieckich na rzecz Pokoju Przeciw Zagrożeniu Nuklearnemu - przedstawiły wspólną propozycję zakazu stosowania energii jądrowej w kosmosie. Propozycja ta nie doczekała się formalnych konsekwencji, ale od tego czasu żaden kraj nie wystrzelił statku kosmicznego z elektrowniami jądrowymi na pokładzie.

Ogromnymi zaletami projektu są praktycznie istotne cechy eksploatacyjne - długa żywotność (10 lat eksploatacji), znaczny okres między przeglądami oraz długi czas pracy na jednym wyłączniku.

W 2010 roku sformułowano propozycje techniczne projektu. Projektowanie rozpoczęło się w tym roku.

Elektrownia jądrowa zawiera trzy główne urządzenia: 1) elektrownia reaktora z płynem roboczym i urządzeniami pomocniczymi (wymiennik ciepła-rekuperator i turbogenerator-sprężarka); 2) elektryczny układ napędowy rakiet; 3) lodówka-emiter.

Reaktor.

Z fizycznego punktu widzenia jest to kompaktowy, chłodzony gazem reaktor na neutrony prędkie.
Stosowanym paliwem jest związek (dwutlenek lub węgloazot) uranu, ale ponieważ konstrukcja musi być bardzo zwarta, uran ma wyższe wzbogacenie w izotop 235 niż pręty paliwowe w konwencjonalnych (cywilnych) elektrowniach jądrowych, być może ponad 20%. A ich otoczka to monokrystaliczny stop metali ogniotrwałych na bazie molibdenu.

To paliwo będzie musiało pracować w bardzo wysokich temperaturach. Dlatego konieczne było wybranie materiałów, które mogłyby powstrzymać negatywne czynniki związane z temperaturą, a jednocześnie umożliwić paliwu pełnienie swojej głównej funkcji - podgrzewania chłodziwa gazowego, które będzie wykorzystywane do produkcji energii elektrycznej.

Lodówka.

Chłodzenie gazowe podczas pracy instalacja jądrowa niezbędne. Jak odprowadzić ciepło w kosmosie? Jedyną możliwością jest chłodzenie radiacyjne. Nagrzana powierzchnia w pustej przestrzeni jest chłodzona poprzez emisję fal elektromagnetycznych o szerokim zakresie, w tym światła widzialnego. Wyjątkowość projektu polega na zastosowaniu specjalnego płynu chłodzącego - mieszanki helowo-ksenonowej. Instalacja zapewnia wysoką wydajność.

Silnik.

Zasada działania silnika jonowego jest następująca. Rozrzedzona plazma powstaje w komorze wyładowczej za pomocą anod i bloku katodowego umieszczonego w polu magnetycznym. Jony cieczy roboczej (ksenon lub inna substancja) są z niej „wyciągane” przez elektrodę emisyjną i przyspieszane w szczelinie między nią a elektrodą przyspieszającą.

Na realizację planu obiecano 17 mld rubli w okresie od 2010 do 2018 roku. Z tych środków 7,245 mld rubli przeznaczono dla państwowej korporacji Rosatom na budowę samego reaktora. Inne 3,955 mld - FSUE „Centrum Keldysh” na stworzenie elektrowni jądrowej. Kolejne 5,8 mld rubli trafi do RSC Energia, gdzie w tym samym czasie będzie musiał powstać roboczy obraz całego modułu transportowo-energetycznego.

Według planów do końca 2017 r. elektrownia jądrowa będzie przygotowana do ukończenia modułu transportowo-energetycznego (moduł lotów międzyplanetarnych). Do końca 2018 r. elektrownia jądrowa będzie gotowa do prób projektowych w locie. Projekt jest finansowany z budżetu federalnego.

Nie jest tajemnicą, że prace nad stworzeniem silników rakietowych rozpoczęto w USA i ZSRR jeszcze w latach 60. ubiegłego wieku. Jak daleko zaszli? A jakie wyzwania napotkałeś po drodze?

Anatolij Koroteev: Rzeczywiście, prace nad wykorzystaniem energii jądrowej w kosmosie rozpoczęto i aktywnie prowadzono tu i w Stanach Zjednoczonych w latach 60. i 70. XX wieku.

Początkowo zadaniem było stworzenie silników rakietowych, które zamiast energii chemicznej spalania paliwa i utleniacza wykorzystywałyby podgrzewanie wodoru do temperatury około 3000 stopni. Okazało się jednak, że taka bezpośrednia ścieżka jest nadal nieefektywna. Wysoki ciąg uzyskujemy przez krótki czas, ale jednocześnie wyrzucamy strumień, który w przypadku nieprawidłowej pracy reaktora może okazać się skażony radioaktywnie.

Zdobyto trochę doświadczenia, ale ani my, ani Amerykanie nie byliśmy wtedy w stanie stworzyć niezawodnych silników. Udało się, ale nie wystarczyło, bo podgrzanie wodoru do 3000 stopni w reaktorze jądrowym to poważne zadanie. Poza tym podczas testów naziemnych takich silników pojawiły się problemy środowiskowe, ponieważ radioaktywne strumienie były emitowane do atmosfery. Nie jest już tajemnicą, że takie prace zostały wykonane na specjalnie przygotowanym do prób jądrowych poligonie Semipalatinsk, który pozostał w Kazachstanie.

Oznacza to, że kluczowe okazały się dwa parametry - zaporowa temperatura i emisje promieniowania?

Anatolij Koroteev: Ogólnie tak. Z tych i kilku innych powodów praca w naszym kraju i w Stanach Zjednoczonych została przerwana lub zawieszona – można to oceniać na różne sposoby. I wydawało nam się nierozsądne podejmowanie ich w taki sposób, powiedziałbym, frontalnie, aby zrobić silnik jądrowy ze wszystkimi wspomnianymi już niedociągnięciami. Zaproponowaliśmy zupełnie inne podejście. Różni się od starego w taki sam sposób, w jaki samochód hybrydowy różni się od konwencjonalnego. W konwencjonalnym samochodzie silnik obraca kołami, podczas gdy w samochodach hybrydowych z silnika wytwarzana jest energia elektryczna, która obraca kołami. Oznacza to, że powstaje pewna elektrownia pośrednia.

Zaproponowaliśmy więc schemat, w którym reaktor kosmiczny nie ogrzewa wyrzucanego z niego strumienia, ale generuje energię elektryczną. Gorący gaz z reaktora napędza turbinę, turbina napędza generator elektryczny i sprężarkę, która krąży w obiegu zamkniętym płyn roboczy. Z drugiej strony generator wytwarza energię elektryczną dla silnika plazmowego o określonym ciągu 20 razy wyższym niż odpowiedniki chemiczne.

Inteligentny schemat. W istocie jest to minielektrownia jądrowa w kosmosie. A jakie są jego zalety w porównaniu z silnikiem atomowym strumieniowym?

Anatolij Koroteev: Najważniejsze jest to, że strumień wychodzący z nowego silnika nie będzie radioaktywny, ponieważ przez reaktor przepływa zupełnie inny płyn roboczy, który jest zamknięty w obwodzie zamkniętym.

Ponadto w tym schemacie nie musimy podgrzewać wodoru do ekstremalnych wartości​​: w reaktorze krąży obojętny płyn roboczy, który nagrzewa się do 1500 stopni. Poważnie upraszczamy nasze zadanie. W efekcie podniesiemy ciąg właściwy nie dwa razy, ale 20 razy w porównaniu z silnikami chemicznymi.

Inna rzecz jest również ważna: nie ma potrzeby przeprowadzania skomplikowanych testów w pełnej skali, które wymagają infrastruktury byłego poligonu Semipalatinsk, w szczególności podstawy ławki, która pozostała w mieście Kurczatow.

W naszym przypadku wszystkie niezbędne testy można przeprowadzić na terenie Rosji, bez wciągania w długie negocjacje międzynarodowe w sprawie wykorzystania energii jądrowej poza naszym państwem.

Czy podobne prace są prowadzone w innych krajach?

Anatolij Korotejew: Miałem spotkanie z wiceszefem NASA, rozmawialiśmy o sprawach związanych z powrotem do prac nad energetyką jądrową w kosmosie, a on powiedział, że Amerykanie wykazują tym duże zainteresowanie.

Całkiem możliwe, że Chiny mogą również zareagować aktywnymi działaniami ze swojej strony, więc trzeba działać szybko. I to nie tylko po to, by wyprzedzić kogoś o pół kroku.

Przede wszystkim musimy działać szybko, aby w rodzącej się współpracy międzynarodowej, a de facto się ona kształtowała, abyśmy wyglądali godni.

Nie wykluczam, że w niedalekiej przyszłości może zostać zainicjowana program międzynarodowy nad jądrową elektrownią kosmiczną, podobnie jak obecnie realizowany program dotyczący kontrolowanej syntezy termojądrowej.

Co kilka lat niektórzy
nowy podpułkownik odkrywa Plutona.
Potem dzwoni do laboratorium,
dowiedzieć się o losie atomowego silnika strumieniowego.

Modny dziś temat, ale wydaje mi się, że o wiele ciekawszy jest przepływ powietrza z bezpośrednim przepływem jądrowym. silnik odrzutowy, ponieważ nie musi nosić ze sobą działającego ciała.
Przypuszczam, że w przesłaniu prezesa chodziło o niego, ale z jakiegoś powodu wszyscy zaczęli dziś pisać o YARD-ie ???
Pozwolę sobie umieścić to wszystko w jednym miejscu. Ciekawe myśli, mówię wam, pojawiają się, gdy zrozumiecie temat. I bardzo niewygodne pytania.

Silnik strumieniowy (ramjet; angielski termin to strumieniowy, od ram - ram) - silnik odrzutowy, jest najprostszym w klasie silników odrzutowych (silników strumieniowych) pod względem urządzenia. Należy do typu reakcji bezpośredniej WJE, w której ciąg generowany jest wyłącznie przez strumień strumienia wypływający z dyszy. Niezbędny do pracy silnika wzrost ciśnienia uzyskuje się poprzez hamowanie nadchodzącego strumienia powietrza. silnik strumieniowy nie działa, gdy niskie prędkości lot, zwłaszcza przy zerowej prędkości, potrzebny jest jeden lub drugi akcelerator, aby doprowadzić go do mocy operacyjnej.

W drugiej połowie lat pięćdziesiątych, w dobie zimnej wojny, silniki strumieniowe z reaktorem jądrowym zostały opracowane w USA i ZSRR.


Zdjęcie: Leicht modifiziert aus http://en.wikipedia.org/wiki/Image:Pluto1955.jpg

Źródłem energii dla tych silników strumieniowych (w przeciwieństwie do innych silników strumieniowych) nie jest Reakcja chemiczna spalanie paliwa, ale ciepła wytwarzanego przez reaktor jądrowy w komorze grzewczej płynu roboczego. Powietrze z wlotu w takim strumieniu przepływa przez rdzeń reaktora, schładza go, nagrzewa się do temperatury pracy (ok. 3000 K), a następnie wypływa z dyszy z prędkością porównywalną z prędkościami spalin dla najbardziej zaawansowanych chemiczne silniki rakietowe. Możliwe miejsce docelowe samolot z tym silnikiem:
- międzykontynentalny transporter pocisków manewrujących z ładunkiem jądrowym;
- jednostopniowe samoloty lotnicze.

W obu krajach powstały kompaktowe niskozasobowe reaktory jądrowe, które mieszczą się w wymiarach dużej rakiety. W Stanach Zjednoczonych w 1964 r. w ramach programów badawczych nuklearnych strumieniowych silników strumieniowych Pluto i Tory przeprowadzono laboratoryjne testy ogniowe atomowego silnika strumieniowego Tory-IIC (tryb pełnej mocy 513 MW przez pięć minut z ciągiem 156 kN). Nie przeprowadzono prób w locie, program zamknięto w lipcu 1964 roku. Jednym z powodów zamknięcia programu jest udoskonalenie konstrukcji rakiet balistycznych z chemicznymi silnikami rakietowymi, które całkowicie zapewniły rozwiązanie misji bojowych bez użycia schematów ze stosunkowo drogimi jądrowymi silnikami strumieniowymi.
Teraz nie ma zwyczaju mówić o drugim w rosyjskich źródłach ...

Projekt Pluto miał wykorzystywać taktykę lotu na małych wysokościach. Ta taktyka zapewniała ukrycie przed radarem systemu obrony powietrznej ZSRR.
Aby osiągnąć prędkość, z jaką działałby silnik strumieniowy, Pluton musiałby zostać wystrzelony z ziemi za pomocą zestawu konwencjonalnych silników rakietowych. Uruchomienie reaktora jądrowego rozpoczęło się dopiero po tym, jak Pluton osiągnął wysokość przelotową i został wystarczająco usunięty z zaludnionych obszarów. Silnik jądrowy, który dawał praktycznie nieograniczony zasięg, pozwalał rakiecie latać w kółko nad oceanem, czekając na rozkaz przejścia z prędkością ponaddźwiękową do celu w ZSRR.

Projekt projektu SLAM

Postanowiono przeprowadzić test statyczny pełnowymiarowego reaktora, który był przeznaczony do silnika strumieniowego.
Ponieważ reaktor Pluton stał się bardzo radioaktywny po uruchomieniu, jego dostarczenie na miejsce testowe zostało wykonane przez specjalnie zbudowaną w pełni zautomatyzowaną linię kolejową. Wzdłuż tej linii reaktor przemieściłby się na odległość około dwóch mil, która oddzielała statyczny obiekt testowy od masywnego budynku „demontażowego”. W budynku „gorący” reaktor został zdemontowany do badań za pomocą zdalnie sterowanego sprzętu. Naukowcy z Livermore obserwowali proces testowania za pomocą systemu telewizyjnego, który znajdował się w blaszanej szopie daleko od stanowiska testowego. Na wszelki wypadek hangar wyposażono w schron antyradiacyjny z dwutygodniowym zapasem żywności i wody.
Tylko w celu dostarczenia betonu potrzebnego do budowy ścian budynku rozbiórkowego (o grubości od sześciu do ośmiu stóp), rząd Stanów Zjednoczonych zakupił całą kopalnię.
Miliony funtów sprężonego powietrza były przechowywane w 40 milach rur do produkcji ropy. To sprężone powietrze miało służyć do symulacji warunków, w jakich znajduje się silnik strumieniowy podczas lotu z prędkością przelotową.
Aby zapewnić wysokie ciśnienie powietrza w układzie, laboratorium pożyczyło gigantyczne sprężarki z bazy okrętu podwodnego (Groton, Connecticut).
Test, podczas którego jednostka pracowała z pełną mocą przez pięć minut, wymagała przedmuchania tony powietrza przez stalowe zbiorniki wypełnione ponad 14 milionami stalowych kulek o średnicy 4 cm.Te zbiorniki zostały podgrzane do 730 stopni za pomocą elementy grzejne, w których spalał się olej.

Zainstalowany na platformie kolejowej Tori-2S jest gotowy do pomyślnych testów. maj 1964

14 maja 1961 r. inżynierowie i naukowcy w hangarze, w którym kontrolowano eksperyment, wstrzymali oddech - pierwszy na świecie atomowy silnik strumieniowy, zamontowany na jasnoczerwonym peronie kolejowym, z głośnym rykiem ogłosił swoje narodziny. Tori-2A został wystrzelony na zaledwie kilka sekund, podczas których nie rozwinął swojej mocy znamionowej. Test uznano jednak za udany. Najważniejsze było to, że reaktor nie zapalił się, czego bardzo obawiali się niektórzy przedstawiciele komitetu ds. energii atomowej. Niemal natychmiast po testach Merkle przystąpił do prac nad stworzeniem drugiego reaktora Tory, który miał mieć większą moc przy mniejszej wadze.
Prace nad Tori-2B nie wyszły poza deskę kreślarską. Zamiast tego Livermores natychmiast zbudowali Tory-2C, który przerwał ciszę pustyni trzy lata po przetestowaniu pierwszego reaktora. Tydzień później reaktor ten został ponownie uruchomiony i działał z pełną mocą (513 megawatów) przez pięć minut. Okazało się, że radioaktywność spalin jest znacznie mniejsza niż oczekiwano. W testach uczestniczyli również generałowie Sił Powietrznych i urzędnicy z Komitetu Energii Atomowej.

W tym czasie klienci z Pentagonu, którzy sfinansowali projekt Pluto, zaczęli mieć wątpliwości. Ponieważ pocisk został wystrzelony ze Stanów Zjednoczonych i przeleciał nad terytorium amerykańskich sojuszników na małej wysokości, aby uniknąć wykrycia przez sowieckie systemy obrony przeciwlotniczej, niektórzy stratedzy wojskowi zastanawiali się, czy pocisk będzie stanowić zagrożenie dla sojuszników? Jeszcze zanim pocisk Pluton zrzuci bomby na wroga, najpierw ogłuszy, zmiażdży, a nawet napromieni sojuszników. (Oczekiwano, że przepływający nad głową Pluton wytworzy około 150 decybeli hałasu na ziemi. Dla porównania, rakieta, która wysłała Amerykanów na Księżyc (Saturn V) z pełnym ciągiem, miała 200 decybeli). Oczywiście, pęknięte bębenki uszne byłyby najmniejszym z twoich problemów, gdybyś znalazł się pod nagim reaktorem latającym nad twoją głową, piekącym cię jak kurczaka za pomocą promieniowania gamma i neutronowego.

Tori-2C

Podczas gdy twórcy rakiety twierdzili, że Pluton również był z natury nieuchwytny, analitycy wojskowi wyrazili zdumienie, że coś tak głośnego, gorącego, dużego i radioaktywnego może pozostać niewykryte przez czas potrzebny na ukończenie misji. W tym samym czasie Siły Powietrzne USA rozpoczęły już rozmieszczanie pocisków balistycznych Atlas i Titan, które były w stanie osiągnąć cele kilka godzin przed latającym reaktorem, oraz systemu antyrakietowego ZSRR, którego strach stał się głównym bodźcem za stworzenie Plutona nigdy nie stał się przeszkodą dla pocisków balistycznych, pomimo udanych prób przechwycenia. Krytycy projektu wymyślili własne dekodowanie skrótu SLAM - slow, low i messy - slow, low i dirty. Po udanych testach rakiety Polaris flota, która początkowo wyrażała zainteresowanie użyciem rakiet do wystrzeliwania z okrętów podwodnych lub okrętów, również zaczęła rezygnować z projektu. I wreszcie koszt każdego pocisku wyniósł 50 milionów dolarów. Nagle Pluton stał się technologią bez zastosowania, bronią bez odpowiednich celów.

Jednak ostatni gwóźdź do trumny Plutona był tylko jednym pytaniem. Jest to tak zwodniczo proste, że można usprawiedliwić Livermores celowe ignorowanie tego. „Gdzie przeprowadzać testy w locie reaktora? Jak przekonać ludzi, że podczas lotu rakieta nie straci kontroli i przeleci nad Los Angeles lub Las Vegas na małej wysokości? – zapytał fizyk Livermore Jim Hadley, który pracował nad projektem Pluto do samego końca. Obecnie odpowiada za wykrywanie testów jądrowych prowadzonych w innych krajach dla dywizji Z. Według samego Hadleya nie było gwarancji, że rakieta nie wymknie się spod kontroli i nie zamieni się w latający Czarnobyl.
Zaproponowano kilka rozwiązań tego problemu. Jednym z nich jest wystrzelenie Plutona w pobliżu wyspy Wake, gdzie rakieta miałaby latać, przecinając ósemki nad częścią oceanu należącą do Stanów Zjednoczonych. Rakiety „gorące” miały zostać zatopione na głębokości 7 kilometrów w oceanie. Jednak nawet wtedy, gdy Komisja Energii Atomowej kołysała umysły ludzi na temat promieniowania jako nieograniczonego źródła energii, propozycja zrzucenia wielu radioaktywnie zanieczyszczonych rakiet do oceanu wystarczyła, by wstrzymać prace.
1 lipca 1964, siedem lat i sześć miesięcy po rozpoczęciu prac, projekt Pluto został zamknięty przez Komisję Energii Atomowej i Siły Powietrzne.

Hadley mówi, że co kilka lat nowy podpułkownik sił powietrznych odkrywa Plutona. Następnie dzwoni do laboratorium, aby dowiedzieć się o losie atomowego silnika strumieniowego. Entuzjazm podpułkowników znika natychmiast po tym, jak Hadley mówi o problemach z promieniowaniem i próbach w locie. Nikt nie dzwonił do Hadley więcej niż raz.
Jeśli Pluton zechce przywrócić kogoś do życia, być może uda mu się znaleźć kilku rekrutów w Livermore. Jednak nie będzie ich wiele. Pomysł na to, co może być piekielnie szaloną bronią, najlepiej zostawić w przeszłości.

Charakterystyka techniczna rakiety SLAM:
Średnica - 1500 mm.
Długość - 20000 mm.
Waga - 20 ton.
Promień działania nie jest ograniczony (teoretycznie).
Prędkość na poziomie morza - Mach 3.
Uzbrojenie - 16 bomb termojądrowych (moc 1 megatony).
Silnik to reaktor jądrowy (pojemność 600 megawatów).
System prowadzenia - inercyjny + TERCOM.
Maksymalna temperatura skóry to 540 stopni Celsjusza.
Materiałem płatowca jest wysokotemperaturowa stal nierdzewna Rene 41.
Grubość poszycia - 4 - 10 mm.

Niemniej jednak jądrowy silnik strumieniowy jest obiecujący jako system napędowy dla jednostopniowych samolotów lotniczych i szybkich międzykontynentalnych ciężkich samolotów. lotnictwo transportowe. Jest to ułatwione dzięki możliwości stworzenia jądrowego silnika strumieniowego zdolnego do działania przy poddźwiękowych i zerowych prędkościach lotu w trybie silnika rakietowego, wykorzystując pokładowe zapasy płynu roboczego. To znaczy na przykład samolot lotniczy z atomowym strumieniem strumieniowym startuje (w tym startuje), dostarczając płyn roboczy do silników ze zbiorników pokładowych (lub zaburtowych) i po osiągnięciu prędkości od M = 1 przechodzi na wykorzystanie powietrza atmosferycznego .

Jak stwierdził prezydent Federacji Rosyjskiej W.W. Putin, na początku 2018 r. „udało się wystrzelić pocisk manewrujący z elektrownia atomowa”. Jednocześnie, według niego, zasięg takiego pocisku wycieczkowego jest „nieograniczony”.

Zastanawiam się, w jakim regionie przeprowadzono testy i dlaczego zostały one zatrzaśnięte przez odpowiednie służby monitorujące testy jądrowe. A może jesienne uwolnienie rutenu-106 do atmosfery ma jakiś związek z tymi testami? Tych. Mieszkańcy Czelabińska byli nie tylko posypywani rutenem, ale także smażeni?
A gdzie spadła ta rakieta? Mówiąc najprościej, gdzie był podzielony reaktor jądrowy? W jakim zakresie? Na Nowej Ziemi?

**************************************** ********************

A teraz poczytajmy trochę o silnikach rakietowych, chociaż to zupełnie inna historia.

Silnik rakietowy jądrowy (NRE) to rodzaj silnika rakietowego, który wykorzystuje energię rozszczepienia jądrowego lub syntezy jądrowej do wytworzenia ciągu odrzutowego. Są płynne (ogrzewanie ciekłego płynu roboczego w komorze grzewczej z reaktora jądrowego i usuwanie gazu przez dyszę) i wybuchowe (wybuch jądrowy małej mocy w równych odstępach czasu).
Tradycyjny NRE jako całość to projekt komory grzewczej z reaktorem jądrowym jako źródłem ciepła, układem zasilania płynem roboczym i dyszą. Płyn roboczy (najczęściej wodór) jest dostarczany ze zbiornika do rdzenia reaktora, gdzie przechodząc przez kanały nagrzane reakcją rozpadu jądrowego jest podgrzewany do wysokich temperatur, a następnie wyrzucany przez dyszę, tworząc ciąg strumieniowy. Istnieją różne konstrukcje NRE: w fazie stałej, w fazie ciekłej i w fazie gazowej - odpowiadające stanowi agregacji paliwa jądrowego w rdzeniu reaktora - stałego, stopionego lub wysokotemperaturowego gazu (lub nawet plazmy).


wschód https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=1822546

RD-0410 (indeks GRAU - 11B91, znany również jako "Irgit" i "IR-100") - pierwszy i jedyny radziecki silnik rakietowy z lat 1947-78. Został opracowany w Biuro projektowe„Khimavtomatika”, Woroneż.
W RD-0410 zastosowano niejednorodny reaktor neutronów termicznych. Projekt obejmował 37 zestawów paliwowych pokrytych izolacją termiczną oddzielającą je od moderatora. ProjektPrzewidywano, że strumień wodoru najpierw przechodził przez odbłyśnik i moderator utrzymując ich temperaturę w temperaturze pokojowej, a następnie wchodził do rdzenia, gdzie był podgrzewany do 3100 K. Na stoisku odbłyśnik i moderator były chłodzone oddzielnym przepływ wodoru. Reaktor przeszedł znaczną serię testów, ale nigdy nie był testowany przez cały okres eksploatacji. Węzły pozareaktorowe zostały w pełni opracowane.

********************************

A to jest amerykański silnik rakietowy. Jego diagram był na zdjęciu tytułowym


Autor: NASA - Great Images in NASA Description, Public domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=6462378

NERVA (Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application) to wspólny program amerykańskiej Komisji Energii Atomowej i NASA mający na celu stworzenie silnika rakietowego (NRE), który trwał do 1972 roku.
NERVA wykazała, że ​​NRE jest w pełni funkcjonalny i nadaje się do eksploracji kosmosu, a pod koniec 1968 roku SNPO potwierdziło, że najnowsza modyfikacja NERVA, NRX/XE, spełniała wymagania dotyczące załogowego lotu na Marsa. Chociaż silniki NERVA zostały zbudowane i przetestowane do maksimum swoich możliwości i były uważane za gotowe do użycia na statkach kosmicznych, znaczna część amerykańskiego programu kosmicznego została anulowana przez administrację Nixona.

NERVA została oceniona jako bardzo udany program przez AEC, SNPO i NASA, spełniający lub nawet przekraczający swoje cele. główny cel program miał na celu „stworzenie bazy technicznej dla systemów silników rakietowych jądrowych, które będą wykorzystywane przy projektowaniu i rozwoju systemy napędowe na misje kosmiczne. Praktycznie wszystkie projekty kosmiczne wykorzystujące NRE są oparte na projektach NERVA NRX lub Pewee.

Misje marsjańskie były przyczyną upadku NERVA. Członkowie Kongresu z obu partii politycznych zdecydowali, że załogowa misja na Marsa byłaby milczącym zobowiązaniem Stanów Zjednoczonych do wspierania kosztownego wyścigu kosmicznego przez dziesięciolecia. Każdego roku program RIFT był opóźniany, a cele NERVA stawały się coraz bardziej złożone. Mimo wszystko, chociaż silnik NERVA przeszedł wiele pomyślnych testów i miał silne poparcie Kongresu, nigdy nie opuścił Ziemi.

W listopadzie 2017 r. China Aerospace Science and Technology Corporation (CASC) opublikowała mapę drogową rozwoju chińskiego programu kosmicznego na lata 2017-2045. Przewiduje w szczególności stworzenie statku wielokrotnego użytku napędzanego silnikiem rakietowym.

Znalazłem ciekawy artykuł. Ogólnie rzecz biorąc, statki kosmiczne nuklearne zawsze mnie interesowały. To jest przyszłość eksploracji kosmosu. Szeroko zakrojone prace na ten temat prowadzono także w ZSRR. Artykuł jest o nich.

Przestrzeń napędzana energią atomową. Marzenia i rzeczywistość.

Doktor nauk fizycznych i matematycznych Yu.Y.Stavissky

W 1950 roku obroniłem dyplom z fizyki inżynierskiej w Moskiewskim Instytucie Mechanicznym (MMI) Ministerstwa Amunicji. Pięć lat wcześniej, w 1945 roku, powstał tam wydział fizyki inżynierskiej, który kształcił specjalistów dla nowego przemysłu, którego zadania obejmowały głównie produkcję broni jądrowej. Wydział nie miał sobie równych. Wraz z fizyką podstawową w zakresie przedmiotów uniwersyteckich (metody fizyki matematycznej, teorii względności, mechaniki kwantowej, elektrodynamiki, fizyki statystycznej i innych) kształcono nas w pełnym zakresie dyscyplin inżynierskich: chemia, metaloznawstwo, wytrzymałość materiałów , teoria mechanizmów i maszyn itp. Stworzony przez wybitnego radzieckiego fizyka Aleksandra Iljicza Leipunskiego, Wydział Fizyki Inżynierskiej MMI z czasem przekształcił się w Moskiewski Instytut Fizyki Inżynierskiej (MEPhI). W Moskwie powstał kolejny Wydział Inżynierii i Fizyki, który później połączył się również w MEPhI instytut energetyczny(MPEI), ale jeśli w MMI główny nacisk położono na fizykę podstawową, to w Instytucie Energii - na ciepło i elektrofizykę.

Studiowaliśmy mechanikę kwantową, korzystając z książki Dmitrija Iwanowicza Błochincowa. Wyobraź sobie moje zdziwienie, gdy podczas dystrybucji zostałem wysłany do pracy z nim. Jestem zapalonym eksperymentatorem (jako dziecko zdemontowałem wszystkie zegary w domu) i nagle trafiam do znanego teoretyka. Ogarnęła mnie lekka panika, ale po przybyciu na miejsce - "Obiekt B" Ministerstwa Spraw Wewnętrznych ZSRR w Obnińsku - od razu zdałem sobie sprawę, że martwiłem się na próżno.

W tym czasie głównym tematem „Obiektu B”, którym faktycznie kierowała A.I. Leipunsky już się uformował. Tutaj stworzyli reaktory z rozszerzoną reprodukcją paliwa jądrowego - „szybcy hodowcy”. Jako dyrektor Błochincew zainicjował rozwój nowego kierunku - stworzenie silników o napędzie atomowym do lotów kosmicznych. Opanowanie przestrzeni było starym marzeniem Dmitrija Iwanowicza, nawet w młodości korespondował i spotykał się z K.E. Ciołkowski. Myślę, że zrozumienie gigantycznych możliwości energetyki jądrowej, o wartości kalorycznej miliony razy większej niż najlepsze paliwa chemiczne, określiło ścieżkę życia D.I. Błochincew.
„Nie widać twarzą w twarz”… W tamtych latach niewiele rozumieliśmy. Dopiero teraz, gdy wreszcie stało się możliwe porównanie czynów i losów wybitnych naukowców Instytutu Fizyko-Energetycznego (IPPE) – dawnego „Obiektu B”, przemianowanego 31 grudnia 1966 r. – czy istnieje, jak się wydaje dla mnie zrozumienie idei, które je w tamtym czasie poruszały. Przy całej różnorodności spraw, z jakimi miał do czynienia instytut, można wyróżnić priorytetowe dziedziny naukowe, które okazały się być w sferze zainteresowań czołowych fizyków.

Głównym zainteresowaniem AIL (jak za plecami w instytucie nazywano Aleksandra Iljicza Lejpuńskiego) jest rozwój światowej energetyki opartej na szybkich reaktorach posiewowych (reaktorach jądrowych, które nie mają ograniczeń co do zasobów paliwa jądrowego). Trudno przecenić wagę tego iście „kosmicznego” problemu, któremu poświęcił ostatnie ćwierć wieku swojego życia. Leipunsky poświęcił również dużo energii na obronę kraju, w szczególności na tworzenie silników atomowych do okrętów podwodnych i ciężkich samolotów.

Zainteresowania Błochincew (przypisano mu pseudonim „D.I.”) miał na celu rozwiązanie problemu wykorzystania energii jądrowej do lotów kosmicznych. Niestety, pod koniec lat 50. zmuszony był odejść z tej pracy i pokierować tworzeniem międzynarodowego ośrodka naukowego – Zjednoczonego Instytutu Badań Jądrowych w Dubnej. Tam pracował nad szybkimi reaktorami impulsowymi - IBR. To była ostatnia wielka rzecz w jego życiu.

Jeden gol - jedna drużyna

DI. Błochincew, który wykładał pod koniec lat 40. na Moskiewskim Uniwersytecie Państwowym, zauważył tam, a następnie zaprosił młodego fizyka Igora Bondarenko do pracy w Obnińsku, który dosłownie zachwycał się statkami kosmicznymi z napędem jądrowym. Jego pierwszym przełożonym była sztuczna inteligencja. Leipunsky i Igor oczywiście zajmowali się jego tematem - szybkimi hodowcami.

W ramach D.I. Błochincew, grupa naukowców utworzona wokół Bondarenko, która zjednoczyła się, aby rozwiązać problemy związane z wykorzystaniem energii atomowej w kosmosie. Oprócz Igora Iljicza Bondarenko w grupie znaleźli się: Wiktor Jakowlewicz Pupko, Edvin Aleksandrowicz Stumbur i autor tych wierszy. Igor był głównym ideologiem. Edwin prowadził badania eksperymentalne modeli naziemnych reaktorów jądrowych w instalacjach kosmicznych. Zajmowałem się głównie silnikami rakietowymi „niskiego ciągu” (ciąg w nich wytwarzany jest przez rodzaj akceleratora - „napęd jonowy”, który jest zasilany energią z kosmicznej elektrowni jądrowej). Zbadaliśmy procesy
płynące w sterach jonowych, na stojakach naziemnych.

O Wiktorze Pupko (w przyszłości
został szefem wydziału technologii kosmicznych IPPE) było dużo pracy organizacyjnej. Igor Iljicz Bondarenko był wybitnym fizykiem. Subtelnie wyczuł eksperyment, ułożył proste, eleganckie i bardzo skuteczne eksperymenty. Myślę, że jako żaden eksperymentator i być może niewielu teoretyków „czuł” fundamentalną fizykę. Zawsze responsywny, otwarty i przyjazny, Igor był prawdziwą duszą instytutu. Do tej pory FEI żyje swoimi pomysłami. Bondarenko żył bezpodstawnie krótkie życie. W 1964 roku w wieku 38 lat zmarł tragicznie na skutek błędu lekarskiego. To było tak, jakby Bóg, widząc, jak wiele zrobił człowiek, uznał, że to już za dużo i rozkazał: „Dosyć”.

Nie sposób nie przypomnieć sobie innej wyjątkowej osobowości - Władimira Aleksandrowicza Malykha, technologa „od Boga”, współczesnego Leskovsky'ego Levsha. Jeśli „wyrobami” wspomnianych wyżej naukowców były głównie idee i wyrachowane szacunki ich rzeczywistości, to dzieła Malykha zawsze miały wyrób „w metalu”. Jej sektor technologiczny, który w czasach rozkwitu IPPE liczył ponad dwa tysiące pracowników, mógł bez przesady zrobić wszystko. Co więcej, on sam zawsze odgrywał kluczową rolę.

V.A. Malykh zaczynał jako asystent laboratoryjny w Instytucie Badawczym Fizyki Jądrowej Moskiewskiego Uniwersytetu Państwowego, mając za duszą trzy kursy na Wydziale Fizyki - wojna nie pozwoliła mu ukończyć studiów. Pod koniec lat 40. udało mu się stworzyć technologię wytwarzania ceramiki technicznej na bazie tlenku berylu, unikalnego materiału, dielektryka o wysokiej przewodności cieplnej. Przed Malykhem wielu bezskutecznie zmagało się z tym problemem. Ogniwo paliwowe oparte na seryjnym ze stali nierdzewnej a naturalny uran, który opracował dla pierwszej elektrowni jądrowej, jest cudem na tamte czasy, a nawet na współczesność. Albo termionowy element paliwowy reaktora-generatora elektrycznego zaprojektowanego przez Malykha do zasilania statku kosmicznego - „girlandy”. Do tej pory w tej dziedzinie nie pojawiło się nic lepszego. Twórczość Malykha nie była zabawkami demonstracyjnymi, ale elementami technologii jądrowej. Pracowali miesiącami i latami. Władimir Aleksandrowicz został doktorem nauk technicznych, laureatem Nagrody Lenina, Bohaterem Pracy Socjalistycznej. W 1964 r. zmarł tragicznie na skutek wojskowego wstrząsu mózgu.

Krok po kroku

SP Korolow i D.I. Błochincew od dawna pielęgnuje marzenie o załogowym locie w kosmos. Nawiązały się między nimi ścisłe więzi robocze. Ale na początku lat pięćdziesiątych, w szczytowym momencie zimnej wojny, fundusze oszczędzano tylko na cele wojskowe. Technologia rakietowa była uważana jedynie za nośnik ładunków jądrowych, a satelity nawet nie były pomyślane. Tymczasem Bondarenko, wiedząc o najnowszych osiągnięciach naukowców rakietowych, uporczywie opowiadał się za stworzeniem sztucznego satelity Ziemi. Później nikt o tym nie pamiętał.

Ciekawa jest historia powstania rakiety, która uniosła w kosmos pierwszego kosmonautę planety, Jurija Gagarina. Jest to związane z nazwiskiem Andrieja Dmitriewicza Sacharowa. Pod koniec lat czterdziestych opracował łączony ładunek jądrowo-rozszczepialny – „zaciągnięcie”, najwyraźniej niezależnie od „ojca bomby wodorowej” Edwarda Tellera, który zaproponował podobny produkt zwany „budzikiem”. Jednak Teller szybko zdał sobie sprawę, że ładunek jądrowy takiej konstrukcji miałby „ograniczoną” wydajność, nie większą niż ~ 500 kiloton ekwiwalentu holowania. To za mało dla broni „absolutnej”, więc zrezygnowano z „budzika”. W Unii, w 1953, wysadzili w powietrze RDS-6 Sacharowa.

Po udanych testach i wyborze Sacharowa na akademika, ówczesny szef Minsredmasza W.A. Małyszew zaprosił go na swoje miejsce i postawił zadanie określenia parametrów bomby nowej generacji. Andrei Dmitrievich oszacował (bez szczegółowych badań) wagę nowego, znacznie potężniejszego ładunku. Raport Sacharowa stanowił podstawę uchwały KC KPZR i Rady Ministrów ZSRR, która zobowiązywała S.P. Korolow opracuje balistyczny pojazd nośny dla tego ładunku. To właśnie taka rakieta R-7 o nazwie Vostok wystrzeliła na orbitę sztucznego satelitę Ziemi w 1957 roku i statek kosmiczny z Yuri Gagarinem w 1961 roku. Nie planowano już używać go jako nośnika ciężkiego ładunku jądrowego, ponieważ rozwój broni termojądrowej poszedł inną drogą.

Na początkowym etapie kosmicznego programu jądrowego IPPE wraz z V.N. Chelomeya opracował rakietowy pocisk atomowy. Ten kierunek nie rozwijał się długo i zakończył obliczeniami i testami elementów silnika stworzonych w wydziale V.A. Malycha. W rzeczywistości był to nisko latający bezzałogowy samolot z odrzutowym silnikiem jądrowym i głowicą jądrową (rodzaj nuklearnego odpowiednika „brzęczącego robaka” - niemieckiego V-1). System został uruchomiony przy użyciu konwencjonalnych dopalaczy rakietowych. Po osiągnięciu określonej prędkości ciąg wytwarzany był przez powietrze atmosferyczne, nagrzane łańcuchową reakcją rozszczepienia tlenku berylu impregnowanego wzbogaconym uranem.

Mówiąc ogólnie, zdolność rakiety do wykonywania tego czy innego zadania kosmonautycznego zależy od prędkości, jaką osiąga po zużyciu całego zapasu płynu roboczego (paliwa i utleniacza). Oblicza się ją według wzoru Ciołkowskiego: V = c × lnMn / Mk, gdzie c to prędkość wypływu płynu roboczego, a Mn i Mk to początkowa i końcowa masa rakiety. W konwencjonalnych rakietach chemicznych prędkość spalin zależy od temperatury w komorze spalania, rodzaju paliwa i utleniacza oraz masy cząsteczkowej produktów spalania. Na przykład Amerykanie wykorzystali wodór jako paliwo w pojeździe zstępującym do lądowania astronautów na Księżycu. Produktem jego spalania jest woda, której masa cząsteczkowa jest stosunkowo niska, a natężenie przepływu jest 1,3 razy większe niż przy spalaniu nafty. To wystarczy, aby schodzący pojazd z astronautami dotarł na powierzchnię Księżyca, a następnie sprowadził ich na orbitę swojego sztucznego satelity. W Korolowie praca z paliwem wodorowym została zawieszona z powodu wypadku z ofiarami. Nie mieliśmy czasu na stworzenie pojazdu do lądowania na Księżycu dla ludzi.

Jednym ze sposobów znacznego zwiększenia prędkości spalin jest tworzenie jądrowych rakiet termicznych. Mieliśmy balistyczne pociski atomowe (BAR) o zasięgu kilku tysięcy kilometrów (wspólny projekt OKB-1 i IPPE), Amerykanie mieli podobne systemy typu Kiwi. Silniki zostały przetestowane na poligonach testowych w pobliżu Semipałatyńska oraz w Nevadzie. Zasada ich działania jest następująca: wodór jest podgrzewany w reaktorze jądrowym do wysokich temperatur, przechodzi w stan atomowy i już w tej formie wylatuje z rakiety. W tym przypadku prędkość spalin wzrasta ponad czterokrotnie w porównaniu z chemiczną rakietą wodorową. Chodziło o to, aby dowiedzieć się, do jakiej temperatury można podgrzać wodór w reaktorze na paliwo stałe. Obliczenia wykazały około 3000K.

W NII-1, którego przełożonym był Mścisław Wsiewołodowicz Keldysz (ówczesny prezes Akademii Nauk ZSRR), wydział W.M. Ievleva, z udziałem IPPE, był zaangażowany w całkowicie fantastyczny schemat - reaktor w fazie gazowej, w którym reakcja łańcuchowa przebiega w gazowej mieszaninie uranu i wodoru. Wodór wypływa z takiego reaktora dziesięć razy szybciej niż z reaktora na paliwo stałe, natomiast uran jest oddzielany i pozostaje w rdzeniu. Jednym z pomysłów było zastosowanie separacji odśrodkowej, kiedy gorąca mieszanina gazowa uranu i wodoru jest „wirowana” przez dopływający zimny wodór, w wyniku czego uran i wodór są oddzielane, jak w wirówce. Ievlev próbował w rzeczywistości bezpośrednio odtworzyć procesy w komorze spalania rakiety chemicznej, wykorzystując jako źródło energii nie ciepło spalania paliwa, ale reakcja łańcuchowa dział. Otworzyło to drogę do pełnego wykorzystania energochłonności jąder atomowych. Jednak kwestia możliwości wypływu czystego wodoru (bez uranu) z reaktora pozostawała nierozwiązana, nie mówiąc już o problemach technicznych związanych z zatrzymywaniem mieszanin gazów wysokotemperaturowych pod ciśnieniem setek atmosfer.

Prace IPPE nad balistycznymi pociskami atomowymi zakończyły się w latach 1969-1970 „próbami ogniowymi” na poligonie badawczym w Semipałatyńsku prototypowego silnika rakietowego z elementami na paliwo stałe. Został stworzony przez IPPE we współpracy z Biurem Projektowym Woroneża A.D. Konopatow, Moskwa NII-1 i szereg innych grup technologicznych. Silnik o ciągu 3,6 tony oparty był na reaktorze jądrowym IR-100 z elementami paliwowymi wykonanymi ze stałego roztworu węglika uranu i węglika cyrkonu. Temperatura wodoru osiągnęła 3000°K przy mocy reaktora ~170 MW.

Silniki jądrowe

Do tej pory mówiliśmy o rakietach o ciągu większym niż ich masa, które mogłyby zostać wystrzelone z powierzchni Ziemi. W takich układach zwiększenie szybkości wydechu umożliwia zmniejszenie zapasu płynu roboczego, zwiększenie ładowności i rezygnację z wieloetapowego procesu. Istnieją jednak sposoby na osiągnięcie praktycznie nieograniczonych prędkości spalin, na przykład przyspieszenie materii przez pola elektromagnetyczne. Pracowałem w tej dziedzinie w bliskim kontakcie z Igorem Bondarenko przez prawie 15 lat.

Przyspieszenie rakiety z elektrycznym silnikiem odrzutowym (EP) jest określone przez stosunek mocy właściwej zainstalowanej na nich kosmicznej elektrowni jądrowej (KAES) do prędkości spalin. W dającej się przewidzieć przyszłości moc właściwa KNPP najwyraźniej nie przekroczy 1 kW/kg. Jednocześnie możliwe jest tworzenie rakiet o niskim ciągu, dziesiątki i setki razy mniejszej niż masa rakiety, przy bardzo niskim zużyciu płynu roboczego. Taką rakietę można wystrzelić tylko z orbity sztucznego satelity Ziemi i powoli przyspieszając, osiągać duże prędkości.

W przypadku lotów w ciągu Układ Słoneczny potrzebujemy rakiet o prędkości spalin 50-500 km/s, a do lotów do gwiazd potrzebujemy „rakiet fotonowych”, które przekraczają nasze wyobrażenia z prędkością spalin równą prędkości światła. Aby przeprowadzić lot kosmiczny na dalekie odległości o rozsądnym czasie trwania, potrzebne są niewyobrażalne stosunki mocy do masy elektrowni. Jak dotąd nie można sobie nawet wyobrazić, na jakich procesach fizycznych mogą się one opierać.

Z przeprowadzonych obliczeń wynika, że ​​w czasie Wielkiej Konfrontacji, kiedy Ziemia i Mars są najbliżej siebie, można w ciągu jednego roku polecieć na Marsa sondą nuklearną z załogą i przywrócić ją na orbitę sztucznego satelity Ziemi. . Całkowita waga takiego statku to około 5 ton (w tym zapas płynu roboczego - cez, równy 1,6 tony). Decyduje o tym głównie masa KNPP o mocy 5 MW, natomiast ciąg bierny określa dwumegawatowa wiązka jonów cezu o energii 7 kiloelektronowoltów*. Statek wystartuje z orbity sztucznego satelity Ziemi, wejdzie na orbitę satelity Marsa i będzie musiał zejść na jego powierzchnię na aparacie z wodorowym silnikiem chemicznym, podobnym do amerykańskiego księżycowego.

Ten kierunek, oparty o możliwe już dziś rozwiązania techniczne, został poświęcony dużemu cyklowi prac IPPE.

Silniki jonowe

W tamtych latach dyskutowano o sposobach tworzenia różnych elektrycznych systemów napędowych dla pojazdów kosmicznych, takich jak „działa plazmowe”, elektrostatyczne akceleratory „pyłu” czy krople cieczy. Jednak żaden z pomysłów nie miał jasnego podstawa fizyczna. Odkrycie polegało na powierzchniowej jonizacji cezu.

W latach 20. ubiegłego wieku amerykański fizyk Irving Langmuir odkrył jonizację powierzchni metale alkaliczne. Kiedy atom cezu odparowuje z powierzchni metalu (w naszym przypadku wolframu), którego funkcja pracy elektronów jest większa niż potencjał jonizacji cezu, traci on słabo związany elektron w prawie 100% przypadków i okazuje się być pojedynczo naładowany jon. Zatem powierzchniowa jonizacja cezu na wolframie jest procesem fizycznym, który umożliwia wytworzenie pędnika jonowego przy prawie 100% wykorzystaniu płynu roboczego i sprawności energetycznej bliskiej jedności.

Nasza koleżanka Stal Jakowlewicz Lebiediew odegrała ważną rolę w tworzeniu modeli pędnika jonowego o takim schemacie. Swoją żelazną wytrwałością i wytrwałością pokonał wszelkie przeszkody. W rezultacie udało się odtworzyć w metalu płaski trójelektrodowy obwód pędnika jonowego. Pierwsza elektroda jest płytką wolframową o wymiarach około 10 × 10 cm i potencjale +7 kV, druga to siatka wolframowa o potencjale -3 kV, a trzecia to siatka wolframowa torowana o potencjale zerowym. „Działo molekularne” dało wiązkę pary cezu, która spadła przez wszystkie siatki na powierzchnię płyty wolframowej. Zrównoważona i skalibrowana metalowa płytka, tak zwana waga, służyła do pomiaru „siły”, czyli siły ciągu wiązki jonów.

Napięcie przyspieszające do pierwszej siatki przyspiesza jony cezu do 10 000 eV, podczas gdy napięcie zwalniające do drugiej siatki spowalnia je do 7000 eV. Jest to energia, z jaką jony muszą opuścić śmigło, co odpowiada prędkości wypływu 100 km/s. Ale wiązka jonów, ograniczona ładunkiem kosmicznym, nie może „wyjść w kosmos”. Ładunek objętościowy jonów musi być kompensowany przez elektrony, aby utworzyć quasi-neutralną plazmę, która swobodnie rozchodzi się w przestrzeni i tworzy reaktywny ciąg. Źródłem elektronów do kompensacji ładunku przestrzennego wiązki jonów jest trzecia siatka (katoda) ogrzewana przez prąd. Druga, „blokująca” siatka zapobiega przedostawaniu się elektronów z katody na płytę wolframową.

Pierwsze doświadczenia z modelem z napędem jonowym zapoczątkowały ponad dziesięcioletnią pracę. Jeden z najnowszych modeli - z porowatym emiterem wolframu, stworzony w 1965 roku, dawał „napór” około 20 g przy prądzie wiązki jonów 20 A, miał współczynnik wykorzystania energii około 90% i stopień wykorzystania materii 95 %.

Bezpośrednia konwersja ciepła jądrowego w energię elektryczną

Nie znaleziono jeszcze sposobów bezpośredniego przekształcania energii rozszczepienia jądrowego w energię elektryczną. Nadal nie możemy obejść się bez ogniwa pośredniego - silnika cieplnego. Ponieważ jego wydajność jest zawsze mniejsza niż jedność, ciepło „odpadowe” musi być gdzieś umieszczone. Na lądzie, w wodzie iw powietrzu nie ma z tym żadnych problemów. W kosmosie jest tylko jeden sposób - promieniowanie cieplne. KNPP nie może więc obejść się bez „chłodziarki-emitera”. Gęstość promieniowania jest proporcjonalna do czwartej potęgi temperatury bezwzględnej, dlatego temperatura promiennika-promiennika powinna być jak najwyższa. Wtedy będzie można zmniejszyć obszar powierzchni promieniującej i odpowiednio masę elektrownia. Wpadliśmy na pomysł wykorzystania „bezpośredniej” konwersji ciepła jądrowego na energię elektryczną, bez turbiny lub generatora, co wydawało się bardziej niezawodne w długotrwałej pracy w wysokich temperaturach.

Z literatury wiedzieliśmy o twórczości A.F. Ioffe - założyciel radzieckiej szkoły fizyki technicznej, pionier w badaniach nad półprzewodnikami w ZSRR. Niewielu pamięta obecnie opracowane przez niego aktualne źródła, które były wykorzystywane w latach Wielkiego Wojna Ojczyźniana. W tym czasie więcej niż jeden oddział partyzancki miał połączenie z lądem dzięki "naftowym" TEG - generatorom termoelektrycznym Ioffego. „Korona” TEG-ów (był to zestaw elementów półprzewodnikowych) została nałożona na lampę naftową, a jej przewody podłączono do sprzętu radiowego. „Gorące” końce elementów były ogrzewane płomieniem lampy naftowej, a „zimne” końce chłodzone powietrzem. Przepływ ciepła przechodzący przez półprzewodnik generował siłę elektromotoryczną, która wystarczała na sesję komunikacyjną, a w przerwach między nimi TEG ładował akumulator. Kiedy dziesięć lat po Zwycięstwie odwiedziliśmy moskiewską fabrykę TEG-ów, okazało się, że wciąż znajdują one sprzedaż. Wielu mieszkańców wsi miało wówczas ekonomiczne odbiorniki radiowe „Rodina” z bezpośrednimi żarówkami, zasilane baterią. Zamiast tego często stosowano TEG.

Problemem z naftą TEG jest jej niska wydajność (tylko około 3,5%) i niska temperatura graniczna (350°K). Ale prostota i niezawodność tych urządzeń przyciągnęła programistów. Tak więc konwertery półprzewodnikowe opracowane przez grupę I.G. Gverdtsiteli z Instytutu Fizyki i Technologii Suchumi znalazły zastosowanie w instalacjach kosmicznych typu Buk.

Kiedyś A.F. Ioffe zaproponował kolejny konwerter termionowy - diodę w próżni. Zasada jego działania jest następująca: rozgrzana katoda emituje elektrony, część z nich, pokonując potencjał anody, działa. Oczekiwano, że to urządzenie będzie miało znacznie wyższą wydajność (20-25%) przy temperatura robocza powyżej 1000°K. Ponadto, w przeciwieństwie do półprzewodnika, dioda próżniowa nie boi się promieniowania neutronowego i może być łączona z reaktorem jądrowym. Okazało się jednak, że nie udało się zrealizować idei „próżniowego” przetwornika Ioffe. Podobnie jak w napędzie jonowym, tak w konwerterze próżniowym trzeba pozbyć się ładunku kosmicznego, ale tym razem nie jonów, a elektronów. A.F. Ioffe zamierzał zastosować mikronowe szczeliny między katodą a anodą w konwerterze próżniowym, co jest praktycznie niemożliwe w warunkach wysokich temperatur i odkształceń termicznych. Tutaj przydaje się cez: jeden jon cezu, wytwarzany przez jonizację powierzchni na katodzie, kompensuje ładunek kosmiczny wynoszący około 500 elektronów! W rzeczywistości konwerter cezowy jest „odwróconym” pędnikiem jonowym. Procesy fizyczne w nich są bliskie.

„Wianki” V.A. Malychau

Jednym z rezultatów prac IPPE nad konwerterami termionowymi było stworzenie firmy V.A. Malykh i seryjna produkcja w swoim dziale elementów paliwowych z szeregowo połączonych termokonwerterów - „girlandy” do reaktora Topaz. Dali do 30 V - sto razy więcej niż jednoelementowe przetworniki stworzone przez "konkurujące organizacje" - leningradzką grupę M.B. Barabasz, a później – przez Instytut Energii Atomowej. Umożliwiło to „usunięcie” dziesiątek i setek razy więcej mocy z reaktora. Jednak niezawodność systemu, wypełnionego tysiącami elementów termionowych, budziła niepokój. W tym samym czasie turbiny parowe i gazowe działały bezawaryjnie, więc naszą uwagę zwróciliśmy na „maszynową” konwersję ciepła jądrowego w energię elektryczną.

Cała trudność tkwiła w zasobie, bo w dalekich lotach kosmicznych turbogeneratory muszą pracować rok, dwa, a nawet kilka lat. Aby zmniejszyć zużycie, „obroty” (prędkość turbiny) powinny być utrzymywane na jak najniższym poziomie. Z drugiej strony turbina działa wydajnie, jeśli prędkość cząsteczek gazu lub pary jest zbliżona do prędkości jej łopatek. Dlatego na początku rozważaliśmy użycie najcięższego – pary rtęci. Przestraszyliśmy się jednak intensywnej korozji wywołanej promieniowaniem żelaza i stali nierdzewnej, która wystąpiła w reaktorze jądrowym chłodzonym rtęcią. W ciągu dwóch tygodni korozja „zjadła” elementy paliwowe eksperymentalnego reaktora prędkiego „Klementyna” w laboratorium argonowym (USA, 1949) i reaktora BR-2 w IPPE (ZSRR, Obninsk, 1956).

Para potasowa była kusząca. Reaktor z wrzącym w nim potasem stanowił podstawę elektrowni, którą rozwijamy dla statku kosmicznego o niskim ciągu - para potasowa obracała turbogeneratorem. Taki „maszynowy” sposób zamiany ciepła na energię elektryczną pozwalał liczyć na sprawność do 40%, podczas gdy rzeczywiste instalacje termoelektryczne dawały sprawność tylko około 7%. Jednak KNPP z „maszynową” konwersją ciepła jądrowego na energię elektryczną nie zostały opracowane. Sprawa zakończyła się opublikowaniem szczegółowego raportu, a właściwie „noty fizycznej” do projektu technicznego statku kosmicznego o niskim ciągu do lotu z załogą na Marsa. Sam projekt nigdy nie został opracowany.

Myślę, że w przyszłości zainteresowanie lotami kosmicznymi z użyciem silników rakietowych po prostu zniknęło. Po śmierci Siergieja Pawłowicza Korolowa poparcie dla prac IPPE nad napędem jonowym i „maszynowymi” elektrowniami jądrowymi wyraźnie osłabło. Na czele OKB-1 stanął Walentin Pietrowicz Głuszko, który nie był zainteresowany odważnymi, obiecującymi projektami. Stworzone przez niego biuro projektowe Energiya zbudowało potężne rakiety chemiczne i statek kosmiczny Buran powracający na Ziemię.

„Buk” i „Topaz” na satelitach serii „Kosmos”

Prace nad stworzeniem KNPP z bezpośrednią konwersją ciepła na energię elektryczną, obecnie jako źródła zasilania potężnych satelitów radiowych (stacji radarów kosmicznych i nadawców telewizyjnych), trwały do ​​początku pierestrojki. W latach 1970-1988 wystrzelono w kosmos około 30 satelitów radarowych z elektrowniami jądrowymi Buk z reaktorami półprzewodnikowymi i dwoma z instalacjami termowizyjnymi Topaz. W rzeczywistości Buk był TEG - konwerterem półprzewodnikowym Ioffe, tylko zamiast lampy naftowej używał reaktora jądrowego. Był to szybki reaktor o mocy do 100 kW. Pełny ładunek wysoko wzbogaconego uranu wynosił około 30 kg. Ciepło z rdzenia było przenoszone przez ciekły metal - eutektyczny stop sodu i potasu do akumulatorów półprzewodnikowych. Moc elektryczna osiągnęła 5 kW.

Obiekt w Buku pod naukowym nadzorem IPPE został opracowany przez specjalistów OKB-670 M.M. Bondaryuk, później - NPO Krasnaya Zvezda (główny projektant - G.M. Gryaznov). Dniepropietrowskie biuro projektowe Yuzhmash (główny projektant M.K. Yangel) zostało przydzielone do stworzenia pojazdu startowego do wystrzelenia satelity na orbitę.

Czas pracy Buka to 1-3 miesiące. Jeśli instalacja się nie powiodła, satelita został przeniesiony na długoterminową orbitę o wysokości 1000 km. Przez prawie 20 lat startów miały miejsce trzy przypadki upadku satelity na Ziemię: dwa do oceanu i jeden na ląd, w Kanadzie, w pobliżu Wielkiego Jeziora Niewolników. Kosmos-954, wystrzelony 24 stycznia 1978 roku, spadł tam. Pracował 3,5 miesiąca. Uran zawarty w satelicie spłonął całkowicie w atmosferze. Na ziemi znaleziono jedynie szczątki reflektora berylowego i baterii półprzewodnikowych. (Wszystkie te dane są podane we wspólnym raporcie amerykańskich i kanadyjskich komisji nuklearnych na temat operacji Morning Light).

W termoelektrycznej elektrowni jądrowej Topaz zastosowano reaktor termiczny o mocy do 150 kW. Pełny ładunek uranu wynosił około 12 kg - znacznie mniej niż Buk. Podstawą reaktora były elementy paliwowe - „wieńce”, opracowane i wyprodukowane przez grupę Malykha. Były to łańcuch termoelementów: katoda to „naparstek” z wolframu lub molibdenu wypełniony tlenkiem uranu, anoda to cienkościenna rurka z niobu chłodzona ciekłym sodem potasowym. Temperatura katody osiągnęła 1650°C. Moc elektryczna instalacji osiągnęła 10 kW.

Pierwszy model lotu, satelita Kosmos-1818 z instalacją Topaz, wszedł na orbitę 2 lutego 1987 roku i działał bezawaryjnie przez sześć miesięcy, aż do wyczerpania rezerw cezu. Drugi satelita, Cosmos-1876, został wystrzelony rok później. Pracował na orbicie prawie dwa razy dłużej. Głównym twórcą Topaz był OKB MMZ Soyuz, kierowany przez S.K. Tumansky (byłe biuro konstrukcyjne konstruktora silników lotniczych A.A. Mikulina).

To było pod koniec lat pięćdziesiątych, kiedy pracowaliśmy nad napędem jonowym, a on był na silniku trzeciego stopnia do rakiety, która latała wokół księżyca i na nim lądowała. Wspomnienia laboratorium Mielnikowa są świeże do dziś. Znajdował się w Podlipkach (obecnie miasto Korolev), na terenie nr 3 OKB-1. Ogromny warsztat o powierzchni około 3000 m2, wyłożony dziesiątkami biurek z oscyloskopami pętlowymi rejestrującymi na rolce papieru 100 mm (to była jeszcze epoka miniona, dziś wystarczyłby jeden komputer osobisty). Na przedniej ścianie warsztatu znajduje się stanowisko, na którym zamontowana jest komora spalania „księżycowego” silnika rakietowego. Tysiące przewodów trafia do oscyloskopów z czujników prędkości gazu, ciśnienia, temperatury i innych parametrów. Dzień zaczyna się o godzinie 9.00 od włączenia silnika. Działa przez kilka minut, po czym zaraz po zatrzymaniu zespół mechaników pierwszej zmiany demontuje go, dokładnie sprawdza i mierzy komorę spalania. Jednocześnie analizowane są taśmy oscyloskopowe i formułowane są zalecenia dotyczące zmian konstrukcyjnych. Druga zmiana - projektanci i pracownicy warsztatów dokonują zalecanych zmian. Na trzeciej zmianie na stanowisku montowana jest nowa komora spalania oraz system diagnostyczny. Dzień później, dokładnie o 9.00, kolejna sesja. I tak bez dni wolnych od tygodni, miesięcy. Ponad 300 opcji silnika rocznie!

Tak powstały chemiczne silniki rakietowe, które musiały pracować tylko 20-30 minut. Co możemy powiedzieć o testowaniu i udoskonalaniu elektrowni jądrowych - kalkulowano, że powinny one pracować dłużej niż rok. Wymagało to naprawdę gigantycznego wysiłku.

© Oksana Viktorova/Kolaż/Ridus

Wypowiedź Władimira Putina w przemówieniu do Zgromadzenia Federalnego o obecności w Rosji pocisku manewrującego o napędzie atomowym wywołała ogromne poruszenie w społeczeństwie i mediach. Jednocześnie niewiele było wiadomo o tym, czym jest taki silnik i o możliwościach jego zastosowania, zarówno dla ogółu społeczeństwa, jak i dla specjalistów.

„Reedus” próbował dowiedzieć się, co? urządzenie techniczne może przemawiać Prezydent i jaka jest jego wyjątkowość.

Biorąc pod uwagę, że prezentacja na Manege nie była skierowana do publiczności specjalistów technicznych, ale do „ogólnej” publiczności, jej autorzy mogli pozwolić na pewną substytucję pojęć, Georgy Tichomirov, zastępca dyrektora Instytutu Fizyki i Techniki Jądrowej im. National Research Nuclear University MEPhI, nie wyklucza.

„To, co powiedział i pokazał prezydent, eksperci nazywają elektrowniami kompaktowymi, z którymi eksperymenty prowadzono początkowo w lotnictwie, a następnie podczas eksploracji kosmosu. To były próby rozwiązania nierozwiązywalny problem wystarczający zapas paliwa na loty na nieograniczonych odległościach. W tym sensie prezentacja jest absolutnie słuszna: obecność takiego silnika dostarcza energię do systemów rakiety lub innego aparatu na dowolnie długi czas” – powiedział Reedusowi.

Prace z takim silnikiem w ZSRR rozpoczęły się dokładnie 60 lat temu pod kierunkiem akademików M. Keldysha, I. Kurchatova i S. Koroleva. W tych samych latach podobne prace prowadzono w Stanach Zjednoczonych, ale ograniczono je w 1965 roku. W ZSRR prace trwały przez około dekadę, zanim również uznano je za nieistotne. Być może dlatego Waszyngton nie skrzywił się zbytnio, mówiąc, że nie byli zaskoczeni prezentacją rosyjskiego pocisku.

W Rosji idea silnika jądrowego nigdy nie umarła – w szczególności od 2009 roku trwa praktyczny rozwój takiej instalacji. Sądząc po czasie, testy zapowiedziane przez prezydenta wpisują się dokładnie w ten wspólny projekt Roscosmos i Rosatom, ponieważ twórcy planowali przeprowadzić testy polowe silnika w 2018 roku. Być może z powodów politycznych podciągnęli się nieco i przesunęli terminy „w lewo”.

„Technologicznie jest tak zaaranżowany, że elektrownia jądrowa ogrzewa czynnik chłodzący gaz. Ten ogrzany gaz albo obraca turbinę, albo bezpośrednio wytwarza ciąg odrzutowy. Pewną chytrością w prezentacji rakiety, o której słyszeliśmy, jest to, że zasięg jej lotu wciąż nie jest nieskończony: jest ograniczony objętością płynu roboczego - gazu płynnego, który można fizycznie wpompować do zbiorników rakietowych, ”mówi specjalista.

Jednocześnie rakieta kosmiczna i pocisk manewrujący mają zasadniczo różne schematy sterowania lotem, ponieważ mają… różne zadania. Pierwszy leci w przestrzeni bezpowietrznej, nie musi manewrować - wystarczy dać mu początkowy impuls, a następnie porusza się po wyliczonej trajektorii balistycznej.

Przeciwnie, pocisk manewrujący musi stale zmieniać swoją trajektorię, na co musi mieć wystarczająco dużo paliwa, aby wytworzyć impulsy. Nie jest w tym przypadku istotne, czy paliwo to będzie spalane przez elektrownię jądrową, czy tradycyjną. Ważna jest tylko podaż tego paliwa – podkreśla Tichomirow.

„Znaczeniem instalacji jądrowej podczas lotów w kosmos jest obecność na pokładzie źródła energii do zasilania systemów aparatu przez nieograniczony czas. W takim przypadku może to być nie tylko reaktor jądrowy, ale także radioizotopowe generatory termoelektryczne. A znaczenie takiej instalacji na rakiecie, której lot nie potrwa dłużej niż kilkadziesiąt minut, nie jest jeszcze dla mnie całkowicie jasne ”- przyznaje fizyk.

Raport w Manege był spóźniony tylko o kilka tygodni w porównaniu z ogłoszeniem NASA z 15 lutego, że Amerykanie wznawiają badania nad napędem rakietowym, które porzucili pół wieku temu.

Nawiasem mówiąc, w listopadzie 2017 r. China Aerospace Science and Technology Corporation (CASC) ogłosiła już, że przed 2045 r. w Chinach powstanie statek kosmiczny o napędzie atomowym. Dlatego dziś możemy śmiało powiedzieć, że rozpoczął się światowy wyścig w dziedzinie napędów jądrowych.