Nuklearni raketni motor za ruske svemirske letelice. Zašto nuklearni raketni motori nisu postali stvarnost

Našao sam zanimljiv članak. Generalno, nuklearni svemirski brodovi su me oduvijek zanimali. Ovo je budućnost astronautike. Opsežan rad na ovoj temi obavljen je iu SSSR-u. Članak je upravo o njima.

U svemir na nuklearnoj energiji. Snovi i stvarnost.

Doktor fizičkih i matematičkih nauka Yu

Godine 1950. odbranio sam diplomu inženjera-fizičara na Moskovskom mašinskom institutu (MMI) Ministarstva za municiju. Pet godina ranije, 1945. godine, tamo je formiran Fakultet za inženjerstvo i fiziku, koji je obučavao stručnjake za novu industriju, čiji su zadaci uglavnom uključivali proizvodnju nuklearnog oružja. Fakultet je bio bez premca. Uz fundamentalnu fiziku u okviru univerzitetskih predmeta (metode matematičke fizike, teorija relativnosti, kvantna mehanika, elektrodinamika, statistička fizika i dr.), predavali smo čitav niz inženjerskih disciplina: hemija, metalurgija, čvrstoća materijala, teorija mehanizama i mašina, itd. Stvoren od strane izvanrednog sovjetskog fizičara Aleksandra Iljiča Lejpunskog, Fakultet za inženjerstvo i fiziku MMI je vremenom prerastao u Moskovski institut za inženjerstvo i fiziku (MEPhI). Drugi inženjersko-fizički fakultet, koji se takođe kasnije spojio sa MEPhI, formiran je u Moskovskom energetskom institutu (MPEI), ali ako je na MMI glavni akcenat bio na fundamentalnoj fizici, onda je na Energetskom institutu bio na termo i električnoj fizici.

Učili smo kvantnu mehaniku iz knjige Dmitrija Ivanoviča Blohinceva. Zamislite moje iznenađenje kada su me po zadatku poslali da radim s njim. Ja, strastveni eksperimentator (kao dete, rastavljao sam sve satove u kući), i odjednom se nađem sa poznatim teoretičarem. Uhvatila me je lagana panika, ali po dolasku na mjesto - "Objekat B" Ministarstva unutrašnjih poslova SSSR-a u Obninsku - odmah sam shvatio da se uzalud brinem.

Do tada je glavna tema „Objekta B“, koji je do juna 1950. zapravo vodio A.I. Leypunsky, već formirana. Ovdje su stvorili reaktore s proširenom reprodukcijom nuklearnog goriva - "brze uzgajivače". Kao direktor, Blokhintsev je pokrenuo razvoj novog pravca - stvaranje motora na nuklearni pogon za svemirske letove. Ovladavanje svemirom bio je dugogodišnji san Dmitrija Ivanoviča, čak se i u mladosti dopisivao i sastajao sa K.E. Tsiolkovsky. Mislim da je razumijevanje gigantskih mogućnosti nuklearne energije, čija je kalorijska vrijednost milione puta veća od najboljih hemijskih goriva, odredilo životni put D.I. Blokhintseva.
“Ne možete se vidjeti licem u lice”... Tih godina nismo mnogo razumjeli. Tek sada, kada se konačno ukazala prilika da se uporede dela i sudbine izuzetnih naučnika Instituta za fiziku i energiju (PEI) - nekadašnjeg "Objekta B", preimenovanog 31. decembra 1966. godine - ispravna je, kako se čini, za mene, razumevanje ideja koje su ih motivisale u to vreme se pojavilo. Uz svu raznolikost aktivnosti kojima se institut bavio, moguće je identifikovati prioritetne naučne oblasti koje su bile u sferi interesovanja njegovih vodećih fizičara.

Glavni interes AIL-a (kako su iza njegovih leđa u institutu zvali Aleksandra Iljiča Lejpunskog) je razvoj globalne energije zasnovane na brzim reaktorima (nuklearni reaktori koji nemaju ograničenja na resurse nuklearnog goriva). Teško je precijeniti značaj ovog istinski „kosmičkog“ problema, kojem je posvetio posljednjih četvrt vijeka svog života. Leypunsky je potrošio mnogo energije na odbranu zemlje, posebno na stvaranje nuklearnih motora za podmornice i teške zrakoplove.

Interesi D.I. Blokhintsev (dobio je nadimak “DI.”) bili su usmjereni na rješavanje problema korištenja nuklearne energije za svemirske letove. Nažalost, krajem 1950-ih bio je primoran da napusti ovaj posao i predvodi stvaranje međunarodnog naučnog centra - Zajedničkog instituta za nuklearna istraživanja u Dubni. Tamo je radio na pulsnim brzim reaktorima - IBR. Ovo je postala posljednja velika stvar u njegovom životu.

Jedan gol - jedna ekipa

DI. Blokhincev, koji je predavao na Moskovskom državnom univerzitetu kasnih 1940-ih, tamo je primijetio i potom pozvao mladog fizičara Igora Bondarenka, koji je doslovno buncao svemirskim brodovima na nuklearni pogon, da radi u Obninsku. Njegov prvi naučni rukovodilac bio je A.I. Leypunsky, a Igor su se, naravno, bavili njegovom temom - brzim uzgajivačima.

Pod D.I. Blokhincev, grupa naučnika formirana oko Bondarenka, koji su se ujedinili kako bi riješili probleme korištenja atomske energije u svemiru. Pored Igora Iljiča Bondarenka, u grupi su bili: Viktor Jakovlevič Pupko, Edvin Aleksandrovič Stumbur i autor ovih redova. Glavni ideolog bio je Igor. Edwin je provodio eksperimentalne studije zemaljskih modela nuklearnih reaktora u svemirskim instalacijama. Radio sam uglavnom na raketnim motorima „niskog potiska“ (potisak u njima stvara svojevrsni akcelerator – „jonski pogon“, koji se pokreće energijom iz svemirske nuklearne elektrane). Istražili smo procese
teče u jonskim propulsorima, na prizemnim postoljima.

O Viktoru Pupku (u budućnosti
postao je šef odjela za svemirsku tehnologiju IPPE) bilo je dosta organizacijskog posla. Igor Iljič Bondarenko bio je izvanredan fizičar. Imao je istančan smisao za eksperimentisanje i izvodio je jednostavne, elegantne i vrlo efektne eksperimente. Mislim da nijedan eksperimentalac, a možda i nekoliko teoretičara, nisu „osetili“ fundamentalnu fiziku. Uvek odzivan, otvoren i druželjubiv, Igor je zaista bio duša instituta. I do danas IPPE živi po njegovim idejama. Bondarenko je živio neopravdano kratak život. 1964. godine, u dobi od 38 godina, tragično je preminuo zbog ljekarske greške. Kao da je Bog, videvši koliko je čovek učinio, odlučio da je to previše i zapovedio: „Dosta.

Ne možemo a da se ne setimo još jedne jedinstvene ličnosti - Vladimira Aleksandroviča Maliha, tehnologa „od Boga“, modernog Leskovskog Levica. Ako su "proizvodi" gore navedenih naučnika uglavnom bili ideje i proračunate procjene njihove stvarnosti, onda su Malykhovi radovi uvijek imali izlaz "u metalu". Njegov tehnološki sektor, koji je u vrijeme procvata IPPE brojao više od dvije hiljade zaposlenih, mogao je, bez pretjerivanja, sve. Štaviše, on je sam uvijek igrao ključnu ulogu.

V.A. Malih je počeo kao laboratorijski asistent na Istraživačkom institutu za nuklearnu fiziku Moskovskog državnog univerziteta, nakon što je završio tri kursa fizike, rat mu nije dozvolio da završi studije. Krajem 1940-ih uspio je stvoriti tehnologiju za proizvodnju tehničke keramike na bazi berilijum oksida, jedinstvenog dielektričnog materijala visoke toplotne provodljivosti. Prije Malykha, mnogi su se bezuspješno borili s ovim problemom. A gorivna ćelija na bazi komercijalnog nerđajućeg čelika i prirodnog uranijuma, koju je razvio za prvu nuklearnu elektranu, čudo je u ono vreme, pa i danas. Ili termoelektrični gorivi element reaktorsko-električnog generatora koji je Malykh stvorio za napajanje svemirskih letjelica - "vijenac". Do sada se ništa bolje nije pojavilo na ovim prostorima. Malykhove kreacije nisu bile demonstracione igračke, već elementi nuklearne tehnologije. Radili su mjesecima i godinama. Vladimir Aleksandrovič postao je doktor tehničkih nauka, dobitnik Lenjinove nagrade, heroj socijalističkog rada. 1964. godine tragično je preminuo od posljedica vojnog granatiranja.

Korak po korak

S.P. Koroljev i D.I. Blokhincev je dugo negovao san o svemirskom letu s ljudskom posadom. Između njih su uspostavljene bliske radne veze. Ali ranih 1950-ih, na vrhuncu Hladnog rata, nije se štedilo samo na vojne svrhe. Raketna tehnologija se smatrala samo kao nosilac nuklearnog punjenja, a o satelitima se nije ni razmišljalo. U međuvremenu, Bondarenko je, znajući za najnovija dostignuća raketnih naučnika, uporno zagovarao stvaranje vještačkog Zemljinog satelita. Kasnije se toga niko nije sjetio.

Zanimljiva je istorija nastanka rakete koja je u svemir podigla prvog kosmonauta planete Jurija Gagarina. Povezan je sa imenom Andreja Dmitrijeviča Saharova. Kasnih 1940-ih razvio je kombinovani fision-termonuklearni naboj, "puf", očigledno nezavisno od "oca hidrogenske bombe", Edvarda Telera, koji je predložio sličan proizvod nazvan "budilnik". Međutim, Teller je ubrzo shvatio da bi nuklearno punjenje takvog dizajna imalo "ograničenu" snagu, ne više od ~ 500 kilotona toe ekvivalenta. Ovo nije dovoljno za „apsolutno“ oružje, pa je „budilnik“ napušten. U Uniji je 1953. godine dignuta u vazduh Saharovljeva lisnata pasta RDS-6s.

Nakon uspješnih testova i izbora Saharova za akademika, tadašnji šef Ministarstva srednjeg mašinstva V.A. Malyshev ga je pozvao kod sebe i zadao mu zadatak da odredi parametre bombe sljedeće generacije. Andrej Dmitrijevič je procijenio (bez detaljne studije) težinu novog, mnogo snažnijeg punjenja. Saharovljev izvještaj bio je osnova za rezoluciju Centralnog komiteta KPSS i Vijeća ministara SSSR-a, koja je obavezala S.P. Koroljov da razvije balističku lansirnu raketu za ovo punjenje. Upravo je ova raketa R-7 pod nazivom „Vostok“ lansirala u orbitu veštački Zemljin satelit 1957. godine i svemirski brod sa Jurijem Gagarinom 1961. godine. Nije bilo planova da se koristi kao nosilac teškog nuklearnog punjenja, jer je razvoj termonuklearnog oružja krenuo drugim putem.

U početnoj fazi svemirskog nuklearnog programa, IPPE, zajedno sa Projektnim biroom V.N. Chelomeya je razvijao nuklearnu krstareću raketu. Ovaj pravac se nije dugo razvijao i završio je proračunima i testiranjem elemenata motora stvorenih u odjelu V.A. Malykha. U suštini, radilo se o nisko letećoj bespilotnoj letjelici s ramjet nuklearnim motorom i nuklearnom bojevom glavom (neka vrsta nuklearnog analoga „zujajuće bube“ - njemačkog V-1). Sistem je lansiran pomoću konvencionalnih raketnih pojačivača. Nakon postizanja zadate brzine, potisak je stvarao atmosferski zrak, zagrijavan lančanom reakcijom fisije berilijum oksida impregniranog obogaćenim uranijumom.

Općenito govoreći, sposobnost rakete da izvrši određeni astronautički zadatak određena je brzinom koju postiže nakon što potroši cjelokupnu zalihu radne tekućine (goriva i oksidatora). Izračunava se pomoću formule Ciolkovskog: V = c×lnMn/ Mk, gdje je c brzina ispuštanja radnog fluida, a Mn i Mk su početna i konačna masa rakete. U konvencionalnim hemijskim raketama, brzina izduvavanja je određena temperaturom u komori za sagorevanje, vrstom goriva i oksidatora i molekulskom težinom produkata sagorevanja. Na primjer, Amerikanci su koristili vodonik kao gorivo u modulu za spuštanje za spuštanje astronauta na Mjesec. Produkt njegovog sagorevanja je voda, čija je molekulska masa relativno mala, a brzina protoka je 1,3 puta veća nego pri sagorevanju kerozina. Ovo je dovoljno da vozilo za spuštanje sa astronautima stigne do površine Mjeseca i potom ih vrati u orbitu svog umjetnog satelita. Rad Koroljeva sa vodoničnim gorivom obustavljen je zbog nesreće sa ljudskim žrtvama. Nismo imali vremena da napravimo lunarni lender za ljude.

Jedan od načina za značajno povećanje ispuha je stvaranje nuklearnih termalnih raketa. Za nas su to bile balističke nuklearne rakete (BAR) dometa od nekoliko hiljada kilometara (zajednički projekat OKB-1 i IPPE), dok su za Amerikance korišćeni slični sistemi tipa „Kivi“. Motori su testirani na poligonima u blizini Semipalatinska i Nevade. Princip njihovog rada je sljedeći: vodonik se zagrijava u nuklearnom reaktoru na visoke temperature, prelazi u atomsko stanje i u tom obliku istječe iz rakete. U ovom slučaju, brzina izduvnih gasova se povećava za više od četiri puta u poređenju sa raketom sa hemijskim vodonikom. Pitanje je bilo otkriti do koje temperature bi se vodonik mogao zagrijati u reaktoru sa čvrstim gorivnim elementima. Proračuni su dali oko 3000°K.

Na NII-1, čiji je naučni direktor bio Mstislav Vsevolodovič Keldiš (tada predsednik Akademije nauka SSSR), odeljenje V.M. Ievleva je uz učešće IPPE-a radila na potpuno fantastičnoj šemi - reaktoru u gasnoj fazi u kojem se lančana reakcija odvija u plinskoj mješavini uranijuma i vodonika. Vodonik izlazi iz takvog reaktora deset puta brže nego iz reaktora na čvrsto gorivo, dok se uranijum odvaja i ostaje u jezgru. Jedna od ideja uključivala je korištenje centrifugalnog odvajanja, kada se vruća plinska mješavina uranijuma i vodonika "kovitla" nadolazećim hladnim vodonikom, uslijed čega se uran i vodonik razdvajaju, kao u centrifugi. Ievlev je, zapravo, pokušao da direktno reproducira procese u komori za sagorevanje hemijske rakete, koristeći kao izvor energije ne toplotu sagorevanja goriva, već lančanu reakciju fisije. Ovo je otvorilo put do punog korišćenja energetskog kapaciteta atomskih jezgara. Ali pitanje mogućnosti izlaska čistog vodonika (bez uranijuma) iz reaktora ostalo je neriješeno, a da ne spominjemo tehničke probleme povezane s održavanjem visokotemperaturnih plinskih mješavina na pritiscima od stotina atmosfera.

Rad IPPE-a na balističkim nuklearnim projektilima završio je 1969-1970. godine "valjnim testovima" na poligonu Semipalatinsk prototipa nuklearnog raketnog motora sa elementima na čvrsto gorivo. Napravio ga je IPPE u saradnji sa Voronješkim dizajnerskim biroom A.D. Konopatov, Moskovski istraživački institut-1 i niz drugih tehnoloških grupa. Osnova motora sa potiskom od 3,6 tona bio je nuklearni reaktor IR-100 sa gorivnim elementima od čvrstog rastvora uranijum karbida i cirkonijum karbida. Temperatura vodonika dostigla je 3000°K sa snagom reaktora od ~170 MW.

Nuklearne rakete niskog potiska

Do sada smo govorili o raketama čiji je potisak veći od njihove težine, a koje bi mogle biti lansirane sa površine Zemlje. U takvim sistemima povećanje brzine izduvnih gasova omogućava smanjenje dovoda radnog fluida, povećanje nosivosti i eliminisanje višestepenog rada. Međutim, postoje načini za postizanje praktički neograničenih brzina istjecanja, na primjer, ubrzanje materije elektromagnetnim poljima. Radio sam u ovoj oblasti u bliskom kontaktu sa Igorom Bondarenkom skoro 15 godina.

Ubrzanje rakete s električnim pogonskim motorom (EPE) određeno je omjerom specifične snage svemirske nuklearne elektrane (SNPP) instalirane na njima i brzine ispuha. U doglednoj budućnosti, specifična snaga HE, po svemu sudeći, neće preći 1 kW/kg. U ovom slučaju moguće je kreirati rakete sa malim potiskom, desetinama i stotinama puta manjim od težine rakete, i sa vrlo malom potrošnjom radnog fluida. Takva raketa može se lansirati samo iz orbite umjetnog Zemljinog satelita i, polako ubrzavajući, dostići velike brzine.

Za letove unutar Sunčevog sistema potrebne su rakete sa izduvnom brzinom od 50-500 km/s, a za letove do zvijezda “fotonske rakete” koje prevazilaze našu maštu brzinom izduva koja je jednaka brzini svjetlosti. Da bi se izveo svemirski let na velike udaljenosti u bilo kojem razumnom vremenu, potrebna je nezamisliva gustina snage elektrana. Još nije moguće ni zamisliti na kojim bi se fizičkim procesima mogli zasnivati.

Proračuni su pokazali da je tokom Velike konfrontacije, kada su Zemlja i Mars najbliži jedan drugome, moguće letjeti nuklearnom letjelicom sa posadom na Mars za godinu dana i vratiti je u orbitu vještačkog Zemljinog satelita. Ukupna težina takvog broda je oko 5 tona (uključujući zalihu radne tekućine - cezijuma, jednaku 1,6 tona). Uglavnom je određen masom KHE snage 5 MW, a potisak mlaza je određen snopom cezijum jona od dva megavata sa energijom od 7 kiloelektronvolti*. Brod se lansira iz orbite umjetnog Zemljinog satelita, ulazi u orbitu satelita Marsa, a na njegovu površinu morat će se spustiti na uređaju s hidrogenskim hemijskim motorom, sličnom američkom lunarnom.

Veliki niz IPPE radova posvećen je ovoj oblasti, zasnovan na tehničkim rešenjima koja su danas moguća.

Jonski pogon

Tih godina raspravljalo se o načinima stvaranja različitih električnih pogonskih sistema za svemirske letjelice, kao što su „plazma topovi“, elektrostatički akceleratori „prašine“ ili kapljica tekućine. Međutim, nijedna od ideja nije imala jasnu fizičku osnovu. Otkriće je bila površinska jonizacija cezijuma.

Još dvadesetih godina prošlog stoljeća američki fizičar Irving Langmuir otkrio je površinsku ionizaciju alkalnih metala. Kada atom cezija ispari s površine metala (u našem slučaju volframa), čija je radna funkcija elektrona veća od potencijala jonizacije cezija, u gotovo 100% slučajeva gubi slabo vezan elektron i ispada da je naelektrisani ion. Dakle, površinska jonizacija cezijuma na volframu je fizički proces koji omogućava stvaranje jonskog pogona sa skoro 100% iskorišćenjem radnog fluida i energetskom efikasnošću bliskom jedinici.

Naš kolega Stal Yakovlevich Lebedev odigrao je veliku ulogu u kreiranju modela jonskog pogonskog sistema ovog tipa. Svojom gvozdenom upornošću i upornošću savladao je sve prepreke. Kao rezultat toga, bilo je moguće reproducirati ravno troelektrodni ionski pogonski krug u metalu. Prva elektroda je volframova ploča dimenzija približno 10x10 cm sa potencijalom +7 kV, druga je volframova mreža sa potencijalom od -3 kV, a treća je torovana volframova mreža sa nultim potencijalom. „Molekularni pištolj“ proizveo je snop pare cezijuma, koji je kroz sve rešetke pao na površinu volframove ploče. Balansirana i kalibrirana metalna ploča, takozvana vaga, služila je za mjerenje "sile", odnosno potiska jonskog snopa.

Ubrzavajući napon do prve mreže ubrzava ione cezija do 10.000 eV, napon usporavanja do druge mreže usporava ih na 7.000 eV. Ovo je energija s kojom joni moraju napustiti potisnik, što odgovara brzini ispuha od 100 km/s. Ali snop jona, ograničen prostornim nabojem, ne može „ići u svemir“. Volumetrijski naboj jona mora biti kompenziran elektronima kako bi se formirala kvazineutralna plazma, koja se nesmetano širi u prostoru i stvara reaktivni potisak. Izvor elektrona za kompenzaciju zapreminskog naboja jonskog snopa je treća mreža (katoda) zagrejana strujom. Druga, "blokirajuća" mreža sprečava da elektroni dođu sa katode na volframovu ploču.

Prvo iskustvo sa modelom jonskog pogona označilo je početak više od deset godina rada. Jedan od najnovijih modela, sa poroznim volframovim emiterom, kreiran 1965. godine, proizvodio je “potisak” od oko 20 g pri struji jonskog snopa od 20 A, imao je stopu iskorišćenja energije od oko 90% i iskorišćenja materije od 95%.

Direktna konverzija nuklearne topline u električnu energiju

Načini da se energija nuklearne fisije direktno pretvori u električnu energiju još uvijek nisu pronađeni. Još uvijek ne možemo bez posredne karike - toplotnog motora. Pošto je njegova efikasnost uvijek manja od jedan, „otpadnu“ toplinu treba negdje odložiti. S tim nema problema na kopnu, u vodi ili u zraku. U svemiru postoji samo jedan način - toplotno zračenje. Dakle, KHE ne može bez “hladnjača-emitera”. Gustina zračenja je proporcionalna četvrtom stepenu apsolutne temperature, tako da temperatura hladnjaka koji zrače treba biti što viša. Tada će biti moguće smanjiti površinu zračeće površine i, shodno tome, masu elektrane. Došli smo na ideju da koristimo "direktnu" konverziju nuklearne toplote u električnu energiju, bez turbine ili generatora, što se činilo pouzdanijim za dugotrajan rad na visokim temperaturama.

Iz literature smo znali za djela A.F. Ioffe - osnivač sovjetske škole tehničke fizike, pionir u istraživanju poluprovodnika u SSSR-u. Malo ljudi se sada sjeća trenutnih izvora koje je razvio, a koji su korišteni tokom Velikog Domovinskog rata. U to vrijeme više od jednog partizanskog odreda imalo je kontakt s kopnom zahvaljujući „kerozinskim“ TEG-ovima - Ioffe termoelektričnim generatorima. "Krunica" od TEG-a (to je bio skup poluvodičkih elemenata) stavljena je na kerozinsku lampu, a njene žice su spojene na radio opremu. “Vrući” krajevi elemenata zagrijani su plamenom kerozinske lampe, “hladni” krajevi su hlađeni na zraku. Toplotni tok, prolazeći kroz poluvodič, stvarao je elektromotornu silu, koja je bila dovoljna za komunikacijsku sesiju, a u intervalima između njih TEG je punio bateriju. Kada smo, deset godina posle Pobede, posetili moskovsku TEG fabriku, ispostavilo se da se još uvek prodaju. Mnogi seljani su tada imali ekonomične Rodina radio-uređaje sa sijalicama za direktno grejanje, koje su napajale baterije. Umjesto toga su se često koristili TAG-ovi.

Problem sa kerozinskim TEG-om je njegova niska efikasnost (samo oko 3,5%) i niska maksimalna temperatura (350°K). Ali jednostavnost i pouzdanost ovih uređaja privukla je programere. Tako su poluprovodnički pretvarači razvijeni od strane grupe I.G. Gverdtsiteli na Institutu za fiziku i tehnologiju Sukhumi, našao je primenu u svemirskim instalacijama tipa Buk.

Svojevremeno A.F. Ioffe je predložio još jedan termoelektrični pretvarač - diodu u vakuumu. Princip njegovog rada je sljedeći: zagrijana katoda emituje elektrone, neki od njih, prevazilazeći potencijal anode, rade. Od ovog uređaja se očekivala znatno veća efikasnost (20-25%) na radnim temperaturama iznad 1000°K. Osim toga, za razliku od poluvodiča, vakuum dioda se ne boji neutronskog zračenja i može se kombinirati s nuklearnim reaktorom. Međutim, pokazalo se da je nemoguće implementirati ideju o „vakumskom“ Ioffe pretvaraču. Kao i kod uređaja za jonski pogon, u vakuumskom pretvaraču morate se riješiti prostornog naboja, ali ovaj put ne iona, već elektrona. A.F. Ioffe je nameravao da koristi mikronske razmake između katode i anode u vakuumskom pretvaraču, što je praktično nemoguće u uslovima visokih temperatura i termičkih deformacija. Tu cezijum dobro dolazi: jedan cezijum ion proizveden površinskom jonizacijom na katodi kompenzuje prostorni naboj od oko 500 elektrona! U suštini, pretvarač cezijuma je „obrnuti“ jonski pogonski uređaj. Fizički procesi u njima su bliski.

“Vjenci” V.A. Malykha

Jedan od rezultata IPPE-ovog rada na termoelektronskim pretvaračima je stvaranje V.A. Malykha i serijska proizvodnja u njegovom odjelu gorivnih elemenata iz serijski povezanih termoionskih pretvarača - "vijenaca" za reaktor Topaz. Pružili su do 30 V - sto puta više od jednoelementnih pretvarača koje su stvorile "konkurentske organizacije" - lenjingradska grupa M.B. Barabash i kasnije - Institut za atomsku energiju. To je omogućilo da se iz reaktora "ukloni" desetine i stotine puta više energije. Međutim, pouzdanost sistema, punjenog hiljadama termoionskih elemenata, izazvala je zabrinutost. U isto vrijeme, parne i plinske turbine su radile bez kvarova, pa smo obratili pažnju i na „mašinsko“ pretvaranje nuklearne topline u električnu energiju.

Cijela poteškoća je bila u resursu, jer u svemirskim letovima na velike udaljenosti turbogeneratori moraju raditi godinu, dvije, pa čak i nekoliko godina. Da bi se smanjilo habanje, „okreti“ (brzina rotacije turbine) treba da budu što je moguće niži. S druge strane, turbina radi efikasno ako je brzina molekula plina ili pare bliska brzini njenih lopatica. Stoga smo prvo razmotrili upotrebu najteže - živine pare. Ali uplašila nas je intenzivna korozija željeza i nehrđajućeg čelika stimulirana radijacijom koja se dogodila u živom hlađenom nuklearnom reaktoru. Za dvije sedmice korozija je “pojela” gorive elemente eksperimentalnog brzog reaktora “Clementine” u Laboratoriji Argonne (SAD, 1949.) i reaktora BR-2 u IPPE (SSSR, Obninsk, 1956.).

Ispostavilo se da je para kalijuma primamljiva. Reaktor u kome je ključao kalijum činio je osnovu elektrane koju smo razvijali za letelicu niskog potiska - kalijumova para je rotirala turbogenerator. Ova „mašinska“ metoda pretvaranja toplote u električnu energiju omogućila je da se računa na efikasnost do 40%, dok su prave termoionske instalacije davale efikasnost od samo oko 7%. Međutim, KHE sa „mašinskom“ pretvaranjem nuklearne toplote u električnu energiju nije razvijena. Stvar je završena objavljivanjem detaljnog izvještaja, u suštini "fizičke napomene" o tehničkom dizajnu svemirske letjelice niskog potiska za let s posadom na Mars. Sam projekat nikada nije razvijen.

Kasnije je, mislim, interes za svemirske letove sa nuklearnim raketnim motorima jednostavno nestao. Nakon smrti Sergeja Pavloviča Koroljeva, podrška radu IPPE-a na ionskom pogonu i "mašinskim" nuklearnim elektranama osjetno je oslabila. OKB-1 je vodio Valentin Petrovich Glushko, koji nije imao interesa za hrabre, obećavajuće projekte. Dizajnerski biro Energia, koji je on stvorio, napravio je snažne hemijske rakete i svemirsku letjelicu Buran koja se vraća na Zemlju.

"Buk" i "Topaz" na satelitima serije "Kosmos".

Radovi na stvaranju KHE sa direktnom konverzijom toplote u električnu energiju, sada kao izvora energije za moćne radio satelite (svemirske radarske stanice i televizijski emiteri), nastavljeni su do početka perestrojke. Od 1970. do 1988. u svemir je lansirano oko 30 radarskih satelita s nuklearnim elektranama Buk s poluvodičkim konvertorskim reaktorima i dva s termoelektranama Topaz. Buk je, u stvari, bio TEG - poluvodički Ioffe pretvarač, ali je umjesto kerozinske lampe koristio nuklearni reaktor. Bio je to brzi reaktor snage do 100 kW. Puno opterećenje visoko obogaćenog uranijuma bilo je oko 30 kg. Toplotu iz jezgre prenosio je tečni metal - eutektička legura natrijuma i kalijuma - na poluprovodničke baterije. Električna snaga je dostigla 5 kW.

Instalaciju Buk, pod naučnim vodstvom IPPE, razvili su stručnjaci OKB-670 M.M. Bondarjuk, kasnije - NPO "Crvena zvezda" (glavni dizajner - G.M. Gryaznov). Dizajnerski biro Dnjepropetrovsk Yuzhmash (glavni dizajner - M.K. Yangel) dobio je zadatak da napravi raketu-nosač za lansiranje satelita u orbitu.

Radno vrijeme “Buka” je 1-3 mjeseca. Ako instalacija nije uspjela, satelit je prebačen u dugoročnu orbitu na visini od 1000 km. Tokom skoro 20 godina lansiranja, bila su tri slučaja pada satelita na Zemlju: dva u okean i jedan na kopno, u Kanadi, u blizini Velikog robovskog jezera. Tu je pao Kosmos-954, lansiran 24. januara 1978. godine. Radio je 3,5 mjeseca. Uranijumski elementi satelita su u potpunosti izgorjeli u atmosferi. Na tlu su pronađeni samo ostaci berilijumskog reflektora i poluvodičkih baterija. (Svi ovi podaci predstavljeni su u zajedničkom izvještaju američke i kanadske atomske komisije o operaciji Morning Light.)

Termoelektrana Topaz koristila je termalni reaktor snage do 150 kW. Puno opterećenje uranijuma bilo je oko 12 kg - znatno manje od Buka. Osnova reaktora bili su gorivi elementi - "vijenci", koje je razvila i proizvela Malykhova grupa. Sastojale su se od lanca termoelemenata: katoda je bila "naprstak" napravljen od volframa ili molibdena, napunjen uranijum oksidom, anoda je bila tankozidna cijev od niobijuma, hlađena tekućim natrijum-kalijumom. Temperatura katode dostigla je 1650°C. Električna snaga instalacije dostigla je 10 kW.

Prvi model leta, satelit Cosmos-1818 sa instalacijom Topaz, ušao je u orbitu 2. februara 1987. godine i radio je besprijekorno šest mjeseci dok se rezerve cezijuma nisu iscrpile. Drugi satelit, Kosmos-1876, lansiran je godinu dana kasnije. Radio je u orbiti skoro duplo duže. Glavni programer Topaza bio je Dizajnerski biro MMZ Soyuz, na čelu sa S.K. Tumansky (bivši konstruktorski biro konstruktora avionskih motora A.A. Mikulin).

To je bilo kasnih 1950-ih, kada smo radili na jonskom pogonu, a on je radio na motoru trećeg stepena za raketu koja bi letjela oko Mjeseca i sletjela na njega. Sjećanja na Melnikovu laboratoriju su i danas svježa. Nalazio se u Podlipkiju (danas grad Koroljev), na lokaciji broj 3 OKB-1. Ogromna radionica površine oko 3000 m2, poredana sa desetinama stolova sa lančanim osciloskopima koji snimaju na rol papiru od 100 mm (ovo je prošlo doba, danas bi bio dovoljan jedan personalni računar). Na prednjem zidu radionice nalazi se štand na kome je montirana komora za sagorevanje „lunarnog“ raketnog motora. Osciloskopi imaju hiljade žica od senzora za brzinu gasa, pritisak, temperaturu i druge parametre. Dan počinje u 9.00 paljenjem motora. Radi nekoliko minuta, a onda ga odmah nakon zaustavljanja ekipa mehaničara prve smjene rastavlja, pažljivo pregledava i mjeri komoru za sagorijevanje. Istovremeno se analiziraju trake osciloskopa i daju preporuke za promjene dizajna. Druga smjena - dizajneri i radnici u radionici vrše preporučene promjene. U trećoj smjeni na štandu se postavlja nova komora za sagorijevanje i dijagnostički sistem. Dan kasnije, tačno u 9.00 časova, sledeća sednica. I tako bez slobodnih dana nedeljama, mesecima. Više od 300 opcija motora godišnje!

Tako su nastali hemijski raketni motori, koji su morali da rade svega 20-30 minuta. Što tek reći o ispitivanjima i modifikacijama nuklearnih elektrana - računalo se da bi one trebale raditi više od godinu dana. To je zahtijevalo zaista ogromne napore.

Skeptici smatraju da stvaranje nuklearnog motora nije značajan napredak u oblasti nauke i tehnologije, već samo „modernizacija parnog kotla“, gde umesto uglja i ogrevnog drveta, uranijum deluje kao gorivo, a vodonik kao gorivo. radni fluid. Da li je NRE (nuklearni mlazni motor) tako beznadežan? Pokušajmo to shvatiti.

Prve rakete

Sva dostignuća čovječanstva u istraživanju svemira blizu Zemlje mogu se sa sigurnošću pripisati kemijskim mlaznim motorima. Rad takvih agregata temelji se na pretvaranju energije kemijske reakcije sagorijevanja goriva u oksidantu u kinetičku energiju mlazne struje, a time i rakete. Gorivo koje se koristi je kerozin, tečni vodonik, heptan (za raketne motore na tečno gorivo (LPRE)) i polimerizovana mešavina amonijum perhlorata, aluminijuma i željeznog oksida (za raketne motore na čvrsto gorivo (SRRE)).

Opšte je poznato da su se prve rakete za vatromet pojavile u Kini u drugom veku pre nove ere. Uzdigli su se u nebo zahvaljujući energiji praškastih gasova. Teorijska istraživanja njemačkog oružara Konrada Haasa (1556), poljskog generala Kazimira Semenoviča (1650) i ruskog general-potpukovnika Aleksandra Zasjadka dala su značajan doprinos razvoju raketne tehnike.

Američki naučnik Robert Godard dobio je patent za izum prve rakete na tečno gorivo. Njegovom aparatu, teškom 5 kg i dugačkom oko 3 m, koji radi na benzin i tečni kiseonik, trebalo je 2,5 s 1926. godine. leteo 56 metara.

Brzina jurnjave

Ozbiljni eksperimentalni rad na stvaranju serijskih hemijskih mlaznih motora započeo je 30-ih godina prošlog stoljeća. U Sovjetskom Savezu, V. P. Glushko i F. A. Tsander s pravom se smatraju pionirima konstrukcije raketnih motora. Uz njihovo učešće, razvijene su agregati RD-107 i RD-108, koji su SSSR-u osigurali primat u istraživanju svemira i postavili temelje budućeg vodstva Rusije u oblasti istraživanja svemira s ljudskom posadom.

Tokom modernizacije tečno-turbinskog motora postalo je jasno da teoretska maksimalna brzina mlaznog toka ne može biti veća od 5 km/s. Ovo bi moglo biti dovoljno za proučavanje svemira u blizini Zemlje, ali letovi do drugih planeta, a još više do zvijezda, ostaće pravi san za čovječanstvo. Kao rezultat toga, već sredinom prošlog stoljeća počeli su se pojavljivati ​​projekti alternativnih (nehemijskih) raketnih motora. Najpopularnije i najperspektivnije instalacije bile su one koje koriste energiju nuklearnih reakcija. Prvi eksperimentalni uzorci nuklearnih svemirskih motora (NRE) u Sovjetskom Savezu i SAD prošli su testne testove davne 1970. godine. Međutim, nakon černobilske katastrofe, pod pritiskom javnosti, rad u ovoj oblasti je obustavljen (u SSSR-u 1988., u SAD-u - od 1994.).

Rad nuklearnih elektrana zasniva se na istim principima kao i termohemijske. Jedina razlika je u tome što se zagrijavanje radnog fluida vrši energijom raspadanja ili fuzije nuklearnog goriva. Energetska efikasnost takvih motora znatno je veća od hemijskih. Na primjer, energija koju može osloboditi 1 kg najboljeg goriva (mješavina berilija s kisikom) je 3 × 107 J, dok je za izotope polonija Po210 ta vrijednost 5 × 1011 J.

Oslobođena energija u nuklearnom motoru može se iskoristiti na različite načine:

zagrijavanje radnog fluida koji se emituje kroz mlaznice, kao u tradicionalnom raketnom motoru na tečno gorivo, nakon pretvaranja u električnu energiju, ionizira i ubrzava čestice radnog fluida, stvarajući impuls direktno fisijom ili produktima sinteze radnu tečnost, ali upotreba alkohola će biti mnogo efikasnija, amonijak ili tečni vodonik. U zavisnosti od stanja agregacije goriva za reaktor, nuklearni raketni motori se dele na čvrstu, tečnu i gasovitu fazu. Najrazvijeniji nuklearni pogonski motor je sa fisijskim reaktorom čvrste faze, koji kao gorivo koristi gorivne šipke (gorivi elementi) koji se koriste u nuklearnim elektranama. Prvi takav motor, u sklopu američkog projekta Nerva, podvrgnut je zemaljskom testiranju 1966. godine, radeći oko dva sata.

Karakteristike dizajna

U srcu svakog nuklearnog svemirskog motora je reaktor koji se sastoji od jezgre i berilijumskog reflektora smještenog u energetskom kućištu. U jezgri se događa fisija atoma zapaljive tvari, obično uranijuma U238, obogaćenog izotopima U235. Da bi se dale određena svojstva procesu raspada jezgara, ovdje su smješteni i moderatori - vatrostalni volfram ili molibden. Ako je moderator uključen u gorivne šipke, reaktor se naziva homogenim, a ako je postavljen odvojeno, naziva se heterogen. Nuklearni motor također uključuje jedinicu za dovod radne tekućine, kontrole, zaštitu od zračenja sjene i mlaznicu. Konstruktivni elementi i komponente reaktora, koji doživljavaju velika toplinska opterećenja, hlade se radnim fluidom, koji se zatim turbopumpnom jedinicom upumpava u gorivne sklopove. Ovdje se zagrije na skoro 3.000˚C. Prolazeći kroz mlaznicu, radni fluid stvara mlazni potisak.

Tipične kontrole reaktora su kontrolne šipke i okretne ploče napravljene od supstance koja apsorbuje neutrone (bor ili kadmijum). Šipke se postavljaju direktno u jezgro ili u posebne reflektorske niše, a rotirajući bubnjevi su postavljeni na periferiji reaktora. Pomicanjem šipki ili okretanjem bubnjeva mijenja se broj fisijskih jezgri u jedinici vremena, čime se regulira nivo oslobađanja energije reaktora, a samim tim i njegova toplinska snaga.

Da bi se smanjio intenzitet neutronskog i gama zračenja, opasnog za sva živa bića, u elektranu se postavljaju primarni zaštitni elementi reaktora.

Povećana efikasnost

Nuklearni motor tekuće faze sličan je principu rada i dizajnu čvrstofaznim, ali tekuće stanje goriva omogućava povećanje temperature reakcije, a time i potiska pogonske jedinice. Dakle, ako je za hemijske jedinice (turbomlazni motori na tečnost i raketni motori na čvrsto gorivo) maksimalni specifični impuls (brzina strujanja mlaza) 5.420 m/s, za nuklearne motore u čvrstoj fazi i 10.000 m/s je daleko od granice, onda prosječna vrijednost ovog pokazatelja za gasne nuklearne pogonske motore je u rasponu od 30.000 - 50.000 m/s.

Postoje dvije vrste projekata nuklearnih motora u gasnoj fazi:

Otvoreni ciklus, u kojem se nuklearna reakcija događa unutar plazma oblaka radnog fluida koji se drži elektromagnetnim poljem i apsorbira svu generiranu toplinu. Temperature mogu doseći nekoliko desetina hiljada stepeni. U ovom slučaju, aktivno područje je okruženo tvari otpornom na toplinu (na primjer, kvarc) - nuklearnom lampom koja slobodno prenosi emitiranu energiju U instalacijama drugog tipa, temperatura reakcije bit će ograničena točkom topljenja materijala tikvice. Istovremeno, energetska efikasnost nuklearnog svemirskog motora je neznatno smanjena (specifični impuls do 15.000 m/s), ali se povećava efikasnost i radijaciona sigurnost.

Praktična dostignuća

Formalno, američki naučnik i fizičar Richard Feynman smatra se izumiteljem nuklearne elektrane. Početak velikih radova na razvoju i stvaranju nuklearnih motora za svemirske letjelice u sklopu programa Rover dat je u Istraživačkom centru Los Alamos (SAD) 1955. godine. Američki izumitelji preferirali su instalacije s homogenim nuklearnim reaktorom. Prvi eksperimentalni uzorak "Kiwi-A" sastavljen je u tvornici u nuklearnom centru u Albuquerqueu (Novi Meksiko, SAD) i testiran 1959. godine. Reaktor je postavljen vertikalno na postolje sa mlaznicom prema gore. Tokom testova, zagrijani mlaz istrošenog vodonika pušten je direktno u atmosferu. I iako je rektor radio na maloj snazi ​​samo oko 5 minuta, uspjeh je inspirisao programere.

U Sovjetskom Savezu, snažan poticaj takvim istraživanjima dao je susret „tri velika K“-a koji se održao 1959. u Institutu za atomsku energiju - tvorac atomske bombe I.V.Kurčatov, glavni teoretičar ruske kosmonautike M.V. Keldysh i generalni konstruktor sovjetskih raketa S.P. Queen. Za razliku od američkog modela, sovjetski motor RD-0410, razvijen u konstruktorskom birou udruženja Khimavtomatika (Voronjež), imao je heterogeni reaktor. Vatrogasna ispitivanja održana su na poligonu u blizini Semipalatinska 1978. godine.

Vrijedi napomenuti da je kreirano dosta teorijskih projekata, ali stvar nikada nije došla do praktične implementacije. Razlozi za to su prisustvo velikog broja problema u nauci o materijalima, kao i nedostatak ljudskih i finansijskih resursa.

Napomena: važno praktično dostignuće bilo je testiranje letelice na nuklearni pogon. U SSSR-u je najperspektivniji bio eksperimentalni strateški bombarder Tu-95LAL, u SAD-u - B-36.

Projekt "Orion" ili pulsni nuklearni raketni motori

Za letove u svemiru, 1945. godine je prvi put predložio američki matematičar poljskog porijekla Stanislaw Ulam da se koristi pulsni nuklearni motor. U narednoj deceniji ideju su razvili i doradili T. Taylor i F. Dyson. Suština je da energija malih nuklearnih punjenja, detoniranih na određenoj udaljenosti od potisne platforme na dnu rakete, daje joj veliko ubrzanje.

Tokom projekta Orion, pokrenutog 1958. godine, planirano je da se raketa opremi upravo takvim motorom koji bi mogao dopremiti ljude na površinu Marsa ili orbitu Jupitera. Posada, smještena u pramčanom odjeljku, bila bi zaštićena od destruktivnih učinaka gigantskih ubrzanja pomoću uređaja za prigušivanje. Rezultat detaljnog inženjerskog rada bila su pohodna testiranja velike makete broda za proučavanje stabilnosti leta (umjesto nuklearnih punjenja korišteni su obični eksplozivi). Zbog visoke cijene, projekat je zatvoren 1965. godine.

Slične ideje za stvaranje "eksplozivnog aviona" izneo je sovjetski akademik A. Saharov u julu 1961. godine. Za lansiranje broda u orbitu, naučnik je predložio korištenje konvencionalnih raketnih motora na tekuće gorivo.

Alternativni projekti

Ogroman broj projekata nikada nije otišao dalje od teorijskih istraživanja. Među njima je bilo mnogo originalnih i vrlo perspektivnih. Potvrđena je ideja o nuklearnoj elektrani zasnovanoj na fisilnim fragmentima. Dizajnerske karakteristike i struktura ovog motora omogućavaju uopće bez radne tekućine. Mlazni tok, koji daje potrebne karakteristike potiska, formira se od istrošenog nuklearnog materijala. Reaktor je zasnovan na rotirajućim diskovima sa subkritičnom nuklearnom masom (koeficijent atomske fisije manji od jedinice). Prilikom rotacije u sektoru diska koji se nalazi u jezgru, pokreće se lančana reakcija i raspadajući atomi visoke energije usmjeravaju se u mlaznicu motora, formirajući mlazni tok. Sačuvani netaknuti atomi će sudjelovati u reakciji pri sljedećim okretajima diska goriva.

Projekti nuklearnog motora za brodove koji obavljaju određene zadatke u svemiru blizu Zemlje, na bazi RTG-a (radioizotopskih termoelektričnih generatora), prilično su izvodljivi, ali takve instalacije malo obećavaju za međuplanetarne, a još više međuzvjezdane letove.

Motori pogonjeni nuklearnom fuzijom imaju ogroman potencijal. Već u sadašnjoj fazi razvoja nauke i tehnologije sasvim je izvodljiva pulsna instalacija u kojoj će se, poput projekta Orion, termonuklearna punjenja detonirati ispod dna rakete. Međutim, mnogi stručnjaci smatraju implementaciju kontrolirane nuklearne fuzije pitanjem bliske budućnosti.

Prednosti i nedostaci motora na nuklearni pogon

Neosporne prednosti upotrebe nuklearnih motora kao pogonskih jedinica za svemirske letjelice uključuju njihovu visoku energetsku efikasnost, pružanje visokog specifičnog impulsa i dobre performanse potiska (do hiljadu tona u bezzračnom prostoru), te impresivne rezerve energije pri autonomnom radu. Trenutni nivo naučnog i tehnološkog razvoja omogućava da se obezbedi uporedna kompaktnost takve instalacije.

Glavni nedostatak nuklearnih pogonskih motora, koji je uzrokovao smanjenje projektantskih i istraživačkih radova, je velika opasnost od zračenja. Ovo se posebno odnosi na provođenje požarnih ispitivanja na zemlji, zbog kojih radioaktivni plinovi, spojevi uranijuma i njegovi izotopi, te destruktivni efekti prodornog zračenja mogu ući u atmosferu zajedno s radnom tekućinom. Iz istih razloga, neprihvatljivo je lansiranje svemirske letjelice opremljene nuklearnim motorom direktno sa površine Zemlje.

Sadašnjost i budućnost

Prema uvjeravanjima akademika Ruske akademije nauka, generalnog direktora Keldysh centra Anatolija Korotejeva, u Rusiji će u bliskoj budućnosti biti stvoren fundamentalno novi tip nuklearnog motora. Suština pristupa je da će energija svemirskog reaktora biti usmjerena ne na direktno zagrijavanje radnog fluida i formiranje mlazne struje, već na proizvodnju električne energije. Uloga pogona u instalaciji je pripisana plazma motoru, čiji je specifični potisak 20 puta veći od potiska danas postojećih hemijskih mlaznih uređaja. Glavno preduzeće projekta je divizija državne korporacije Rosatom, JSC NIKIET (Moskva).

Puna ispitivanja prototipa uspješno su završena još 2015. godine na bazi NPO Mašinostroenija (Reutov). Datum početka letačkih ispitivanja nuklearne elektrane je novembar ove godine. Najvažniji elementi i sistemi će se morati testirati, uključujući i na ISS-u.

Novi ruski nuklearni motor radi u zatvorenom ciklusu, što potpuno eliminira ispuštanje radioaktivnih tvari u okolni prostor. Masinske i dimenzionalne karakteristike glavnih elemenata elektrane osiguravaju njegovu upotrebu sa postojećim domaćim lansirnim raketama Proton i Angara.

Alexander Losev

Brzi razvoj raketne i svemirske tehnologije u 20. veku determinisan je vojno-strateškim, političkim i donekle ideološkim ciljevima i interesima dveju supersila – SSSR-a i SAD, a svi državni svemirski programi bili su nastavak njihovih vojnih projekata, gdje je glavni zadatak bila potreba da se osigura odbrambena sposobnost i strateški paritet sa potencijalnim neprijateljem. Troškovi izrade opreme i operativni troškovi tada nisu bili od suštinskog značaja. Ogromna sredstva su izdvojena za stvaranje lansirnih vozila i svemirskih letelica, a 108-minutni let Jurija Gagarina 1961. i televizijski prenos Nila Armstronga i Baza Oldrina sa površine Meseca 1969. nisu bili samo trijumfi nauke i tehnike. smatrali su se i kao strateške pobjede u bitkama Hladnog rata.

Ali nakon raspada Sovjetskog Saveza i ispadanja iz utrke za svjetsko liderstvo, njegovi geopolitički protivnici, prvenstveno Sjedinjene Države, više nisu imali potrebu da realizuju prestižne, ali izuzetno skupe svemirske projekte kako bi cijelom svijetu dokazali superiornost zapadnih ekonomskih sistem i ideološki koncepti.
Devedesetih su glavni politički zadaci prethodnih godina izgubili na važnosti, blokovska konfrontacija je ustupila mjesto globalizaciji, u svijetu je zavladao pragmatizam, pa je većina svemirskih programa skraćena ili odgođena kao naslijeđe od velikih projekata; prošlost. Uz to, zapadna demokratija je sve skupe vladine programe učinila zavisnima od izbornih ciklusa.
Podrška birača, neophodna za osvajanje ili održavanje vlasti, tjera političare, parlamente i vlade da se naklone populizmu i rješavaju kratkoročne probleme, pa se potrošnja na istraživanje svemira smanjuje iz godine u godinu.
Većina fundamentalnih otkrića napravljena je u prvoj polovini dvadesetog veka, a danas su nauka i tehnologija dostigle određene granice, štaviše, popularnost naučnih saznanja je opala u celom svetu, a kvalitet nastave matematike, fizike i drugih prirodnih nauke su se pogoršale. To je postalo razlogom stagnacije, uključujući i svemirski sektor, u posljednje dvije decenije.
Ali sada postaje očigledno da se svijet bliži kraju još jednog tehnološkog ciklusa zasnovanog na otkrićima prošlog stoljeća. Dakle, svaka moć koja će posjedovati fundamentalno nove obećavajuće tehnologije u vrijeme promjene globalne tehnološke strukture automatski će osigurati globalno vodstvo u najmanje sljedećih pedeset godina.

Osnovni dizajn nuklearnog pogonskog motora sa vodonikom kao radnim fluidom

To se ostvaruje i u Sjedinjenim Državama, koje su postavile kurs za oživljavanje američke veličine u svim sferama djelovanja, i u Kini, koja osporava američku hegemoniju, i u Evropskoj uniji koja svim silama pokušava zadržati svoju težinu u globalnoj ekonomiji.
Tamo postoji industrijska politika i oni se ozbiljno bave razvojem sopstvenog naučnog, tehničkog i proizvodnog potencijala, a svemirska sfera može postati najbolji poligon za testiranje novih tehnologija i za dokazivanje ili opovrgavanje naučnih hipoteza koje mogu postaviti temelje za stvaranje fundamentalno drugačije, naprednije tehnologije budućnosti.
I sasvim je prirodno očekivati ​​da će Sjedinjene Države biti prva zemlja u kojoj će se nastaviti projekti istraživanja dubokog svemira kako bi se stvorile jedinstvene inovativne tehnologije u području oružja, transporta i konstrukcijskih materijala, kao i u biomedicini i telekomunikacijama.
Istina, čak ni Sjedinjenim Državama nije zajamčen uspjeh u stvaranju revolucionarnih tehnologija. Postoji veliki rizik da završite u ćorsokaku kada se poboljšaju pola vijeka stari raketni motori na bazi hemijskog goriva, kao što radi SpaceX Elona Muska, ili kada se kreiraju sistemi za održavanje života za duge letove slični onima koji su već implementirani na ISS.
Može li Rusija, čija je stagnacija u svemirskom sektoru svake godine sve uočljivija, napraviti iskorak u trci za ostanak budućeg tehnološkog vodstva u klubu supersila, a ne na listi zemalja u razvoju?
Da, naravno, Rusija može, a osim toga, već je napravljen primjetan iskorak u nuklearnoj energiji i tehnologiji nuklearnih raketnih motora, uprkos kroničnom nedovoljno finansiranju svemirske industrije.
Budućnost astronautike je korištenje nuklearne energije. Da bismo razumjeli kako su nuklearna tehnologija i svemir povezani, potrebno je razmotriti osnovne principe mlaznog pogona.
Dakle, glavne vrste modernih svemirskih motora stvorene su na principima hemijske energije. To su akceleratori na čvrsto gorivo i raketni motori na tečna goriva, u njihovim komorama za sagorijevanje komponente goriva (gorivo i oksidator) ulaze u egzotermnu fizičku i kemijsku reakciju sagorijevanja, formirajući mlazni tok koji svake sekunde izbacuje tone tvari iz mlaznice motora. Kinetička energija radnog fluida mlaza pretvara se u reaktivnu silu dovoljnu da pokrene raketu. Specifični impuls (omjer stvorenog potiska i mase upotrijebljenog goriva) takvih hemijskih motora zavisi od komponenti goriva, pritiska i temperature u komori za sagorevanje, kao i od molekulske težine gasovite mešavine koja se izbacuje kroz mlaznica motora.
I što je veća temperatura supstance i pritisak unutar komore za sagorevanje, i što je manja molekularna masa gasa, to je veći specifični impuls, a samim tim i efikasnost motora. Specifični impuls je količina kretanja i obično se mjeri u metrima u sekundi, baš kao i brzina.
U hemijskim motorima najveći specifični impuls daju mješavine goriva kisik-vodik i fluor-vodik (4500-4700 m/s), ali su najpopularniji (i pogodni za rad) postali raketni motori koji rade na kerozin i kisik, jer na primjer rakete Soyuz i Musk's Falcon, kao i motori koji koriste nesimetrični dimetilhidrazin (UDMH) sa oksidantom u obliku mješavine dušikovog tetroksida i dušične kiseline (sovjetski i ruski Proton, francuski Ariane, američki Titan). Njihova efikasnost je 1,5 puta manja od one kod motora na vodikovo gorivo, ali impuls od 3000 m/s i snaga sasvim su dovoljni da bude ekonomski isplativo lansiranje tona korisnog tereta u orbite oko Zemlje.
Ali letovi do drugih planeta zahtijevaju mnogo veće svemirske letjelice od bilo čega što je čovječanstvo ranije stvorilo, uključujući modularni ISS. U ovim brodovima potrebno je osigurati dugotrajnu autonomnu egzistenciju posada, te određenu zalihu goriva i vijek trajanja glavnih motora i motora za manevre i korekciju orbite, obezbijediti isporuku astronauta u posebnom sletnom modulu. na površinu druge planete, i njihov povratak na glavni transportni brod, a zatim i povratak ekspedicije na Zemlju.
Akumulirano inženjersko znanje i hemijska energija motora omogućavaju povratak na Mesec i dolazak na Mars, pa postoji velika verovatnoća da će čovečanstvo posetiti Crvenu planetu u narednoj deceniji.
Ako se oslanjamo samo na postojeće svemirske tehnologije, tada će minimalna masa useljivog modula za let s ljudskom posadom na Mars ili na satelite Jupitera i Saturna biti otprilike 90 tona, što je 3 puta više od lunarnih brodova ranih 1970-ih. , što znači da će lansirne rakete za njihovo lansiranje u referentne orbite za dalji let na Mars biti mnogo superiornije od Saturna 5 (lansirna težina 2965 tona) lunarnog projekta Apollo ili sovjetskog nosača Energia (lansirne težine 2400 tona). Biće potrebno stvoriti međuplanetarni kompleks u orbiti težine do 500 tona. Let na međuplanetarnom brodu s hemijskim raketnim motorima će zahtijevati od 8 mjeseci do 1 godine samo u jednom smjeru, jer ćete morati izvoditi gravitacijske manevre, koristeći gravitacijsku silu planeta i kolosalnu zalihu goriva da dodatno ubrzate brod. .
Ali koristeći hemijsku energiju raketnih motora, čovečanstvo neće leteti dalje od orbite Marsa ili Venere. Potrebne su nam različite brzine leta svemirskih letjelica i druga moćnija energija kretanja.

Moderni dizajn nuklearnog raketnog motora Princeton Satellite Systems

Za istraživanje dubokog svemira potrebno je značajno povećati omjer potiska i težine i efikasnost raketnog motora, a samim tim povećati njegov specifični impuls i vijek trajanja. A da biste to učinili, potrebno je zagrijati plin ili radni fluid s malom atomskom masom unutar komore motora na temperature nekoliko puta veće od temperature kemijskog sagorijevanja tradicionalnih mješavina goriva, a to se može učiniti nuklearnom reakcijom.
Ako se, umjesto konvencionalne komore za sagorijevanje, nuklearni reaktor smjesti unutar raketnog motora, u čiju aktivnu zonu se dovodi tvar u tekućem ili plinovitom obliku, tada će on, zagrijan pod visokim pritiskom do nekoliko hiljada stepeni, početi da se izbaci kroz kanal mlaznice, stvarajući mlazni potisak. Specifični impuls takvog nuklearnog mlaznog motora bit će nekoliko puta veći od onog kod konvencionalnog s kemijskim komponentama, što znači da će se efikasnost i samog motora i lansirne rakete u cjelini višestruko povećati. U ovom slučaju, oksidator za sagorevanje goriva neće biti potreban, a laki vodonik se može koristiti kao supstanca koja stvara mlazni potisak, znamo da što je manja molekulska masa gasa, to je veći impuls, a to će biti uvelike smanjiti masu rakete uz bolje performanse snage motora.
Nuklearni motor će biti bolji od konvencionalnog, budući da se u zoni reaktora laki plin može zagrijati do temperature većih od 9 hiljada stepeni Kelvina, a mlaz takvog pregrijanog plina će dati mnogo veći specifični impuls nego što to mogu dati konvencionalni kemijski motori. . Ali ovo je u teoriji.
Opasnost nije čak ni u tome da prilikom lansiranja lansirne rakete sa takvim nuklearnim postrojenjem može doći do radioaktivne kontaminacije atmosfere i prostora oko lansirne rampe rastopiti. Dizajneri i inženjeri to razumiju i već nekoliko desetljeća pokušavaju pronaći odgovarajuća rješenja.
Nuklearni raketni motori (NRE) već imaju svoju istoriju stvaranja i rada u svemiru. Prvi razvoj nuklearnih motora počeo je sredinom 1950-ih, dakle još prije ljudskog leta u svemir, a gotovo istovremeno i u SSSR-u i u SAD-u, a sama ideja o korištenju nuklearnih reaktora za zagrijavanje radnog supstanca u raketnom motoru rođena je zajedno s prvim rektorima sredinom 40-ih, odnosno prije više od 70 godina.
U našoj zemlji, inicijator stvaranja nuklearnog pogona bio je termofizičar Vitalij Mihajlovič Ievlev. 1947. predstavio je projekat koji su podržali S. P. Korolev, I. V. Kurchatov i M. V. Keldysh. U početku je planirano da se takvi motori koriste za krstareće rakete, a zatim da se instaliraju na balističke rakete. Razvoj su poduzeli vodeći biroi za dizajn odbrane Sovjetskog Saveza, kao i istraživački instituti NIITP, CIAM, IAE, VNIINM.
Sovjetski nuklearni motor RD-0410 sastavljen je sredinom 60-ih u Voronješkom dizajnerskom birou za hemijsku automatiku, gdje je stvorena većina tekućih raketnih motora za svemirsku tehnologiju.
RD-0410 je koristio vodonik kao radnu tečnost, koji je u tečnom obliku prolazio kroz „rashladni plašt”, uklanjajući višak toplote sa zidova mlaznice i sprečavajući je da se otopi, a zatim ulazio u jezgro reaktora, gde se zagrevao do 3000K i oslobađa kroz kanalske mlaznice, pretvarajući toplotnu energiju u kinetičku energiju i stvarajući specifični impuls od 9100 m/s.
U SAD-u je projekat nuklearnog pogona pokrenut 1952. godine, a prvi operativni motor stvoren je 1966. godine i nazvan je NERVA (Nuklearni motor za primjenu u raketnim vozilima). 60-ih i 70-ih godina Sovjetski Savez i Sjedinjene Države pokušavale su da ne popuštaju jedni drugima.
Istina, i naš RD-0410 i američka NERVA bili su nuklearni motori u čvrstoj fazi (nuklearno gorivo na bazi karbida uranijuma bilo je u čvrstom stanju u reaktoru), a radna temperatura im je bila u rasponu od 2300–3100K.
Da bi se povećala temperatura jezgre bez opasnosti od eksplozije ili topljenja zidova reaktora, potrebno je stvoriti takve uvjete nuklearne reakcije pod kojima gorivo (uran) prelazi u plinovito stanje ili prelazi u plazmu i zadržava se unutar reaktora. zbog jakog magnetnog polja, bez dodirivanja zidova. I tada vodonik koji ulazi u jezgro reaktora „teče oko“ uranijuma u gasnoj fazi, i pretvarajući se u plazmu, izbacuje se veoma velikom brzinom kroz kanal mlaznice.
Ovaj tip motora naziva se nuklearni pogonski motor u gasnoj fazi. Temperature gasovitog uranijumskog goriva u takvim nuklearnim motorima mogu se kretati od 10 hiljada do 20 hiljada stepeni Kelvina, a specifični impuls može dostići 50.000 m/s, što je 11 puta više od najefikasnijih hemijskih raketnih motora.
Stvaranje i upotreba nuklearnih pogonskih motora otvorenog i zatvorenog tipa u gasnoj fazi u svemirskoj tehnici najperspektivniji je pravac u razvoju svemirskih raketnih motora i upravo ono što je čovječanstvu potrebno za istraživanje planeta Sunčevog sustava i njihovih satelita.
Prva istraživanja o projektu nuklearnog pogona u gasnoj fazi započela su u SSSR-u 1957. godine u Istraživačkom institutu za termičke procese (Nacionalni istraživački centar po M. V. Keldyshu), a odluka o razvoju nuklearnih svemirskih elektrana na bazi nuklearnih reaktora u gasnoj fazi godine napravio akademik V. P. Glushko (NPO Energomash), a zatim je odobren rezolucijom Centralnog komiteta KPSS i Vijeća ministara SSSR-a.
Razvoj nuklearnih pogonskih motora u gasnoj fazi odvijao se u Sovjetskom Savezu dvije decenije, ali, nažalost, nikada nije završen zbog nedovoljnog finansiranja i potrebe za dodatnim fundamentalnim istraživanjima u oblasti termodinamike nuklearnog goriva i vodikove plazme, neutronska fizika i magnetohidrodinamika.
Sovjetski nuklearni naučnici i inženjeri projektanti suočili su se s nizom problema, kao što su postizanje kritičnosti i osiguranje stabilnosti rada nuklearnog reaktora u gasnoj fazi, smanjenje gubitka rastaljenog uranijuma prilikom oslobađanja vodika zagrijanog na nekoliko hiljada stepeni, termička zaštita mlaznice i generatora magnetnog polja, te akumulacija produkata fisije uranijuma, izbor hemijski otpornih građevinskih materijala itd.
A kada je lansirana raketa Energia počela da se stvara za sovjetski program Mars-94 za prvi let s ljudskom posadom na Mars, projekat nuklearnog motora je odgođen na neodređeno vreme. Sovjetski Savez nije imao dovoljno vremena, a što je najvažnije, političke volje i ekonomske efikasnosti, da spusti naše kosmonaute na planetu Mars 1994. godine. Ovo bi bilo neosporno dostignuće i dokaz našeg vodstva u visokoj tehnologiji u narednih nekoliko decenija. Ali prostor, kao i mnoge druge stvari, izdalo je posljednje vodstvo SSSR-a. Istorija se ne može promeniti, odustali naučnici i inženjeri se ne mogu vratiti, a izgubljeno znanje se ne može vratiti. Mnogo toga će morati da se kreira iznova.
Ali svemirska nuklearna energija nije ograničena samo na sferu nuklearnih pogonskih motora u čvrstoj i plinskoj fazi. Električna energija se može koristiti za stvaranje zagrijanog toka materije u mlaznom motoru. Ovu ideju prvi je izrazio Konstantin Eduardovič Ciolkovski još 1903. godine u svom radu „Istraživanje svetskih prostora pomoću mlaznih instrumenata“.
A prvi elektrotermalni raketni motor u SSSR-u stvorio je 1930-ih Valentin Petrovich Glushko, budući akademik Akademije nauka SSSR-a i šef NPO Energia.
Principi rada električnih raketnih motora mogu biti različiti. Obično se dijele na četiri tipa:

• elektrotermički (grijanje ili električni luk). U njima se plin zagrijava do temperature od 1000-5000K i izbacuje iz mlaznice na isti način kao u nuklearnom raketnom motoru.
• elektrostatički motori (koloidni i jonski), u kojima se radna tvar prvo ionizira, a zatim se pozitivni ioni (atomi bez elektrona) ubrzavaju u elektrostatičkom polju i također se izbacuju kroz kanal mlaznice, stvarajući mlazni potisak. Elektrostatički motori također uključuju stacionarne plazma motore.
• magnetoplazma i magnetodinamički raketni motori. Tamo se plinska plazma ubrzava zbog Amperove sile u magnetskom i električnom polju koje se sijeku okomito.
• pulsni raketni motori, koji koriste energiju plinova koja nastaje isparavanjem radnog fluida u električnom pražnjenju.

Prednost ovih električnih raketnih motora je niska potrošnja radnog fluida, efikasnost do 60% i velika brzina protoka čestica, što može značajno smanjiti masu letjelice, ali postoji i nedostatak - mala gustina potiska, a samim tim i mala snaga, kao i visoka cijena radnog fluida (inertnih plinova ili para alkalnih metala) za stvaranje plazme.
Svi navedeni tipovi elektromotora su implementirani u praksi i više puta su korišteni u svemiru na sovjetskim i američkim svemirskim letjelicama od sredine 60-ih, ali su zbog male snage korišteni uglavnom kao motori za korekciju orbite.
Od 1968. do 1988. SSSR je lansirao čitav niz satelita Cosmos s nuklearnim instalacijama na brodu. Tipovi reaktora su nazvani: „Buk“, „Topaz“ i „Jenisej“.
Reaktor projekta Yenisei imao je toplotnu snagu do 135 kW i električnu snagu od oko 5 kW. Rashladna tečnost je bila rastopljena natrijum-kalijum. Ovaj projekat je zatvoren 1996.
Pravi pogonski raketni motor zahtijeva vrlo moćan izvor energije. A najbolji izvor energije za takve svemirske motore je nuklearni reaktor.
Nuklearna energija je jedna od visokotehnoloških industrija u kojoj naša zemlja drži vodeću poziciju. U Rusiji se već stvara fundamentalno novi raketni motor i ovaj projekat je blizu uspješnog završetka 2018. Testovi letenja zakazani su za 2020.
A ako je nuklearni pogon u gasnoj fazi tema za buduće decenije kojoj će se morati vratiti nakon fundamentalnih istraživanja, onda je njegova današnja alternativa nuklearni pogonski sistem klase megavata (NPPU), a već su ga kreirali Rosatom i Preduzeća Roskosmosa od 2009.
NPO Krasnaja Zvezda, koja je trenutno jedini svetski proizvođač i proizvođač svemirskih nuklearnih elektrana, kao i Istraživački centar A. M. V. Keldysh, NIKIET im. N.A. Dolležhala, Istraživački institut NPO „Luch“, „Kurčatov institut“, IRM, IPPE, RIAR i NPO Mašinostroenija.
Nuklearni pogonski sistem uključuje visokotemperaturni gasno hlađen nuklearni reaktor brzih neutrona sa turbomašinskim sistemom za pretvaranje toplotne energije u električnu energiju, sistem hladnjaka-emitera za odvođenje viška toplote u prostor, odeljak za instrumente, blok nosača plazma ili jonski električni motori, te kontejner za smještaj tereta.
U energetskom pogonskom sistemu nuklearni reaktor služi kao izvor električne energije za rad električnih plazma motora, dok rashladno sredstvo reaktora koji prolazi kroz jezgro ulazi u turbinu električnog generatora i kompresora i vraća se nazad u reaktor. zatvorenu petlju, a ne baca se u svemir kao u nuklearnom pogonskom motoru, što dizajn čini pouzdanijim i sigurnijim, te stoga pogodnim za letove u svemir s ljudskom posadom.
Planirano je da se nuklearna elektrana koristi za višekratnu upotrebu svemirskog tegljača kako bi se osigurala isporuka tereta tokom istraživanja Mjeseca ili stvaranje višenamjenskih orbitalnih kompleksa. Prednost će biti ne samo višekratna upotreba elemenata transportnog sistema (što Elon Musk pokušava postići u svojim svemirskim projektima SpaceX), već i mogućnost isporuke tri puta više tereta nego na raketama s hemijskim mlaznim motorima uporedive snage smanjenjem lansirne mase transportnog sistema . Poseban dizajn instalacije čini je bezbednom za ljude i životnu sredinu na Zemlji.
U 2014. godini u JSC Mashinostroitelny Zavod u Elektrostalu montiran je prvi gorivni element (gorivi element) standardne konstrukcije za ovaj nuklearni električni pogonski sistem, a 2016. godine obavljena su ispitivanja simulatora korpe jezgra reaktora.
Sada (2017. godine) u toku su radovi na izradi konstruktivnih elemenata instalacije i testiranju komponenti i sklopova na maketi, kao i autonomno ispitivanje turbomašinskih sistema za konverziju energije i prototipnih agregata. Završetak radova planiran je za kraj naredne 2018. godine, međutim, od 2015. godine počelo se gomilati zaostatak u rasporedu.
Dakle, čim bude stvorena ova instalacija, Rusija će postati prva zemlja na svijetu koja će posjedovati nuklearne svemirske tehnologije, koje će činiti osnovu ne samo za buduće projekte istraživanja Sunčevog sistema, već i za zemaljsku i vanzemaljsku energiju. . Svemirske nuklearne elektrane mogu se koristiti za stvaranje sistema za daljinski prijenos električne energije na Zemlju ili na svemirske module pomoću elektromagnetnog zračenja. I to će takođe postati napredna tehnologija budućnosti u kojoj će naša zemlja imati vodeću poziciju.
Na osnovu plazma elektromotora koji se razvijaju, kreiraće se moćni pogonski sistemi za daleke letove ljudi u svemir i, pre svega, za istraživanje Marsa, u čiju se orbitu može doći za samo 1,5 mesec, a ne za više od godinu dana, kao kada se koriste konvencionalni hemijski mlazni motori.
A budućnost uvijek počinje revolucijom u energiji. I ništa drugo. Energija je primarna i to je količina utrošene energije koja utiče na tehnički napredak, odbrambenu sposobnost i kvalitet života ljudi.

NASA eksperimentalni plazma raketni motor

Sovjetski astrofizičar Nikolaj Kardašev predložio je skalu razvoja civilizacija još 1964. godine. Prema ovoj skali, nivo tehnološkog razvoja civilizacija zavisi od količine energije koju stanovništvo planete koristi za svoje potrebe. Dakle, civilizacija tipa I koristi sve raspoložive resurse na planeti; Civilizacija tipa II - prima energiju svoje zvijezde u čijem se sistemu nalazi; a civilizacija tipa III koristi dostupnu energiju svoje galaksije. Čovječanstvo još nije sazrelo za civilizaciju tipa I na ovoj skali. Koristimo samo 0,16% ukupne potencijalne energetske rezerve planete Zemlje. To znači da Rusija i cijeli svijet imaju prostora za rast, a ove nuklearne tehnologije će našoj zemlji otvoriti put ne samo u svemir, već i u budući ekonomski prosperitet.
I, možda, jedina opcija za Rusiju u naučno-tehničkoj sferi je da sada napravi revolucionarni iskorak u nuklearnim svemirskim tehnologijama kako bi jednim "skokom" prevazišla višegodišnje zaostajanje za liderima i bila na samom početku nova tehnološka revolucija u narednom ciklusu razvoja ljudske civilizacije. Takva jedinstvena šansa se pruža određenoj zemlji samo jednom u nekoliko vekova.
Nažalost, Rusija, koja u proteklih 25 godina nije posvetila dovoljno pažnje fundamentalnim naukama i kvalitetu visokog i srednjeg obrazovanja, rizikuje da zauvijek izgubi ovu šansu ako se program ukine i nova generacija istraživača ne zamijeni dosadašnje naučnike i naučnike. inženjeri. Geopolitički i tehnološki izazovi sa kojima će se Rusija suočiti za 10-12 godina biće veoma ozbiljni, uporedivi sa pretnjama iz sredine dvadesetog veka. Kako bi se očuvao suverenitet i integritet Rusije u budućnosti, sada je hitno potrebno započeti obuku stručnjaka sposobnih da odgovore na ove izazove i stvore nešto fundamentalno novo.
Ostalo je samo 10 godina da se Rusija pretvori u globalni intelektualni i tehnološki centar, a to se ne može učiniti bez ozbiljne promjene kvaliteta obrazovanja. Za naučno-tehnološki iskorak potrebno je obrazovnom sistemu (i školskom i univerzitetskom) vratiti sistemske poglede na sliku svijeta, naučnu fundamentalnost i ideološki integritet.
Što se tiče trenutne stagnacije u svemirskoj industriji, to nije strašno. Fizički principi na kojima se zasnivaju moderne svemirske tehnologije će dugo biti traženi u sektoru konvencionalnih satelitskih usluga. Podsjetimo, čovječanstvo je koristilo jedro 5,5 hiljada godina, a era pare je trajala skoro 200 godina, a tek u dvadesetom vijeku svijet je počeo naglo da se mijenja, jer se dogodila još jedna naučna i tehnološka revolucija, koja je pokrenula val inovacija i promjena tehnoloških struktura, što je na kraju promijenilo i svjetsku ekonomiju i politiku. Glavna stvar je biti u izvoru ovih promjena.

Često se u općim obrazovnim publikacijama o astronautici ne razlikuje razlika između nuklearnog raketnog motora (NRE) i nuklearnog raketnog električnog pogonskog sistema (NRE). Međutim, ove skraćenice ne kriju samo razliku u principima pretvaranja nuklearne energije u raketni potisak, već i vrlo dramatičnu povijest razvoja astronautike.

Drama historije leži u činjenici da da su istraživanja nuklearnog pogona i nuklearnog pogona i u SSSR-u i u SAD-u nastavljena, koja su obustavljena uglavnom iz ekonomskih razloga, onda bi ljudski letovi na Mars odavno postali uobičajeni.

Sve je počelo sa atmosferskim avionima sa ramjet nuklearnim motorom

Dizajneri u SAD-u i SSSR-u smatrali su da nuklearne instalacije "dišu" sposobne uvući vanjski zrak i zagrijati ga do kolosalnih temperatura. Vjerovatno je ovaj princip stvaranja potiska posuđen od ramjet motora, samo što je umjesto raketnog goriva korištena energija fisije atomskih jezgri uran-dioksida 235.

U SAD-u je takav motor razvijen u sklopu projekta Pluton. Amerikanci su uspjeli stvoriti dva prototipa novog motora - Tory-IIA i Tory-IIC, koji su čak pokretali reaktore. Kapacitet instalacije je trebao biti 600 megavata.

Motori razvijeni u okviru projekta Pluton planirani su za ugradnju na krstareće rakete, koje su 1950-ih stvorene pod oznakom SLAM (Supersonic Low Altitude Missile, supersonic low-altitude raketa).

Sjedinjene Američke Države planirale su da naprave raketu dugu 26,8 metara, prečnik tri metra i tešku 28 tona. Telo rakete je trebalo da sadrži nuklearnu bojevu glavu, kao i nuklearni pogonski sistem dužine 1,6 metara i prečnika 1,5 metara. U poređenju sa drugim veličinama, instalacija je izgledala veoma kompaktno, što objašnjava njen princip rada direktnog protoka.

Programeri su vjerovali da će, zahvaljujući nuklearnom motoru, domet letenja rakete SLAM biti najmanje 182 hiljade kilometara.

Godine 1964. Ministarstvo odbrane SAD je zatvorilo projekat. Zvanični razlog je bio taj što u letu krstareća raketa na nuklearni pogon previše zagađuje sve okolo. Ali u stvari, razlog su bili značajni troškovi održavanja takvih raketa, pogotovo jer se u to vrijeme ubrzano razvijala raketna tehnika bazirana na raketnim motorima na tekuće gorivo, čije je održavanje bilo znatno jeftinije.

SSSR je ostao vjeran ideji ​stvaranje ramjet dizajna za nuklearni motor mnogo duže od Sjedinjenih Država, zatvorivši projekt tek 1985. godine. Ali rezultati su se pokazali mnogo značajnijim. Tako je prvi i jedini sovjetski nuklearni raketni motor razvijen u konstruktorskom birou Khimavtomatika u Voronježu. Ovo je RD-0410 (GRAU indeks - 11B91, također poznat kao “Irbit” i “IR-100”).

RD-0410 je koristio heterogeni reaktor termičkih neutrona, moderator je bio cirkonijum hidrid, reflektori neutrona su bili od berilija, nuklearno gorivo je bio materijal na bazi karbida uranijuma i volframa, sa oko 80% obogaćenja izotopom 235.

Dizajn je uključivao 37 gorivih sklopova, prekrivenih toplinskom izolacijom koja ih je odvajala od moderatora. Projektom je predviđeno da tok vodonika prvo prolazi kroz reflektor i moderator, održavajući njihovu temperaturu na sobnoj temperaturi, a zatim ulazi u jezgro, gdje hladi gorivne sklopove, zagrijavajući se do 3100 K. Na štandu su reflektor i moderator bili hladi odvojenim vodonikom.

Reaktor je prošao kroz značajnu seriju testova, ali nikada nije testiran za njegovo puno trajanje. Međutim, vanjske komponente reaktora bile su potpuno iscrpljene.

Tehničke karakteristike RD 0410

Potisak u praznini: 3,59 tf (35,2 kN)
Toplinska snaga reaktora: 196 MW
Specifični impuls potiska u vakuumu: 910 kgf s/kg (8927 m/s)
Broj startova: 10
Radni resurs: 1 sat
Komponente goriva: radni fluid - tečni vodonik, pomoćna supstanca - heptan
Težina sa zaštitom od zračenja: 2 tone
Dimenzije motora: visina 3,5 m, prečnik 1,6 m.

Relativno male ukupne dimenzije i težina, visoka temperatura nuklearnog goriva (3100 K) sa efikasnim sistemom hlađenja sa protokom vodonika ukazuju da je RD0410 gotovo idealan prototip nuklearnog pogonskog motora za moderne krstareće rakete. A, uzimajući u obzir moderne tehnologije za proizvodnju samozaustavljivog nuklearnog goriva, povećanje resursa sa jednog sata na nekoliko sati je vrlo stvaran zadatak.

Dizajn nuklearnih raketnih motora

Nuklearni raketni motor (NRE) je mlazni motor u kojem energija stvorena tokom nuklearnog raspada ili reakcije fuzije zagrijava radni fluid (najčešće vodik ili amonijak).

Postoje tri tipa nuklearnih pogonskih motora ovisno o vrsti goriva za reaktor:

• čvrsta faza;
• tečna faza;
• gasna faza.

Najkompletnija je solid-fazna verzija motora. Na slici je prikazan dijagram najjednostavnijeg nuklearnog motora s reaktorom na čvrsto nuklearno gorivo. Radni fluid se nalazi u spoljnom rezervoaru. Pomoću pumpe se dovodi u komoru motora. U komori se radni fluid raspršuje pomoću mlaznica i dolazi u kontakt sa nuklearnim gorivom koje stvara gorivo. Kada se zagrije, širi se i velikom brzinom izleti iz komore kroz mlaznicu.

U nuklearnim pogonskim motorima u gasnoj fazi gorivo (na primjer, uranij) i radni fluid su u plinovitom stanju (u obliku plazme) i drže se u radnom području pomoću elektromagnetnog polja. Uranijumska plazma zagrijana na desetine hiljada stepeni prenosi toplotu na radni fluid (na primer, vodonik), koji zauzvrat, zagrejan na visoke temperature, formira mlazni tok.

Na osnovu vrste nuklearne reakcije, razlikuje se radioizotopni raketni motor, termonuklearni raketni motor i sam nuklearni motor (koristi se energija nuklearne fisije).

Zanimljiva opcija je i pulsni nuklearni raketni motor - predlaže se korištenje nuklearnog punjenja kao izvora energije (goriva). Takve instalacije mogu biti unutrašnje i vanjske.

Glavne prednosti nuklearnih motora su:

• visok specifični impuls;
• značajne rezerve energije;
• kompaktnost pogonskog sistema;
• mogućnost dobijanja veoma velikog potiska - desetine, stotine i hiljade tona u vakuumu.

Glavni nedostatak je velika opasnost od zračenja pogonskog sistema:

• tokovi prodornog zračenja (gama zračenje, neutroni) tokom nuklearnih reakcija;
• uklanjanje visoko radioaktivnih spojeva uranijuma i njegovih legura;
• oticanje radioaktivnih gasova sa radnim fluidom.

Nuklearni pogonski sistem

S obzirom da je nemoguće dobiti pouzdane informacije o nuklearnim elektranama iz publikacija, uključujući i iz znanstvenih članaka, princip rada takvih instalacija najbolje je razmotriti na primjerima otvorenih patentnih materijala, iako oni sadrže know-how.

Na primjer, izvanredni ruski naučnik Anatolij Sazonovič Korotejev, autor izuma pod patentom, pružio je tehničko rješenje za sastav opreme za moderan YARDU. U nastavku donosim dio pomenutog patentnog dokumenta doslovno i bez komentara.

Suštinu predloženog tehničkog rješenja ilustruje dijagram prikazan na crtežu. Nuklearni pogonski sistem koji radi u pogonsko-energetskom režimu sadrži električni pogonski sistem (EPS) (primjer dijagrama prikazuje dva električna raketna motora 1 i 2 s odgovarajućim sistemima napajanja 3 i 4), reaktorsku instalaciju 5, turbinu 6, kompresor 7, generator 8, izmjenjivač topline-rekuperator 9, Ranck-Hilsch vrtložna cijev 10, hladnjak-radijator 11. U ovom slučaju, turbina 6, kompresor 7 i generator 8 su spojeni u jednu jedinicu - turbogenerator-kompresor. Nuklearna pogonska jedinica je opremljena cjevovodima 12 radnog fluida i električnim vodovima 13 koji povezuju generator 8 i električni pogon. Izmjenjivač-rekuperator topline 9 ima takozvane visokotemperaturne 14 i niskotemperaturne 15 ulaze radnog fluida, kao i visokotemperaturne 16 i niskotemperaturne 17 izlaze radnog fluida.

Izlaz reaktorske jedinice 5 povezan je sa ulazom turbine 6, izlaz turbine 6 povezan je sa visokotemperaturnim ulazom 14 izmenjivača toplote-rekuperatora 9. Niskotemperaturni izlaz 15 izmenjivača toplote-rekuperatora 9 spojen je na ulaz u Ranck-Hilsch vrtložnu cijev 10. Ranck-Hilsch vortex cijev 10 ima dva izlaza od kojih je jedan (preko „vruće“ radne tekućine) povezan sa hladnjakom hladnjaka 11, a drugi ( preko „hladnog” radnog fluida) spojen je na ulaz kompresora 7. Izlaz hladnjaka radijatora 11 je takođe povezan sa ulazom u kompresor 7. Izlaz kompresora 7 je povezan sa niskotemperaturnim ulazom 15 za izmjenjivač topline-rekuperator 9. Visokotemperaturni izlaz 16 izmjenjivača-rekuperatora topline 9 povezan je sa ulazom u reaktorsku instalaciju 5. Dakle, glavni elementi nuklearne elektrane su međusobno povezani jednim krugom radnog fluida. .

Nuklearna elektrana radi na sljedeći način. Radni fluid zagrejan u reaktorskoj instalaciji 5 šalje se u turbinu 6, koja obezbeđuje rad kompresora 7 i generatora 8 turbogeneratora-kompresora. Generator 8 proizvodi električnu energiju, koja se putem električnih vodova 13 šalje do električnih raketnih motora 1 i 2 i njihovih sistema napajanja 3 i 4, osiguravajući njihov rad. Nakon izlaska iz turbine 6, radni fluid se kroz visokotemperaturni ulaz 14 šalje u izmjenjivač topline-rekuperator 9, gdje se radni fluid djelimično hladi.

Zatim se iz niskotemperaturnog izlaza 17 izmjenjivača topline-rekuperatora 9 radni fluid usmjerava u Ranque-Hilsch vrtložnu cijev 10, unutar koje se strujanje radnog fluida dijeli na "vruću" i "hladnu" komponentu. „Vrući” deo radnog fluida zatim odlazi u frižider-emiter 11, gde se ovaj deo radnog fluida efikasno hladi. “Hladni” dio radnog fluida ide do ulaza u kompresor 7, a nakon hlađenja tamo slijedi i dio radnog fluida koji napušta hladnjak 11.

Kompresor 7 napaja hlađeni radni fluid u izmenjivač toplote-rekuperator 9 kroz niskotemperaturni ulaz 15. Ovaj hlađeni radni fluid u izmenjivaču-rekuperatoru toplote 9 obezbeđuje delimično hlađenje protivtoka radnog fluida koji ulazi u izmenjivač-rekuperator toplote. 9 od turbine 6 preko visokotemperaturnog ulaza 14. Zatim, delimično zagrejani radni fluid (zbog razmene toplote sa protivtokom radnog fluida iz turbine 6) iz izmenjivača toplote-rekuperatora 9 kroz visokotemperaturni izlaz 16 ponovo ulazi u reaktorsku instalaciju 5, ciklus se ponovo ponavlja.

Dakle, jedan radni fluid koji se nalazi u zatvorenoj petlji osigurava kontinuirani rad nuklearne elektrane, a korištenje Ranque-Hilsch vrtložne cijevi kao dijela nuklearne elektrane u skladu s traženim tehničkim rješenjem poboljšava karakteristike težine i veličine. nuklearne elektrane, povećava pouzdanost njenog rada, pojednostavljuje njen dizajn i omogućava povećanje efikasnosti nuklearnih elektrana uopšte.

Linkovi:

Nuklearni raketni motor je raketni motor čiji se princip rada zasniva na nuklearnoj reakciji ili radioaktivnom raspadu, koji oslobađa energiju koja zagrijava radnu tekućinu, a to mogu biti produkti reakcije ili neke druge tvari, poput vodika. Postoji nekoliko tipova raketnih motora koji koriste gore opisani princip rada: nuklearni, radioizotopni, termonuklearni. Korištenjem nuklearnih raketnih motora moguće je dobiti specifične impulsne vrijednosti znatno veće od onih koje se mogu postići kemijskim raketnim motorima. Visoka vrijednost specifičnog impulsa objašnjava se velikom brzinom istjecanja radnog fluida - oko 8-50 km/s. Sila potiska nuklearnog motora je uporediva sa onom kod hemijskih motora, što će omogućiti da se u budućnosti svi hemijski motori zamene nuklearnim.

Glavna prepreka potpunoj zamjeni je radioaktivno zagađenje uzrokovano nuklearnim raketnim motorima.

Dijele se u dvije vrste - čvrstu i plinovitu fazu. U prvom tipu motora fisijski materijal se postavlja u sklopove šipki sa razvijenom površinom. Ovo omogućava efikasno zagrevanje gasovitog radnog fluida, obično vodonik deluje kao radni fluid. Brzina ispuha ograničena je maksimalnom temperaturom radnog fluida, koja zauzvrat direktno zavisi od maksimalno dozvoljene temperature strukturnih elemenata, a ne prelazi 3000 K. U nuklearnim raketnim motorima u gasnoj fazi fisiona supstanca je u gasovitom stanju. Njegovo zadržavanje u radnom području vrši se djelovanjem elektromagnetnog polja. Za ovu vrstu nuklearnih raketnih motora konstrukcijski elementi nisu ograničavajući faktor, pa brzina ispuštanja radnog fluida može prelaziti 30 km/s. Mogu se koristiti kao motori prve faze, uprkos curenju fisijskog materijala.

70-ih godina XX vijek U SAD-u i Sovjetskom Savezu aktivno su testirani nuklearni raketni motori s fisionom tvari u čvrstoj fazi. U Sjedinjenim Državama se razvijao program za stvaranje eksperimentalnog nuklearnog raketnog motora kao dio programa NERVA.

Amerikanci su razvili grafitni reaktor hlađen tečnim vodonikom, koji se zagrijavao, isparavao i izbacivao kroz raketnu mlaznicu. Izbor grafita bio je zbog njegove temperaturne otpornosti. Prema ovom projektu, specifični impuls nastalog motora trebao je biti dvostruko veći od odgovarajuće brojke karakteristične za kemijske motore, s potiskom od 1100 kN. Reaktor Nerva je trebao raditi u sklopu treće faze rakete-nosača Saturn V, ali zbog zatvaranja lunarnog programa i nedostatka drugih zadataka za raketne motore ove klase, reaktor nikada nije testiran u praksi.

Nuklearni raketni motor u gasnoj fazi je trenutno u fazi teoretskog razvoja. Nuklearni motor u gasnoj fazi uključuje korištenje plutonijuma, čija je gasna struja koja se sporo kreće okružena bržim protokom rashladnog vodonika. Eksperimenti su sprovedeni na orbitalnim svemirskim stanicama MIR i ISS koji bi mogli dati podsticaj daljem razvoju motora u gasnoj fazi.

Danas možemo reći da je Rusija malo „zamrznula“ svoja istraživanja u oblasti nuklearnih pogonskih sistema. Rad ruskih naučnika je više fokusiran na razvoj i unapređenje osnovnih komponenti i sklopova nuklearnih elektrana, kao i njihovo ujedinjenje. Prioritetni pravac daljih istraživanja u ovoj oblasti je stvaranje nuklearnih pogonskih sistema sposobnih za rad na dva načina. Prvi je način rada nuklearnog raketnog motora, a drugi je instalacijski način proizvodnje električne energije za napajanje opreme instalirane na brodu.

sljedeće:ELECTRIC METER
Prethodno: