Motores de cohetes nucleares y sistemas de propulsión eléctrica de cohetes nucleares. Los motores a reacción nucleares son el futuro de la astronáutica
Encontré un artículo interesante. En general, las naves espaciales nucleares siempre me han interesado. Este es el futuro de la astronáutica. En la URSS también se llevó a cabo un amplio trabajo sobre este tema. El artículo trata solo sobre ellos.
Al espacio sobre la energía nuclear. Sueños y realidad.
Doctor en Ciencias Físicas y Matemáticas Yu. Stavissky.
En 1950 defendí mi diploma de ingeniero físico en el Instituto Mecánico de Moscú (MMI) del Ministerio de Municiones. Cinco años antes, en 1945, se formó allí la Facultad de Ingeniería y Física, que formaba especialistas para la nueva industria, cuyas tareas incluían principalmente la producción de armas nucleares. La facultad era insuperable. Además de la física fundamental en el ámbito de los cursos universitarios (métodos de física matemática, teoría de la relatividad, mecánica cuántica, electrodinámica, física estadística y otras), nos enseñaron una gama completa de disciplinas de ingeniería: química, metalurgia, resistencia de materiales, teoría. de mecanismos y máquinas, etc. Creada por el destacado físico soviético Alexander Ilyich Leypunsky, la Facultad de Ingeniería y Física del MMI creció con el tiempo hasta convertirse en el Instituto de Ingeniería y Física de Moscú (MEPhI). En el Instituto de Ingeniería Energética de Moscú (MPEI) se formó otra facultad de ingeniería y física, que más tarde también se fusionó con MEPhI, pero si en el MMI el énfasis principal estaba en la física fundamental, en el Instituto de Energía se centraba en la física térmica y eléctrica.
Estudiamos la mecánica cuántica del libro de Dmitry Ivanovich Blokhintsev. Imagínense mi sorpresa cuando, tras una asignación, me enviaron a trabajar con él. Yo, un ávido experimentador (de niño desarmé todos los relojes de la casa), y de repente me encuentro con un teórico famoso. Me invadió un ligero pánico, pero al llegar al lugar, el "Objeto B" del Ministerio del Interior de la URSS en Obninsk, inmediatamente me di cuenta de que me estaba preocupando en vano.
En ese momento, el tema principal del "Objeto B", que hasta junio de 1950 estuvo encabezado por A.I. Leypunsky, ya se ha formado. Aquí crearon reactores con reproducción ampliada de combustible nuclear: "reproductores rápidos". Como director, Blokhintsev inició el desarrollo de una nueva dirección: la creación de motores de propulsión nuclear para vuelos espaciales. Dominar el espacio fue el sueño de Dmitry Ivanovich durante mucho tiempo; incluso en su juventud mantuvo correspondencia y se reunió con K.E. Tsiolkovsky. Creo que comprender las gigantescas posibilidades de la energía nuclear, cuyo poder calorífico es millones de veces superior al de los mejores combustibles químicos, determinó el camino de vida de D.I. Blokhintseva.
“No se puede ver cara a cara”... En aquellos años no entendíamos mucho. Sólo ahora, cuando finalmente ha surgido la oportunidad de comparar los hechos y destinos de los destacados científicos del Instituto de Física y Energía (PEI), el antiguo "Objeto B", rebautizado el 31 de diciembre de 1966, es correcto, como parece. Para mí, la comprensión de las ideas que los motivaron en ese momento surgieron. Con toda la variedad de actividades que tuvo que afrontar el instituto, es posible identificar áreas científicas prioritarias que estaban en la esfera de intereses de sus principales físicos.
El principal interés de AIL (como llamaban a Alexander Ilyich Leypunsky a sus espaldas en el instituto) es el desarrollo de energía global basada en reactores reproductores rápidos (reactores nucleares que no tienen restricciones en los recursos de combustible nuclear). Es difícil sobreestimar la importancia de este problema verdaderamente “cósmico”, al que dedicó el último cuarto de siglo de su vida. Leypunsky dedicó mucha energía a la defensa del país, en particular a la creación de motores nucleares para submarinos y aviones pesados.
Intereses D.I. Blokhintsev (recibió el apodo de "D.I") tenían como objetivo resolver el problema del uso de energía nuclear para vuelos espaciales. Desafortunadamente, a finales de la década de 1950 se vio obligado a abandonar este trabajo y liderar la creación de un centro científico internacional: el Instituto Conjunto de Investigaciones Nucleares en Dubna. Allí trabajó en reactores rápidos pulsados: IBR. Esto se convirtió en el último gran acontecimiento de su vida.
Un objetivo, un equipo
DI. Blokhintsev, que enseñó en la Universidad Estatal de Moscú a finales de la década de 1940, se dio cuenta en ese momento de invitar al joven físico Igor Bondarenko, que literalmente hablaba maravillas de las naves espaciales de propulsión nuclear, a trabajar en Obninsk. Su primer supervisor científico fue A.I. Leypunsky e Igor, por supuesto, abordaron su tema: los reproductores rápidos.
Bajo D.I. Blokhintsev, se formó un grupo de científicos en torno a Bondarenko, que se unieron para resolver los problemas del uso de la energía atómica en el espacio. Además de Igor Ilich Bondarenko, formaban parte del grupo: Viktor Yakovlevich Pupko, Edwin Aleksandrovich Stumbur y el autor de estas líneas. El principal ideólogo fue Igor. Edwin realizó estudios experimentales de modelos terrestres de reactores nucleares en instalaciones espaciales. Trabajé principalmente en motores de cohetes de "bajo empuje" (el empuje en ellos se crea mediante una especie de acelerador: la "propulsión de iones", que funciona con energía de una planta de energía nuclear espacial). Investigamos los procesos.
fluyendo en propulsores de iones, en soportes terrestres.
Sobre Viktor Pupko (en el futuro
se convirtió en jefe del departamento de tecnología espacial del IPPE) hubo mucho trabajo organizativo. Igor Ilich Bondarenko fue un físico destacado. Tenía un agudo sentido de la experimentación y llevó a cabo experimentos sencillos, elegantes y muy eficaces. Creo que ningún experimentalista, y quizás pocos teóricos, “sintieron” la física fundamental. Siempre receptivo, abierto y amigable, Igor fue verdaderamente el alma del instituto. Hasta el día de hoy, el IPPE vive de sus ideas. Bondarenko vivió una vida injustificadamente corta. En 1964, a la edad de 38 años, murió trágicamente por error médico. Era como si Dios, al ver cuánto había hecho el hombre, decidiera que era demasiado y ordenara: “Basta”.
Es imposible no recordar otra personalidad única: Vladimir Aleksandrovich Malykh, un tecnólogo "de Dios", un moderno zurdo de Leskovsky. Si los "productos" de los científicos antes mencionados eran principalmente ideas y estimaciones calculadas de su realidad, entonces las obras de Malykh siempre tuvieron un resultado "en metal". Su sector tecnológico, que en la época del apogeo del IPPE contaba con más de dos mil empleados, podía hacer cualquier cosa, sin exagerar. Además, él mismo siempre desempeñó el papel clave.
VIRGINIA. Malykh comenzó como asistente de laboratorio en el Instituto de Investigación de Física Nuclear de la Universidad Estatal de Moscú, después de haber completado tres cursos de física, la guerra no le permitió completar sus estudios; A finales de los años 40 logró crear una tecnología para la producción de cerámica técnica basada en óxido de berilio, un material dieléctrico único con alta conductividad térmica. Antes de Malykh, muchos lucharon sin éxito con este problema. Y la pila de combustible basada en acero inoxidable comercial y uranio natural, desarrollada por él para la primera central nuclear, es un milagro en aquellos tiempos y aún hoy. O el elemento combustible termoiónico del reactor-generador eléctrico creado por Malykh para alimentar naves espaciales: "guirnalda". Hasta ahora no ha aparecido nada mejor en este ámbito. Las creaciones de Malykh no eran juguetes de demostración, sino elementos de tecnología nuclear. Trabajaron durante meses y años. Vladimir Aleksandrovich se convirtió en Doctor en Ciencias Técnicas, premio Lenin y Héroe del Trabajo Socialista. En 1964, murió trágicamente a causa de las consecuencias de un impacto de bala militar.
Paso a paso
SP Korolev y D.I. Blokhintsev ha alimentado durante mucho tiempo el sueño de los vuelos espaciales tripulados. Se establecieron estrechos vínculos de trabajo entre ellos. Pero a principios de la década de 1950, en el apogeo de la Guerra Fría, no se escatimó en gastos sólo para fines militares. La tecnología de cohetes se consideraba únicamente como portadora de cargas nucleares y ni siquiera se pensaba en los satélites. Mientras tanto, Bondarenko, conociendo los últimos logros de los científicos espaciales, abogó persistentemente por la creación de un satélite terrestre artificial. Posteriormente nadie se acordó de esto.
Es interesante la historia de la creación del cohete que llevó al espacio al primer cosmonauta del planeta, Yuri Gagarin. Esto está relacionado con el nombre de Andrei Dmitrievich Sakharov. A finales de la década de 1940, desarrolló una carga combinada de fisión y termonuclear, la “puff”, aparentemente independientemente del “padre de la bomba de hidrógeno”, Edward Teller, quien propuso un producto similar llamado “reloj despertador”. Sin embargo, Teller pronto se dio cuenta de que una carga nuclear de tal diseño tendría una potencia "limitada", no más de ~ 500 kilotones de tonelada equivalente. Esto no es suficiente para un arma "absoluta", por lo que se abandonó el "despertador". En la Unión, en 1953, la pasta de hojaldre RDS-6 de Sajarov explotó.
Después de las pruebas exitosas y la elección de Sajarov como académico, el entonces jefe del Ministerio de Construcción de Maquinaria Mediana, V.A. Malyshev lo invitó a su casa y le asignó la tarea de determinar los parámetros de la bomba de próxima generación. Andrei Dmitrievich estimó (sin un estudio detallado) el peso de la nueva carga, mucho más poderosa. El informe de Sajarov sirvió de base para una resolución del Comité Central del PCUS y del Consejo de Ministros de la URSS, que obligaba a S.P. Korolev desarrollará un vehículo de lanzamiento balístico para esta carga. Fue precisamente este cohete R-7 llamado “Vostok” el que puso en órbita un satélite terrestre artificial en 1957 y una nave espacial con Yuri Gagarin en 1961. No había planes de utilizarlo como portador de una carga nuclear pesada, ya que el desarrollo de armas termonucleares tomó un camino diferente.
En la etapa inicial del programa nuclear espacial, IPPE, junto con Design Bureau V.N. Chelomeya estaba desarrollando un misil de crucero nuclear. Esta dirección no se desarrolló por mucho tiempo y terminó con los cálculos y pruebas de los elementos del motor creados en el departamento de V.A. Malykha. En esencia, estábamos hablando de un avión no tripulado de vuelo bajo con un motor nuclear estatorreactor y una ojiva nuclear (una especie de análogo nuclear del "bicho zumbador", el V-1 alemán). El sistema se lanzó utilizando propulsores de cohetes convencionales. Después de alcanzar una velocidad determinada, el empuje se creaba mediante aire atmosférico calentado mediante una reacción en cadena de fisión de óxido de berilio impregnado de uranio enriquecido.
En términos generales, la capacidad de un cohete para realizar una determinada tarea astronáutica está determinada por la velocidad que adquiere después de agotar todo el suministro de fluido de trabajo (combustible y oxidante). Se calcula utilizando la fórmula de Tsiolkovsky: V = c×lnMn/ Mk, donde c es la velocidad de escape del fluido de trabajo, y Mn y Mk son la masa inicial y final del cohete. En los cohetes químicos convencionales, la velocidad de escape está determinada por la temperatura en la cámara de combustión, el tipo de combustible y oxidante y el peso molecular de los productos de combustión. Por ejemplo, los estadounidenses utilizaron hidrógeno como combustible en el módulo de descenso para llevar a los astronautas a la Luna. El producto de su combustión es agua, cuyo peso molecular es relativamente bajo y el caudal es 1,3 veces mayor que cuando se quema queroseno. Esto es suficiente para que el vehículo de descenso con astronautas llegue a la superficie de la Luna y luego los devuelva a la órbita de su satélite artificial. El trabajo de Korolev con combustible de hidrógeno fue suspendido debido a un accidente con víctimas humanas. No tuvimos tiempo de crear un módulo de aterrizaje lunar para humanos.
Una de las formas de aumentar significativamente la tasa de escape es crear cohetes térmicos nucleares. Para nosotros se trataba de misiles nucleares balísticos (BAR) con un alcance de varios miles de kilómetros (un proyecto conjunto de OKB-1 e IPPE), mientras que para los estadounidenses se utilizaron sistemas similares del tipo "Kiwi". Los motores se probaron en sitios de pruebas cerca de Semipalatinsk y Nevada. El principio de su funcionamiento es el siguiente: el hidrógeno se calienta en un reactor nuclear a altas temperaturas, pasa al estado atómico y de esta forma sale del cohete. En este caso, la velocidad de escape aumenta más de cuatro veces en comparación con un cohete de hidrógeno químico. La cuestión era saber a qué temperatura se podía calentar el hidrógeno en un reactor con elementos combustibles sólidos. Los cálculos dieron alrededor de 3000°K.
En NII-1, cuyo director científico era Mstislav Vsevolodovich Keldysh (entonces presidente de la Academia de Ciencias de la URSS), el departamento de V.M. Ievleva, con la participación del IPPE, estaba trabajando en un esquema completamente fantástico: un reactor en fase gaseosa en el que se produce una reacción en cadena en una mezcla de gases de uranio e hidrógeno. El hidrógeno sale de un reactor de este tipo diez veces más rápido que de un reactor de combustible sólido, mientras que el uranio se separa y permanece en el núcleo. Una de las ideas implicaba el uso de la separación centrífuga, cuando una mezcla de gases calientes de uranio e hidrógeno es "agitada" por el hidrógeno frío entrante, como resultado de lo cual el uranio y el hidrógeno se separan, como en una centrífuga. De hecho, Ievlev intentó reproducir directamente los procesos en la cámara de combustión de un cohete químico, utilizando como fuente de energía no el calor de la combustión del combustible, sino la reacción en cadena de la fisión. Esto abrió el camino al pleno aprovechamiento de la capacidad energética de los núcleos atómicos. Pero la cuestión de la posibilidad de que salga hidrógeno puro (sin uranio) del reactor seguía sin resolverse, sin mencionar los problemas técnicos asociados con el mantenimiento de mezclas de gases a alta temperatura a presiones de cientos de atmósferas.
El trabajo del IPPE sobre misiles nucleares balísticos terminó en 1969-1970 con "pruebas de fuego" en el polígono de pruebas de Semipalatinsk de un prototipo de motor de cohete nuclear con elementos de combustible sólido. Fue creado por IPPE en cooperación con Voronezh Design Bureau A.D. Konopatov, el Instituto de Investigación de Moscú-1 y varios otros grupos tecnológicos. La base del motor con un empuje de 3,6 toneladas era el reactor nuclear IR-100 con elementos combustibles hechos de una solución sólida de carburo de uranio y carburo de circonio. La temperatura del hidrógeno alcanzó los 3000°K con una potencia del reactor de ~170 MW.
Cohetes nucleares de bajo empuje
Hasta ahora hemos estado hablando de cohetes con un empuje superior a su peso, que podrían lanzarse desde la superficie de la Tierra. En tales sistemas, aumentar la velocidad de escape permite reducir el suministro de fluido de trabajo, aumentar la carga útil y eliminar la operación de múltiples etapas. Sin embargo, existen formas de lograr velocidades de salida prácticamente ilimitadas, por ejemplo, la aceleración de la materia mediante campos electromagnéticos. Trabajé en este ámbito en estrecha colaboración con Igor Bondarenko durante casi 15 años.
La aceleración de un cohete con motor de propulsión eléctrica (EPE) está determinada por la relación entre la potencia específica de la central nuclear espacial (SNPP) instalada en él y la velocidad de escape. En un futuro previsible, la potencia específica de la KNPP aparentemente no superará 1 kW/kg. En este caso, es posible crear cohetes con un empuje reducido, decenas y cientos de veces menor que el peso del cohete, y con un consumo muy bajo de fluido de trabajo. Un cohete de este tipo sólo puede lanzarse desde la órbita de un satélite terrestre artificial y, acelerando lentamente, alcanzar altas velocidades.
Para vuelos dentro del Sistema Solar se necesitan cohetes con una velocidad de escape de 50-500 km/s, y para vuelos a las estrellas, “cohetes de fotones” que van más allá de nuestra imaginación con una velocidad de escape igual a la velocidad de la luz. Para realizar un vuelo espacial de larga distancia en un tiempo razonable se necesita una densidad de potencia inimaginable de las centrales eléctricas. Todavía no es posible ni siquiera imaginar en qué procesos físicos podrían basarse.
Los cálculos han demostrado que durante la Gran Confrontación, cuando la Tierra y Marte están más cerca uno del otro, es posible volar una nave espacial nuclear con una tripulación a Marte en un año y devolverla a la órbita de un satélite terrestre artificial. El peso total de un barco de este tipo es de unas 5 toneladas (incluido el suministro del fluido de trabajo, el cesio, equivalente a 1,6 toneladas). Está determinado principalmente por la masa del KNPP con una potencia de 5 MW, y el empuje del chorro está determinado por un haz de dos megavatios de iones de cesio con una energía de 7 kiloelectronvoltios *. La nave despega desde la órbita de un satélite terrestre artificial, entra en la órbita de un satélite de Marte y deberá descender a su superficie en un dispositivo con un motor químico de hidrógeno, similar al lunar estadounidense.
A este ámbito se dedicó una gran serie de trabajos IPPE, basados en soluciones técnicas que ya son posibles hoy en día.
Propulsión de iones
En aquellos años se discutía la posibilidad de crear diversos sistemas de propulsión eléctrica para naves espaciales, como por ejemplo “cañones de plasma”, aceleradores electrostáticos de “polvo” o gotas de líquido. Sin embargo, ninguna de las ideas tenía una base física clara. El descubrimiento fue la ionización superficial del cesio.
En los años 20 del siglo pasado, el físico estadounidense Irving Langmuir descubrió la ionización superficial de los metales alcalinos. Cuando un átomo de cesio se evapora de la superficie de un metal (en nuestro caso, tungsteno), cuya función de trabajo electrónico es mayor que el potencial de ionización del cesio, en casi el 100% de los casos pierde un electrón débilmente unido y resulta ser un solo ion cargado. Así, la ionización superficial de cesio sobre tungsteno es el proceso físico que permite crear un dispositivo de propulsión iónica con un aprovechamiento casi del 100% del fluido de trabajo y con una eficiencia energética cercana a la unidad.
Nuestro colega Stal Yakovlevich Lebedev desempeñó un papel importante en la creación de modelos de un sistema de propulsión iónica de este tipo. Con su férrea tenacidad y perseverancia, superó todos los obstáculos. Como resultado, fue posible reproducir en metal un circuito plano de propulsión de iones de tres electrodos. El primer electrodo es una placa de tungsteno de aproximadamente 10x10 cm con un potencial de +7 kV, el segundo es una rejilla de tungsteno con un potencial de -3 kV y el tercero es una rejilla de tungsteno toriado con potencial cero. La "pistola molecular" produjo un rayo de vapor de cesio que, a través de todas las rejillas, cayó sobre la superficie de la placa de tungsteno. Para medir la “fuerza”, es decir, el empuje del haz de iones, se utilizó una placa de metal equilibrada y calibrada, la llamada balanza.
El voltaje de aceleración a la primera rejilla acelera los iones de cesio a 10.000 eV, el voltaje de desaceleración a la segunda rejilla los ralentiza a 7.000 eV. Esta es la energía con la que los iones deben abandonar el propulsor, lo que corresponde a una velocidad de escape de 100 km/s. Pero un haz de iones, limitado por la carga espacial, no puede “ir al espacio exterior”. La carga volumétrica de los iones debe ser compensada por electrones para formar un plasma casi neutro, que se propaga libremente en el espacio y genera un empuje reactivo. La fuente de electrones para compensar la carga volumétrica del haz de iones es la tercera rejilla (cátodo) calentada por corriente. La segunda rejilla de "bloqueo" evita que los electrones pasen del cátodo a la placa de tungsteno.
La primera experiencia con el modelo de propulsión iónica marcó el inicio de más de diez años de trabajo. Uno de los últimos modelos, con un emisor poroso de tungsteno, creado en 1965, producía un "empuje" de unos 20 g con una corriente de haz de iones de 20 A, tenía una tasa de utilización de energía de aproximadamente el 90% y de materia del 95%.
Conversión directa del calor nuclear en electricidad
Aún no se han encontrado formas de convertir directamente la energía de fisión nuclear en energía eléctrica. Todavía no podemos prescindir de un eslabón intermedio: un motor térmico. Dado que su eficiencia es siempre menor que uno, el calor “desperdiciado” debe colocarse en algún lugar. No hay problemas con esto en tierra, agua o aire. En el espacio sólo hay un camino: la radiación térmica. Por lo tanto, KNPP no puede prescindir de un “refrigerador-emisor”. La densidad de radiación es proporcional a la cuarta potencia de la temperatura absoluta, por lo que la temperatura del frigorífico radiante debe ser lo más alta posible. Entonces será posible reducir el área de la superficie radiante y, en consecuencia, la masa de la central eléctrica. Se nos ocurrió la idea de utilizar la conversión “directa” del calor nuclear en electricidad, sin turbina ni generador, lo que parecía más fiable para un funcionamiento a largo plazo a altas temperaturas.
Por la literatura conocíamos las obras de A.F. Ioffe: fundador de la escuela soviética de física técnica, pionero en la investigación de semiconductores en la URSS. Pocas personas recuerdan ahora las fuentes actuales que desarrolló y que se utilizaron durante la Gran Guerra Patria. En ese momento, más de un destacamento partidista tenía contacto con el continente gracias a los TEG de "queroseno", generadores termoeléctricos Ioffe. Se colocó una "corona" hecha de TEG (era un conjunto de elementos semiconductores) sobre una lámpara de queroseno y sus cables se conectaron a equipos de radio. Los extremos "calientes" de los elementos se calentaron con la llama de una lámpara de queroseno, los extremos "fríos" se enfriaron con aire. El flujo de calor, al pasar a través del semiconductor, generó una fuerza electromotriz, que fue suficiente para una sesión de comunicación, y en los intervalos entre ellas el TEG cargaba la batería. Cuando, diez años después de la Victoria, visitamos la planta de TEG de Moscú, resultó que todavía se estaban vendiendo. Muchos aldeanos tenían entonces radios Rodina económicas con lámparas de calor directo, alimentadas por una batería. En su lugar, a menudo se utilizaban TAG.
El problema del queroseno TEG es su baja eficiencia (sólo alrededor del 3,5%) y su baja temperatura máxima (350°K). Pero la simplicidad y confiabilidad de estos dispositivos atrajeron a los desarrolladores. Así, los convertidores de semiconductores desarrollados por el grupo de I.G. Gverdtsiteli del Instituto de Física y Tecnología de Sujumi encontró aplicación en instalaciones espaciales del tipo Buk.
Hubo un tiempo en que A.F. Ioffe propuso otro convertidor termoiónico: un diodo en el vacío. El principio de su funcionamiento es el siguiente: el cátodo calentado emite electrones, algunos de ellos, superando el potencial del ánodo, funcionan. Se esperaba una eficiencia mucho mayor (20-25%) de este dispositivo a temperaturas de funcionamiento superiores a 1000°K. Además, a diferencia de un semiconductor, un diodo de vacío no teme a la radiación de neutrones y puede combinarse con un reactor nuclear. Sin embargo, resultó que era imposible implementar la idea de un convertidor Ioffe de “vacío”. Al igual que en un dispositivo de propulsión de iones, en un convertidor de vacío es necesario deshacerse de la carga espacial, pero esta vez no iones, sino electrones. A. F. Ioffe pretendía utilizar espacios de micras entre el cátodo y el ánodo en un convertidor de vacío, lo que es prácticamente imposible en condiciones de altas temperaturas y deformaciones térmicas. Aquí es donde el cesio resulta útil: ¡un ion de cesio producido por ionización superficial en el cátodo compensa la carga espacial de unos 500 electrones! En esencia, un convertidor de cesio es un dispositivo de propulsión de iones "invertidos". Los procesos físicos en ellos están cerca.
“Guirnaldas” de V.A. Malykha
Uno de los resultados del trabajo de IPPE en convertidores termoiónicos fue la creación de V.A. Malykh y la producción en serie en su departamento de elementos combustibles a partir de convertidores termoiónicos conectados en serie: "guirnaldas" para el reactor Topaz. Proporcionaban hasta 30 V, cien veces más que los convertidores de un solo elemento creados por "organizaciones competidoras", el grupo de Leningrado M.B. Barabash y más tarde, el Instituto de Energía Atómica. Esto hizo posible "eliminar" decenas y cientos de veces más potencia del reactor. Sin embargo, la confiabilidad del sistema, repleto de miles de elementos termoiónicos, generó preocupación. Al mismo tiempo, las plantas de turbinas de vapor y de gas funcionaban sin fallos, por lo que también prestamos atención a la conversión "máquina" del calor nuclear en electricidad.
Toda la dificultad radica en el recurso, porque en los vuelos espaciales de larga distancia los turbogeneradores deben funcionar durante un año, dos o incluso varios años. Para reducir el desgaste, las “revoluciones” (velocidad de rotación de la turbina) deben ser lo más bajas posible. Por otro lado, una turbina funciona eficientemente si la velocidad de las moléculas de gas o vapor es cercana a la velocidad de sus palas. Por lo tanto, primero consideramos el uso del más pesado: el vapor de mercurio. Pero nos asustaba la intensa corrosión del hierro y el acero inoxidable estimulada por la radiación que se producía en un reactor nuclear refrigerado por mercurio. En dos semanas, la corrosión "devoró" los elementos combustibles del reactor rápido experimental "Clementine" en el Laboratorio Argonne (EE.UU., 1949) y del reactor BR-2 en el IPPE (URSS, Obninsk, 1956).
El vapor de potasio resultó tentador. El reactor en el que hervía potasio formó la base de la central eléctrica que estábamos desarrollando para una nave espacial de bajo empuje: el vapor de potasio hacía girar el turbogenerador. Este método "máquina" de convertir calor en electricidad permitía contar con una eficiencia de hasta el 40%, mientras que las instalaciones termoiónicas reales proporcionaban una eficiencia de sólo alrededor del 7%. Sin embargo, no se desarrolló la KNPP con conversión "máquina" del calor nuclear en electricidad. El asunto terminó con la publicación de un informe detallado, esencialmente una "nota física" sobre el diseño técnico de una nave espacial de bajo empuje para un vuelo tripulado a Marte. El proyecto en sí nunca se desarrolló.
Más tarde, creo, el interés por los vuelos espaciales con motores de cohetes nucleares simplemente desapareció. Después de la muerte de Sergei Pavlovich Korolev, el apoyo al trabajo del IPPE sobre la propulsión iónica y las centrales nucleares "mecánicas" se debilitó notablemente. El OKB-1 estaba dirigido por Valentin Petrovich Glushko, a quien no le interesaban proyectos audaces y prometedores. El Energia Design Bureau, que él mismo creó, construyó potentes cohetes químicos y la nave espacial Buran que regresaba a la Tierra.
"Buk" y "Topaz" en los satélites de la serie "Cosmos"
Los trabajos para la creación de KNPP con conversión directa de calor en electricidad, ahora como fuentes de energía para potentes satélites de radio (estaciones de radar espacial y emisoras de televisión), continuaron hasta el inicio de la perestroika. De 1970 a 1988 se lanzaron al espacio unos 30 satélites de radar con centrales nucleares de Buk con reactores convertidores de semiconductores y dos con centrales termoiónicas de Topaz. El Buk, de hecho, era un TEG, un convertidor semiconductor Ioffe, pero en lugar de una lámpara de queroseno utilizaba un reactor nuclear. Se trataba de un reactor rápido con una potencia de hasta 100 kW. La carga total de uranio altamente enriquecido era de unos 30 kg. El calor del núcleo se transfirió mediante un metal líquido (una aleación eutéctica de sodio y potasio) a las baterías semiconductoras. La potencia eléctrica alcanzó los 5 kW.
La instalación Buk, bajo la dirección científica del IPPE, fue desarrollada por los especialistas del OKB-670 M.M. Bondaryuk, más tarde - NPO "Estrella Roja" (diseñador jefe - G.M. Gryaznov). A la Oficina de Diseño Yuzhmash de Dnepropetrovsk (diseñador jefe, M.K. Yangel) se le encomendó la tarea de crear un vehículo de lanzamiento para poner el satélite en órbita.
El tiempo de funcionamiento de "Buk" es de 1 a 3 meses. Si la instalación fallaba, el satélite era trasladado a una órbita de larga duración a una altitud de 1.000 km. Durante casi 20 años de lanzamientos, hubo tres casos de caída de satélite a la Tierra: dos en el océano y uno en tierra, en Canadá, en las cercanías del Gran Lago Slave. Allí cayó el Kosmos-954, lanzado el 24 de enero de 1978. Trabajó durante 3,5 meses. Los elementos de uranio del satélite se quemaron completamente en la atmósfera. En el suelo sólo se encontraron los restos de un reflector de berilio y baterías semiconductoras. (Todos estos datos se presentan en el informe conjunto de las comisiones atómicas de Estados Unidos y Canadá sobre la Operación Morning Light).
La central nuclear termoiónica de Topaz utilizó un reactor térmico con una potencia de hasta 150 kW. La carga total de uranio era de unos 12 kg, mucho menos que la del Buk. La base del reactor eran los elementos combustibles: las "guirnaldas", desarrolladas y fabricadas por el grupo Malykh. Consistían en una cadena de termoelementos: el cátodo era un "dedal" hecho de tungsteno o molibdeno, lleno de óxido de uranio, el ánodo era un tubo de niobio de paredes delgadas, enfriado con sodio-potasio líquido. La temperatura del cátodo alcanzó los 1650°C. La potencia eléctrica de la instalación alcanzó los 10 kW.
El primer modelo de vuelo, el satélite Cosmos-1818 con la instalación Topaz, entró en órbita el 2 de febrero de 1987 y funcionó sin problemas durante seis meses hasta que se agotaron las reservas de cesio. El segundo satélite, Cosmos-1876, fue lanzado un año después. Trabajó en órbita casi el doble de tiempo. El principal desarrollador de Topaz fue MMZ Soyuz Design Bureau, encabezado por S.K. Tumansky (antigua oficina de diseño del diseñador de motores de avión A.A. Mikulin).
Esto fue a finales de la década de 1950, cuando estábamos trabajando en la propulsión iónica, y él estaba trabajando en el motor de tercera etapa de un cohete que volaría alrededor de la Luna y aterrizaría en ella. Los recuerdos del laboratorio de Melnikov siguen frescos hasta el día de hoy. Estaba ubicado en Podlipki (ahora la ciudad de Korolev), en el sitio número 3 de OKB-1. Un enorme taller con una superficie de unos 3.000 m2, repleto de decenas de escritorios con osciloscopios en cadena que graban en rollos de papel de 100 mm (esto era una época pasada; hoy en día bastaría con un ordenador personal). En la pared frontal del taller hay un stand donde está montada la cámara de combustión del motor cohete "lunar". Los osciloscopios tienen miles de cables de sensores para la velocidad, presión, temperatura y otros parámetros del gas. La jornada comienza a las 9.00 horas con el encendido del motor. Funciona durante varios minutos e inmediatamente después de detenerse, un equipo de mecánicos del primer turno lo desmonta, inspecciona y mide cuidadosamente la cámara de combustión. Al mismo tiempo, se analizan las cintas de los osciloscopios y se hacen recomendaciones para cambios de diseño. Segundo turno: los diseñadores y trabajadores del taller realizan los cambios recomendados. Durante el tercer turno, se instalan en el stand una nueva cámara de combustión y un sistema de diagnóstico. Un día después, exactamente a las 9.00 horas, la siguiente sesión. Y así sin días libres durante semanas, meses. ¡Más de 300 opciones de motores por año!
Así se crearon los motores de cohetes químicos, que debían funcionar solo entre 20 y 30 minutos. ¿Qué podemos decir sobre las pruebas y modificaciones de las centrales nucleares? Se calcula que deberían funcionar durante más de un año. Esto requirió esfuerzos verdaderamente gigantescos.
motores nuclearesA finales de los años 40, tras la euforia ante la perspectiva del uso de la energía nuclear, tanto Estados Unidos como la URSS comenzaron a trabajar para instalar motores nucleares en todo lo que pudiera moverse. La idea de crear un motor tan "perpetuo" resultó especialmente atractiva para los militares. Las centrales nucleares se utilizaban principalmente en la marina, porque las centrales eléctricas de barcos no estaban sujetas a requisitos de tamaño y peso tan estrictos como, por ejemplo, en la aviación. Sin embargo, la Fuerza Aérea no pudo "dejar pasar" la oportunidad de aumentar ilimitadamente el alcance de la aviación estratégica. En mayo de 1946 El comando de la Fuerza Aérea de los EE. UU. aprobó el proyecto para la creación de motores nucleares para equipar a los bombarderos estratégicos "Energía nuclear para la propulsión de aviones" (abreviado NEPA, traducido como "Energía nuclear para motores de aviones"). El trabajo para su implementación comenzó en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge. En 1951 fue reemplazado por un programa conjunto de la Fuerza Aérea y la Comisión de Energía Atómica (AEC) “Aircraft Nuclear Propulsion” (ANP, “Aviation Nuclear Propulsion”). La compañía General Electric creó un turborreactor (TRJ), que se diferenciaba del "ordinario" sólo en que en lugar de una cámara de combustión convencional había un reactor nuclear que calentaba el aire comprimido por el compresor. Al mismo tiempo, el aire se volvió radiactivo: un circuito abierto. En aquellos años, lo trataban de manera más simple, pero aún así, para no contaminar su aeródromo, se suponía que los aviones para el despegue y el aterrizaje estaban equipados con motores de queroseno convencionales. El primer proyecto de avión nuclear estadounidense se creó sobre la base del bombardero estratégico supersónico B-58. El desarrollador (Convair) lo designó X-6. Debajo del ala delta se encontraban cuatro turborreactores de propulsión nuclear; además, se suponía que debían funcionar otros dos turborreactores "normales" durante el despegue y el aterrizaje. A mediados de la década de 1950, se fabricó un prototipo de un pequeño reactor nuclear refrigerado por aire con una potencia de 1 MW. Para sus pruebas de vuelo y de protección de la tripulación se asignó un bombardero B-36H. La tripulación del laboratorio volador estaba en una cápsula protectora, pero el propio reactor, ubicado en la bahía de bombas, no tenía protección biológica. El laboratorio de vuelo recibió el nombre de NB-36H. Desde julio de 1955 a marzo de 1957 Realizó 47 vuelos sobre las regiones desérticas de Texas y Nuevo México, durante los cuales se encendió y apagó el reactor. En la siguiente etapa, se creó un nuevo reactor nuclear HTRE (su último modelo tenía una potencia de 35 MW, suficiente para operar dos motores) y el motor experimental X-39, que superó con éxito las pruebas conjuntas en tierra. Sin embargo, en ese momento los estadounidenses se dieron cuenta de que el circuito abierto no era adecuado y comenzaron a diseñar una central eléctrica con calentamiento de aire en un intercambiador de calor. El nuevo Convair NX-2 tenía un diseño canard (la cola horizontal estaba ubicada delante del ala). El reactor nuclear debía ubicarse en la sección central, los motores en la parte trasera y las tomas de aire debajo del ala. Se suponía que el avión utilizaría de 2 a 6 motores turborreactores auxiliares. Pero en marzo de 1961 El programa ANP fue cerrado. En 1954-1955. Un grupo de científicos del Laboratorio de Los Álamos preparó un informe sobre la posibilidad de crear un motor de cohete nuclear (NRE). La AEC estadounidense decidió comenzar a trabajar en su creación. El programa se llamó "Rover". El trabajo se llevó a cabo en paralelo en el Laboratorio Científico de Los Álamos y en el Laboratorio de Radiación Livermore de la Universidad de California. Desde 1956, todos los esfuerzos del Laboratorio de Radiación han estado dirigidos a crear un motor estatorreactor nuclear (NRJE) según el proyecto PLUTO (en Los Alamos comenzaron a crear un motor estatorreactor nuclear).
Se planeó instalar el motor a reacción de propulsión nuclear en un misil supersónico de baja altitud (SLAM) que se estaba desarrollando. El misil (ahora llamado misil de crucero) era esencialmente un bombardero no tripulado con lanzamiento vertical (utilizando cuatro propulsores de combustible sólido). El motor a reacción nuclear se encendió cuando alcanzó cierta velocidad y ya a una distancia suficiente de su propio territorio. El aire que entraba por la entrada de aire se calentaba en el reactor nuclear y, al pasar por la boquilla, generaba empuje. El vuelo hacia el objetivo y el lanzamiento de ojivas con fines sigilosos debían realizarse a una altitud ultrabaja y a una velocidad tres veces mayor que la del sonido. El reactor nuclear tenía una potencia térmica de 500 MW, la temperatura de funcionamiento del núcleo era de más de 1600 grados C. Para probar el motor se construyó un campo de pruebas especial. |  |
La Unión Soviética necesitaba un avión nuclear mucho más que Estados Unidos, ya que no tenía bases militares cerca de las fronteras estadounidenses y sólo podía operar desde su territorio, y los bombarderos estratégicos M-4 y Tu-95 que aparecieron a mediados del siglo XIX. Los años 50 no pudieron “cubrir” todo el territorio estadounidense. Los trabajos para estudiar los problemas de la creación de centrales nucleares para barcos, submarinos y aviones comenzaron ya en 1947. Sin embargo, la resolución del Consejo de Ministros sobre el inicio de los trabajos en aviones de propulsión nuclear no se emitió hasta el 12 de agosto de 1955. (En ese momento ya se estaba construyendo el primer submarino nuclear soviético). El OKB-156 de Tupolev y el OKB-23 de Myasishchev comenzaron a diseñar aviones con centrales nucleares, y el OKB-276 de Kuznetsov y el OKB-165 de Lyulka estaban desarrollando dichas centrales ellos mismos. En marzo de 1956 Se emitió un decreto gubernamental sobre la creación (para estudiar la influencia de la radiación en el diseño de un avión y su equipo, así como las cuestiones de seguridad radiológica) de un laboratorio volador basado en el bombardero estratégico Tu-95. En 1958 En el polígono de pruebas de Semipalatinsk se entregó un reactor nuclear experimental tipo "avión". A mediados de 1959 El reactor se instaló en un avión de producción denominado Tu-95LAL (Flying Atomic Laboratory). El reactor se utiliza 
Fue llamado sólo como fuente de radiación y fue enfriado con agua. El radiador del sistema de refrigeración, situado en la parte inferior del fuselaje, fue soplado por el flujo de aire entrante. En mayo-agosto de 1961 El Tu-95LAL realizó 34 vuelos sobre el polígono. El siguiente paso fue crear un Tu-119 experimental basado en el Tu-95. En dos (de 
Sus cuatro motores NK-12M (Kuznetsov OKB), además de las cámaras de combustión, estaban equipados con intercambiadores de calor calentados por un refrigerante metálico líquido que tomaba calor de un reactor nuclear ubicado en el compartimento de carga. Los motores fueron designados NK-14A. En el futuro, se planeó, instalando 4 motores NK-14A en el avión y aumentando el diámetro del fuselaje, crear un avión antisubmarino con una duración de vuelo casi ilimitada. Sin embargo, el diseño de los motores NK-14A, o más bien de su parte nuclear, avanzó lentamente debido a los numerosos problemas que surgieron durante este proceso. Como resultado, los planes para crear el Tu-119 nunca se realizaron. Además, el OKB-156 ofrecía varias opciones para bombarderos supersónicos. Bombardero de largo alcance Tu-120 con un peso de despegue de 85 toneladas. 30,7 m de largo. envergadura 24,4 m. Y 
velocidad máxima de unos 1400 km/h. Otro proyecto fue un avión de ataque a baja altitud con un peso de despegue de 102 toneladas. 37m de largo. envergadura 19m. y una velocidad máxima de 1400 km/h. El avión tenía un ala delta baja. Sus dos motores estaban ubicados en un paquete en la parte trasera del fuselaje. Durante el despegue y el aterrizaje, los motores funcionaban con queroseno. Se suponía que el bombardero estratégico supersónico tenía un peso de despegue de 153 toneladas. longitud 40,5 m. y una envergadura de 30,6 m. De los seis motores turborreactores (Oficina de Diseño de Kuznetsov), dos, ubicados en la cola, estaban equipados con intercambiadores de calor y podían funcionar con un reactor nuclear. Debajo del ala se colocaron cuatro motores turborreactores convencionales sobre pilones. Externamente, este avión era similar al bombardero supersónico mediano estadounidense B-58. La Oficina de Diseño Myasishchev también consideró la posibilidad de crear un avión "nuclear" basado en el bombardero ZM existente reemplazando los motores turborreactores convencionales por motores nucleares equipados con intercambiadores de calor (el reactor estaba ubicado en la bahía de bombas). También se consideró la posibilidad de crear un bombardero supersónico M-60. Se propusieron varias opciones 
Opciones de disposición con diferentes tipos de motores (peso de despegue 225-250 t, carga útil - 25 t, velocidad - hasta 3000 km/h, longitud 51-59 m, envergadura - 27-31 m). Para protegerse contra la radiación, los pilotos fueron colocados en una cápsula sellada especial y los motores en la parte trasera del fuselaje. Se excluyó la visibilidad visual desde la cápsula y el piloto automático tuvo que guiar el avión hacia el objetivo. Para garantizar el control manual, se planeó utilizar pantallas de televisión y radar. Los desarrolladores propusieron inicialmente que el avión fuera no tripulado. Pero en aras de la fiabilidad, los militares insistieron en una versión tripulada. Una opción era un hidroavión. Su ventaja era que los reactores amortiguados podían sumergirse en agua para reducir la radiación de fondo. Con el desarrollo de la ciencia espacial y la llegada de misiles balísticos intercontinentales confiables y submarinos con misiles nucleares, el interés militar en los bombarderos nucleares se desvaneció y el trabajo se redujo. Pero en 1965 Se volvió a plantear la idea de crear un avión antisubmarino de propulsión nuclear. Esta vez el prototipo fue el transporte pesado An-22 "Antey", que tenía los mismos motores que el Tu-95. El desarrollo del NK-14A estaba bastante avanzado en ese momento. El despegue y el aterrizaje debían realizarse con queroseno (potencia del motor 4 x 13000 hp) y el vuelo de crucero, con energía nuclear (4 x 8900 hp). La duración del vuelo estuvo limitada únicamente por el “factor humano”; para limitar la dosis recibida por la tripulación, se fijó en 50 horas. La autonomía de vuelo sería de 27.500 km. En 1972 El An-22 con un reactor nuclear a bordo realizó 23 vuelos; en primer lugar se comprobó la protección radiológica. Sin embargo, los problemas ambientales en caso de un accidente aéreo nunca se resolvieron, quizás esta fue la razón por la que el proyecto no se implementó. En los años 80 surgió el interés por los aviones nucleares como portadores de misiles balísticos. Al estar casi constantemente en el aire, sería invulnerable a un ataque repentino con misiles nucleares enemigos. En caso de accidente de avión, el reactor nuclear podría separarse y descender mediante paracaídas. Pero el comienzo de la distensión, la “perestroika” y luego el colapso de la URSS no permitieron que el avión nuclear despegara. A mediados de los años 50, OKB-301 (diseñador jefe S.A. Lavochkin) trabajó en la instalación de un motor nuclear estatorreactor en el misil de crucero intercontinental Burya (similar al proyecto PLUTO). El proyecto fue denominado "375". El desarrollo del cohete en sí no fue un problema; los ingenieros del motor fracasaron. OKB-670 (diseñador jefe M.M. Bondaryuk) durante mucho tiempo no pudo hacer frente a la creación de un motor nuclear ramjet. En 1960 El proyecto Tempest se cerró junto con su versión nuclear. Nunca llegó al punto de probar un motor nuclear. La energía nuclear se puede utilizar para calentar el fluido de trabajo no solo en un motor que respira aire, sino también en un motor de cohete nuclear (NRE), que generalmente se dividen en reactivos, en los que se lleva a cabo el proceso de calentamiento del fluido de trabajo (RT). Ocurre de forma continua, pulsada o pulsante (también en general reactiva), en la que la energía nuclear se libera de forma discreta, a través de una serie de explosiones nucleares (termonucleares) de baja potencia. Según el estado de agregación del combustible nuclear en el núcleo del reactor, los motores de propulsión nuclear se dividen en fase sólida, fase líquida y fase gaseosa (plasma). Por otra parte, podemos distinguir un motor de propulsión nuclear en un reactor en el que el combustible nuclear se encuentra en estado fluidizado (en forma de una “nube” giratoria de partículas de polvo). Otro tipo de motor de propulsión nuclear es un motor que utiliza la energía térmica liberada durante la fisión espontánea de isótopos radiactivos (desintegración radiactiva) para calentar el RT. La ventaja de un motor de este tipo es la simplicidad de su diseño; una desventaja importante es el alto coste de los isótopos (por ejemplo, polonio-210). Además, durante la desintegración espontánea de un isótopo, se libera calor constantemente, incluso cuando el motor está apagado, y es necesario eliminarlo de alguna manera del motor, lo que complica y hace que la estructura sea más pesada. En un motor de cohete nuclear pulsado, la energía de una explosión atómica evapora el RT, convirtiéndolo en plasma. La nube de plasma en expansión ejerce presión sobre el poderoso fondo metálico (placa de empuje) y crea un empuje en chorro. Como RT se puede utilizar una sustancia sólida que se puede convertir fácilmente en gas, aplicada a una placa empujadora, hidrógeno líquido o agua almacenada en un tanque especial. Se trata de un esquema de la denominada central nuclear pulsada de acción externa; otro tipo es la central nuclear pulsada de acción interna, en la que la detonación de pequeñas cargas nucleares o termonucleares se realiza dentro de cámaras especiales (cámaras de combustión) equipadas con toberas de chorro. Allí también se suministra RT, que, al fluir a través de la boquilla, genera un empuje similar al de los motores de cohetes de propulsión líquida convencionales. Un sistema de este tipo es más eficiente, ya que todos los productos RT y de explosión se utilizan para crear empuje. Sin embargo, el hecho de que las explosiones se produzcan dentro de un determinado volumen impone restricciones a la presión y la temperatura en la cámara de combustión. Un NRE pulsado de acción externa es más simple y la enorme cantidad de energía liberada en las reacciones nucleares permite obtener buenas características de dichos sistemas incluso con una eficiencia más baja. En Estados Unidos en 1958-1963. Se estaba desarrollando un proyecto de cohete con motor de propulsión nuclear pulsada "Orion". Incluso se probó un modelo de avión con motor de impulsos utilizando explosivos químicos convencionales. Los resultados obtenidos indicaron la posibilidad fundamental de vuelo controlado del vehículo utilizando dicho motor. Inicialmente, se suponía que Orion sería lanzado desde la Tierra. Para excluir la posibilidad de que el cohete sufra daños debido a una explosión nuclear terrestre, se planeó instalarlo en ocho torres de 75 metros para su lanzamiento. Al mismo tiempo, la masa de lanzamiento del cohete alcanzó las 10.000 toneladas. y el diámetro de la placa de empuje es de unos 40 m. Para reducir las cargas dinámicas sobre la estructura del cohete y la tripulación, se proporcionó un dispositivo de amortiguación. Tras un ciclo de compresión, devolvió la placa a su posición inicial, tras lo cual se produjo otra explosión. En el lanzamiento, se detonó cada segundo una carga con una potencia de 0,1 kt. Tras abandonar la atmósfera, carga con una potencia de 20 kt. explotó cada 10 segundos. Posteriormente, para no contaminar la atmósfera, se decidió levantar Orión de la Tierra utilizando la primera etapa del cohete Saturn-5, ya que su diámetro máximo era de 10 m. luego se cortó el diámetro de la placa de empuje a 
10 m. En consecuencia, el empuje efectivo disminuyó a 350 toneladas con su propio peso "seco" del sistema de propulsión (sin RT) de 90,8 toneladas. Entregar una carga útil de 680 toneladas a la superficie lunar. Sería necesario explotar unas 800 cargas de plutonio (masa de plutonio 525 kg) y consumir unas 800 toneladas. RT. También se consideró la opción de utilizar Orión como medio para lanzar cargas nucleares a un objetivo. Pero los militares pronto abandonaron esta idea. Y en 1963 Se firmó un acuerdo que prohíbe las explosiones nucleares en el espacio exterior, en la Tierra (en la atmósfera) y bajo el agua. Esto prohibió todo el proyecto. En la URSS se consideró un proyecto similar, pero no tuvo ningún resultado práctico. Al igual que el proyecto del avión aeroespacial M-19 (VKS) de la Oficina de Diseño Myasishchev. El proyecto preveía la creación de un sistema aeroespacial reutilizable de una sola etapa capaz de lanzar una carga útil de hasta 40 toneladas a órbitas de referencia bajas (hasta 185 km). Para ello, se suponía que el VKS estaba equipado con un motor de propulsión nuclear y un sistema de propulsión por respiración de aire multimodo que funcionaba tanto desde un reactor nuclear como con combustible de hidrógeno. Más detalles sobre este proyecto se describen en la página. La energía nuclear no sólo se puede utilizar directamente para calentar el RT en el motor, sino que también se puede convertir en energía eléctrica, que luego se utiliza para generar empuje en los motores de propulsión eléctrica (EPE). Según este esquema, se construyen sistemas de propulsión de energía nuclear (NPS), que consisten en centrales nucleares (NPS) y sistemas de propulsión de cohetes eléctricos (ERPS). No existe una clasificación establecida (generalmente aceptada) de propulsión eléctrica. Según el "mecanismo" predominante de aceleración RT, los motores de propulsión eléctricos se pueden dividir en dinámicos de gas (electroquímicos), electrostáticos (iónicos) y electromagnéticos (plasma). En los electroquímicos, la energía eléctrica se utiliza para calentar o descomposición química de RT (calentamiento eléctrico, termocatalítico e híbrido), y la temperatura de RT puede alcanzar los 5000 grados. La aceleración del RT se produce, como en los motores de cohetes de propulsión líquida convencionales, cuando pasa a través de la trayectoria dinámica de gas del motor (boquilla). Los motores electroquímicos consumen la menor potencia por unidad de empuje entre los motores de propulsión eléctrica (alrededor de 10 kW/kg). En un motor de propulsión eléctrica electrostática, el fluido de trabajo se ioniza primero, después de lo cual los iones positivos se aceleran en un campo electrostático (utilizando un sistema de electrodos) creando empuje (para neutralizar la carga de la corriente en chorro, se inyectan electrones en ella en el salida del motor). En un motor de propulsión eléctrica electromagnética, el RT se calienta hasta el estado de plasma (decenas de miles de grados) mediante una corriente eléctrica que lo atraviesa. Luego, el plasma se acelera en un campo electromagnético (“la aceleración dinámica de gas también se puede utilizar en paralelo”). Como RT se utilizan gases y líquidos de bajo peso molecular o de fácil disociación en los electrotérmicos de propulsión eléctrica, en los electrostáticos, metales alcalinos o pesados de fácil evaporación o líquidos orgánicos en los electromagnéticos, diversos gases y sólidos; Un parámetro importante del motor es su impulso de empuje específico (ver página), que caracteriza su eficiencia (cuanto más grande es, menos PT se gasta en crear un kilogramo de empuje). El impulso específico para los diferentes tipos de motores varía ampliamente: propulsor de propulsor sólido - 2650 m/s, motor de cohete de propulsor líquido - 4500 m/s, propulsor electroquímico - 3000 m/s, propulsor de plasma de hasta 290 mil. Como se sabe, el valor del impulso específico es directamente proporcional a la raíz cuadrada de la temperatura ambiente delante de la tobera. Ésta (la temperatura), a su vez, está determinada por el poder calorífico del combustible. El mejor indicador entre los combustibles químicos es el par berilio + oxígeno: 7200 kcal/kg. El poder calorífico del uranio-235 es aproximadamente 2 millones de veces mayor. Sin embargo, la cantidad de energía que se puede utilizar de forma útil es sólo 1.400 veces mayor. Las limitaciones impuestas por las características de diseño reducen esta cifra para un motor de propulsión nuclear de fase sólida a 2-3 (la temperatura máxima alcanzable a temperatura ambiente es de unos 3000 grados). Y, sin embargo, el impulso específico de un motor de cohete de propulsión nuclear de fase sólida es de aproximadamente 9.000 m/s, frente a 3.500-4.500 de los motores de cohete de propulsión líquida modernos. Para los motores nucleares de fase líquida, el impulso específico puede alcanzar los 20.000 m/seg; para los de fase gaseosa, donde la temperatura RT puede alcanzar decenas de miles de grados, el impulso específico es de 15.000 a 70.000 m/seg. Otro parámetro importante que caracteriza la perfección del peso de un sistema de propulsión (PS) o motor es su gravedad específica: la relación entre el peso del PS (con o sin componentes de combustible) o del motor y el empuje generado. También se utiliza su cantidad inversa, el empuje específico. La gravedad específica (empuje) determina la aceleración alcanzable del avión y su relación empuje-peso. Los modernos motores de cohetes de propulsión líquida tienen un peso específico de 7 a 20 kg. empuje por tonelada de peso muerto, es decir la relación empuje-peso alcanza 14. Los NRE también tienen una buena relación empuje-peso, hasta 10. Además, para los motores de cohetes de propulsor líquido que utilizan combustible de oxígeno-hidrógeno, la relación entre la masa RT y la masa de la estructura está en el rango de 7-8. Para los motores de propulsión nuclear de fase sólida, este parámetro se reduce a 3-5, lo que proporciona un aumento en la gravedad específica del sistema de propulsión teniendo en cuenta el peso del RT. En un motor de propulsión eléctrica, el empuje desarrollado está limitado por el gran consumo de energía para crear 1 kg. empuje (de 10 kW a 1 MW). El empuje máximo de los motores eléctricos existentes es de varios kilogramos. Si el sistema de propulsión eléctrica contiene elementos adicionales relacionados con el suministro de propulsión eléctrica, la relación empuje-peso de un vehículo con dicho sistema de propulsión es mucho menor que uno. Esto hace imposible utilizarlos para lanzar cargas útiles a la órbita terrestre baja (algunos motores de propulsión eléctrica sólo pueden funcionar en el vacío del espacio). Tiene sentido utilizar motores de propulsión eléctricos sólo en naves espaciales como motores de bajo empuje para orientación, estabilización y corrección de órbitas. Debido al bajo caudal del fluido de trabajo (alto impulso específico), el tiempo de funcionamiento continuo del motor de propulsión eléctrica se puede medir en meses y años. El suministro de electricidad procedente de un reactor nuclear a los motores de propulsión eléctrica permitirá utilizarlos para vuelos a las "periferias" del sistema solar, donde la potencia de los paneles solares no será suficiente. Así, la principal ventaja de los motores nucleares sobre otros tipos de motores de cohetes es su gran impulso específico, con una elevada relación empuje-peso (decenas, cientos y miles de toneladas de empuje con un peso muerto significativamente menor). La principal desventaja del NRE es la presencia de un potente flujo de radiación penetrante, así como la eliminación de compuestos de uranio altamente radiactivos del RT gastado. En este sentido, el motor de cohete de propulsión nuclear es inaceptable para lanzamientos desde tierra. Los trabajos para la creación de motores de propulsión nuclear y centrales nucleares en la URSS comenzaron a mediados de los años 50. En 1958 El Consejo de Ministros de la URSS adoptó una serie de resoluciones sobre la realización de trabajos de investigación sobre la creación de cohetes con motores de propulsión nuclear. La supervisión científica estuvo a cargo de M.V. Keldysh, I.V. Kurchatov y S.P. Korolev. En el trabajo participaron decenas de organizaciones de investigación, diseño, construcción e instalación. Estos son NII-1 (ahora Centro de Investigación Keldysh), OKB-670 (diseñador jefe M.M. Bondaryuk), el Instituto de Energía Atómica (IAE, ahora Instituto Kurchatov) y el Instituto de Física y Energía (ahora IPPE Leypunsky), Investigación Instituto de Ingeniería de Instrumentos (diseñador jefe A.S. Abramov), NII-8 (ahora Instituto de Diseño e Investigación Científica - NIKIET que lleva el nombre de Dolezhal) y OKB-456 (ahora NPO Energomash que lleva el nombre de Glushko), NIITVEL (NPO "Luch", ahora Podolsk Instituto Tecnológico de Investigación Científica - PNITI), NII-9 (ahora Instituto de Investigación de Alta Tecnología de Materiales Inorgánicos - VNIINM que lleva el nombre de A.A. Bochvar), etc. En OKB-1 (en Posteriormente, el nombre se cambió a Oficina Central de Diseño de Ingeniería mecánica experimental - TsKBEM, NPO Energia, RSC Energia que lleva el nombre de Korolev) se desarrollaron los diseños preliminares de un misil balístico de una etapa YAR-1 y un cohete químico nuclear de dos etapas YAHR-2. Ambos preveían el uso de motores de propulsión nuclear con un empuje de 140 toneladas. Los proyectos estuvieron listos el 30 de diciembre de 1959. sin embargo, la creación de un YAR-1 de combate se consideró inapropiada y se detuvo el trabajo en él. El YakhR-2 tenía un diseño similar al R-7, pero con seis cápsulas de cohetes laterales de primera etapa equipadas con motores NK-9. La segunda etapa (bloque central) estaba equipada con un motor de propulsión nuclear. La masa de lanzamiento del cohete fue de 850 a 880 toneladas. con una masa de carga útil de 35-40t. (También se consideró una opción con un peso de lanzamiento de 2000 toneladas, una longitud de 42 m, una dimensión transversal máxima de 19 m, una carga útil de hasta 150 toneladas). Los motores de todas las unidades YakhR-2 se pusieron en marcha en la Tierra. En este caso, el motor de propulsión nuclear se puso en modo “inactivo” (la potencia del reactor era del 0,1% de la nominal sin flujo de fluido de trabajo). El cambio al modo de funcionamiento se realizó en vuelo unos segundos antes de la separación de los bloques laterales. A mediados de 1959 OKB-1 emitió especificaciones técnicas a los ingenieros de motores (OKB-670 y OKB-456) para el desarrollo de diseños preliminares de motores de propulsión nuclear con un empuje de 200 y 40 toneladas. Después del inicio de los trabajos en el vehículo de lanzamiento pesado N-1, sobre esta base se consideró la cuestión de crear un vehículo de lanzamiento de dos etapas con un motor de propulsión nuclear en la segunda etapa. Esto garantizaría un aumento de la carga útil lanzada a la órbita terrestre baja entre 2 y 2,5 veces y la órbita del satélite lunar entre un 75 y un 90%. Pero este proyecto tampoco se completó: el cohete N-1 nunca voló. El diseño de los motores de propulsión nuclear fue realizado por OKB-456 y OKB-670. Realizaron varios diseños preliminares de motores de propulsión nuclear con reactor de fase sólida. Entonces en OKB-456 en 1959. Estaban listos los diseños preliminares de los motores RD-401 con moderador de agua y RD-402 con moderador de berilio, que tenían un empuje de vacío de 170 toneladas. con un impulso de empuje específico de 428 s. El amoníaco líquido sirvió como fluido de trabajo. En 1962 Según las especificaciones técnicas del OKB-1, se completó el proyecto RD-404 con un empuje de 203 toneladas. con un impulso de empuje específico de 950 s. (RT - hidrógeno líquido), y en 1963. - RD-405 con un empuje de 40-50t. Sin embargo, en 1963 Todos los esfuerzos de OKB-456 se redirigieron al desarrollo de motores de propulsión nuclear en fase gaseosa. En los mismos años, el OKB-670 desarrolló varios proyectos NRE con un reactor de fase sólida y una mezcla de amoníaco y alcohol como RT. Para pasar del diseño preliminar a la creación de muestras reales de motores de propulsión nuclear, fue necesario resolver muchas más cuestiones y, en primer lugar, estudiar el comportamiento de los elementos combustibles (elementos combustibles) de un reactor nuclear a altas temperaturas. Kurchátov en 1958 propuso crear para este propósito un reactor explosivo (RVD, el nombre moderno es reactor de grafito pulsado - IGR). Su diseño y producción fue confiado a NII-8. En el RVD, la energía térmica de la fisión del uranio no se extraía fuera del núcleo, sino que se calentaba el grafito a partir del cual (junto con el uranio) se formó a temperaturas muy altas. Está claro que un reactor de este tipo sólo podría funcionar durante un breve periodo de tiempo: por impulsos, con paradas para enfriarse. La ausencia de piezas metálicas en el núcleo permitió producir "llamaradas" cuyo poder estaba limitado únicamente por la temperatura de sublimación del grafito. En el centro de la zona activa había una cavidad en la que se ubicaban las muestras de prueba. También en 1958. En el polígono de pruebas de Semipalatinsk, no lejos del lugar de pruebas de la primera bomba atómica, comenzó la construcción de los edificios y estructuras necesarios. En mayo-junio de 1960 Se llevó a cabo una puesta en marcha física ("en frío") del reactor y, un año después, se llevaron a cabo una serie de arranques con calentamiento de la pila de grafito a 1000 grados. Para garantizar la seguridad medioambiental, el stand se construyó según un esquema "cerrado": el refrigerante residual se guardaba en tanques de gas antes de ser liberado a la atmósfera y luego se filtraba. Desde 1962 En el IGR (RVD) se realizaron pruebas de barras combustibles y conjuntos combustibles (FA) de distintos tipos para los reactores nucleares desarrollados en los NII-9 y NII-1. En la segunda mitad de los años 50, NII-1 e IPPE llevaron a cabo estudios sobre la dinámica del gas de los elementos combustibles gaseosos y la física de los reactores en fase gaseosa, que mostraron la posibilidad fundamental de crear motores de propulsión nuclear en fase gaseosa. En la cámara de trabajo de dicho motor, con la ayuda del campo magnético creado por el solenoide que lo rodea, se creó una zona "estancada" en la que el uranio se calentaba a temperaturas de aproximadamente 9000 grados. y calentó el hidrógeno que fluía a través de esta zona (para mejorar la absorción de energía radiante, se le agregaron aditivos especiales). Parte del combustible nuclear era inevitablemente arrastrado por el flujo de gas, por lo que era necesario compensar constantemente la pérdida de uranio. Un motor de propulsión nuclear en fase gaseosa podría tener un impulso específico de hasta 20.000 m/s. El trabajo en dicho motor comenzó en 1963. en OKB-456 (bajo el liderazgo científico de NII-1). En 1962 En IPPE se creó el stand experimental IR-20 con un reactor de fase sólida en el que el agua actúa como moderador. En él se estudiaron por primera vez los parámetros físicos de los reactores NRE de fase sólida, que sirvieron de base para diseños posteriores. En 1968 Teniendo en cuenta la experiencia adquirida en el stand IR-20, aquí se construyó un stand físico "Strela", en el que se instaló un reactor, cuyo diseño era bastante parecido al reactor del prototipo de vuelo NRE. El siguiente paso hacia la creación de un motor de propulsión nuclear fue la creación de un stand experimental especial para probar un prototipo terrestre de un reactor de propulsión nuclear. En 1964 Se emitió un decreto gubernamental sobre la construcción de un complejo de bancos para probar motores de propulsión nuclear en el polígono de pruebas de Semipalatinsk, que recibió el nombre de "Baikal". En febrero de 1965 En el IAE se prepararon las especificaciones técnicas para el desarrollo del reactor para el complejo Baikal (recibió el índice IVG-1, investigación de alta temperatura refrigerado por gas). NII-8 (bajo el liderazgo científico del IAE) está empezando a diseñarlo. El desarrollo y producción de elementos combustibles está a cargo de NIITVEL. En 1966 el desarrollo del primer motor soviético de propulsión nuclear de fase sólida (recibió el índice 11B91 o RD-0410) fue transferido a la Oficina de Diseño de Voronezh de Khimavtomatiki (KBKhA) Cap. diseñador A.D. Konopatov. En 1968 NPO Energomash (OKB-456) completó el desarrollo de un diseño preliminar de un motor con reactor de fase gaseosa. Se suponía que el motor, denominado RD-600, tenía un empuje de unas 600 toneladas. con su propio peso de unas 60 toneladas. Se utilizaron berilio y grafito como moderador y reflector. RT - hidrógeno con aditivo de litio. 24 de mayo de 1968 Se emitió un decreto gubernamental que preveía la creación de un motor de propulsión nuclear basado en el proyecto propuesto, así como la construcción de una base de banco para sus pruebas, denominada "Baikal-2". Paralelamente al desarrollo del modelo de vuelo del YARD 11B91 en KBKhA, en NII-1 se creó su prototipo de banco (IR-100). En 1970 Estos trabajos se combinaron (el programa recibió el índice 11B91-IR-100) y todo el trabajo de diseño de los modelos de banco y de vuelo del sistema de propulsión nuclear se concentró en KBKhA. El lanzamiento físico del primer reactor YARD 11B91-IR-100 se llevó a cabo en el IPPE en el stand de Strela. Sobre él se llevó a cabo un extenso programa de investigación. La construcción del complejo Baikal duró varios años. El complejo debía constar de dos pozos donde se bajaban los reactores experimentales mediante una grúa pórtico. 18 de septiembre de 1972 La puesta en marcha física del reactor IVG-1 tuvo lugar en el marco del primer lugar de trabajo del complejo Baikal. También podría utilizarse como prototipo de banco de un futuro motor de propulsión nuclear con un empuje de 20 a 40 toneladas. y como soporte para probar nuevos tipos de combustible nuclear. El reactor tenía un reflector de berilio y el moderador era agua. Su núcleo constaba de 31 conjuntos combustibles. El hidrógeno, que enfriaba el combustible nuclear, podía calentar hasta 2.500 grados, y en un canal central especial era posible obtener los 3.000 grados. La puesta en marcha de la energía tuvo lugar recién a principios de marzo de 1975. lo que se explica por la necesidad de completar la construcción de todos los edificios y estructuras del complejo del banco de pruebas, realizar una gran cantidad de trabajos de puesta en servicio y capacitación del personal. Los instrumentos se encontraban en un búnker subterráneo situado entre los pozos. En otro situado a 800m. había un panel de control. Se podía llegar al panel de control desde la zona segura a través de un túnel subterráneo de un kilómetro y medio. Cerca de la mina a una profundidad de 150 m. Se colocó un recipiente esférico al que se bombeaba gas hidrógeno a alta presión. Calentado en el reactor a casi 3000 grados. El hidrógeno se liberó directamente a la atmósfera. Sin embargo, la liberación de productos de fisión estuvo cerca de las emisiones radiactivas de las centrales nucleares durante su funcionamiento normal. Y, sin embargo, no se permitió acercarse a la mina a menos de un kilómetro y medio durante 24 horas, y estuvo prohibido acercarse a la mina durante un mes. Durante 13 años de funcionamiento se realizaron 28 arranques “en caliente” del reactor IVG-1. Se probaron alrededor de 200 conjuntos combustibles refrigerados por gas como parte de 4 núcleos experimentales. La vida útil de varios conjuntos a potencia nominal fue de 4000 segundos. Muchos de los resultados de estas pruebas superan significativamente los obtenidos durante el trabajo en el programa de propulsión nuclear en los Estados Unidos; por ejemplo, la densidad máxima de liberación de calor en el núcleo del reactor IVG-1 alcanzó los 25 kW/cc. frente a 5,2 para los estadounidenses, la temperatura del hidrógeno a la salida de los conjuntos combustibles era de unos 2800 grados frente a 2300 para los estadounidenses. En 1977 El puesto de trabajo segundo A del complejo de bancos del Baikal se puso en funcionamiento el 17 de septiembre de 1977. Se llevó a cabo el lanzamiento físico del primer reactor de banco para el motor de propulsión nuclear 11B91-IR-100, que recibió la denominación IRGIT. Seis meses después, 27 de marzo de 1978 Se realizó el arranque eléctrico. Durante el cual se logró una potencia de 25 MW (15% del diseño), la temperatura del hidrógeno fue de 1500 grados y el tiempo de funcionamiento fue de 70 segundos. Durante las pruebas del 3 de julio de 1978. y 11 de agosto de 1978 Se alcanzó una potencia de 33 MW y 42 MW; la temperatura del hidrógeno fue de 2360 grados. A finales de los 70 y principios de los 80, se llevaron a cabo dos series más de pruebas en el complejo de bancos: la segunda y la tercera, los dispositivos 11B91-IR-100. Continuaron las pruebas de los elementos combustibles en los reactores IGR e IVG y comenzó la construcción de estructuras con el fin de poner en funcionamiento un lugar de trabajo de segunda B para probar el motor de hidrógeno líquido. Al mismo tiempo, en un stand ubicado en Zagorsk, cerca de Moscú, se llevaron a cabo pruebas del llamado motor "frío" 11B91X, que no tenía reactor nuclear. El hidrógeno se calentaba en intercambiadores de calor especiales a partir de quemadores de oxígeno-hidrógeno convencionales. En 1977 Se resolvieron todos los problemas relacionados con la prueba del motor "frío" (las unidades podían funcionar durante horas). En principio, se creó el motor de propulsión nuclear y fue cuestión de varios años más prepararlo para las pruebas de vuelo. El 11B91 YARD tenía un reactor de neutrones térmicos heterogéneo, el moderador era hidruro de circonio, el reflector era berilio, un material combustible nuclear a base de uranio y carburos de tungsteno, con un contenido de uranio-235 de aproximadamente el 80%. Era un cilindro de metal relativamente pequeño con un diámetro de unos 50 cm. y aproximadamente un metro de largo. En su interior hay 900 varillas delgadas que contienen carburo de uranio. El reactor NRE estaba rodeado por un reflector de neutrones de berilio, en el que se incrustaban tambores, cubiertos por un lado con un absorbente de neutrones. Desempeñaban el papel de barras de control: dependiendo de qué lado de los tambores miraba hacia el núcleo, absorbían más o menos neutrones, regulando la potencia del rector (los estadounidenses tenían el mismo esquema). Alrededor de 1985 YARD 11B91 podría realizar su primer vuelo espacial. Pero esto no sucedió por muchas razones. A principios de los años 80 se habían logrado avances significativos en el desarrollo de motores de cohetes de propulsión líquida altamente eficientes, lo que, junto con el abandono de los planes para la exploración de la Luna y otros planetas cercanos del Sistema Solar, pusieron en duda la viabilidad de crear motores de cohetes de propulsión nuclear. Las dificultades económicas que surgieron y la llamada "Perestroika" llevaron a que toda la industria espacial se encontrara "en desgracia" en 1988. Se detuvieron los trabajos de propulsión nuclear en la URSS. La idea de utilizar electricidad para crear propulsión a reacción fue expresada por K.E. El primer motor de propulsión eléctrico experimental se creó en el Laboratorio de Dinámica de Gases (Leningrado) bajo la dirección de V.P. Glushko en 1929-1933. El estudio de la posibilidad de crear motores de propulsión eléctricos comenzó a finales de los años 50 en el IAE (bajo el liderazgo de L.A. Artsimovich), NII-1 (bajo el liderazgo de V.M. Ievlev y A.A. Porotnikov) y varias otras organizaciones. Así, OKB-1 llevó a cabo una investigación destinada a crear un sistema de propulsión eléctrica nuclear. En 1962 El diseño preliminar del LV N1 incluía “Materiales de propulsión nuclear para naves espaciales interplanetarias pesadas”. En 1960 Se emitió un decreto gubernamental sobre la organización del trabajo en propulsión eléctrica. Además del IAE y el NII-1, en el trabajo participaron decenas de otros institutos de investigación, oficinas de diseño y organizaciones. En 1962 En NII-1 se creó un motor de plasma pulsado (PPD) de tipo erosión. En SPD, el plasma se forma debido a la evaporación (ablación) de un dieléctrico sólido (fluoroplástico-4, también conocido como teflón) en una descarga eléctrica pulsada (chispa) que dura varios microsegundos (potencia de pulso de 10 a 200 MW) seguida de una aceleración electromagnética. del plasma. Las primeras pruebas de funcionamiento de dicho motor comenzaron el 27 de marzo y continuaron hasta el 16 de abril de 1962. Con un consumo de energía promedio de 1 kW (pulso - 200 MW), el empuje fue de 1 g. - “precio” de la tracción 1 kW/g. Para las pruebas en el espacio, el "precio" del empuje fue aproximadamente 4 veces menor. Estos parámetros se alcanzaron a finales de 1962. El nuevo motor consumió 50 W (potencia de impulso 10 MW) para crear un empuje de 0,2 g. (posteriormente se aumentó el “precio” de la tracción a 85W al año). En marzo de 1963 Se creó y probó un control remoto para un sistema de estabilización de nave espacial basado en IPD, que incluía seis motores, un convertidor de voltaje (la descarga de chispa fue creada por capacitores con una capacidad de 100 μF con un voltaje de 1 kV), un dispositivo de conmutación de software , conectores herméticos de alta tensión y otros equipos. La temperatura del plasma alcanzó los 30 mil grados. y la velocidad de escape es de 16 km/seg. El primer lanzamiento de una nave espacial (estación interplanetaria tipo Zond) con propulsión eléctrica estaba previsto para noviembre de 1963. Lanzamiento el 11 de noviembre de 1963. terminó en un accidente del vehículo de lanzamiento. Recién el 30 de noviembre de 1964 La sonda Zond-2 con un sistema de propulsión eléctrica a bordo se lanzó con éxito hacia Marte. 14 de diciembre de 1964 A una distancia de más de 5 millones de kilómetros de la Tierra, se encendieron motores de plasma (en ese momento se apagaron los motores dinámicos de gas) alimentados por baterías solares. En 70min. Seis motores de plasma mantuvieron la orientación necesaria de la estación en el espacio. En Estados Unidos en 1968 El satélite de comunicaciones “LES-6” se lanzó con cuatro IPD de erosión, que estuvieron en funcionamiento durante más de 2 años. Para seguir trabajando en propulsión eléctrica, se organizó la Oficina de Diseño Fakel (sobre la base de la Oficina de Diseño B.S. Stechkin en Kaliningrado). El primer desarrollo de la Oficina de Diseño Fakel fue el sistema de propulsión eléctrica del sistema de estabilización y orientación para naves espaciales de uso militar del tipo Globus (el satélite Horizon), cerca del Zond-2 IPD. Desde 1971 En el sistema de corrección de órbita del satélite meteorológico Meteor se utilizaron dos motores de plasma de la Oficina de Diseño Fakel, cada uno de los cuales, con un peso de 32,5 kg, consumía aproximadamente 0,4 kW y desarrollaba un empuje de aproximadamente 2 g. la velocidad de escape era superior a 8 km/s y la cantidad de RT (xenón comprimido) era de 2,4 kg. Desde 1982 Los satélites de comunicación geoestacionarios "Luch" utilizan sistemas de propulsión eléctrica desarrollados por OKB "Fakel". Hasta 1991 Los motores de propulsión eléctrica funcionaron con éxito en 16 naves espaciales. Se discutirán más detalles sobre la propulsión eléctrica en una página separada del sitio web. El empuje de los motores eléctricos creados estaba limitado por la potencia eléctrica de las fuentes de energía a bordo. Para aumentar el empuje del sistema de propulsión eléctrica a varios kilogramos, fue necesario aumentar la potencia a varios cientos de kilovatios, lo que era prácticamente imposible con métodos tradicionales (baterías y paneles solares). Por eso, paralelamente a los trabajos sobre propulsión eléctrica, el IPPE, el IAE y otras organizaciones comenzaron a trabajar en la conversión directa de la energía térmica de un reactor nuclear en energía eléctrica. La eliminación de etapas intermedias de conversión de energía y la ausencia de partes móviles hicieron posible crear centrales eléctricas compactas, livianas y confiables de potencia y vida útil suficientemente altas, adecuadas para su uso en naves espaciales. En 1965 OKB-1, junto con el IPPE, desarrolló un diseño preliminar del sistema de propulsión eléctrica nuclear YaERD-2200 para una nave espacial interplanetaria con tripulación. El sistema de propulsión constaba de dos bloques (cada uno tenía su propia central nuclear), la potencia eléctrica de cada bloque era de 2200 kW y un empuje de 8,3 kg. El motor de magnetoplasma tenía un impulso específico de unos 54.000 m/s. En 1966-70. Se desarrolló un diseño preliminar de una central nuclear termoiónica (11B97) y un sistema de propulsión eléctrica para el complejo marciano lanzado por el vehículo de lanzamiento N1M. El sistema de propulsión eléctrica nuclear se montó a partir de bloques separados; la potencia eléctrica de un bloque era de hasta 5 MW. empuje de propulsión eléctrica - 9,5 kg. con un impulso de empuje específico de 78000 m/seg. Sin embargo, la creación de potentes fuentes de energía nuclear llevó mucho más tiempo de lo esperado. Los primeros en encontrar una aplicación práctica, debido a su simplicidad de diseño y bajo peso, fueron los generadores termoeléctricos de radioisótopos (RTG) que utilizaban el calor de la fisión espontánea de isótopos radiactivos (por ejemplo, polonio-210). El convertidor termoeléctrico era esencialmente un termopar ordinario. Sin embargo, la intensidad energética relativamente baja de los RTG y el alto costo de los isótopos utilizados limitaron en gran medida su uso. Las mejores perspectivas tenían el uso de convertidores de energía termoeléctricos y termoiónicos en combinación con reactores nucleares combinados en una sola unidad (reactor convertidor). Probar experimentalmente la posibilidad de crear un reactor-convertidor de pequeño tamaño en la AIE (junto con NPO Luch) en 1964. Se creó la instalación experimental "Romashka". El calor generado en el núcleo calentaba un convertidor termoeléctrico situado en la superficie exterior del reactor, formado por un gran número de obleas semiconductoras de silicio y germanio, mientras que su otra superficie era enfriada por un radiador. La potencia eléctrica era de 500 W. a una potencia térmica del reactor de 40 kW. Las pruebas de "Romashka" pronto se detuvieron porque ya se estaba probando la central nuclear BES-5 (Buk), de potencia mucho mayor. En 1961 comenzó el desarrollo de la central nuclear BES-5 con una potencia eléctrica de 2800 W, destinada a suministrar energía al equipo de la nave espacial de reconocimiento por radar US-A. en la ONG "Estrella Roja" bajo la dirección científica del IPPE. El primer vuelo de la nave espacial US-A (3 de octubre de 1970, “Cosmos-367”) no tuvo éxito: la central nuclear BES-5 funcionó durante 110 minutos. después de lo cual el núcleo del reactor se fundió. Los nueve lanzamientos siguientes de la central nuclear modificada tuvieron éxito en 1975. La nave espacial US-A fue adoptada por la Armada. En enero de 1978 Debido al fallo de la nave espacial US-A (Cosmos -954), fragmentos de la central nuclear de Buk cayeron en territorio canadiense. En total (antes de su desmantelamiento en 1989), se llevaron a cabo 32 lanzamientos de estas naves espaciales. Se trabajó en la creación de centrales nucleares con generadores de alambre termoeléctrico: se trabajó en centrales nucleares con convertidores termoiónicos que tenían características de mayor eficiencia, vida útil y peso-tamaño. Las centrales nucleares termoiónicas utilizan el efecto de la emisión termoiónica de la superficie. de un conductor suficientemente calentado Para probar convertidores termoiónicos de alta potencia, se creó un reactor en 1964. base en Kiev (en 1970, la misma base apareció en Alma-Ata El trabajo fue realizado por dos desarrolladores: la nuclear Topaz). En la NPO "Estrella Roja" (dirección científica de IPPE - inteligencia nuclear) se desarrolló una central eléctrica con una potencia eléctrica de 5-6,6 kW, Energovak-TsKBM (dirección científica del Instituto Kurchatov de Rusia) desarrolló la central nuclear de Yenisei. para la nave espacial de transmisión de televisión Ekran-AM. La central nuclear Topaz fue probada dos veces en condiciones espaciales a bordo de la nave espacial Plasma -A" (2 de febrero de 1987). "Cosmos-1818" y 10 de julio de 1987 "Cosmos-1867"). Con una vida útil de un año, ya en el segundo vuelo "Topaz" funcionó durante más de 11 meses, pero los lanzamientos se detuvieron ahí. Los trabajos en la central nuclear de Yenisei se detuvieron en la etapa de pruebas en tierra debido al cese de los trabajos en la nave espacial a la que estaba destinado. Más detalles sobre las fuentes de energía nuclear para naves espaciales se discutirán en una página separada del sitio. En 1970 NPO Energomash desarrolló un diseño preliminar de una central nuclear espacial con un reactor de fase gaseosa (con una zona sin flujo de material fisionable) EU-610 con una potencia eléctrica de 3,3 GW. Sin embargo, los problemas surgidos durante la obra no permitieron implementar este proyecto. En 1978 NPO Krasnaya Zvezda desarrolló propuestas técnicas para 2 versiones del sistema de propulsión nuclear Zarya-3 con una potencia eléctrica de 24 kW y una vida útil de más de un año. La primera opción es una modificación de la central nuclear Topaz-1, la otra tenía un diseño original (TEC remotos con tubos de calor). Los trabajos en las instalaciones se detuvieron por falta de conexión con una nave espacial específica. En el período 1981-86. Se llevó a cabo una gran cantidad de trabajos de diseño y experimentales, lo que indica la posibilidad fundamental de aumentar la vida útil de las centrales nucleares a 3-5 años y la potencia eléctrica a 600 kW. En 1982 NPO Energia (TsKBEM), de acuerdo con los términos de referencia de la Región de Moscú, desarrolló una propuesta técnica para el remolcador interorbital nuclear Hércules con una potencia eléctrica de 550 kW, lanzado a una órbita de referencia a una altitud de 200 km. el complejo Energia-Buran o el vehículo de lanzamiento Proton. En 1986 Se elaboró una propuesta técnica para el uso de un remolcador interorbital con sistema de propulsión eléctrica nuclear para transportar cargas útiles de hasta 100 toneladas a la órbita geoestacionaria, lanzadas a la órbita de referencia del vehículo de lanzamiento Energia. Pero estas obras no continuaron. Por lo tanto, la URSS nunca creó un sistema de propulsión eléctrica nuclear que realmente funcionara, aunque las centrales nucleares se operaron con éxito en naves espaciales en serie. La primera y única nave espacial que dispuso de una central nuclear con propulsión eléctrica fue la estadounidense “Snapshot”, lanzada el 3 de abril de 1965. La potencia eléctrica del reactor convertidor era de 650 W. Se instaló un motor de iones experimental en el dispositivo. Sin embargo, la primera activación del motor de propulsión eléctrica (en el día 43 de vuelo) provocó una parada de emergencia del reactor. Quizás la razón de esto fueron las fallas de alto voltaje que acompañaron el funcionamiento del motor de propulsión eléctrica, como resultado de lo cual se envió una orden falsa para restablecer el reflector del reactor, lo que provocó su parada. En 1992 Estados Unidos compró dos centrales nucleares de Yenisei a Rusia. Se suponía que uno de los reactores se utilizaría en 1995. en “Experimento espacial con propulsión nuclear”. Sin embargo, en 1996 el proyecto fue cerrado. En Estados Unidos, desde 1952 se llevan a cabo investigaciones sobre el problema de la creación de motores de propulsión nuclear en el Laboratorio de Los Alamos. En 1957 Se inició el trabajo en el programa Rover. A diferencia de la URSS, donde se llevaron a cabo pruebas elemento por elemento de los conjuntos combustibles y otros elementos del motor, Estados Unidos optó por crear y probar todo el reactor a la vez. El primer reactor, denominado KIWI-A, fue probado el 1 de julio de 1959. en un sitio de pruebas especial en Nevada. Se trataba de un reactor homogéneo cuyo núcleo estaba formado por placas desprotegidas compuestas por una mezcla de grafito y óxido de uranio-235 enriquecido al 90%. El agua pesada sirvió como moderador de neutrones. El óxido de uranio no podía soportar altas temperaturas y el hidrógeno que pasaba a través de los canales entre las placas solo podía calentarse hasta 1600 grados. La potencia de estos reactores era de sólo 100 MW. Las pruebas de Kiwi-A, como todas las posteriores, se llevaron a cabo con una eyección abierta. La actividad de los productos de escape fue baja y prácticamente no se impusieron restricciones al trabajo en la zona de pruebas. Las pruebas del reactor finalizaron el 7 de diciembre de 1961. (Durante el último lanzamiento, el núcleo fue destruido y se liberaron fragmentos de placas en la corriente de escape). Los resultados obtenidos de seis "pruebas en caliente" de motores de propulsión nuclear resultaron muy alentadores, ya a principios de 1961. Se preparó un informe sobre la necesidad de probar el reactor en vuelo. Sin embargo, pronto el "mareo" de los primeros éxitos comenzó a pasar y se comprendió que en el camino hacia la creación de un sistema de propulsión nuclear había muchos problemas, cuya solución requeriría mucho tiempo y dinero. Además, los avances en la creación de motores químicos para misiles de combate han dejado sólo el ámbito espacial para el uso de motores de propulsión nuclear. A pesar de que con la llegada de la administración Kennedy a la Casa Blanca (en 1961), se detuvo el trabajo en un avión de propulsión nuclear, el programa Rover fue llamado "una de las cuatro áreas prioritarias en la conquista del espacio" y fue desarrollado adicionalmente . Se adoptaron los nuevos programas "Rift" (RIFT - Reactor In Flight Test) y "Nerva" (NERVA - Motor nuclear para aplicaciones en vehículos cohete) para crear una versión de vuelo del motor de propulsión nuclear. Continuaron las pruebas de los reactores de la serie Kiwi. 1 de septiembre de 1962 Se probó el Kiwi-V con una potencia de 1100 MW que funciona con hidrógeno líquido. El óxido de uranio fue reemplazado por un carburo más resistente al calor, además, las varillas comenzaron a recubrirse con carburo de niobio, pero durante la prueba, al intentar alcanzar la temperatura de diseño, el reactor comenzó a colapsar (trozos de placas comenzaron a desprenderse). sale volando por la boquilla). El siguiente lanzamiento tuvo lugar el 30 de noviembre de 1962. pero después de 260 seg. Durante el funcionamiento, la prueba se detuvo debido a la aparición de fuertes vibraciones en el interior del reactor y destellos de llamas en la corriente de escape. Como resultado de estos fracasos, previsto para 1963. Las pruebas de los reactores Kiwi-V se pospusieron hasta el próximo año. En agosto de 1964 Se llevó a cabo otra prueba durante la cual el motor funcionó a una potencia de 900 MW durante más de ocho minutos, desarrollando un empuje de 22,7 toneladas. a una velocidad de escape de 7500 m/seg. A principios de 1965. Se llevó a cabo la última prueba durante la cual el reactor fue destruido. Fue llevado deliberadamente al punto de explosión como resultado de una rápida “aceleración”. Si normalmente la transición de un reactor de potencia cero a plena potencia requiere decenas de segundos, en esta prueba la duración de dicha transición se determinó únicamente por la inercia de las barras de control, y aproximadamente 44 milisegundos después de que se transfirieron a plena potencia. posición de poder, se produjo una explosión equivalente a 50 a 60 kg. trinitrotolueno. El programa Rift implicó el lanzamiento de un cohete Saturn-V con un reactor experimental a lo largo de una trayectoria balística a una altitud de hasta 1.000 km. y su posterior caída al sur del Océano Atlántico. Antes de entrar al agua, el reactor nuclear tuvo que ser volado (pocas personas en ese momento pensaban en la seguridad radiológica). Pero año tras año el programa se fue retrasando y finalmente nunca se implementó. En la primera etapa, el trabajo en el motor NERVA se basó en un reactor Kiwi-V ligeramente modificado, llamado NERVA-NRX (Nuclear Rocket Experimental - cohete nuclear experimental). Dado que en ese momento aún no se había encontrado un material capaz de funcionar a 2700-3000 grados. y para resistir la destrucción por hidrógeno caliente, se decidió reducir la temperatura de funcionamiento y el impulso específico se limitó a 8400 m/seg. Las pruebas del reactor comenzaron en 1964 y alcanzaron una potencia de 1000 MW y un empuje de aproximadamente 22,5 toneladas. La velocidad de escape es superior a 7000 m/s. En 1966 Por primera vez, el motor se probó a plena potencia de 1.100 MW. En el que trabajó durante 28 minutos. (de 110 minutos de trabajo). La temperatura del hidrógeno en la salida del reactor alcanzó los 2000 grados, el empuje fue de 20 toneladas. En la siguiente etapa del programa se planeó utilizar reactores Phoebus más potentes (Phoebus y luego Pewee). El desarrollo de reactores mejorados de grafito en fase sólida para el motor NERVA en el marco del programa Phoebus se lleva a cabo en el laboratorio de Los Alamos desde 1963. El primero de estos reactores tiene aproximadamente las mismas dimensiones que el Kiwi-V (diámetro 0,813 m, longitud 1,395 m), pero está diseñado para aproximadamente el doble de potencia. Sobre la base de este reactor se planeó crear el motor NERVA-1. La siguiente modificación, con una potencia de aproximadamente 4000-5000 MW, se utilizaría para el motor NERVA-2. Este motor tiene un empuje en el rango de 90-110t. Debería haber tenido una velocidad de escape de hasta 9000 m/s. La altura del motor es de aproximadamente 12 m. diámetro exterior - 1,8 m. Consumo de fluido de trabajo 136kg/s. El peso del motor NERVA-2 era de aproximadamente 13,6 toneladas. Debido a dificultades financieras, pronto se abandonó el motor NERVA-2 y se pasó a diseñar el motor NERVA-1 de mayor potencia con un empuje de 34 toneladas. con una velocidad de salida de 8250 m/s. La primera prueba del reactor NRX-A6 para este motor se llevó a cabo el 15 de diciembre de 1967. En junio de 1969 Se llevaron a cabo las primeras pruebas en caliente del motor experimental NERVA XE con un empuje de 22,7 toneladas. El tiempo total de funcionamiento del motor fue de 115 minutos y se realizaron 28 arranques. El NERVA-1 YARD tenía un reactor homogéneo con un núcleo de 1 m de diámetro. y altura 1,8 m. compuesto por 1800 elementos combustibles hexagonales (concentración de combustible nuclear 200 - 700 mg/cc). ). El reactor tenía un reflector anular de unos 150 mm de espesor, fabricado de óxido de berilio. La vasija de potencia del reactor está hecha de una aleación de aluminio, el escudo interno contra la radiación está hecho de un material compuesto (carburo de boro, aluminio e hidruro de titanio). También se puede instalar protección externa adicional entre el reactor y las unidades de turbobomba. La NASA consideró que el motor era adecuado para el vuelo previsto a Marte. Se suponía que se instalaría en la etapa superior del vehículo de lanzamiento Saturn 5. Un portaaviones de este tipo podría transportar al espacio dos o tres veces más carga útil que su versión puramente química. Pero gran parte del programa espacial estadounidense fue cancelado por la administración del presidente Nixon. Y se detuvo en 1970. La producción de los cohetes Saturn-5 puso fin definitivamente al programa de utilización de motores de propulsión nuclear. En Los Alamos, el trabajo en motores Pewee bajo el programa Rover continuó hasta 1972. después de lo cual el programa finalmente se cerró. La principal diferencia entre nuestros motores de propulsión nuclear y los estadounidenses es que eran heterogéneos. En reactores homogéneos (homogéneos), se mezclan combustible nuclear y moderador. En la NRE nacional, el combustible nuclear se concentraba en barras de combustible (separadas del moderador) y estaba encerrado en una capa protectora, de modo que el moderador funcionaba a temperaturas mucho más bajas que en los reactores americanos. Esto hizo posible abandonar el grafito y utilizar hidruro de circonio como moderador. Como resultado, el reactor era mucho más compacto y ligero que el de grafito. Esto, junto con la forma de las barras encontradas por los diseñadores soviéticos (de cuatro lóbulos en sección transversal y retorcidas a lo largo), permitió reducir significativamente la pérdida de uranio como resultado de la destrucción de las barras (no fue posible eliminar completamente la destrucción). Actualmente, sólo Estados Unidos y Rusia tienen una experiencia significativa en el desarrollo y construcción de motores de propulsión nuclear de fase sólida y, si es necesario, podrán crear dichos motores en poco tiempo y a un precio asequible. Los complejos de reactores IGR y IVG-1 pertenecen ahora al Centro Nuclear Nacional de la República de Kazajstán. El equipo se mantiene en condiciones relativamente operativas. Es posible que la reanudación de los programas de vuelos a la Luna y Marte reavive el interés por los motores de propulsión nuclear de fase sólida. Además, el uso de motores de propulsión nuclear puede ampliar significativamente los límites del estudio del sistema solar, reduciendo el tiempo necesario para llegar a planetas distantes. En 2010 El presidente ruso Medvedev ordenó la creación de un módulo de energía y transporte espacial basado en centrales nucleares que utilizan motores de propulsión eléctrica de iones. La creación del reactor estará a cargo de NIKIET. El Centro Keldysh creará el sistema de propulsión nuclear y RSC Energia creará el propio módulo de transporte y energía. La potencia eléctrica de salida del convertidor de turbina de gas en modo nominal será de 100 a 150 kW. Se propone utilizar xenón como RT. Impulso específico del motor de propulsión eléctrica 9000-50000m/seg. recurso 1,5-3 años. El peso y dimensiones de la instalación deberán permitir el uso de vehículos lanzadores Proton y Angara para su lanzamiento. Las pruebas en tierra de un prototipo funcional comenzarán en 2014, y en 2017 el motor nuclear estará listo para su lanzamiento al espacio (la NASA también inició un programa similar en 2003, pero luego se suspendió la financiación). Para desarrollar todo el proyecto se necesitarán 17 mil millones de rublos. Espera y verás.
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La declaración de Vladimir Putin durante su discurso ante la Asamblea Federal sobre la presencia en Rusia de un misil de crucero propulsado por un motor nuclear provocó una tormenta de entusiasmo en la sociedad y en los medios de comunicación. Al mismo tiempo, hasta hace poco, tanto el público en general como los especialistas sabían muy poco sobre qué es un motor de este tipo y sus posibilidades de uso.
Reedus intentó descubrir de qué tipo de dispositivo técnico podría estar hablando el presidente y qué lo hacía único.
Considerando que la presentación en el Manege no estaba dirigida a un público de especialistas técnicos, sino al público "en general", sus autores podrían haber permitido una cierta sustitución de conceptos, Georgiy Tikhomirov, subdirector del Instituto de Física y Tecnología Nucleares de La Universidad Nacional de Investigación Nuclear MEPhI no lo descarta.
“Lo que dijo y mostró el presidente, los expertos lo llaman plantas de energía compactas, cuyos experimentos se llevaron a cabo inicialmente en la aviación y luego en la exploración del espacio profundo. Se trataba de intentos de resolver el problema insoluble de un suministro suficiente de combustible al volar distancias ilimitadas. En este sentido, la presentación es totalmente correcta: la presencia de un motor de este tipo garantiza el suministro de energía a los sistemas de un cohete o de cualquier otro dispositivo durante un tiempo indefinidamente largo”, dijo a Reedus.
El trabajo con un motor de este tipo en la URSS comenzó hace exactamente 60 años bajo la dirección de los académicos M. Keldysh, I. Kurchatov y S. Korolev. En los mismos años se llevó a cabo un trabajo similar en Estados Unidos, pero se interrumpió en 1965. En la URSS, el trabajo continuó durante aproximadamente otra década antes de que también se considerara irrelevante. Quizás por eso Washington no reaccionó demasiado, diciendo que no les sorprendió la presentación del misil ruso.
En Rusia, la idea de un motor nuclear nunca ha muerto; en particular, desde 2009 se ha iniciado el desarrollo práctico de una planta de este tipo. A juzgar por los plazos, las pruebas anunciadas por el presidente encajan perfectamente en este proyecto conjunto de Roscosmos y Rosatom, ya que los desarrolladores planeaban realizar pruebas de campo del motor en 2018. Quizás por motivos políticos se esforzaron un poco y trasladaron los plazos “hacia la izquierda”.
“Tecnológicamente está diseñado de tal manera que la central nuclear calienta el gas refrigerante. Y este gas calentado hace girar la turbina o crea directamente el empuje del chorro. Una cierta astucia en la presentación del cohete que escuchamos es que su alcance de vuelo no es infinito: está limitado por el volumen del fluido de trabajo, el gas líquido, que puede bombearse físicamente a los tanques del cohete”, dice el especialista.
Al mismo tiempo, un cohete espacial y un misil de crucero tienen esquemas de control de vuelo fundamentalmente diferentes, ya que tienen tareas diferentes. El primero vuela en un espacio sin aire, no necesita maniobrar; basta con darle un impulso inicial y luego se mueve a lo largo de la trayectoria balística calculada.
Un misil de crucero, por el contrario, debe cambiar continuamente su trayectoria, para lo cual debe disponer de un suministro suficiente de combustible para generar impulsos. En este caso no importa si este combustible se quemará en una central nuclear o en una tradicional. Lo único que importa es el suministro de este combustible, subraya Tikhomirov.
“El significado de una instalación nuclear cuando se vuela al espacio profundo es la presencia a bordo de una fuente de energía para alimentar los sistemas del dispositivo durante un tiempo ilimitado. En este caso, puede haber no sólo un reactor nuclear, sino también generadores termoeléctricos de radioisótopos. Pero todavía no tengo del todo claro el significado de una instalación de este tipo en un cohete, cuyo vuelo no durará más que unas pocas decenas de minutos”, admite el físico.
El informe Manege llegó sólo con un par de semanas de retraso en comparación con el anuncio de la NASA del 15 de febrero de que los estadounidenses estaban reanudando el trabajo de investigación sobre un motor de cohete nuclear que abandonaron hace medio siglo.
Por cierto, en noviembre de 2017, la Corporación de Ciencia y Tecnología Aeroespacial de China (CASC) anunció que en 2045 se crearía en China una nave espacial de propulsión nuclear. Por lo tanto, hoy podemos decir con seguridad que la carrera mundial de propulsión nuclear ha comenzado.
Ojo que hay muchas letras.
En Rusia está previsto crear un modelo de vuelo de una nave espacial con sistema de propulsión nuclear (NPP) para 2025. El trabajo correspondiente está incluido en el borrador del Programa Espacial Federal para 2016-2025 (FKP-25), enviado por Roscosmos para su aprobación a los ministerios.
Los sistemas de energía nuclear se consideran las principales fuentes de energía prometedoras en el espacio a la hora de planificar expediciones interplanetarias a gran escala. En el futuro, la central nuclear que actualmente está construyendo la empresa Rosatom podrá suministrar megavatios de potencia al espacio.
Todos los trabajos para la creación de una central nuclear avanzan según los plazos previstos. Podemos decir con confianza que el trabajo se completará en el plazo previsto por el programa previsto”, afirma Andréi Ivanov, director de proyectos del departamento de comunicaciones de la corporación estatal Rosatom.
Recientemente, el proyecto ha completado dos etapas importantes: se ha creado un diseño único del elemento combustible, que garantiza el funcionamiento en condiciones de altas temperaturas, grandes gradientes de temperatura y altas dosis de radiación. También se han completado con éxito las pruebas tecnológicas de la vasija del reactor de la futura unidad de energía espacial. Como parte de estas pruebas, la carcasa se sometió a sobrepresión y se tomaron mediciones 3D en las áreas de metal base, soldadura circunferencial y transición cónica.
Principio de operación. Historia de la creación.
No existen dificultades fundamentales con un reactor nuclear para aplicaciones espaciales. En el período de 1962 a 1993, nuestro país acumuló una gran experiencia en la producción de instalaciones similares. En Estados Unidos se llevó a cabo un trabajo similar. Desde principios de la década de 1960, se han desarrollado en el mundo varios tipos de motores de propulsión eléctrica: iones, plasma estacionario, motor de capa anódica, motor de plasma pulsado, magnetoplasma, magnetoplasmodinámico.
La creación de motores nucleares para naves espaciales se llevó a cabo activamente en la URSS y en los EE.UU. durante el siglo pasado: los estadounidenses cerraron el proyecto en 1994, la URSS en 1988. El cierre de la obra se vio facilitado en gran medida por el desastre de Chernobyl, que afectó negativamente a la opinión pública sobre el uso de la energía nuclear. Además, las pruebas de instalaciones nucleares en el espacio no siempre se desarrollaron según lo planeado: en 1978, el satélite soviético Kosmos-954 entró en la atmósfera y se desintegró, esparciendo miles de fragmentos radiactivos en un área de 100 mil metros cuadrados. km en el noroeste de Canadá. La Unión Soviética pagó a Canadá una compensación monetaria de más de 10 millones de dólares.
En mayo de 1988, dos organizaciones, la Federación de Científicos Estadounidenses y el Comité de Científicos Soviéticos por la Paz contra la Amenaza Nuclear, hicieron una propuesta conjunta para prohibir el uso de energía nuclear en el espacio. Esa propuesta no tuvo consecuencias formales, pero desde entonces ningún país ha lanzado naves espaciales con plantas de energía nuclear a bordo.
Las grandes ventajas del proyecto son características operativas prácticamente importantes: una larga vida útil (10 años de funcionamiento), un intervalo de revisión significativo y un largo tiempo de funcionamiento de un interruptor.
En 2010 se formularon propuestas técnicas para el proyecto. El diseño comenzó este año.
Una central nuclear contiene tres dispositivos principales: 1) una instalación de reactor con fluido de trabajo y dispositivos auxiliares (intercambiador-recuperador de calor y turbogenerador-compresor); 2) sistema de propulsión de cohetes eléctricos; 3) refrigerador-emisor.
Reactor.
Desde un punto de vista físico, se trata de un reactor compacto de neutrones rápidos refrigerado por gas.
El combustible utilizado es un compuesto (dióxido o carbonitruro) de uranio, pero como el diseño debe ser muy compacto, el uranio tiene un enriquecimiento en el isótopo 235 mayor que el de las barras de combustible de las centrales nucleares convencionales (civiles), quizás por encima del 20%. Y su caparazón es una aleación monocristalina de metales refractarios a base de molibdeno.
Este combustible tendrá que funcionar a temperaturas muy altas. Por lo tanto, fue necesario elegir materiales que pudieran contener factores negativos asociados con la temperatura y, al mismo tiempo, permitir que el combustible cumpla su función principal: calentar el gas refrigerante, que se utilizará para producir electricidad.
Refrigerador.
La refrigeración del gas durante el funcionamiento de una instalación nuclear es absolutamente necesaria. ¿Cómo arrojar calor al espacio exterior? La única posibilidad es el enfriamiento por radiación. La superficie calentada en el vacío se enfría y emite ondas electromagnéticas en un amplio rango, incluida la luz visible. La singularidad del proyecto es el uso de un refrigerante especial: una mezcla de helio y xenón. La instalación garantiza una alta eficiencia.
Motor.
El principio de funcionamiento del motor de iones es el siguiente. En la cámara de descarga de gas se crea plasma enrarecido mediante ánodos y un bloque catódico situado en un campo magnético. Desde allí, los iones del fluido de trabajo (xenón u otra sustancia) son "extraídos" por el electrodo de emisión y acelerados en el espacio entre este y el electrodo de aceleración.
Para implementar el plan, se prometieron 17 mil millones de rublos entre 2010 y 2018. De estos fondos, 7,245 mil millones de rublos estaban destinados a la corporación estatal Rosatom para la construcción del propio reactor. Otros 3.955 millones - FSUE "Keldysh Center" para la creación de una planta de propulsión de energía nuclear. Otros 5,8 mil millones de rublos se destinarán a RSC Energia, donde en el mismo plazo deberá formarse el aspecto funcional de todo el módulo de transporte y energía.
Según lo previsto, a finales de 2017 estará preparado un sistema de propulsión nuclear para completar el módulo de transporte y energía (módulo de transferencia interplanetaria). A finales de 2018 la central nuclear estará preparada para las pruebas de vuelo. El proyecto se financia con cargo al presupuesto federal.
No es ningún secreto que los trabajos para la creación de motores de cohetes nucleares comenzaron en Estados Unidos y la URSS allá por los años 60 del siglo pasado. ¿Hasta dónde han llegado? ¿Y qué problemas encontraste en el camino?
Anatoly Koroteev: De hecho, el trabajo sobre el uso de la energía nuclear en el espacio se inició y se llevó a cabo activamente aquí y en los EE.UU. en los años 1960-1970.
Inicialmente, la tarea era crear motores de cohetes que, en lugar de la energía química de la combustión del combustible y el oxidante, utilizaran el calentamiento del hidrógeno a una temperatura de aproximadamente 3.000 grados. Pero resultó que un camino tan directo todavía era ineficaz. Recibimos un gran empuje durante un breve periodo de tiempo, pero al mismo tiempo emitimos un chorro que, en caso de un funcionamiento anormal del reactor, puede resultar radiactivamente contaminado.
Se acumuló algo de experiencia, pero ni nosotros ni los estadounidenses pudimos crear motores fiables. Funcionaron, pero no mucho, porque calentar hidrógeno a 3000 grados en un reactor nuclear es una tarea seria. Además, durante las pruebas en tierra de estos motores surgieron problemas medioambientales, ya que se liberaron chorros radiactivos a la atmósfera. Ya no es un secreto que tales trabajos se llevaron a cabo en el polígono de Semipalatinsk, especialmente preparado para pruebas nucleares, que permaneció en Kazajstán.
Es decir, dos parámetros resultaron críticos: ¿temperatura extrema y emisiones de radiación?
Anatoly Koroteev: En general, sí. Por estas y otras razones, el trabajo en nuestro país y en los EE.UU. fue detenido o suspendido; esto se puede evaluar de diferentes maneras. Y no nos parecía razonable reanudarlos de una manera tan, diría yo, frontal, para fabricar un motor nuclear con todas las deficiencias ya mencionadas. Propusimos un enfoque completamente diferente. Se diferencia del antiguo de la misma manera que un coche híbrido se diferencia de uno normal. En un automóvil normal, el motor hace girar las ruedas, pero en los automóviles híbridos, la electricidad se genera a partir del motor y esta electricidad hace girar las ruedas. Es decir, se está creando una especie de central eléctrica intermedia.
Por eso propusimos un esquema en el que el reactor espacial no calienta el chorro expulsado, sino que genera electricidad. El gas caliente del reactor hace girar la turbina, la turbina hace girar el generador eléctrico y el compresor, que hace circular el fluido de trabajo en un circuito cerrado. El generador produce electricidad para el motor de plasma con un empuje específico 20 veces mayor que el de sus análogos químicos.
Esquema complicado. En esencia, se trata de una minicentral nuclear en el espacio. ¿Y cuáles son sus ventajas sobre un motor nuclear estatorreactor?
Anatoly Koroteev: Lo principal es que el chorro que sale del nuevo motor no será radiactivo, ya que a través del reactor pasa un fluido de trabajo completamente diferente, que está contenido en un circuito cerrado.
Además, con este esquema no necesitamos calentar el hidrógeno a valores prohibitivos: en el reactor circula un fluido de trabajo inerte, que se calienta hasta 1500 grados. Nos estamos poniendo las cosas realmente fáciles. Y como resultado, aumentaremos el empuje específico no dos veces, sino 20 veces en comparación con los motores químicos.
Otra cosa también es importante: no son necesarias pruebas complejas a gran escala, que requieren la infraestructura del antiguo polígono de pruebas de Semipalatinsk, en particular, la base del banco de pruebas que permanece en la ciudad de Kurchatov.
En nuestro caso, todas las pruebas necesarias se pueden realizar en territorio ruso, sin verse arrastrados a largas negociaciones internacionales sobre el uso de la energía nuclear fuera de las fronteras de nuestro Estado.
¿Se están realizando trabajos similares actualmente en otros países?
Anatoly Koroteev: Tuve una reunión con el subdirector de la NASA, discutimos cuestiones relacionadas con el regreso a trabajar en energía nuclear en el espacio y dijo que los estadounidenses están mostrando un gran interés en esto.
Es muy posible que China responda con acciones activas de su parte, por lo que debemos trabajar rápidamente. Y no sólo por estar medio paso por delante de alguien.
En primer lugar, debemos trabajar con rapidez para lucir decentemente en la cooperación internacional que está surgiendo y que de facto se está formando.
No descarto que en un futuro próximo pueda iniciarse un programa internacional para una central nuclear espacial, similar al programa de fusión termonuclear controlada que se está aplicando actualmente.
Los motores de cohetes líquidos han hecho posible que los humanos vayan al espacio, a órbitas cercanas a la Tierra. Pero la velocidad de la corriente en chorro en un motor de cohete de propulsión líquida no supera los 4,5 km/s, y para vuelos a otros planetas se necesitan decenas de kilómetros por segundo. Una posible solución es utilizar la energía de las reacciones nucleares.
La creación práctica de motores de cohetes nucleares (NRE) fue realizada únicamente por la URSS y los Estados Unidos. En 1955, Estados Unidos comenzó a implementar el programa Rover para desarrollar un motor de cohete nuclear para naves espaciales. Tres años más tarde, en 1958, la NASA se involucró en el proyecto, que fijó una tarea específica para los barcos con motores de propulsión nuclear: un vuelo a la Luna y Marte. A partir de ese momento, el programa pasó a llamarse NERVA, que significa "motor nuclear para instalación en cohetes".
A mediados de los años 70, en el marco de este programa, se planeó diseñar un motor de cohete nuclear con un empuje de aproximadamente 30 toneladas (en comparación, el empuje típico de los motores de cohetes líquidos de esa época era de aproximadamente 700 toneladas), pero con una velocidad de escape de gases de 8,1 km/s. Sin embargo, en 1973 el programa se cerró debido a un giro de los intereses estadounidenses hacia el transbordador espacial.
En la URSS, el diseño de los primeros motores de propulsión nuclear se llevó a cabo en la segunda mitad de los años 50. Al mismo tiempo, los diseñadores soviéticos, en lugar de crear un modelo a escala real, comenzaron a fabricar partes separadas del motor de propulsión nuclear. Y luego estos desarrollos se probaron en interacción con un reactor de grafito pulsado (IGR) especialmente desarrollado.
En los años 70 y 80 del siglo pasado, Salyut Design Bureau, Khimavtomatiki Design Bureau y Luch NPO crearon proyectos de motores de propulsión nuclear espacial RD-0411 y RD-0410 con un empuje de 40 y 3,6 toneladas, respectivamente. Durante el proceso de diseño se fabricaron un reactor, un motor frío y un prototipo de banco para pruebas.
En julio de 1961, el académico soviético Andrei Sajarov anunció el proyecto de explosión nuclear en una reunión de destacados científicos nucleares en el Kremlin. El desintegrador tenía motores de cohetes líquidos convencionales para el despegue, pero en el espacio se suponía que debía detonar pequeñas cargas nucleares. Los productos de fisión generados durante la explosión transfirieron su impulso al barco, haciéndolo volar. Sin embargo, el 5 de agosto de 1963 se firmó en Moscú un tratado que prohíbe los ensayos de armas nucleares en la atmósfera, el espacio exterior y bajo el agua. Este fue el motivo del cierre del programa de explosión nuclear.
Es posible que el desarrollo de motores de propulsión nuclear se adelantara a su tiempo. Sin embargo, no fueron demasiado prematuros. Después de todo, la preparación para un vuelo tripulado a otros planetas dura varias décadas y los sistemas de propulsión deben prepararse con anticipación.
Diseño de motor de cohete nuclear.
Un motor de cohete nuclear (NRE) es un motor a reacción en el que la energía generada durante una reacción de desintegración o fusión nuclear calienta el fluido de trabajo (generalmente hidrógeno o amoníaco).
Existen tres tipos de motores de propulsión nuclear según el tipo de combustible del reactor:
- fase sólida;
- fase líquida;
- fase gaseosa.
El más completo es fase sólida opción de motor. La figura muestra un diagrama del motor nuclear más simple con un reactor de combustible nuclear sólido. El fluido de trabajo se encuentra en un tanque externo. Mediante una bomba, se suministra a la cámara del motor. En la cámara, el fluido de trabajo se pulveriza mediante boquillas y entra en contacto con el combustible nuclear que genera el combustible. Cuando se calienta, se expande y sale volando de la cámara a través de la boquilla a gran velocidad.
Fase líquida— el combustible nuclear en el núcleo del reactor de dicho motor se encuentra en forma líquida. Los parámetros de tracción de dichos motores son más altos que los de los motores de fase sólida debido a la mayor temperatura del reactor.
EN fase gaseosa El combustible NRE (por ejemplo, uranio) y el fluido de trabajo se encuentran en estado gaseoso (en forma de plasma) y se mantienen en la zona de trabajo mediante un campo electromagnético. El plasma de uranio calentado a decenas de miles de grados transfiere calor al fluido de trabajo (por ejemplo, hidrógeno), que, a su vez, al calentarse a altas temperaturas, forma una corriente en chorro.
Según el tipo de reacción nuclear, se distingue entre un motor de cohete radioisótopo, un motor de cohete termonuclear y un motor nuclear en sí (se utiliza la energía de la fisión nuclear).
Una opción interesante es también un motor de cohete nuclear pulsado: se propone utilizar una carga nuclear como fuente de energía (combustible). Estas instalaciones pueden ser de tipo interno y externo.
Las principales ventajas de los motores de propulsión nuclear son:
- alto impulso específico;
- importantes reservas de energía;
- compacidad del sistema de propulsión;
- la posibilidad de obtener un empuje muy alto: decenas, cientos y miles de toneladas en el vacío.
La principal desventaja es el alto riesgo de radiación del sistema de propulsión:
- flujos de radiación penetrante (radiación gamma, neutrones) durante reacciones nucleares;
- eliminación de compuestos altamente radiactivos de uranio y sus aleaciones;
- salida de gases radiactivos con el fluido de trabajo.
Por tanto, arrancar un motor nuclear es inaceptable para lanzamientos desde la superficie de la Tierra debido al riesgo de contaminación radiactiva.
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