Motor de cohete nuclear para naves espaciales rusas. Por qué los motores de cohetes nucleares no se han hecho realidad

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, naturalmente, 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 era generado por el 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 mediante 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 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. Una placa de metal equilibrada y calibrada, la llamada balanza, servía para medir la "fuerza", es decir, el empuje del haz de iones.

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 del convertidor de “vacío” de Ioffe. 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 de iones, sino de 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 daban 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 proximidades 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 motor 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.

Los escépticos sostienen que la creación de un motor nuclear no es un progreso significativo en el campo de la ciencia y la tecnología, sino sólo una "modernización de una caldera de vapor", donde en lugar de carbón y leña, el uranio actúa como combustible y el hidrógeno actúa como combustible. trabajando fluidamente. ¿Es tan inútil el NRE (motor a reacción nuclear)? Intentemos resolverlo.

Primeros cohetes

Todos los logros de la humanidad en la exploración del espacio cercano a la Tierra pueden atribuirse con seguridad a los motores a reacción químicos. El funcionamiento de tales unidades de potencia se basa en la conversión de la energía de la reacción química de la combustión del combustible en un oxidante en energía cinética de la corriente en chorro y, en consecuencia, del cohete. El combustible utilizado es queroseno, hidrógeno líquido, heptano (para motores de cohetes de propulsor líquido (LPRE)) y una mezcla polimerizada de perclorato de amonio, aluminio y óxido de hierro (para motores de cohetes de propulsor sólido (SDRE)).

Es bien sabido que los primeros cohetes utilizados para fuegos artificiales aparecieron en China en el siglo II a.C. Se elevaron hacia el cielo gracias a la energía de los gases en polvo. Las investigaciones teóricas del armero alemán Konrad Haas (1556), del general polaco Kazimir Semenovich (1650) y del teniente general ruso Alexander Zasyadko contribuyeron significativamente al desarrollo de la tecnología de cohetes.

El científico estadounidense Robert Goddard recibió una patente por la invención del primer cohete de propulsor líquido. Su aparato, que pesaba 5 kg y unos 3 m de largo, funcionaba con gasolina y oxígeno líquido y tardaba 2,5 s en 1926. Voló 56 metros.

Persiguiendo velocidad

En los años 30 del siglo pasado se iniciaron trabajos experimentales serios para la creación de motores a reacción químicos en serie. En la Unión Soviética, V. P. Glushko y F. A. Tsander son considerados, con razón, los pioneros en la construcción de motores de cohetes. Con su participación, se desarrollaron las unidades de potencia RD-107 y RD-108, que aseguraron la primacía de la URSS en la exploración espacial y sentaron las bases para el futuro liderazgo de Rusia en el campo de la exploración espacial tripulada.

Durante la modernización del motor de turbina líquida quedó claro que la velocidad máxima teórica de la corriente en chorro no podía superar los 5 km/s. Esto puede ser suficiente para estudiar el espacio cercano a la Tierra, pero los vuelos a otros planetas, y más aún a las estrellas, seguirán siendo una quimera para la humanidad. Como resultado, ya a mediados del siglo pasado comenzaron a aparecer proyectos de motores de cohetes alternativos (no químicos). Las instalaciones más populares y prometedoras fueron las que utilizan la energía de las reacciones nucleares. Los primeros modelos experimentales de motores nucleares espaciales (NRE) en la Unión Soviética y Estados Unidos pasaron las pruebas de prueba en 1970. Sin embargo, después del desastre de Chernobyl, bajo la presión pública, se suspendieron los trabajos en esta área (en la URSS en 1988, en los EE. UU., desde 1994).

El funcionamiento de las centrales nucleares se basa en los mismos principios que las termoquímicas. La única diferencia es que el calentamiento del fluido de trabajo se realiza mediante la energía de desintegración o fusión del combustible nuclear. La eficiencia energética de estos motores supera significativamente a la de los químicos. Por ejemplo, la energía que puede liberar 1 kg del mejor combustible (una mezcla de berilio con oxígeno) es de 3 × 107 J, mientras que para los isótopos de polonio Po210 este valor es de 5 × 1011 J.

La energía liberada en un motor nuclear se puede utilizar de varias maneras:

calentando el fluido de trabajo emitido a través de las boquillas, como en un motor de cohete de propulsor líquido tradicional, después de su conversión en electricidad, ionizando y acelerando las partículas del fluido de trabajo, creando un impulso directamente por productos de fisión o síntesis. Incluso el agua ordinaria puede actuar como un. fluido de trabajo, pero el uso de alcohol, amoníaco o hidrógeno líquido será mucho más efectivo. Dependiendo del estado de agregación del combustible para el reactor, los motores de cohetes nucleares se dividen en fase sólida, líquida y gaseosa. El motor de propulsión nuclear más desarrollado es el que cuenta con un reactor de fisión en fase sólida, que utiliza como combustible barras de combustible (elementos combustibles) que se utilizan en las centrales nucleares. El primer motor de este tipo, como parte del proyecto estadounidense Nerva, se sometió a pruebas en tierra en 1966 y funcionó durante aproximadamente dos horas.

Caracteristicas de diseño

En el corazón de cualquier motor espacial nuclear hay un reactor que consta de un núcleo y un reflector de berilio alojados en una carcasa de energía. En el núcleo se produce la fisión de los átomos de una sustancia combustible, normalmente uranio U238, enriquecido en isótopos U235. Para impartir ciertas propiedades al proceso de desintegración de los núcleos, aquí también se encuentran moderadores: tungsteno refractario o molibdeno. Si el moderador está incluido en las barras de combustible, el reactor se llama homogéneo, y si se coloca por separado, se llama heterogéneo. El motor nuclear también incluye una unidad de suministro de fluido de trabajo, controles, protección contra la radiación de sombras y una boquilla. Los elementos estructurales y componentes del reactor, que sufren altas cargas térmicas, son enfriados por el fluido de trabajo, que luego es bombeado a los conjuntos combustibles mediante una unidad de turbobomba. Aquí se calienta a casi 3.000˚C. Al fluir a través de la boquilla, el fluido de trabajo crea un empuje en chorro.

Los controles típicos de los reactores son barras de control y placas giratorias hechas de una sustancia absorbente de neutrones (boro o cadmio). Las varillas se colocan directamente en el núcleo o en nichos reflectores especiales y los tambores giratorios se colocan en la periferia del reactor. Moviendo las varillas o girando los tambores se modifica el número de núcleos fisionables por unidad de tiempo, regulando el nivel de liberación de energía del reactor y, en consecuencia, su potencia térmica.

Para reducir la intensidad de la radiación de neutrones y gamma, que es peligrosa para todos los seres vivos, se colocan elementos de protección del reactor primario en el edificio de energía.

Eficiencia incrementada

Un motor nuclear de fase líquida es similar en principio de funcionamiento y diseño a uno de fase sólida, pero el estado líquido del combustible permite aumentar la temperatura de reacción y, en consecuencia, el empuje de la unidad de potencia. Así, si para las unidades químicas (turborreactores líquidos y motores cohete de propulsión sólida) el impulso específico máximo (velocidad del flujo del chorro) es de 5.420 m/s, para los motores nucleares de fase sólida y 10.000 m/s está lejos del límite, entonces el El valor medio de este indicador para los motores de propulsión nuclear en fase gaseosa se sitúa entre 30.000 y 50.000 m/s.

Hay dos tipos de proyectos de motores nucleares en fase gaseosa:

Un ciclo abierto, en el que se produce una reacción nuclear dentro de una nube de plasma de un fluido de trabajo sostenido por un campo electromagnético y absorbiendo todo el calor generado. Las temperaturas pueden alcanzar varias decenas de miles de grados. En este caso, la región activa está rodeada por una sustancia resistente al calor (por ejemplo, cuarzo): una lámpara nuclear que transmite libremente la energía emitida. En instalaciones del segundo tipo, la temperatura de reacción estará limitada por el punto de fusión. del material del matraz. Al mismo tiempo, la eficiencia energética de un motor espacial nuclear se reduce ligeramente (impulso específico de hasta 15.000 m/s), pero aumenta la eficiencia y la seguridad radiológica.

Logros prácticos

Formalmente, se considera que el inventor de la central nuclear es el científico y físico estadounidense Richard Feynman. El inicio de los trabajos a gran escala para el desarrollo y creación de motores nucleares para naves espaciales en el marco del programa Rover tuvo lugar en el Centro de Investigación de Los Álamos (EE.UU.) en 1955. Los inventores estadounidenses prefirieron las instalaciones con un reactor nuclear homogéneo. La primera muestra experimental de "Kiwi-A" se ensambló en una planta del centro nuclear de Albuquerque (Nuevo México, EE. UU.) y se probó en 1959. El reactor se colocó verticalmente sobre el soporte con la boquilla hacia arriba. Durante las pruebas, se liberó directamente a la atmósfera una corriente calentada de hidrógeno gastado. Y aunque el rector trabajó a baja potencia sólo unos 5 minutos, el éxito inspiró a los desarrolladores.

En la Unión Soviética, la reunión de los "tres grandes K" que tuvo lugar en 1959 en el Instituto de Energía Atómica dio un poderoso impulso a dicha investigación: el creador de la bomba atómica I.V. Kurchatov, el principal teórico de la cosmonáutica rusa. M.V. Keldysh y el diseñador general de cohetes soviéticos S.P. Queen. A diferencia del modelo americano, el motor soviético RD-0410, desarrollado en la oficina de diseño de la asociación Khimavtomatika (Voronezh), tenía un reactor heterogéneo. En 1978 se llevaron a cabo pruebas de fuego en un campo de entrenamiento cerca de Semipalatinsk.

Vale la pena señalar que se crearon muchos proyectos teóricos, pero nunca se llegó a una implementación práctica. Las razones de esto fueron la presencia de una gran cantidad de problemas en la ciencia de los materiales y la falta de recursos humanos y financieros.

Para tener en cuenta: un logro práctico importante fueron las pruebas de vuelo de aviones de propulsión nuclear. En la URSS, el más prometedor fue el bombardero estratégico experimental Tu-95LAL, en Estados Unidos, el B-36.

Proyecto "Orion" o motores de cohetes nucleares pulsados.

Para los vuelos espaciales, el matemático estadounidense de origen polaco Stanislaw Ulam propuso por primera vez en 1945 el uso de un motor nuclear pulsado. En la década siguiente, la idea fue desarrollada y refinada por T. Taylor y F. Dyson. La conclusión es que la energía de pequeñas cargas nucleares, detonadas a cierta distancia de la plataforma de empuje en la parte inferior del cohete, le imparte una gran aceleración.

Durante el proyecto Orion, lanzado en 1958, se planeó equipar un cohete con un motor de este tipo capaz de transportar personas a la superficie de Marte o a la órbita de Júpiter. La tripulación, situada en el compartimento de proa, estaría protegida de los efectos destructivos de aceleraciones gigantescas mediante un dispositivo de amortiguación. El resultado de un trabajo de ingeniería detallado fueron las pruebas de marcha de un modelo a gran escala del barco para estudiar la estabilidad del vuelo (se utilizaron explosivos comunes en lugar de cargas nucleares). Debido al elevado coste, el proyecto se cerró en 1965.

Ideas similares para la creación de un "avión explosivo" fueron expresadas por el académico soviético A. Sajarov en julio de 1961. Para poner la nave en órbita, el científico propuso utilizar motores turbohélice líquidos convencionales.

Proyectos alternativos

Una gran cantidad de proyectos nunca fueron más allá de la investigación teórica. Entre ellos había muchos originales y muy prometedores. Se confirma la idea de una central nuclear basada en fragmentos fisionables. Las características de diseño y la estructura de este motor permiten prescindir de ningún fluido de trabajo. La corriente en chorro, que proporciona las características de empuje necesarias, se forma a partir de material nuclear gastado. El reactor se basa en discos giratorios con masa nuclear subcrítica (coeficiente de fisión atómica inferior a la unidad). Al girar en el sector del disco ubicado en el núcleo, se inicia una reacción en cadena y los átomos de alta energía en descomposición se dirigen hacia la boquilla del motor, formando una corriente en chorro. Los átomos conservados intactos participarán en la reacción en las siguientes revoluciones del disco de combustible.

Los proyectos de un motor nuclear para barcos que realizan determinadas tareas en el espacio cercano a la Tierra, basado en RTG (generadores termoeléctricos de radioisótopos), son bastante viables, pero tales instalaciones son poco prometedoras para los vuelos interplanetarios y, más aún, interestelares.

Los motores de fusión nuclear tienen un enorme potencial. Ya en la etapa actual de desarrollo de la ciencia y la tecnología, es bastante factible una instalación pulsada en la que, como en el proyecto Orion, se detonarán cargas termonucleares debajo de la parte inferior del cohete. Sin embargo, muchos expertos consideran que la implantación de la fusión nuclear controlada es una cuestión de futuro próximo.

Ventajas y desventajas de los motores de propulsión nuclear.

Las ventajas indiscutibles de utilizar motores nucleares como unidades de potencia para naves espaciales incluyen su alta eficiencia energética, que proporcionan un alto impulso específico y un buen rendimiento de empuje (hasta mil toneladas en un espacio sin aire) y unas impresionantes reservas de energía durante el funcionamiento autónomo. El nivel actual de desarrollo científico y tecnológico permite garantizar la compacidad comparativa de una instalación de este tipo.

El principal inconveniente de los motores de propulsión nuclear, que provocó la reducción de los trabajos de diseño e investigación, es el alto riesgo de radiación. Esto es especialmente cierto cuando se realizan pruebas de fuego en tierra, como resultado de las cuales, junto con el fluido de trabajo, pueden ingresar a la atmósfera gases radiactivos, compuestos de uranio y sus isótopos, así como los efectos destructivos de la radiación penetrante. Por las mismas razones, es inaceptable lanzar una nave espacial equipada con un motor nuclear directamente desde la superficie de la Tierra.

Presente y futuro

Según Anatoly Koroteev, académico de la Academia de Ciencias de Rusia y director general del Centro Keldysh, en un futuro próximo se creará en Rusia un tipo fundamentalmente nuevo de motor nuclear. La esencia del enfoque es que la energía del reactor espacial no se dirigirá directamente a calentar el fluido de trabajo y formar una corriente en chorro, sino a producir electricidad. La función de propulsión en la instalación se asigna a un motor de plasma, cuyo empuje específico es 20 veces mayor que el empuje de los dispositivos de chorro químico que existen actualmente. La empresa principal del proyecto es una división de la corporación estatal Rosatom, JSC NIKIET (Moscú).

Las pruebas de prototipos a gran escala se completaron con éxito en 2015 sobre la base de NPO Mashinostroeniya (Reutov). La fecha de inicio de las pruebas de vuelo de la central nuclear es noviembre de este año. Habrá que probar los elementos y sistemas más importantes, incluso a bordo de la ISS.

El nuevo motor nuclear ruso funciona en un ciclo cerrado, lo que excluye por completo la liberación de sustancias radiactivas al espacio circundante. Las características masivas y dimensionales de los elementos principales de la central eléctrica garantizan su uso con los vehículos de lanzamiento nacionales Proton y Angara existentes.

Alexander Losev

El rápido desarrollo de la tecnología espacial y de cohetes en el siglo XX estuvo determinado por los objetivos e intereses militar-estratégicos, políticos y, en cierta medida, ideológicos de las dos superpotencias: la URSS y los EE.UU., y todos los programas espaciales estatales fueron una continuación de sus proyectos militares, donde la tarea principal era la necesidad de garantizar la capacidad de defensa y la paridad estratégica con un enemigo potencial. El costo de creación de equipos y los costos operativos no eran de fundamental importancia entonces. Se asignaron enormes recursos a la creación de vehículos de lanzamiento y naves espaciales, y el vuelo de 108 minutos de Yuri Gagarin en 1961 y la transmisión televisiva de Neil Armstrong y Buzz Aldrin desde la superficie de la Luna en 1969 no fueron solo triunfos de la ciencia y la técnica. Pensé que también fueron consideradas victorias estratégicas en batallas de la Guerra Fría.

Pero después de que la Unión Soviética colapsó y abandonó la carrera por el liderazgo mundial, sus oponentes geopolíticos, principalmente Estados Unidos, ya no necesitaron implementar proyectos espaciales prestigiosos pero extremadamente costosos para demostrarle al mundo entero la superioridad de la economía occidental. Sistema y conceptos ideológicos.
En los años 90, las principales tareas políticas de años anteriores perdieron relevancia, la confrontación de bloques dio paso a la globalización, el pragmatismo prevaleció en el mundo, por lo que la mayoría de los programas espaciales fueron recortados o pospuestos, solo la ISS quedó como legado de los proyectos a gran escala de; el pasado. Además, la democracia occidental ha hecho que todos los costosos programas gubernamentales dependan de los ciclos electorales.
El apoyo de los votantes, necesario para ganar o mantener el poder, obliga a los políticos, parlamentos y gobiernos a inclinarse hacia el populismo y resolver problemas de corto plazo, por lo que el gasto en exploración espacial se reduce año tras año.
La mayoría de los descubrimientos fundamentales se realizaron en la primera mitad del siglo XX, y hoy la ciencia y la tecnología han alcanzado ciertos límites; además, la popularidad del conocimiento científico ha disminuido en todo el mundo y la calidad de la enseñanza de las matemáticas, la física y otras ciencias naturales. Las ciencias se han deteriorado. Esta ha sido la razón del estancamiento de las últimas dos décadas, también en el sector espacial.
Pero ahora resulta obvio que el mundo se acerca al final de otro ciclo tecnológico basado en los descubrimientos del siglo pasado. Por lo tanto, cualquier potencia que posea tecnologías prometedoras fundamentalmente nuevas en el momento del cambio en la estructura tecnológica global automáticamente asegurará el liderazgo mundial durante al menos los próximos cincuenta años.

Diseño fundamental de un motor de propulsión nuclear con hidrógeno como fluido de trabajo.

Esto se ve tanto en los Estados Unidos, que han marcado el rumbo para el resurgimiento de la grandeza estadounidense en todas las esferas de actividad, como en China, que desafía la hegemonía estadounidense, y en la Unión Europea, que está tratando con todas sus fuerzas de mantener su peso en la economía global.
Allí existe una política industrial y están seriamente comprometidos con el desarrollo de su propio potencial científico, técnico y productivo, y la esfera espacial puede convertirse en el mejor campo de pruebas para probar nuevas tecnologías y para probar o refutar hipótesis científicas que puedan sentar las bases. para la creación de una tecnología del futuro fundamentalmente diferente y más avanzada.
Y es bastante natural esperar que Estados Unidos sea el primer país donde se reanuden los proyectos de exploración del espacio profundo para crear tecnologías innovadoras únicas en el campo de las armas, el transporte y los materiales estructurales, así como en la biomedicina y las telecomunicaciones.
Es cierto que ni siquiera Estados Unidos tiene garantizado el éxito en la creación de tecnologías revolucionarias. Existe un alto riesgo de llegar a un callejón sin salida a la hora de mejorar motores de cohetes de medio siglo de antigüedad basados ​​en combustible químico, como está haciendo SpaceX de Elon Musk, o al crear sistemas de soporte vital para vuelos largos similares a los ya implementados en el EEI.
¿Puede Rusia, cuyo estancamiento en el sector espacial es cada año más notorio, dar un salto en la carrera por el futuro liderazgo tecnológico para permanecer en el club de las superpotencias y no en la lista de países en desarrollo?
Sí, por supuesto, Rusia puede, y además, ya se ha dado un notable paso adelante en la energía nuclear y en las tecnologías de motores de cohetes nucleares, a pesar de la crónica falta de financiación de la industria espacial.
El futuro de la astronáutica es el uso de la energía nuclear. Para comprender cómo están conectados la tecnología nuclear y el espacio, es necesario considerar los principios básicos de la propulsión a chorro.
Así, los principales tipos de motores espaciales modernos se crean según los principios de la energía química. Se trata de aceleradores de combustible sólido y motores de cohetes líquidos, en sus cámaras de combustión los componentes del combustible (combustible y oxidante) entran en una reacción de combustión física y química exotérmica, formando una corriente en chorro que expulsa toneladas de sustancia por la boquilla del motor cada segundo. La energía cinética del fluido de trabajo del chorro se convierte en una fuerza reactiva suficiente para impulsar el cohete. El impulso específico (la relación entre el empuje generado y la masa del combustible utilizado) de dichos motores químicos depende de los componentes del combustible, la presión y la temperatura en la cámara de combustión, así como del peso molecular de la mezcla gaseosa expulsada a través del boquilla del motor.
Y cuanto mayor sea la temperatura de la sustancia y la presión dentro de la cámara de combustión, y menor sea la masa molecular del gas, mayor será el impulso específico y, por tanto, la eficiencia del motor. El impulso específico es una cantidad de movimiento y normalmente se mide en metros por segundo, al igual que la velocidad.
En los motores químicos, el mayor impulso específico lo proporcionan las mezclas de combustible de oxígeno-hidrógeno y flúor-hidrógeno (4500-4700 m/s), pero los más populares (y cómodos de operar) se han convertido en motores de cohetes que funcionan con queroseno y oxígeno, por ejemplo. por ejemplo, los cohetes Soyuz y Falcon de Musk, así como los motores que utilizan dimetilhidrazina asimétrica (UDMH) con un oxidante en forma de una mezcla de tetróxido de nitrógeno y ácido nítrico (Proton soviético y ruso, Ariane francés, Titan estadounidense). Su eficiencia es 1,5 veces menor que la de los motores de hidrógeno, pero un impulso de 3.000 m/s y una potencia son suficientes para que sea económicamente rentable lanzar toneladas de carga útil a órbitas cercanas a la Tierra.
Pero los vuelos a otros planetas requieren naves espaciales mucho más grandes que cualquier cosa que la humanidad haya creado anteriormente, incluida la ISS modular. En estos barcos es necesario garantizar la existencia autónoma a largo plazo de las tripulaciones, así como un cierto suministro de combustible y la vida útil de los motores principales y de los motores de maniobra y corrección orbital, para garantizar el transporte de los astronautas en un módulo de aterrizaje especial. a la superficie de otro planeta, y su regreso a la nave de transporte principal, y luego el regreso de la expedición a la Tierra.
El conocimiento de ingeniería acumulado y la energía química de los motores permiten regresar a la Luna y llegar a Marte, por lo que existe una alta probabilidad de que la humanidad visite el Planeta Rojo en la próxima década.
Si nos basamos únicamente en las tecnologías espaciales existentes, entonces la masa mínima del módulo habitable para un vuelo tripulado a Marte o a los satélites de Júpiter y Saturno será de aproximadamente 90 toneladas, tres veces más que las naves lunares de principios de los años 1970. , lo que significa que los vehículos de lanzamiento para su lanzamiento a órbitas de referencia para futuros vuelos a Marte serán muy superiores al Saturn 5 (peso de lanzamiento 2965 toneladas) del proyecto lunar Apollo o al portaaviones soviético Energia (peso de lanzamiento 2400 toneladas). Será necesario crear un complejo interplanetario en órbita que pese hasta 500 toneladas. Un vuelo en una nave interplanetaria con motores de cohetes químicos requerirá de 8 meses a 1 año en una sola dirección, porque tendrás que realizar maniobras de gravedad, utilizando la fuerza gravitacional de los planetas y un suministro colosal de combustible para acelerar aún más la nave. .
Pero utilizando la energía química de los motores de cohetes, la humanidad no volará más allá de la órbita de Marte o Venus. Necesitamos diferentes velocidades de vuelo de las naves espaciales y otras energías de movimiento más poderosas.

Diseño moderno de un motor de cohete nuclear Princeton Satellite Systems

Para explorar el espacio profundo, es necesario aumentar significativamente la relación empuje-peso y la eficiencia del motor del cohete y, por tanto, aumentar su impulso específico y su vida útil. Y para hacer esto, es necesario calentar un gas o una sustancia fluida de trabajo con una masa atómica baja dentro de la cámara del motor a temperaturas varias veces superiores a la temperatura de combustión química de las mezclas de combustibles tradicionales, y esto se puede hacer mediante una reacción nuclear.
Si, en lugar de una cámara de combustión convencional, se coloca un reactor nuclear dentro de un motor de cohete, en cuya zona activa se suministra una sustancia en forma líquida o gaseosa, entonces, calentado a alta presión hasta varios miles de grados, comenzará para ser expulsado a través del canal de la boquilla, creando un empuje del chorro. El impulso específico de un motor a reacción nuclear de este tipo será varias veces mayor que el de uno convencional con componentes químicos, lo que significa que la eficiencia tanto del motor en sí como del vehículo de lanzamiento en su conjunto aumentará muchas veces. En este caso, no será necesario un oxidante para la combustión del combustible, y se puede utilizar gas hidrógeno ligero como sustancia que crea el empuje del chorro, sabemos que cuanto menor sea la masa molecular del gas, mayor será el impulso, y esto aumentará considerablemente; reducir la masa del cohete con un mejor rendimiento de la potencia del motor.
Un motor nuclear será mejor que uno convencional, ya que en la zona del reactor el gas ligero se puede calentar a temperaturas superiores a los 9 mil grados Kelvin, y un chorro de dicho gas sobrecalentado proporcionará un impulso específico mucho mayor que el que pueden proporcionar los motores químicos convencionales. . Pero esto es en teoría.
El peligro no es ni siquiera que cuando se lanza un vehículo de lanzamiento con una instalación nuclear de este tipo pueda producirse una contaminación radiactiva de la atmósfera y el espacio alrededor de la plataforma de lanzamiento; el principal problema es que, a altas temperaturas, el propio motor, junto con la nave espacial, pueda sufrir daños; derretir. Los diseñadores e ingenieros lo saben y llevan varias décadas intentando encontrar soluciones adecuadas.
Los motores de cohetes nucleares (NRE) ya tienen su propia historia de creación y funcionamiento en el espacio. El primer desarrollo de motores nucleares comenzó a mediados de la década de 1950, es decir, incluso antes de los vuelos humanos al espacio, y casi simultáneamente tanto en la URSS como en los EE. UU., y la idea misma de utilizar reactores nucleares para calentar el sistema de trabajo. La sustancia en un motor de cohete nació junto con los primeros rectores a mediados de los años 40, es decir, hace más de 70 años.
En nuestro país, el iniciador de la creación de la propulsión nuclear fue el físico térmico Vitaly Mikhailovich Ievlev. En 1947 presentó un proyecto que contó con el apoyo de S. P. Korolev, I. V. Kurchatov y M. V. Keldysh. Inicialmente, se planeó utilizar dichos motores para misiles de crucero y luego instalarlos en misiles balísticos. El desarrollo fue realizado por las principales oficinas de diseño de defensa de la Unión Soviética, así como por los institutos de investigación NIITP, CIAM, IAE y VNIINM.
El motor nuclear soviético RD-0410 se ensambló a mediados de los años 60 en la Oficina de Diseño de Automática Química de Voronezh, donde se crearon la mayoría de los motores de cohetes líquidos para tecnología espacial.
En el RD-0410 se utilizó hidrógeno como fluido de trabajo, que en forma líquida pasó a través de una “camisa de enfriamiento”, eliminando el exceso de calor de las paredes de la boquilla y evitando que se derritiera, y luego ingresó al núcleo del reactor, donde se calentó. a 3000K y se libera a través de las boquillas del canal, convirtiendo así la energía térmica en energía cinética y creando un impulso específico de 9100 m/s.
En los EE. UU., el proyecto de propulsión nuclear se lanzó en 1952 y el primer motor operativo se creó en 1966 y recibió el nombre de NERVA (Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application). En los años 60 y 70, la Unión Soviética y Estados Unidos intentaron no ceder el uno al otro.
Es cierto que tanto nuestro RD-0410 como el NERVA estadounidense eran motores nucleares de fase sólida (el combustible nuclear a base de carburos de uranio se encontraba en estado sólido en el reactor) y su temperatura de funcionamiento estaba en el rango de 2300-3100K.
Para aumentar la temperatura del núcleo sin riesgo de explosión o fusión de las paredes del reactor, es necesario crear condiciones de reacción nuclear en las que el combustible (uranio) pase a un estado gaseoso o se convierta en plasma y se mantenga dentro del reactor. debido a un fuerte campo magnético, sin tocar las paredes. Y luego el hidrógeno que entra en el núcleo del reactor “fluye alrededor” del uranio en fase gaseosa y, al convertirse en plasma, es expulsado a muy alta velocidad a través del canal de la boquilla.
Este tipo de motor se denomina motor de propulsión nuclear en fase gaseosa. Las temperaturas del combustible de uranio gaseoso en estos motores nucleares pueden oscilar entre 10.000 y 20.000 grados Kelvin, y el impulso específico puede alcanzar 50.000 m/s, que es 11 veces mayor que el de los motores de cohetes químicos más eficientes.
La creación y el uso de motores de propulsión nuclear en fase gaseosa de tipo abierto y cerrado en la tecnología espacial es la dirección más prometedora en el desarrollo de motores de cohetes espaciales y exactamente lo que la humanidad necesita para explorar los planetas del Sistema Solar y sus satélites.
Las primeras investigaciones sobre el proyecto de propulsión nuclear en fase gaseosa comenzaron en la URSS en 1957 en el Instituto de Investigación de Procesos Térmicos (Centro Nacional de Investigación que lleva el nombre de M. V. Keldysh), y se tomó la decisión de desarrollar centrales nucleares espaciales basadas en reactores nucleares en fase gaseosa. fue elaborado en 1963 por el académico V. P. Glushko (NPO Energomash), y luego aprobado por resolución del Comité Central del PCUS y del Consejo de Ministros de la URSS.
El desarrollo de motores de propulsión nuclear en fase gaseosa se llevó a cabo en la Unión Soviética durante dos décadas, pero, lamentablemente, nunca se completó debido a la financiación insuficiente y a la necesidad de realizar investigaciones fundamentales adicionales en el campo de la termodinámica del combustible nuclear y el plasma de hidrógeno. Física de neutrones y magnetohidrodinámica.
Los científicos nucleares e ingenieros de diseño soviéticos se enfrentaron a una serie de problemas, como lograr la criticidad y garantizar la estabilidad del funcionamiento de un reactor nuclear en fase gaseosa, reducir la pérdida de uranio fundido durante la liberación de hidrógeno calentado a varios miles de grados, protección térmica de la tobera y del generador de campo magnético, y la acumulación de productos de fisión del uranio, selección de materiales de construcción químicamente resistentes, etc.
Y cuando se empezó a crear el vehículo de lanzamiento Energia para el programa soviético Mars-94 para el primer vuelo tripulado a Marte, el proyecto del motor nuclear se pospuso indefinidamente. La Unión Soviética no tuvo suficiente tiempo y, lo más importante, voluntad política y eficiencia económica para llevar a nuestros cosmonautas al planeta Marte en 1994. Esto sería un logro innegable y una prueba de nuestro liderazgo en alta tecnología durante las próximas décadas. Pero el espacio, como muchas otras cosas, fue traicionado por los últimos dirigentes de la URSS. La historia no se puede cambiar, los científicos e ingenieros fallecidos no se pueden recuperar y los conocimientos perdidos no se pueden restaurar. Habrá que crear muchas cosas de nuevo.
Pero la energía nuclear espacial no se limita sólo a la esfera de los motores de propulsión nuclear en fase sólida y gaseosa. La energía eléctrica se puede utilizar para crear un flujo calentado de materia en un motor a reacción. Esta idea fue expresada por primera vez por Konstantin Eduardovich Tsiolkovsky en 1903 en su obra "Exploración de los espacios del mundo utilizando instrumentos a reacción".
Y el primer motor de cohete electrotérmico de la URSS fue creado en la década de 1930 por Valentin Petrovich Glushko, futuro académico de la Academia de Ciencias de la URSS y director de NPO Energia.
Los principios de funcionamiento de los motores de cohetes eléctricos pueden ser diferentes. Suelen dividirse en cuatro tipos:

• electrotérmica (calefacción o arco eléctrico). En ellos, el gas se calienta a temperaturas de 1.000 a 5.000 K y se expulsa por la boquilla del mismo modo que en un motor de cohete nuclear.
• Motores electrostáticos (coloidales e iónicos), en los que primero se ioniza la sustancia de trabajo y luego los iones positivos (átomos desprovistos de electrones) se aceleran en un campo electrostático y también se expulsan a través del canal de la boquilla, creando un empuje del chorro. Los motores electrostáticos también incluyen motores de plasma estacionarios.
• Magnetoplasma y motores de cohetes magnetodinámicos. Allí, el plasma de gas se acelera debido a la fuerza en amperios en los campos magnético y eléctrico que se cruzan perpendicularmente.
• Motores de cohetes de impulsos, que utilizan la energía de los gases resultantes de la evaporación de un fluido de trabajo en una descarga eléctrica.

La ventaja de estos motores de cohetes eléctricos es el bajo consumo de fluido de trabajo, una eficiencia de hasta el 60% y una alta velocidad de flujo de partículas, lo que permite reducir significativamente la masa de la nave espacial, pero también hay una desventaja: la baja densidad de empuje y, por lo tanto, baja potencia, así como el alto costo del fluido de trabajo (gases inertes o vapores de metales alcalinos) para crear plasma.
Todos los tipos de motores eléctricos enumerados se han implementado en la práctica y se han utilizado repetidamente en el espacio, tanto en naves espaciales soviéticas como estadounidenses desde mediados de los años 60, pero debido a su baja potencia se utilizaron principalmente como motores de corrección de órbita.
De 1968 a 1988, la URSS lanzó toda una serie de satélites Cosmos con instalaciones nucleares a bordo. Los tipos de reactores recibieron los nombres: “Buk”, “Topaz” y “Yenisei”.
El reactor del proyecto Yenisei tenía una potencia térmica de hasta 135 kW y una potencia eléctrica de unos 5 kW. El refrigerante era una masa fundida de sodio y potasio. Este proyecto se cerró en 1996.
Un motor de cohete de propulsión real requiere una fuente de energía muy potente. Y la mejor fuente de energía para estos motores espaciales es un reactor nuclear.
La energía nuclear es una de las industrias de alta tecnología en las que nuestro país mantiene una posición de liderazgo. Y en Rusia ya se está creando un motor de cohete fundamentalmente nuevo y este proyecto está a punto de completarse con éxito en 2018. Las pruebas de vuelo están previstas para 2020.
Y si la propulsión nuclear en fase gaseosa es un tema para las próximas décadas al que habrá que volver después de una investigación fundamental, entonces la alternativa actual es un sistema de propulsión de energía nuclear (NPPU) de clase megavatio, y ya ha sido creado por Rosatom y Empresas Roscosmos desde 2009.
NPO Krasnaya Zvezda, que actualmente es el único desarrollador y fabricante de centrales nucleares espaciales del mundo, así como el Centro de Investigación que lleva el nombre de A. M. V. Keldysh, NIKIET lleva el nombre. N.A. Dollezhala, Instituto de Investigación NPO “Luch”, “Instituto Kurchatov”, IRM, IPPE, RIAR y NPO Mashinostroeniya.
El sistema de propulsión de energía nuclear incluye un reactor nuclear de neutrones rápidos refrigerado por gas a alta temperatura con un sistema de turbomáquina para convertir la energía térmica en energía eléctrica, un sistema de emisores de refrigerador para eliminar el exceso de calor al espacio, un compartimento de instrumentación, un bloque de sustentador. motores eléctricos de plasma o iones, y un contenedor para alojar la carga útil.
En un sistema de propulsión de energía, un reactor nuclear sirve como fuente de electricidad para el funcionamiento de motores de plasma eléctricos, mientras que el gas refrigerante del reactor que pasa a través del núcleo ingresa a la turbina del generador eléctrico y al compresor y regresa al reactor en un circuito cerrado y no se lanza al espacio como en un motor de propulsión nuclear, lo que hace que el diseño sea más confiable y seguro y, por lo tanto, adecuado para vuelos espaciales tripulados.
Está previsto que la central nuclear se utilice como remolcador espacial reutilizable para garantizar el transporte de carga durante la exploración de la Luna o la creación de complejos orbitales polivalentes. La ventaja no será solo el uso reutilizable de elementos del sistema de transporte (que Elon Musk está tratando de lograr en sus proyectos espaciales SpaceX), sino también la capacidad de transportar tres veces más carga que los cohetes con motores químicos a reacción de potencia comparable. reduciendo la masa de lanzamiento del sistema de transporte. El diseño especial de la instalación la hace segura para las personas y el medio ambiente en la Tierra.
En 2014, en la sociedad JSC Mashinostroitelny Zavod de Elektrostal se montó el primer elemento combustible de diseño estándar (elemento combustible) para este sistema de propulsión nuclear eléctrica, y en 2016 se realizaron pruebas del simulador de cesta del núcleo del reactor.
Actualmente (en 2017) se está trabajando en la fabricación de elementos estructurales para la instalación y prueba de componentes y conjuntos en modelos, así como pruebas autónomas de sistemas de conversión de energía de turbomáquinas y unidades de potencia prototipo. La finalización de las obras está prevista para finales del próximo 2018, sin embargo, desde 2015, el retraso en el cronograma comenzó a acumularse.
Así, tan pronto como se cree esta instalación, Rusia se convertirá en el primer país del mundo en poseer tecnologías espaciales nucleares, que constituirán la base no sólo para futuros proyectos de exploración del sistema solar, sino también para la energía terrestre y extraterrestre. . Las centrales nucleares espaciales se pueden utilizar para crear sistemas de transmisión remota de electricidad a la Tierra o a módulos espaciales mediante radiación electromagnética. Y ésta también se convertirá en una tecnología avanzada del futuro, donde nuestro país tendrá una posición de liderazgo.
A partir de los motores eléctricos de plasma que se están desarrollando se crearán potentes sistemas de propulsión para vuelos humanos de larga distancia al espacio y, en primer lugar, para la exploración de Marte, cuya órbita se podrá alcanzar en sólo un mes y medio, y no en más de un año, como cuando se utilizan motores a reacción químicos convencionales.
Y el futuro siempre comienza con una revolución energética. Y nada más. La energía es primaria y es la cantidad de consumo de energía la que afecta el progreso técnico, la capacidad de defensa y la calidad de vida de las personas.

Motor de cohete de plasma experimental de la NASA

El astrofísico soviético Nikolai Kardashev propuso en 1964 una escala de desarrollo de las civilizaciones. Según esta escala, el nivel de desarrollo tecnológico de las civilizaciones depende de la cantidad de energía que la población del planeta utiliza para sus necesidades. Así, la civilización tipo I utiliza todos los recursos disponibles en el planeta; Civilización de tipo II: recibe la energía de su estrella en el sistema en el que se encuentra; y una civilización de tipo III utiliza la energía disponible de su galaxia. La humanidad aún no ha madurado hasta alcanzar una civilización de tipo I en esta escala. Utilizamos sólo el 0,16% de la reserva potencial total de energía del planeta Tierra. Esto significa que Rusia y el mundo entero tienen espacio para crecer, y estas tecnologías nucleares abrirán el camino para nuestro país no sólo al espacio, sino también a la prosperidad económica futura.
Y, tal vez, la única opción para Rusia en la esfera científica y técnica sea lograr ahora un avance revolucionario en las tecnologías espaciales nucleares para superar de un solo "salto" el retraso de muchos años con respecto a los líderes y estar justo en los orígenes de una nueva revolución tecnológica en el próximo ciclo de desarrollo de la civilización humana. Una oportunidad tan única como esta se presenta a un país en particular sólo una vez cada pocos siglos.
Desafortunadamente, Rusia, que no ha prestado suficiente atención a las ciencias fundamentales y a la calidad de la educación superior y secundaria durante los últimos 25 años, corre el riesgo de perder esta oportunidad para siempre si se restringe el programa y una nueva generación de investigadores no reemplaza a los actuales científicos y ingenieros. Los desafíos geopolíticos y tecnológicos que Rusia enfrentará dentro de 10 a 12 años serán muy serios, comparables a las amenazas de mediados del siglo XX. Para preservar la soberanía y la integridad de Rusia en el futuro, ahora es urgentemente necesario comenzar a formar especialistas capaces de responder a estos desafíos y crear algo fundamentalmente nuevo.
Sólo faltan unos diez años para transformar a Rusia en un centro intelectual y tecnológico global, y esto no puede lograrse sin un cambio serio en la calidad de la educación. Para lograr un avance científico y tecnológico, es necesario devolver al sistema educativo (tanto escolar como universitario) las visiones sistemáticas sobre la imagen del mundo, la fundamentalidad científica y la integridad ideológica.
En cuanto al estancamiento actual de la industria espacial, no da miedo. Los principios físicos en los que se basan las tecnologías espaciales modernas seguirán siendo demandados durante mucho tiempo en el sector de los servicios satelitales convencionales. Recordemos que la humanidad utilizó la vela durante 5,5 mil años, y la era del vapor duró casi 200 años, y recién en el siglo XX el mundo comenzó a cambiar rápidamente, porque se produjo otra revolución científica y tecnológica, que lanzó una ola de innovación. y un cambio en las estructuras tecnológicas, que en última instancia cambió tanto la economía como la política mundial. Lo principal es estar en el origen de estos cambios.

A menudo, en las publicaciones educativas generales sobre astronáutica, no se distingue entre un motor de cohete nuclear (NRE) y un sistema de propulsión eléctrica de cohete nuclear (NRE). Sin embargo, estas abreviaturas ocultan no sólo la diferencia en los principios de conversión de la energía nuclear en propulsión de cohete, sino también una historia muy dramática del desarrollo de la astronáutica.

El drama de la historia radica en el hecho de que si se hubieran continuado las investigaciones sobre la propulsión nuclear tanto en la URSS como en los EE.UU., que se habían detenido principalmente por razones económicas, hace mucho tiempo que los vuelos humanos a Marte se habrían convertido en algo habitual.

Todo empezó con un avión atmosférico con motor nuclear ramjet.

Los diseñadores de Estados Unidos y la URSS consideraron instalaciones nucleares "respirables" capaces de aspirar aire exterior y calentarlo a temperaturas colosales. Probablemente, este principio de generación de empuje fue tomado prestado de los motores ramjet, solo que en lugar de combustible para cohetes se utilizó la energía de fisión de los núcleos atómicos de dióxido de uranio 235.

En Estados Unidos se desarrolló un motor de este tipo en el marco del proyecto Plutón. Los estadounidenses lograron crear dos prototipos del nuevo motor: Tory-IIA y Tory-IIC, que incluso alimentaron los reactores. La capacidad de instalación debía ser de 600 megavatios.

Se planeó instalar los motores desarrollados como parte del proyecto Plutón en misiles de crucero, que en la década de 1950 se crearon bajo la designación SLAM (Supersonic Low Altitude Missile, misil supersónico de baja altitud).

Estados Unidos planeaba construir un cohete de 26,8 metros de largo, tres metros de diámetro y un peso de 28 toneladas. El cuerpo del cohete debía contener una ojiva nuclear, así como un sistema de propulsión nuclear con una longitud de 1,6 metros y un diámetro de 1,5 metros. En comparación con otros tamaños, la instalación parecía muy compacta, lo que explica su principio de funcionamiento de flujo directo.

Los desarrolladores creían que, gracias al motor nuclear, el alcance de vuelo del misil SLAM sería de al menos 182 mil kilómetros.

En 1964, el Departamento de Defensa de Estados Unidos cerró el proyecto. La razón oficial fue que, en vuelo, un misil de crucero de propulsión nuclear contamina demasiado todo a su alrededor. Pero, de hecho, la razón fueron los importantes costos de mantenimiento de dichos cohetes, especialmente porque en ese momento se estaba desarrollando rápidamente la cohetería basada en motores de cohetes de propulsión líquida, cuyo mantenimiento era mucho más barato.

La URSS se mantuvo fiel a la idea de crear un diseño de estatorreactor para motores nucleares durante mucho más tiempo que Estados Unidos, y cerró el proyecto recién en 1985. Pero los resultados resultaron ser mucho más significativos. Así, el primer y único motor de cohete nuclear soviético se desarrolló en la oficina de diseño Khimavtomatika, en Voronezh. Este es RD-0410 (Índice GRAU - 11B91, también conocido como “Irbit” e “IR-100”).

El RD-0410 utilizaba un reactor de neutrones térmicos heterogéneo, el moderador era hidruro de circonio, los reflectores de neutrones estaban hechos de berilio, el combustible nuclear era un material a base de uranio y carburos de tungsteno, con alrededor del 80% de enriquecimiento en el isótopo 235.

El diseño incluía 37 conjuntos combustibles, cubiertos con un aislamiento térmico que los separaba del moderador. El diseño preveía que el flujo de hidrógeno pasara primero a través del reflector y el moderador, manteniendo su temperatura a temperatura ambiente, y luego ingresara al núcleo, donde enfriaba los conjuntos combustibles, calentando hasta 3100 K. En el stand, el reflector y el moderador estaban enfriado por un flujo de hidrógeno separado.

El reactor pasó por una serie importante de pruebas, pero nunca se probó durante su funcionamiento completo. Sin embargo, los componentes exteriores del reactor estaban completamente agotados.

Características técnicas del RD 0410.

Empuje en el vacío: 3,59 tf (35,2 kN)
Potencia térmica del reactor: 196 MW
Impulso de empuje específico en el vacío: 910 kgf s/kg (8927 m/s)
Número de salidas: 10
Recurso de trabajo: 1 hora
Componentes del combustible: fluido de trabajo - hidrógeno líquido, sustancia auxiliar - heptano
Peso con protección radiológica: 2 toneladas
Dimensiones del motor: altura 3,5 m, diámetro 1,6 m.

Las dimensiones y el peso relativamente pequeños, la alta temperatura del combustible nuclear (3100 K) y un eficaz sistema de refrigeración con flujo de hidrógeno indican que el RD0410 es un prototipo casi ideal de motor de propulsión nuclear para misiles de crucero modernos. Y, teniendo en cuenta las tecnologías modernas para producir combustible nuclear autónomo, aumentar el recurso de una hora a varias horas es una tarea muy real.

Diseños de motores de cohetes nucleares.

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.

La más completa es la versión de fase sólida del 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.

En los motores de propulsión nuclear en fase gaseosa, el combustible (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.

Sistema de propulsión nuclear

Teniendo en cuenta que es imposible obtener información fiable sobre las centrales nucleares a partir de publicaciones, incluidos artículos científicos, es mejor examinar el principio de funcionamiento de dichas instalaciones utilizando ejemplos de materiales de patentes abiertas, aunque contengan conocimientos técnicos.

Por ejemplo, el destacado científico ruso Anatoly Sazonovich Koroteev, autor de la invención patentada, proporcionó una solución técnica para la composición del equipo del YARDU moderno. A continuación presento parte del citado documento de patente textualmente y sin comentarios.

La esencia de la solución técnica propuesta se ilustra en el diagrama presentado en el dibujo. Un sistema de propulsión nuclear que funciona en modo propulsión-energía contiene un sistema de propulsión eléctrica (EPS) (el diagrama de ejemplo muestra dos motores de cohetes eléctricos 1 y 2 con los correspondientes sistemas de alimentación 3 y 4), una instalación de reactor 5, una turbina 6, un compresor 7, un generador 8, un intercambiador-recuperador de calor 9, un tubo de vórtice Ranck-Hilsch 10, un refrigerador-radiador 11. En este caso, la turbina 6, el compresor 7 y el generador 8 se combinan en una sola unidad: un turbogenerador-compresor. La unidad de propulsión nuclear está equipada con tuberías 12 del fluido de trabajo y líneas eléctricas 13 que conectan el generador 8 y la unidad de propulsión eléctrica. El intercambiador-recuperador de calor 9 dispone de las denominadas entradas de fluido de trabajo de alta temperatura 14 y de baja temperatura 15, así como de salidas de fluido de trabajo de alta temperatura 16 y de baja temperatura 17.

La salida de la unidad de reactor 5 está conectada a la entrada de la turbina 6, la salida de la turbina 6 está conectada a la entrada de alta temperatura 14 del intercambiador-recuperador de calor 9. La salida de baja temperatura 15 del intercambiador-recuperador de calor 9 está conectado a la entrada del tubo de vórtice de Ranck-Hilsch 10. El tubo de vórtice de Ranck-Hilsch 10 tiene dos salidas, una de las cuales (a través del fluido de trabajo "caliente") está conectada al refrigerador del radiador 11, y la otra ( a través del fluido de trabajo "frío") está conectado a la entrada del compresor 7. La salida del refrigerador del radiador 11 también está conectada a la entrada del compresor 7. La salida del compresor 7 está conectada a la entrada de baja temperatura 15 al intercambiador-recuperador de calor 9. La salida de alta temperatura 16 del intercambiador-recuperador de calor 9 está conectada a la entrada a la instalación del reactor 5. Así, los elementos principales de la central nuclear están interconectados por un único circuito del fluido de trabajo. .

La central nuclear funciona de la siguiente manera. El fluido de trabajo calentado en la instalación del reactor 5 se envía a la turbina 6, que asegura el funcionamiento del compresor 7 y del generador 8 del turbogenerador-compresor. El generador 8 genera energía eléctrica, que se envía a través de las líneas eléctricas 13 a los motores de cohetes eléctricos 1 y 2 y a sus sistemas de suministro 3 y 4, asegurando su funcionamiento. Después de salir de la turbina 6, el fluido de trabajo se envía a través de la entrada de alta temperatura 14 al intercambiador-recuperador de calor 9, donde el fluido de trabajo se enfría parcialmente.

Luego, desde la salida de baja temperatura 17 del intercambiador-recuperador de calor 9, el fluido de trabajo se dirige al tubo de vórtice Ranque-Hilsch 10, dentro del cual el flujo del fluido de trabajo se divide en componentes "calientes" y "fríos". La parte "caliente" del fluido de trabajo luego pasa al emisor-refrigerador 11, donde esta parte del fluido de trabajo se enfría efectivamente. La parte "fría" del fluido de trabajo va a la entrada del compresor 7, y después del enfriamiento, la parte del fluido de trabajo que sale del refrigerador radiante 11 también sigue allí.

El compresor 7 suministra el fluido de trabajo enfriado al intercambiador-recuperador de calor 9 a través de la entrada de baja temperatura 15. Este fluido de trabajo enfriado en el intercambiador-recuperador de calor 9 proporciona un enfriamiento parcial del contraflujo del fluido de trabajo que ingresa al intercambiador-recuperador de calor. 9 desde la turbina 6 a través de la entrada de alta temperatura 14. A continuación, el fluido de trabajo parcialmente calentado (debido al intercambio de calor con el contraflujo del fluido de trabajo de la turbina 6) desde el intercambiador-recuperador de calor 9 a través de la entrada de alta temperatura La salida 16 vuelve a entrar en la instalación del reactor 5, se repite de nuevo el ciclo.

Así, un único fluido de trabajo situado en un circuito cerrado garantiza el funcionamiento continuo de la central nuclear, y el uso de un tubo de vórtice Ranque-Hilsch como parte de la central nuclear de acuerdo con la solución técnica reivindicada mejora las características de peso y tamaño. de la central nuclear, aumenta la fiabilidad de su funcionamiento, simplifica su diseño y permite aumentar la eficiencia de las centrales nucleares en general.

Enlaces:

Un motor de cohete nuclear es un motor de cohete cuyo principio de funcionamiento se basa en una reacción nuclear o desintegración radiactiva, que libera energía que calienta el fluido de trabajo, que pueden ser productos de reacción o alguna otra sustancia, como el hidrógeno. Hay varios tipos de motores de cohetes que utilizan el principio de funcionamiento descrito anteriormente: nuclear, radioisótopo y termonuclear. Utilizando motores de cohetes nucleares, es posible obtener valores de impulso específicos significativamente superiores a los que pueden alcanzar los motores de cohetes químicos. El alto valor del impulso específico se explica por la alta velocidad de salida del fluido de trabajo: alrededor de 8-50 km/s. La fuerza de empuje de un motor nuclear es comparable a la de los motores químicos, lo que permitirá en el futuro sustituir todos los motores químicos por motores nucleares.

El principal obstáculo para una sustitución completa es la contaminación radiactiva provocada por los motores de los cohetes nucleares.

Se dividen en dos tipos: fase sólida y gaseosa. En el primer tipo de motores, el material fisionable se coloca en conjuntos de varillas con una superficie desarrollada. Esto permite calentar eficazmente un fluido de trabajo gaseoso; normalmente el hidrógeno actúa como fluido de trabajo. La velocidad de escape está limitada por la temperatura máxima del fluido de trabajo, que, a su vez, depende directamente de la temperatura máxima permitida de los elementos estructurales, y no supera los 3000 K. En los motores de cohetes nucleares en fase gaseosa, la sustancia fisible se encuentra en estado gaseoso. Su retención en la zona de trabajo se realiza mediante la influencia de un campo electromagnético. Para este tipo de motores de cohetes nucleares, los elementos estructurales no son un factor limitante, por lo que la velocidad de escape del fluido de trabajo puede superar los 30 km/s. Pueden utilizarse como motores de primera etapa, a pesar de la fuga de material fisionable.

En los años 70 Siglo XX En los Estados Unidos y la Unión Soviética se probaron activamente motores de cohetes nucleares con materia fisible en fase sólida. En Estados Unidos, se estaba desarrollando un programa para crear un motor de cohete nuclear experimental como parte del programa NERVA.

Los estadounidenses desarrollaron un reactor de grafito enfriado con hidrógeno líquido, que se calentaba, se evaporaba y se expulsaba a través de la boquilla de un cohete. La elección del grafito se debió a su resistencia a la temperatura. Según este proyecto, el impulso específico del motor resultante debería haber sido dos veces mayor que el valor correspondiente característico de los motores químicos, con un empuje de 1100 kN. El reactor Nerva debía funcionar como parte de la tercera etapa del vehículo de lanzamiento Saturn V, pero debido al cierre del programa lunar y a la falta de otras tareas para los motores de cohetes de esta clase, el reactor nunca se probó en la práctica.

Actualmente se encuentra en fase de desarrollo teórico un motor de cohete nuclear en fase gaseosa. Un motor nuclear en fase gaseosa implica el uso de plutonio, cuya corriente de gas de movimiento lento está rodeada por un flujo más rápido de hidrógeno refrigerante. En las estaciones espaciales orbitales MIR e ISS se realizaron experimentos que podrían impulsar el desarrollo de motores de fase gaseosa.

Hoy podemos decir que Rusia ha “congelado” ligeramente su investigación en el campo de los sistemas de propulsión nuclear. El trabajo de los científicos rusos se centra más en el desarrollo y mejora de los componentes y conjuntos básicos de las centrales nucleares, así como en su unificación. La dirección prioritaria para futuras investigaciones en esta área es la creación de sistemas de propulsión de energía nuclear capaces de funcionar en dos modos. El primero es el modo de motor de cohete nuclear y el segundo es el modo de instalación para generar electricidad para alimentar los equipos instalados a bordo de la nave espacial.

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