Nuklearni raketni motori i nuklearni raketni električni pogonski sustavi. Nuklearni mlazni motori - budućnost astronautike
Našao sam zanimljiv članak. Općenito, nuklearne letjelice su me uvijek zanimale. Ovo je budućnost istraživanja svemira. Opsežan rad na ovu temu također je proveden u SSSR-u. Članak je o njima.
Svemir na atomski pogon. Snovi i stvarnost.
Doktor fizikalnih i matematičkih znanosti Yu. Ya. Stavissky
Godine 1950. obranio sam diplomu iz inženjerske fizike na Moskovskom mehaničkom institutu (MMI) Ministarstva streljiva. Pet godina ranije, 1945., tamo je formiran inženjersko-fizički odjel koji je školovao stručnjake za novu industriju, čiji su zadaci uglavnom uključivali proizvodnju nuklearnog oružja. Fakultet je bio bez premca. Uz fundamentalnu fiziku u sklopu sveučilišnih kolegija (metode matematičke fizike, teorija relativnosti, kvantna mehanika, elektrodinamika, statistička fizika i drugo), učili smo čitav niz inženjerskih disciplina: kemija, znanost o metalima, čvrstoća materijala , teorija mehanizama i strojeva, itd. Stvorio ga je izvanredni sovjetski fizičar Alexander Ilyich Leipunsky, Fakultet inženjerske fizike MMI-a s vremenom je prerastao u Moskovski inženjerski fizički institut (MEPhI). Još jedan Fakultet tehničke fizike, koji se također kasnije spojio u MEPhI, formiran je na Moskovskom institutu za elektrotehniku (MPEI), ali ako je glavni naglasak na MMI bio na fundamentalnoj fizici, onda je na Institutu za energetiku bio na toplinskoj i elektrofizici.
Proučavali smo kvantnu mehaniku koristeći knjigu Dmitrija Ivanoviča Blohinceva. Zamislite moje iznenađenje kada su me, tijekom raspodjele, poslali da radim s njim. Strastveni sam eksperimentator (kao dijete sam rastavljao sve satove u kući), i odjednom dođem do poznatog teoretičara. Uhvatila me lagana panika, ali po dolasku na mjesto - "Objekt B" Ministarstva unutarnjih poslova SSSR-a u Obninsku - odmah sam shvatio da sam se uzalud brinuo.
U to vrijeme glavna tema "Objekta B", koji je zapravo vodio A.I. Leipunsky, već formiran. Ovdje su stvorili reaktore s proširenom reprodukcijom nuklearnog goriva - "brze oplodnjače". Kao direktor, Blokhintsev je pokrenuo razvoj novog smjera - stvaranje motora na atomski pogon za svemirske letove. Ovladavanje svemirom bio je stari san Dmitrija Ivanoviča, još u mladosti se dopisivao i susretao s K.E. Ciolkovski. Mislim da je shvaćanje gigantskih mogućnosti nuklearne energije, s kalorijskom vrijednošću milijunima puta većom od najboljih kemijskih goriva, odredilo životni put D.I. Blokhincev.
“Ne možete vidjeti lice licem u lice” ... Tih godina nismo puno toga razumjeli. Tek sada, kada je konačno postalo moguće usporediti djela i sudbine vrhunskih znanstvenika Instituta za fiziku i energetiku (IPPE) - nekadašnjeg "Objekta B", preimenovanog 31. prosinca 1966. - postoji točna, kako čini mi se, razumijevanje ideja koje su ih tada pokretale . Uz svu raznolikost slučajeva s kojima se institut suočavao, mogu se izdvojiti prioritetna znanstvena područja za koja se pokazalo da su u sferi interesa njegovih vodećih fizičara.
Glavni interes AIL-a (kako su u Institutu iza leđa zvali Aleksandra Iljiča Lejpunskog) je razvoj globalne energetike temeljene na brzim reaktorima za razmnožavanje (nuklearni reaktori koji nemaju ograničenja u izvorima nuklearnog goriva). Teško je precijeniti značaj ovog istinski "kozmičkog" problema, kojem je posvetio posljednjih četvrt stoljeća svog života. Leipunsky je također potrošio puno energije na obranu zemlje, posebno na stvaranje atomskih motora za podmornice i teške zrakoplove.
Interesi D.I. Blokhintsev (dodijeljen mu je nadimak "D.I.") bili su usmjereni na rješavanje problema korištenja nuklearne energije za svemirske letove. Nažalost, krajem 1950-ih bio je prisiljen napustiti ovaj posao i voditi stvaranje međunarodnog znanstvenog centra - Zajedničkog instituta za nuklearna istraživanja u Dubni. Tamo je radio na pulsnim brzim reaktorima - IBR. Ovo je bila posljednja velika stvar u njegovom životu.
Jedan cilj - jedan tim
DI. Blokhintsev, koji je kasnih 1940-ih predavao na Moskovskom državnom sveučilištu, primijetio je tamo, a zatim pozvao mladog fizičara Igora Bondarenka da radi u Obninsku, koji je doslovno buncao o svemirskim brodovima na nuklearni pogon. Njegov prvi nadzornik bio je A.I. Leipunsky, a Igor se, naravno, bavio njegovom temom - brzim uzgajivačima.
Pod D.I. Blokhintseva, oko Bondarenka se formirala skupina znanstvenika koji su se ujedinili kako bi riješili probleme korištenja atomske energije u svemiru. Osim Igora Iljiča Bondarenka, u grupi su bili: Viktor Jakovlevič Pupko, Edvin Aleksandrovič Stumbur i autor ovih redaka. Igor je bio glavni ideolog. Edwin je proveo eksperimentalne studije zemaljskih modela nuklearnih reaktora u svemirskim instalacijama. Uglavnom sam se bavio raketnim motorima "low thrust" (potisak u njima stvara svojevrsni akcelerator - "ionska propulzija", koji se pokreće energijom iz svemirske nuklearne elektrane). Istražili smo procese
teče u ionskim potisnicima, na zemaljskim postoljima.
O Viktoru Pupku (u budućnosti
postao je voditelj odjela za svemirsku tehnologiju IPPE) bilo je puno organizacijskih poslova. Igor Iljič Bondarenko bio je izvanredan fizičar. Suptilno je osjetio pokus, postavio jednostavne, elegantne i vrlo učinkovite pokuse. Mislim da, kao niti jedan eksperimentator, a možda ni malo teoretičara, nije "osjetio" fundamentalnu fiziku. Uvijek susretljiv, otvoren i prijateljski raspoložen, Igor je doista bio duša instituta. Do sada FEI živi prema svojim idejama. Bondarenko je živio nerazumno kratak život. Godine 1964., u dobi od 38 godina, tragično je preminuo zbog liječničke pogreške. Kao da je Bog, vidjevši koliko je čovjek učinio, zaključio da je to već previše i zapovjedio: „Dosta“.
Nemoguće je ne prisjetiti se još jedne jedinstvene ličnosti - Vladimira Aleksandroviča Maliha, tehnologa "od Boga", modernog Leskovskog Levše. Ako su "proizvodi" gore spomenutih znanstvenika bili uglavnom ideje i proračunate procjene njihove stvarnosti, onda su radovi Malykha uvijek imali rezultat "u metalu". Njegov tehnološki sektor, koji je u doba procvata IPPE-a brojao više od dvije tisuće zaposlenih, mogao je, bez pretjerivanja, sve. Štoviše, on sam uvijek je imao ključnu ulogu.
V.A. Malykh je počeo kao laboratorijski asistent na Istraživačkom institutu za nuklearnu fiziku Moskovskog državnog sveučilišta, imajući za dušom tri kolegija na Odsjeku za fiziku - rat mu nije dopustio da završi studij. Krajem 1940-ih uspio je stvoriti tehnologiju za proizvodnju tehničke keramike na bazi berilijevog oksida, jedinstvenog materijala, dielektrika visoke toplinske vodljivosti. Prije Malykha, mnogi su se neuspješno borili s ovim problemom. A gorivna ćelija bazirana na serijskom nehrđajućem čeliku i prirodnom uranu, koju je razvio za prvu nuklearnu elektranu, za one je i danas pravo čudo. Ili termički gorivi element reaktora-električnog generatora koji je dizajnirao Malykh za napajanje svemirskih letjelica - "vijenac". Do sada se ništa bolje nije pojavilo na ovim prostorima. Malykhove kreacije nisu bile pokazne igračke, već elementi nuklearne tehnologije. Radili su mjesecima i godinama. Vladimir Aleksandrovič postao je doktor tehničkih znanosti, laureat Lenjinove nagrade, Heroj socijalističkog rada. Godine 1964. tragično je preminuo od posljedica vojnog potresa mozga.
Korak po korak
S.P. Korolev i D.I. Blokhintsev je dugo gajio san o svemirskom letu s ljudskom posadom. Između njih su uspostavljene bliske radne veze. Ali početkom 1950-ih, na vrhuncu Hladnog rata, sredstva su se štedjela samo za vojne svrhe. Raketna se tehnika smatrala samo nositeljem nuklearnog punjenja, a na satelite se nije ni pomišljalo. U međuvremenu, Bondarenko, znajući za najnovija dostignuća raketnih znanstvenika, uporno je zagovarao stvaranje umjetnog satelita Zemlje. Naknadno se toga nitko nije sjetio.
Zanimljiva je povijest stvaranja rakete koja je podigla prvog kozmonauta planeta, Jurija Gagarina, u svemir. Povezuje se s imenom Andreja Dmitrijeviča Saharova. U kasnim 1940-ima razvio je kombinirani fisijsko-termonuklearni naboj - "puff", očito neovisno o "ocu hidrogenske bombe" Edwardu Telleru, koji je predložio sličan proizvod nazvan "budilica". Međutim, Teller je ubrzo shvatio da bi nuklearno punjenje takvog dizajna imalo "ograničenu" snagu, ne više od ~ 500 kilotona ekvivalenta vuče. To nije dovoljno za "apsolutno" oružje, pa se odustalo od "budilice". U Uniji su 1953. digli u zrak Sakharov puff RDS-6.
Nakon uspješnih testova i izbora Saharova za akademika, tadašnji šef Minsredmash V.A. Malyshev ga je pozvao k sebi i postavio zadatak određivanja parametara bombe sljedeće generacije. Andrej Dmitrijevič procijenio je (bez detaljnog proučavanja) težinu novog, mnogo snažnijeg punjenja. Izvješće Saharova bilo je temelj rezolucije Centralnog komiteta CPSU-a i Vijeća ministara SSSR-a, koji su obvezali S.P. Koroljov da razvije balističku lansirnu raketu za ovo punjenje. Upravo je takva raketa R-7 nazvana Vostok lansirala u orbitu umjetni Zemljin satelit 1957. i svemirsku letjelicu s Jurijem Gagarinom 1961. godine. Više se nije planiralo koristiti kao nosač teškog nuklearnog punjenja, jer je razvoj termonuklearnog oružja išao drugim putem.
U početnoj fazi svemirskog nuklearnog programa IPPE, zajedno s V.N. Chelomeya je razvio krstareću atomsku raketu. Ovaj se smjer nije dugo razvijao i završio je proračunima i ispitivanjem elemenata motora stvorenih u odjelu V.A. Malykha. Zapravo, radilo se o niskoletećoj bespilotnoj letjelici s ramjet nuklearnim motorom i nuklearnom bojevom glavom (neka vrsta nuklearnog analoga "zujalice" - njemačkog V-1). Sustav je lansiran pomoću konvencionalnih raketnih pojačivača. Nakon postizanja zadane brzine, potisak je stvarao atmosferski zrak, zagrijan lančanom reakcijom fisije berilijevog oksida impregniranog obogaćenim uranom.
Općenito govoreći, sposobnost rakete da izvrši jednu ili drugu kozmonautičku zadaću određena je brzinom koju postiže nakon što potroši cjelokupnu zalihu radnog fluida (goriva i oksidatora). Izračunava se prema formuli Ciolkovskog: V = c × lnMn / Mk, gdje je c brzina istjecanja radnog fluida, a Mn i Mk početna i konačna masa rakete. U konvencionalnim kemijskim raketama brzina ispuha određena je temperaturom u komori za izgaranje, vrstom goriva i oksidatora te molekularnom težinom produkata izgaranja. Na primjer, Amerikanci su koristili vodik kao gorivo u vozilu za spuštanje astronauta na Mjesec. Produkt njegovog izgaranja je voda, čija je molekularna masa relativno mala, a brzina protoka 1,3 puta veća nego kod izgaranja kerozina. To je dovoljno da vozilo za spuštanje s astronautima stigne do površine Mjeseca i potom ih vrati u orbitu svog umjetnog satelita. U Koroljevu je obustavljen rad s vodikovim gorivom zbog nesreće sa žrtvama. Nismo imali vremena stvoriti vozilo za spuštanje na Mjesec za ljude.
Jedan od načina da se značajno poveća brzina ispuha je stvaranje nuklearnih toplinskih raketa. Imali smo balističke atomske rakete (BAR) dometa nekoliko tisuća kilometara (zajednički projekt OKB-1 i FEI), Amerikanci su imali slične sustave tipa Kiwi. Motori su testirani na poligonima u blizini Semipalatinska iu Nevadi. Princip njihovog rada je sljedeći: vodik se zagrijava u nuklearnom reaktoru na visoke temperature, prelazi u atomsko stanje i već u tom obliku istječe iz rakete. U tom se slučaju ispušna brzina povećava više od četiri puta u usporedbi s kemijskom vodikovom raketom. Pitanje je bilo saznati do koje se temperature može zagrijati vodik u reaktoru s krutim gorivom. Proračuni su dali oko 3000°K.
Na NII-1, čiji je nadzornik bio Mstislav Vsevolodovič Keldysh (tada predsjednik Akademije znanosti SSSR-a), odjel V.M. Ievleva, uz sudjelovanje IPPE-a, bila je angažirana u potpuno fantastičnoj shemi - plinovitom reaktoru u kojem se odvija lančana reakcija u plinovitoj smjesi urana i vodika. Vodik iz takvog reaktora istječe deset puta brže nego iz onog na kruto gorivo, a uran se izdvaja i ostaje u jezgri. Jedna od ideja bila je korištenje centrifugalne separacije, kada se vruća plinovita smjesa urana i vodika “zavrti” nadolazećim hladnim vodikom, pri čemu se uran i vodik odvajaju, kao u centrifugi. Ievlev je zapravo pokušao izravno reproducirati procese u komori za izgaranje kemijske rakete, koristeći kao izvor energije ne toplinu izgaranja goriva, već lančanu reakciju fisije. Time je otvoren put punom iskorištenju energetskog intenziteta atomskih jezgri. Ali pitanje mogućnosti istjecanja čistog vodika (bez urana) iz reaktora ostalo je neriješeno, a da ne spominjemo tehničke probleme povezane sa zadržavanjem visokotemperaturnih plinskih smjesa pri tlaku od stotina atmosfera.
IPPE rad na balističkim atomskim projektilima završio je 1969.-1970. "vatrenim testovima" na poligonu u Semipalatinsku prototipa nuklearnog raketnog motora s elementima krutog goriva. Izradio ga je IPPE u suradnji s Voronezh Design Bureau A.D. Konopatov, Moskva NII-1 i niz drugih tehnoloških grupa. Motor s potiskom od 3,6 tona temeljio se na nuklearnom reaktoru IR-100 s gorivim elementima izrađenim od čvrste otopine uranovog karbida i cirkonijevog karbida. Temperatura vodika dosegnula je 3000°K pri snazi reaktora od ~170 MW.
Nuklearni potisnici
Do sada je bilo riječi o raketama s potiskom većim od njihove težine, a koje bi se mogle lansirati s površine Zemlje. U takvim sustavima povećanje brzine ispuha omogućuje smanjenje zaliha radne tekućine, povećanje nosivosti i napuštanje višestupanjskog procesa. Međutim, postoje načini da se postignu praktički neograničene brzine ispuha, na primjer, ubrzanje materije elektromagnetskim poljima. Radio sam na ovom području u bliskom kontaktu s Igorom Bondarenkom gotovo 15 godina.
Ubrzanje rakete s elektromlaznim motorom (EP) određeno je omjerom specifične snage svemirske nuklearne elektrane (KAES) instalirane na njih i brzine ispuha. U doglednoj budućnosti specifična snaga NEK-a po svemu sudeći neće prelaziti 1 kW/kg. Istodobno je moguće izraditi rakete s niskim potiskom, desetke i stotine puta manje od težine rakete, te s vrlo malom potrošnjom radnog fluida. Takva se raketa može lansirati samo iz orbite umjetnog satelita Zemlje i, polako ubrzavajući, postići velike brzine.
Za letove unutar Sunčevog sustava potrebne su rakete s brzinom istjecanja od 50-500 km/s, a za letove prema zvijezdama potrebne su "fotonske rakete" koje nadilaze našu maštu s brzinom istjecanja jednakom brzini svjetlosti. Da bi se izveo svemirski let dugog dometa razumnog trajanja, potrebni su nezamislivi omjeri snage i težine elektrana. Do sada je nemoguće čak ni zamisliti na kakvim se fizičkim procesima mogu temeljiti.
Provedeni izračuni pokazali su da je tijekom Velikog sukoba, kada su Zemlja i Mars najbliži jedan drugome, moguće u godinu dana letjeti nuklearnom letjelicom s posadom na Mars i vratiti je u orbitu umjetnog satelita Zemlje. . Ukupna težina takvog broda je oko 5 tona (uključujući rezervu radne tekućine - cezija, jednaku 1,6 tona). Određen je uglavnom masom NEK snage 5 MW, a reaktivni potisak određen je dvomegavatnim snopom cezijevih iona s energijom od 7 kiloelektronvolti*. Brod kreće iz orbite umjetnog satelita Zemlje, ulazi u orbitu satelita Marsa, a na njegovu površinu morat će se spustiti na aparatu s vodikovim kemijskim motorom, sličnom američkom lunarnom.
Ovom smjeru, temeljenom na tehničkim rješenjima koja su već danas moguća, bio je posvećen veliki ciklus radova IPPE.
Ionski potisnici
Tih se godina raspravljalo o načinima stvaranja različitih električnih pogonskih sustava za svemirska vozila, poput "plazma topova", elektrostatskih akceleratora "prašine" ili tekućih kapi. Međutim, niti jedna od ideja nije imala jasnu fizičku osnovu. Otkriće je bila površinska ionizacija cezija.
Još 1920-ih američki fizičar Irving Langmuir otkrio je površinsku ionizaciju alkalnih metala. Kada atom cezija ispari s površine metala (u našem slučaju volframa), čiji je rad elektrona veći od ionizacijskog potencijala cezija, on u gotovo 100% slučajeva gubi slabo vezani elektron i ispada da je jednostruko nabijeni ion. Dakle, površinska ionizacija cezija na volframu je fizički proces koji omogućuje stvaranje ionskog propulzora s gotovo 100%-tnim korištenjem radnog fluida i s energetskom učinkovitošću blizu jedinici.
Naš kolega Stal Yakovlevich Lebedev odigrao je važnu ulogu u stvaranju modela ionskog propulzora takve sheme. Svojom željeznom ustrajnošću i ustrajnošću svladao je sve prepreke. Kao rezultat toga, bilo je moguće reproducirati u metalu ravni troelektrodni krug ionskog propulzora. Prva elektroda je volframova ploča veličine približno 10 × 10 cm s potencijalom +7 kV, druga je volframova rešetka s potencijalom -3 kV, a treća je torirana volframova rešetka s nultim potencijalom. "Molekularni pištolj" dao je snop cezijevih para, koji je pao kroz sve rešetke na površinu volframove ploče. Uravnotežena i kalibrirana metalna ploča, tzv.vaga, služila je za mjerenje "sile", odnosno potiska ionskog snopa.
Napon koji ubrzava prvu rešetku ubrzava ione cezija do 10 000 eV, dok ih napon usporavanja prema drugoj mreži usporava na 7 000 eV. To je energija s kojom ioni moraju napustiti propeler, što odgovara brzini istjecanja od 100 km/s. Ali ionska zraka, ograničena svemirskim nabojem, ne može "izaći u svemir". Volumetrijski naboj iona mora se kompenzirati elektronima kako bi se stvorila kvazineutralna plazma, koja se slobodno širi u prostoru i stvara reaktivni potisak. Izvor elektrona za kompenzaciju prostornog naboja ionskog snopa je treća rešetka (katoda) zagrijana strujom. Druga, "zaključna" rešetka sprječava elektrone da dođu s katode na volframovu ploču.
Prvo iskustvo s modelom ionske propulzije označilo je početak više od deset godina rada. Jedan od najnovijih modela - s poroznim emiterom od volframa, stvoren 1965., davao je "potisak" od oko 20 g pri struji ionskog snopa od 20 A, imao je faktor iskorištenja energije od oko 90% i stupanj iskorištenja materije od 95 %.
Izravna pretvorba nuklearne topline u električnu energiju
Još nisu pronađeni načini za izravnu pretvorbu energije nuklearne fisije u električnu energiju. Još uvijek ne možemo bez posredne karike - toplinskog motora. Budući da je njegova učinkovitost uvijek manja od jedinice, "otpadna" toplina se mora negdje staviti. Na kopnu, u vodi iu zraku s tim nema problema. U svemiru postoji samo jedan put - toplinsko zračenje. Dakle, KNPP ne može bez "hladnjaka-emitera". Gustoća zračenja proporcionalna je četvrtoj potenciji apsolutne temperature, pa temperatura radijatora-radijatora treba biti što veća. Tada će biti moguće smanjiti površinu površine zračenja i, sukladno tome, masu elektrane. Došli smo na ideju da koristimo "izravnu" pretvorbu nuklearne topline u električnu energiju, bez turbine ili generatora, što nam se činilo pouzdanijim u dugotrajnom radu na visokim temperaturama.
Iz literature smo znali za radove A.F. Ioffe - utemeljitelj sovjetske škole tehničke fizike, pionir u proučavanju poluvodiča u SSSR-u. Malo se sada sjeća trenutnih izvora koje je razvio, a koji su korišteni tijekom Velikog domovinskog rata. U to vrijeme više partizanskih odreda imalo je vezu s kopnom zahvaljujući “petrolejskim” TEG-ovima – Ioffeovim termoelektričnim generatorima. "Kruna" TEG-a (bio je to skup poluvodičkih elemenata) stavljena je na petrolejsku svjetiljku, a njene žice spojene su na radio opremu. “Vrući” krajevi elemenata zagrijavani su plamenom petrolejke, a “hladni” krajevi hlađeni na zraku. Tok topline, prolazeći kroz poluvodič, stvarao je elektromotornu silu, koja je bila dovoljna za komunikacijsku sesiju, au intervalima između njih TEG je punio bateriju. Kada smo, deset godina nakon Pobjede, posjetili moskovsku tvornicu TEG, pokazalo se da se još uvijek prodaju. Mnogi su seljaci tada imali štedljive radio prijemnike "Rodina" s izravnim žaruljama sa žarnom niti, napajane baterijom. Umjesto njih često su se koristili TEG-ovi.
Problem s kerozinskim TEG-om je njegova niska učinkovitost (samo oko 3,5%) i niska granična temperatura (350°K). Ali jednostavnost i pouzdanost ovih uređaja privukla je programere. Dakle, poluvodički pretvarači koje je razvila grupa I.G. Gverdtsiteli na Sukhumi institutu za fiziku i tehnologiju, našli su primjenu u svemirskim instalacijama tipa Buk.
Svojedobno je A.F. Ioffe je predložio još jedan termoionski pretvarač - diodu u vakuumu. Načelo njegovog rada je sljedeće: zagrijana katoda emitira elektrone, dio njih, prevladavajući potencijal anode, radi. Od ovog uređaja se očekivala značajno veća učinkovitost (20-25%) pri radnoj temperaturi iznad 1000°K. Osim toga, za razliku od poluvodiča, vakuumska dioda se ne boji neutronskog zračenja i može se kombinirati s nuklearnim reaktorom. Međutim, pokazalo se da je nemoguće realizirati ideju "vakuumskog" Ioffeovog pretvarača. Kao i kod ionskog pogona, u vakuumskom pretvaraču morate se osloboditi prostornog naboja, ali ovaj put ne iona, već elektrona. A.F. Ioffe je namjeravao koristiti mikronske razmake između katode i anode u vakuumskom pretvaraču, što je praktički nemoguće u uvjetima visokih temperatura i toplinskih deformacija. Tu cezij dobro dolazi: jedan ion cezija, nastao površinskom ionizacijom na katodi, kompenzira prostorni naboj od oko 500 elektrona! Zapravo, pretvarač cezija je "obrnuti" ionski propulzor. Fizikalni procesi u njima su bliski.
"Girlande" V.A. Malykha
Jedan od rezultata rada IPPE-a na termioničkim pretvaračima bilo je stvaranje V.A. Malykha i serijske proizvodnje u njegovom odjelu gorivih elemenata iz serijski spojenih termoelektričnih pretvarača - "vijenci" za reaktor Topaz. Dali su do 30 V - stotinu puta više od jednoelementnih pretvarača koje su stvorile "konkurentske organizacije" - lenjingradska grupa M.B. Barabash, a kasnije - Institut za atomsku energiju. To je omogućilo "skidanje" desetke i stotine puta više snage iz reaktora. Međutim, pouzdanost sustava, natrpanog tisućama termoenergetskih elemenata, izazvala je zabrinutost. Pritom su parne i plinske turbine radile bez kvarova, pa smo pozornost usmjerili na "strojnu" pretvorbu nuklearne topline u električnu energiju.
Cijela je poteškoća bila u resursu, jer u svemirskim letovima dugog dometa turbogeneratori moraju raditi godinu, dvije ili čak nekoliko godina. Kako bi se smanjilo trošenje, "okretaje" (brzinu turbine) treba držati što je moguće nižim. S druge strane, turbina radi učinkovito ako je brzina molekula plina ili pare bliska brzini njezinih lopatica. Stoga smo u početku razmatrali korištenje najteže - živine pare. Ali bili smo uplašeni intenzivnom radijacijom izazvanom korozijom željeza i nehrđajućeg čelika koja se dogodila u nuklearnom reaktoru hlađenom živom. U dva tjedna korozija je "pojela" gorivne elemente eksperimentalnog brzog reaktora "Clementine" u laboratoriju Argon (SAD, 1949.) i reaktora BR-2 u IPPE (SSSR, Obninsk, 1956.).
Kalijeva para bila je primamljiva. Reaktor u kojem je ključao kalij činio je osnovu elektrane koju razvijamo za svemirsku letjelicu niskog potiska - para kalija je okretala turbogenerator. Takav "strojni" način pretvaranja topline u električnu energiju omogućio je računanje na učinkovitost do 40%, dok su prave termoelektrične instalacije dale učinkovitost od samo oko 7%. Međutim, KNPP sa "strojnom" pretvorbom nuklearne topline u električnu energiju nisu razvijene. Slučaj je završio objavom detaljnog izvješća, zapravo "fizičke napomene" tehničkom dizajnu svemirske letjelice niskog potiska za let s posadom na Mars. Sam projekt nikada nije razvijen.
Mislim da će u budućnosti interes za svemirske letove s nuklearnim raketnim motorima jednostavno nestati. Nakon smrti Sergeja Pavloviča Koroleva, osjetno je oslabila podrška radu IPPE na ionskim pogonima i "strojnim" nuklearnim elektranama. Na čelu OKB-1 bio je Valentin Petrovič Gluško, koji nije bio zainteresiran za hrabre obećavajuće projekte. Projektni biro Energiya koji je on stvorio izgradio je moćne kemijske rakete i svemirsku letjelicu Buran koja se vraćala na Zemlju.
"Buk" i "Topaz" na satelitima serije "Kosmos".
Rad na stvaranju NEK s izravnom pretvorbom topline u električnu energiju, sada kao izvora energije za moćne radio satelite (svemirske radarske postaje i televizijske emitere), nastavljen je do početka perestrojke. Od 1970. do 1988. u svemir je lansirano oko 30 radarskih satelita s nuklearnim elektranama Buk s poluvodičkim konverterskim reaktorima i dva s termoelektranama Topaz. Buk je, naime, bio TEG - Ioffeov poluvodički pretvarač, samo je umjesto kerozinske lampe koristio nuklearni reaktor. Bio je to brzi reaktor snage do 100 kW. Puno opterećenje visoko obogaćenog urana bilo je oko 30 kg. Toplina iz jezgre prenosila se pomoću tekućeg metala - eutektičke legure natrija i kalija na poluvodičke baterije. Električna snaga dosegla je 5 kW.
Postrojenje Buk pod znanstvenim nadzorom IPPE razvili su stručnjaci OKB-670 M.M. Bondaryuk, kasnije - NPO Krasnaya Zvezda (glavni dizajner - G.M. Gryaznov). Dnepropetrovsk Design Bureau Yuzhmash (glavni dizajner M.K. Yangel) dobio je zadatak izraditi raketu-nosač za lansiranje satelita u orbitu.
Vrijeme rada Buka je 1-3 mjeseca. Ako instalacija nije uspjela, satelit je prebačen u dugotrajnu orbitu s visinom od 1000 km. Za gotovo 20 godina lansiranja zabilježena su tri slučaja pada satelita na Zemlju: dva u ocean i jedan u kopno, u Kanadi, u blizini Velikog robovskog jezera. Tamo je pao Cosmos-954, lansiran 24. siječnja 1978. godine. Radio je 3,5 mjeseca. Uranovi elementi satelita potpuno su izgorjeli u atmosferi. Na tlu su pronađeni samo ostaci reflektora od berilija i poluvodičkih baterija. (Svi ovi podaci navedeni su u zajedničkom izvješću američke i kanadske nuklearne komisije o operaciji Morning Light.)
U termoelektrani Topaz korišten je toplinski reaktor snage do 150 kW. Puno opterećenje urana bilo je oko 12 kg - znatno manje od Buka. Osnova reaktora bili su gorivi elementi - "vijenci", koje je razvila i proizvela Malykhova grupa. Bili su to lanac termoelemenata: katoda je bila "naprstak" od volframa ili molibdena ispunjen uranovim oksidom, anoda je bila niobijeva cijev tankih stijenki hlađena tekućim natrij-kalijem. Temperatura katode dosegla je 1650°C. Električna snaga instalacije dosegla je 10 kW.
Prvi letni model, satelit Kosmos-1818 s instalacijom Topaz, krenuo je u orbitu 2. veljače 1987. godine i besprijekorno radio šest mjeseci, sve dok nisu iscrpljene rezerve cezija. Drugi satelit, Cosmos-1876, lansiran je godinu dana kasnije. U orbiti je radio gotovo dvostruko duže. Glavni programer Topaza bio je OKB MMZ Soyuz, na čelu sa S.K. Tumansky (bivši dizajnerski biro dizajnera zrakoplovnih motora A.A. Mikulina).
Bilo je to kasnih 1950-ih, kada smo radili na ionskom pogonu, a on je bio na motoru trećeg stupnja za raketu koja bi letjela oko Mjeseca i sletjela na njega. Sjećanja na Melnikovljev laboratorij svježa su do danas. Nalazio se u Podlipki (danas grad Koroljov), na mjestu broj 3 OKB-1. Ogromna radionica površine oko 3000 m2, na kojoj se nalaze deseci stolova s loop osciloskopima koji snimaju na papiru u roli od 100 mm (to je još bilo davno vrijeme, danas bi bilo dovoljno jedno osobno računalo). Na prednjem zidu radionice nalazi se postolje na kojem je montirana komora za izgaranje raketnog motora "lunar". Tisuće žica idu do osciloskopa od senzora za brzinu plina, tlak, temperaturu i druge parametre. Dan počinje u 9.00 paljenjem motora. Radi nekoliko minuta, a odmah nakon zaustavljanja mehaničarski tim prve smjene rastavlja ga, pažljivo pregledava i mjeri komoru za izgaranje. Istodobno se analiziraju vrpce osciloskopa i daju preporuke za izmjene dizajna. Druga smjena - dizajneri i radioničari rade preporučene izmjene. U trećoj smjeni na postolju se montira nova komora za izgaranje i dijagnostički sustav. Dan kasnije, točno u 9.00, iduća sjednica. I tako bez slobodnih dana tjednima, mjesecima. Više od 300 opcija motora godišnje!
Tako su nastali kemijski raketni motori koji su morali raditi samo 20-30 minuta. Što tek reći o testiranju i usavršavanju nuklearnih elektrana – računalo se da bi trebale raditi više od godinu dana. To je zahtijevalo doista golemi napor.
Nuklearni motoriKrajem 1940-ih, u jeku euforije od perspektive korištenja nuklearne energije, kako u SAD tako iu SSSR-u, radilo se na ugradnji nuklearnih motora na sve što se može kretati. Ideja o stvaranju takvog "vječnog stroja za kretanje" bila je posebno atraktivna za vojsku. Nuklearne elektrane (NPP) prvenstveno su našle primjenu u mornarici, budući da brodske elektrane nisu imale tako stroge zahtjeve ukupne težine kao, primjerice, u zrakoplovstvu. Ipak, zračne snage nisu mogle "zaobići" mogućnost neograničenog povećanja radijusa djelovanja strateškog zrakoplovstva. U svibnju 1946. god Zapovjedništvo američkih zračnih snaga odobrilo je projekt nuklearne energije za pogon zrakoplova (skraćeno NEPA) za stvaranje nuklearnih motora za opremanje strateških bombardera. Rad na njegovoj provedbi započeo je u Nacionalnom laboratoriju Oak Ridge. Godine 1951 zamijenjen je zajedničkim programom Ratnog zrakoplovstva i Komisije za atomsku energiju (AEC) "Aircraft Nuclear Propulsion" (ANP, "Aircraft Nuclear Propulsion"). Tvrtka General Electric stvorila je turbomlazni motor (TRD) koji se od "običnog" razlikovao samo po tome što je umjesto konvencionalne komore za izgaranje bio nuklearni reaktor koji je zagrijavao zrak komprimiran kompresorom. Pritom je zrak postao radioaktivan – otvoreni krug. Tih godina to se tretiralo jednostavnije, ali ipak, kako ne bi zagađivali svoje uzletište, trebalo je opremiti zrakoplove za polijetanje i slijetanje s konvencionalnim kerozinskim motorima. Prvi projekt američkog nuklearnog zrakoplova temeljio se na nadzvučnom strateškom bombarderu B-58. Od programera (Convair) dobio je oznaku X-6. Ispod delta krila nalazila su se četiri atomska turbomlazna motora, osim toga, još 2 "obična" turbomlazna motora trebala su raditi na polijetanju i slijetanju. Do sredine 1950-ih proizveden je prototip malog zrakom hlađenog nuklearnog reaktora snage 1 MW. Bombarder B-36H dodijeljen je za ispitivanje leta i zaštite posade. Posada letećeg laboratorija bila je u zaštitnoj kapsuli, ali sam reaktor, smješten u prostoru za bombe, nije imao biološku zaštitu. Leteći laboratorij nazvan je NB-36H. Od srpnja 1955 do ožujka 1957 napravila je 47 letova iznad pustinjskih područja Teksasa i Novog Meksika, tijekom kojih se reaktor palio i gasio. U sljedećoj fazi stvoren je novi nuklearni reaktor HTRE (njegov posljednji model imao je snagu od 35 MW, dovoljnu za rad dva motora) i eksperimentalni motor X-39 koji je uspješno prošao zajednička ispitivanja na zemlji. Međutim, do tog vremena Amerikanci su shvatili da otvoreni krug nije prikladan i počeli su projektirati elektranu s grijanjem zraka u izmjenjivaču topline. Novi stroj Convair NX-2 imao je shemu "patke" (vodoravni rep nalazio se ispred krila). Nuklearni reaktor je trebao biti smješten u središnjem dijelu, motori - u krmi, usisnici zraka - ispod krila. Zrakoplov je trebao koristiti od 2 do 6 pomoćnih turbomlaznih motora. Ali u ožujku 1961 ANP program je zatvoren. Godine 1954.-1955. skupina znanstvenika u Laboratoriju Los Alamos pripremila je izvješće o mogućnosti stvaranja nuklearnog raketnog motora (NRE). Američki AEC odlučio je započeti rad na njegovom stvaranju. Program je nazvan "Rover". Rad se paralelno odvijao u Znanstvenom laboratoriju u Los Alamosu iu Laboratoriju za radijaciju u Livermoreu na Kalifornijskom sveučilištu. Od 1956. godine svi napori Laboratorija za radijaciju bili su usmjereni na stvaranje nuklearnog ramjet motora (YAPJE) u okviru projekta PLUTO (u Los Alamosu su počeli stvarati NJE).
Planirano je da se YaPVRD ugradi na razvijenu nadzvučnu raketu male visine (Supersonic Low-Altitude Missile - SLAM). Projektil (sad bi se zvao krstareća raketa) je u biti bio bespilotni bombarder s vertikalnim lansiranjem (uz pomoć četiri pojačivača na kruto gorivo). Ramjet se uključivao kada je određena brzina postignuta već na dovoljnoj udaljenosti od vlastitog teritorija. Zrak koji je ulazio kroz dovod zraka zagrijavao se u nuklearnom reaktoru i, strujući kroz mlaznicu, stvarao potisak. Let do cilja i ispuštanje bojevih glava u svrhu tajnosti morali su se izvesti na ultra maloj visini brzinom tri puta većom od brzine zvuka. Nuklearni reaktor imao je toplinsku snagu od 500 MW, radna temperatura jezgre bila je veća od 1600 stupnjeva C. Za ispitivanje motora izgrađen je poseban poligon. |  |
Sovjetskom Savezu je nuklearni zrakoplov trebao mnogo više od SAD-a, jer nije imao vojne baze u blizini američkih granica i mogao je djelovati samo sa svog teritorija, a strateški bombarderi M-4 i Tu-95 koji su se pojavili sredinom 1950-ih nije mogao “pokriti” cijeli teritorij SAD-a. Rad na proučavanju problema stvaranja nuklearnih elektrana za brodove, podmornice i zrakoplove započeo je već 1947. godine. no rezolucija Vijeća ministara o početku rada na zrakoplovima s nuklearnim motorom izlazi tek 12. kolovoza 1955. godine. (u to vrijeme prva sovjetska nuklearna podmornica već je bila u izgradnji). OKB-156 Tupolev i OKB-23 Myasishchev bavili su se projektiranjem zrakoplova s nuklearnim elektranama, a OKB-276 Kuznetsov i OKB-165 Lyulka sami su razvili takve elektrane. U ožujku 1956 izdana je vladina uredba o stvaranju (za proučavanje utjecaja zračenja na dizajn zrakoplova i njegove opreme, kao i pitanja sigurnosti zračenja) letećeg laboratorija temeljenog na strateškom bombarderu Tu-95. Godine 1958 Eksperimentalni, "zrakoplovni" nuklearni reaktor isporučen je na poligon Semipalatinsk. Sredinom 1959. god Reaktor je ugrađen na serijski zrakoplov oznake Tu-95LAL (Flying Atomic Laboratory). Reaktor se koristi 
Zvao se samo kao izvor zračenja i hladio se vodom. Radijator rashladnog sustava, smješten na dnu trupa, bio je otpuhan nadolazećom strujom zraka. Svibanj-kolovoz 1961. Tu-95LAL izvršio je 34 leta iznad područja poligona. Sljedeći korak trebao je biti stvaranje eksperimentalnog Tu-119 temeljenog na Tu-95. Na dva (od 
četiri njegova motora NK-12M (Kuznjecov dizajnerski biro), uz komore za izgaranje, bila su opremljena izmjenjivačima topline grijanim tekućim metalnim rashladnim sredstvom koje je uzimalo toplinu iz nuklearnog reaktora smještenog u prtljažnom prostoru. Motori su dobili oznaku NK-14A. U budućnosti je trebalo, ugradnjom 4 motora NK-14A na zrakoplov i povećanjem promjera trupa, stvoriti protupodmornički zrakoplov s praktički neograničenim trajanjem leta. Međutim, projektiranje motora NK-14A, odnosno njegovog nuklearnog dijela, odvijalo se sporo zbog brojnih problema koji su se u ovom slučaju pojavili. Kao rezultat toga, planovi za stvaranje Tu-119 nikada nisu provedeni. Osim toga, OKB-156 nudio je nekoliko varijanti nadzvučnih bombardera. Bombarder dugog dometa Tu-120 s težinom uzlijetanja od 85 tona. Duljina 30,7m. raspon krila 24,4 m. i 
maksimalna brzina je oko 1400 km/h. Drugi projekt bio je udarni zrakoplov na malim visinama s težinom uzlijetanja od 102 tone. dugačak 37m. raspon krila 19m. i maksimalnu brzinu od 1400 km/h. Zrakoplov je imao nisko delta krilo. Njegova dva motora bila su smještena u jednom pakiranju na stražnjem dijelu trupa. Tijekom polijetanja i slijetanja motori su radili na kerozin. Nadzvučni strateški bombarder trebao je imati težinu pri polijetanju od 153 tone. dužina 40,5m. i raspon krila 30,6m. Od šest turbomlaznih motora (KB Kuznetsov), dva smještena u repu bila su opremljena izmjenjivačima topline i mogla su raditi iz nuklearnog reaktora. Ispod krila na pilonima postavljena su četiri konvencionalna turbomlazna motora. Izvana je ovaj zrakoplov bio sličan američkom nadzvučnom srednjem bombarderu B-58. Projektni biro Myasishchev također je razmatrao mogućnost stvaranja "nuklearnog" zrakoplova na temelju već postojećeg bombardera ZM zamjenom konvencionalnih turbomlaznih motora nuklearnim opremljenim izmjenjivačima topline (reaktor je bio smješten u prostoru za bombe). Razmatrana je i mogućnost stvaranja nadzvučnog bombardera M-60. Nekoliko 
opcije postave s različitim tipovima motora (težina pri polijetanju 225-250t, nosivost - 25t, brzina - do 3000 km/h, duljina 51-59m, raspon krila - 27-31m). Radi zaštite od radijacije, piloti su smješteni u posebne zapečaćene kapsule, a motori u stražnji dio trupa. Vizualni pregled iz kapsule bio je isključen i autopilot je morao voditi zrakoplov do cilja. Za ručno upravljanje trebalo je koristiti televizijske i radarske zaslone. Programeri su u početku predložili da zrakoplov bude bespilotan. Ali vojska je, radi pouzdanosti, inzistirala na verziji s posadom. Jedna opcija je bio hidroavion. Njegova je prednost bila u tome što su se prigušeni reaktori mogli spustiti u vodu kako bi se smanjilo pozadinsko zračenje. S razvojem raketne znanosti i pojavom pouzdanih interkontinentalnih balističkih projektila i podmornica s nuklearnim projektilima, vojni interes za nuklearne bombardere je nestao, a rad je bio ograničen. Ali 1965. god ponovno su se vratili ideji stvaranja nuklearnog protupodmorničkog zrakoplova. Ovaj put je prototip postao teški transportni An-22 Antey, koji je imao iste motore kao i Tu-95. Razvoj NK-14A do tog je vremena prilično napredovao. Polijetanje i slijetanje trebalo je izvesti na kerozin (snaga motora 4 x 13000 KS), a krstareći let - na nuklearnu energiju (4 x 8900 KS). Trajanje leta bilo je ograničeno samo "ljudskim faktorom"; kako bi se ograničila doza koju je primila posada, postavljeno je na 50 sati. Domet leta bi u tom slučaju bio 27500 km. Godine 1972 An-22 s nuklearnim reaktorom u njima obavio je 23 leta, prije svega, provjerena je zaštita od zračenja. Međutim, ekološki problemi u slučaju nesreće zrakoplova nikada nisu riješeni, možda je to bio razlog da projekt nije realiziran. U 80-ima se pojavio interes za nuklearnu letjelicu kao nosač balističkih projektila. Budući da je gotovo stalno u zraku, bio bi neranjiv na iznenadni neprijateljski napad nuklearnim projektilima. U slučaju nesreće zrakoplova, nuklearni reaktor bi se mogao odvojiti i spustiti padobranom. Ali početak detanta, "perestrojka", a potom i raspad SSSR-a nisu dopustili poletanje atomskog aviona. U OKB-301 (glavni dizajner S.A. Lavochkin) sredinom 50-ih proučavano je pitanje ugradnje ramjet nuklearnog motora na interkontinentalnu krstareću raketu Burya (slično projektu PLUTO). Projekt je dobio oznaku "375". Sam razvoj rakete nije bio problem, iznevjerili su motori. OKB-670 (glavni dizajner M.M. Bondaryuk) dugo se nije mogao nositi sa stvaranjem ramjetnog nuklearnog motora. Godine 1960 projekt Tempest je zatvoren zajedno sa svojom nuklearnom verzijom. Stvar nikada nije došla do testiranja nuklearnog motora. Nuklearna energija može se koristiti za zagrijavanje radnog fluida ne samo u zračno-mlaznom motoru, već iu nuklearnom raketnom motoru (NRE), koji se obično dijeli na reaktivni, u kojem se odvija proces zagrijavanja radnog fluida (RT). kontinuirano, i pulsirajuće ili pulsirajuće (također općenito reaktivno), u kojem se nuklearna energija oslobađa diskretno, nizom nuklearnih (termonuklearnih) eksplozija male snage. Prema agregacijskom stanju nuklearnog goriva u jezgri reaktora NRE se dijele na krutu fazu, tekuću fazu i plinovitu fazu (plazma). Zasebno je moguće izdvojiti NRE u čijem je reaktoru nuklearno gorivo u fluidiziranom stanju (u obliku rotirajućeg "oblaka" čestica nalik prašini). Druga vrsta mlaznog NRE je motor koji koristi toplinsku energiju oslobođenu tijekom spontane fisije radioaktivnih izotopa (radioaktivni raspad) za zagrijavanje RT. Prednost takvog motora je jednostavnost dizajna, značajan nedostatak je visoka cijena izotopa (na primjer, polonij-210). Osim toga, tijekom spontanog raspada izotopa stalno se oslobađa toplina, čak i kada je motor ugašen, a mora se nekako odvesti iz motora, što komplicira i otežava dizajn. U pulsirajućem NRE, energija atomske eksplozije isparava RT, pretvarajući ga u plazmu. Oblak plazme koji se širi vrši pritisak na snažno metalno dno (potisna ploča) i stvara mlazni potisak. RT može biti lako konvertibilna čvrsta tvar nanesena na potisnu ploču, tekući vodik ili voda pohranjena u posebnom spremniku. Ovo je shema takozvanog pulsirajućeg NRE vanjskog djelovanja, drugi tip je pulsirajući NRE unutarnjeg djelovanja, u kojem se mali nuklearni ili termonuklearni naboji detoniraju unutar posebnih komora (komora za izgaranje) opremljenih mlaznim mlaznicama. Tamo se dovodi i RT, koji, protječući kroz mlaznicu, stvara potisak poput konvencionalnih raketnih motora. Takav sustav je učinkovitiji, budući da se svi produkti RT i eksplozije koriste za stvaranje potiska. Međutim, činjenica da se eksplozije događaju unutar određenog volumena nameće ograničenja na tlak i temperaturu u komori za izgaranje. Impulsni NRE vanjskog djelovanja je jednostavniji, a ogromna količina energije koja se oslobađa u nuklearnim reakcijama omogućuje postizanje dobrih karakteristika takvih sustava čak i uz manju učinkovitost. U SAD-u 1958-63. razvijen je projekt rakete s pulsirajućim YARD "Orion". Čak su testirali model letjelice s pulsnim motorom na konvencionalnim kemijskim eksplozivima. Dobiveni rezultati govorili su o temeljnoj mogućnosti kontroliranog leta aparata s takvim motorom. Orion je izvorno trebao biti lansiran sa Zemlje. Kako bi se isključila mogućnost oštećenja rakete od zemaljske nuklearne eksplozije, planirano je instalirati je na osam tornjeva od 75 metara za lansiranje. Istodobno je lansirna masa rakete dosegla 10.000 tona. a promjer potisne ploče je oko 40m. Da bi se smanjila dinamička opterećenja na strukturu rakete i posadu, osiguran je uređaj za prigušivanje. Nakon ciklusa kompresije, vratio je ploču u prvobitni položaj, nakon čega je došlo do još jedne eksplozije. U startu je svake sekunde potkopan naboj snage 0,1 kt. Nakon izlaska iz atmosfere nabija se snagom od 20 kt. eksplodirao svakih 10 sekundi. Kasnije je, kako se atmosfera ne bi zagađivala, odlučeno da se Orion podigne sa Zemlje pomoću prvog stupnja rakete Saturn-5, a budući da je njen najveći promjer bio 10m. tada je promjer potisne ploče izrezan na 
10 m. Učinkoviti potisak smanjio se na 350 tona s vlastitom "suhom" težinom upravljačke jedinice (bez RT) od 90,8 tona. Za isporuku na površinu Mjeseca korisnog tereta od 680 tona. bilo bi potrebno raznijeti oko 800 plutonijevih punjenja (masa plutonija je 525 kg.) i potrošiti oko 800 tona. RT. Razmatrana je i opcija korištenja Oriona kao sredstva isporuke nuklearnog punjenja do cilja. No ubrzo je vojska odustala od te ideje. A 1963. god. Potpisan je sporazum o zabrani nuklearnih eksplozija u svemiru na zemlji (u atmosferi) i pod vodom. Time je cijeli projekt zabranjen. Sličan projekt razmatran je u SSSR-u, ali nije imao praktičnih rezultata. Kao i projekt svemirskog zrakoplova (VKS) M-19 Myasishchev Design Bureau. Projekt je predviđao stvaranje jednostupanjskog zrakoplovno-svemirskog sustava za višekratnu upotrebu koji može lansirati teret težine do 40 tona u niske referentne orbite (do 185 km). Da bi se to postiglo, VCS je trebao biti opremljen nuklearnim raketnim motorom i višemodnim zračno-mlaznim pogonskim sustavom koji radi i iz nuklearnog reaktora i na vodikovo gorivo. Više o ovom projektu je opisano na stranici. Nuklearna energija ne samo da se može izravno koristiti za zagrijavanje RT u motoru, već se također može pretvoriti u električnu energiju, koja se zatim koristi za stvaranje potiska u električnim propulzijskim motorima (EP). Prema ovoj shemi izgrađeni su nuklearni pogonski sustavi (NPP) koji se sastoje od nuklearnih elektrana (NPP) i elektroraketnih pogonskih sustava (EPS). Ne postoji dobro utvrđena (općeprihvaćena) klasifikacija električnih pogona. Prema prevladavajućem "mehanizmu" ubrzanja, RT EJE možemo podijeliti na plinskodinamičke (elektrokemijske), elektrostatske (ionske) i elektromagnetske (plazma). U elektrokemijskim postrojenjima električna energija se koristi za zagrijavanje ili kemijsku razgradnju RT (električno grijanje, termalno katalitičko i hibridno), dok temperatura RT može doseći 5000 stupnjeva. Ubrzanje RT događa se, kao i kod konvencionalnih LRE, kada prolazi kroz plinodinamičku putanju motora (mlaznice). Elektrokemijski motori troše najmanju snagu po jedinici potiska među elektromotorima (oko 10 kW/kg). U elektrostatskom električnom pogonskom motoru prvo se ionizira radna tekućina, nakon čega se pozitivni ioni ubrzavaju u elektrostatskom polju (sustavom elektroda) stvarajući potisak (na izlazu iz motora u njega se ubrizgavaju elektroni koji neutraliziraju naboj mlazna struja). U elektromagnetskom električnom pogonskom motoru, RT se zagrijava do stanja plazme (desetke tisuća stupnjeva) električnom strujom koja prolazi kroz njega. Zatim se plazma ubrzava u elektromagnetskom polju (može se primijeniti i "paralelno" plinsko-dinamičko ubrzanje). Niskomolekularni ili lako disocirajući plinovi i tekućine koriste se kao RT u elektrotermalnim EJE, alkalni ili teški, lako isparljivi metali ili organske tekućine u elektrostatskim EJE, te različiti plinovi i čvrste tvari u elektromagnetskim EJE. Važan parametar motora je njegov specifični impuls potiska (vidi stranicu ) koji karakterizira njegovu učinkovitost (što je veći, manje se RT troši na stvaranje kilograma potiska). Specifični impuls za različite tipove motora varira u širokom rasponu: RD na čvrsto gorivo - 2650 m/s, raketni motor na tekuće gorivo - 4500 m/s, elektrokemijski EP - 3000 m/s, plazma EP do 290 tisuća. Kao što je poznato, vrijednost specifičnog impulsa izravno je proporcionalna kvadratnom korijenu vrijednosti sobne temperature ispred mlaznice. Ona (temperatura) je pak određena kaloričnom vrijednošću goriva. Najbolji pokazatelj među kemijskim gorivima je par berilij + kisik - 7200 kcal / kg. Kalorična vrijednost urana-235 je oko 2 milijuna puta veća. Međutim, količina energije koja se može korisno iskoristiti samo je 1400 puta veća. Ograničenja nametnuta značajkama dizajna smanjuju ovu brojku za krutu fazu NRE na 2-3 (maksimalna dostižna RT temperatura je oko 3000 stupnjeva). Pa ipak, specifični impuls nuklearnog raketnog motora čvrste faze je približno 9000 m / s, u odnosu na 3500-4500 za moderne raketne motore. Za NRE u tekućoj fazi, specifični impuls može doseći 20 000 m/s, za one u plinovitoj fazi, gdje temperatura RT može doseći desetke tisuća stupnjeva, specifični impuls je 15-70 tisuća m/s. Drugi važan parametar koji karakterizira savršenstvo težine porivnog sustava (PS) ili motora je njihova specifična težina - omjer težine porivnog sustava (sa ili bez komponenti goriva) ili motora prema generiranom potisku. Koristi se i njegova recipročna vrijednost - specifični potisak. Specifična težina (potisak) određuje moguće ubrzanje zrakoplova, njegov omjer potiska i težine. Za moderne raketne motore na tekuće gorivo specifična težina je 7-20 kg. potisak po toni nosivosti i.e. omjer potiska i težine doseže 14. NRE također ima dobar omjer potiska i vlastite težine - do 10. U isto vrijeme, za LRE koji koristi gorivo kisik-vodik, omjer mase RT-a prema masa strukture je u rasponu od 7-8. Za čvrste faze NRE, ovaj parametar je smanjen na 3-5, što osigurava dobitak u specifičnoj težini PS-a, uzimajući u obzir težinu RT-a. Kod električnog porivnog motora razvijeni potisak ograničen je velikim utroškom energije za stvaranje 1 kg. potisak (od 10 kW do 1 MW). Maksimalni potisak postojećih elektropropulzijskih sustava je nekoliko kilograma. Ako u EP-u postoje dodatni elementi, povezani s napajanjem EP-a, omjer potiska i težine aparata s takvim PS-om mnogo je manji od jedinice. Zbog toga je nemoguće koristiti ih za lansiranje tereta u orbitu blizu Zemlje (neki EJE općenito mogu raditi samo u uvjetima svemirskog vakuuma). ERE ima smisla koristiti samo u svemirskim letjelicama kao motore niskog potiska za orijentaciju, stabilizaciju i korekciju orbita. Zbog male potrošnje radnog fluida (veliki specifični impuls), vrijeme neprekidnog rada ERE može se mjeriti u mjesecima i godinama. Opskrba EJE-a električnom energijom iz nuklearnog reaktora omogućit će njihovo korištenje za letove na "rubove" Sunčevog sustava, gdje energija solarnih baterija neće biti dovoljna. Dakle, glavna prednost nuklearnog raketnog motora u odnosu na druge tipove raketnih motora je njihov visoki specifični impuls, s visokim omjerom potiska i težine (desetci, stotine i tisuće tona potiska s puno manjom vlastitom težinom). Glavni nedostatak NRE je prisutnost snažnog toka prodornog zračenja i uklanjanje visoko radioaktivnih spojeva urana s istrošenim RT. U tom smislu, NRE je neprihvatljiv za zemaljska lansiranja. Rad na stvaranju nuklearnih raketnih motora i nuklearnih elektrana u SSSR-u započeo je sredinom 1950-ih. Godine 1958 Vijeće ministara SSSR-a donijelo je niz rezolucija o provedbi istraživačkog rada na stvaranju projektila s nuklearnim raketnim motorima. Znanstveno vodstvo povjereno je M.V. Keldyshu, I.V. Kurchatov i S.P. Korolev. U rad su bili uključeni deseci istraživačkih, projektantskih, građevinskih i instalacijskih organizacija. To su NII-1 (sada Keldysh Research Center), OKB-670 (glavni dizajner M.M. Bondaryuk), Institut za atomsku energiju (IAE, sada Institut Kurchatov) i Leipunsky), Istraživački institut za inženjerstvo instrumenata (glavni dizajner A.S. Abramov ), NII-8 (sada Institut za istraživanje i dizajn - NIKIET nazvan po Dolezhalu) i OKB-456 (sada NPO Energomash nazvan po Glushku), NIITVEL (NPO Luch, sada Podolsk Research Institute of Technology - PNITI), NII-9 ( sada Visokotehnološki istraživački institut za anorganske materijale - VNIINM nazvan po A.A. Bochvar) i dr. Kasnije je naziv promijenjen u Središnji dizajnerski biro za eksperimentalnu izgradnju strojeva - TsKBEM, NPO Energia, RSC Energia nazvan po Korolev) nacrte dizajna razvijena je jednostupanjska balistička raketa YAR-1 i dvostupanjska nuklearno-kemijska raketa YAKhR-2. Oba su predviđala korištenje YARD-a s potiskom od 140 tona. Nacrti su bili gotovi do 30. prosinca 1959. godine. međutim, stvaranje borbenog YAR-1 smatralo se neprikladnim i rad na njemu je zaustavljen. YAKhR-2 imao je shemu sličnu R-7, ali sa šest bočnih raketnih kapsula prvog stupnja opremljenih motorima NK-9. Druga etapa (središnji blok) opremljena je DVORIŠTEM. Lansirna težina rakete bila je 850-880t. s masom korisnog tereta 35-40t. (Razmatrana je i varijanta s lansirnom težinom od 2000 tona. Duljina 42 m. Maksimalni poprečni gabarit 19 m. Nosivost do 150 tona.). Motori svih jedinica YAKhR-2 lansirani su na Zemlju. U isto vrijeme, NRE je doveden u "prazan hod" (snaga reaktora bila je 0,1% od nominalne u nedostatku protoka radnog fluida). Aktivacija načina rada izvršena je u letu nekoliko sekundi prije odvajanja bočnih blokova. Sredinom 1959. god OKB-1 izdao je tehničke zadatke proizvođačima motora (OKB-670 i OKB-456) za izradu nacrta za nuklearne raketne motore potiska od 200 i 40 tona. Nakon početka rada na teškom nosaču H-1, na njegovoj osnovi razmatrano je pitanje stvaranja dvostupanjskog nosača s nuklearnim raketnim motorom u drugom stupnju. To bi osiguralo povećanje nosivosti lansirane u orbitu blizu Zemlje za najmanje 2-2,5 puta, a orbita Mjesečeva satelita za 75-90%. Ali ni ovaj projekt nije dovršen - raketa N-1 nikada nije poletjela. Projektiranje DVORIŠTA izveli su OKB-456 i OKB-670. Dovršili su nekoliko nacrta za nuklearne raketne motore s reaktorom na krutu fazu. Dakle, u OKB-456 do 1959. izrađeni su nacrti motora RD-401 s vodenim moderatorom i motora RD-402 s berilijskim moderatorom, koji su imali potisak u prazninu od 170 tona. sa specifičnim impulsom potiska od 428 sek. Kao radna tekućina poslužio je tekući amonijak. Do 1962 prema projektnom zadatku OKB-1 završen je projekt RD-404 s potiskom od 203 tone. sa specifičnim impulsom potiska od 950 sek. (RT - tekući vodik), a 1963. god. - RD-405 s potiskom od 40-50t. Međutim, 1963. god svi napori OKB-456 preusmjereni su na razvoj plinskofaznih nuklearnih raketnih motora. OKB-670 je iste godine razvio nekoliko NRE projekata s reaktorom na čvrstoj fazi i smjesom amonijaka i alkohola kao RT. Da bi se prešlo s idejnog dizajna na izradu pravih NRE uzoraka, bilo je potrebno riješiti još mnogo problema, a prije svega proučiti operativnost gorivih elemenata (FEL) nuklearnog reaktora na visokim temperaturama. Kurčatov 1958. godine predložio je stvaranje eksplozivnog reaktora za to (RVD, moderni naziv je pulsni grafitni reaktor - IGR). Njegov dizajn i izrada povjereni su NII-8. U visokotlačnom reaktoru toplinska energija fisije urana nije odvedena izvan aktivne zone, već je na vrlo visoke temperature zagrijan grafit iz kojeg je (zajedno s uranom) nastala. Jasno je da bi takav reaktor mogao raditi samo kratko vrijeme - impulsno, uz gašenja radi hlađenja. Odsutnost bilo kakvih metalnih dijelova u jezgri omogućila je proizvodnju "bljeskova" čija je snaga ograničena samo temperaturom sublimacije grafita. U središtu aktivne zone nalazila se šupljina u kojoj su se nalazili ispitni uzorci. Iste 1958. god Na poligonu Semipalatinsk, nedaleko od poligona prve atomske bombe, započela je izgradnja potrebnih zgrada i građevina. Svibanj-lipanj 1960 izvršeno je fizičko (“hladno”) pokretanje reaktora, a godinu dana kasnije niz pokretanja uz zagrijavanje grafitne ploče do 1000 st. Kako bi se osigurala ekološka sigurnost, postolje je izgrađeno prema "zatvorenoj" shemi - potrošena rashladna tekućina držana je u spremnicima plina prije ispuštanja u atmosferu, a zatim filtrirana. Od 1962. god Na IGR (RVD) testirane su gorivne šipke i gorivi sklopovi (FA) raznih vrsta za nuklearne reaktore razvijene u NII-9 i NII-1. U drugoj polovici 1950-ih, NII-1 i IPPE proveli su studije plinske dinamike plinskih gorivih elemenata i fizike plinovito-faznih reaktora, koji su pokazali temeljnu mogućnost stvaranja plinovito-faznih NRE. U radnoj komori takvog motora, uz pomoć magnetskog polja koje stvara solenoid koji ga okružuje, stvorena je "stagnirajuća" zona u kojoj se uran zagrijava do temperatura od oko 9000 stupnjeva. i zagrijavao vodik koji je tekao kroz ovu zonu (dodani su mu posebni aditivi za poboljšanje apsorpcije energije zračenja). Dio nuklearnog goriva neminovno je odnosio protok plina, pa je bilo potrebno stalno nadoknađivati gubitak urana. NRE u plinovitoj fazi mogao bi imati specifični impuls do 20 000 m/s. Rad na takvom motoru započeo je 1963. godine. u OKB-456 (sa znanstvenim vodstvom NII-1). Godine 1962 Eksperimentalna klupa IR-20 s reaktorom krute faze, u kojem je moderator bila voda, stvorena je u IPPE. Prvi put je korišten za proučavanje fizikalnih parametara NRE reaktora krute faze, što je poslužilo kao osnova za kasnije dizajne. Godine 1968 Uzimajući u obzir iskustvo stečeno na stajalištu IR-20, ovdje je izgrađena i fizička stajanka Strela na koju je ugrađen reaktor, koji je po dizajnu bio vrlo blizak reaktoru letnog modela NRE. Sljedeći korak prema stvaranju NRE bio je izrada posebnog eksperimentalnog postrojenja za testiranje zemaljskog prototipa NRE reaktora. Godine 1964 Izdana je vladina uredba o izgradnji kompleksa klupa za ispitivanje nuklearnih raketnih motora na poligonu Semipalatinsk, koji je dobio ime "Bajkal". Do veljače 1965 U IAE je pripremljen projektni zadatak za razvoj reaktora za kompleks Baikal (dobio je indeks IVG-1 istraživački visokotemperaturni plinski hlađen). NII-8 započinje projektiranje (pod znanstvenim vodstvom IAE). Razvoj i proizvodnja gorivih sklopova dodijeljeni su NIITVEl-u. Godine 1966 razvoj prvog sovjetskog NRE-a na čvrstoj fazi (dobio je indeks 11B91 ili RD-0410) prebačen je u Voronezh Design Bureau of Chemical Automation (KBKhA) Ch. dizajner A.D. Konopatov. Godine 1968 NPO Energomash (OKB-456) završio je razvoj idejnog projekta za motor s reaktorom u plinovitoj fazi. Motor, označen kao RD-600, trebao je imati potisak od oko 600 tona. nosivosti oko 60 tona. Kao moderator i reflektor korišteni su berilij i grafit. RT - vodik s dodatkom litija. 24. svibnja 1968. godine izdana je vladina uredba kojom se predviđa stvaranje nuklearnog raketnog motora na temelju predloženog projekta, kao i izgradnja postolja za njegovo testiranje, nazvanog Baikal-2. Paralelno s razvojem letnog modela YARD 11B91 u KBKhA, njegov prototip klupe (IR-100) stvoren je u NII-1. Godine 1970 provedena je kombinacija ovih radova (program je dobio indeks 11B91-IR-100), a svi projektni radovi na stolnim i letnim modelima nuklearnih raketnih motora bili su koncentrirani u KBKhA. Fizičko puštanje u rad prvog reaktora YARD 11B91-IR-100 obavljeno je u IPPE na štandu Strela. Provela je opsežan istraživački program. Izgradnja kompleksa Baikal trajala je nekoliko godina. Kompleks se trebao sastojati od dva okna u koja su se pomoću portalne dizalice spuštali eksperimentalni reaktori. 18. rujna 1972. godine fizičko puštanje u rad reaktora IVG-1 dogodilo se u sklopu prvog radnog mjesta kompleksa Baikal. Također bi se mogao koristiti kao prototip klupe budućeg YRD-a s potiskom od 20-40 tona. te kao postolje za ispitivanje novih vrsta nuklearnog goriva. Reaktor je imao reflektor od berilija, a voda je bila moderator. Njegovu jezgru činio je 31 gorivni element. Vodik, rashladno nuklearno gorivo, mogao se zagrijati do 2500 stupnjeva, au posebnom središnjem kanalu moglo se dobiti čak 3000 stupnjeva.Pokretanje snage dogodilo se tek početkom ožujka 1975. godine. što je objašnjeno potrebom dovršetka izgradnje svih zgrada i konstrukcija kompleksa klupe, obavljanja velike količine robota za puštanje u rad i obuke osoblja. Instrumenti su bili smješteni u podzemnom bunkeru smještenom između rudnika. U drugom se nalazi na udaljenosti od 800m. bila je upravljačka ploča. Upravljačkoj se ploči moglo pristupiti iz sigurne zone kroz podzemni tunel dug kilometar i pol. U blizini rudnika na dubini od 150m. postavljen je kuglasti spremnik u koji se pumpa vodikov plin pod visokim tlakom. Zagrijan u reaktoru na gotovo 3000 stupnjeva. vodik je ispušten izravno u atmosferu. Međutim, uklanjanje produkata fisije u ovom je slučaju bilo blizu radioaktivnih emisija iz nuklearnih elektrana tijekom njihovog normalnog rada. Pa ipak, danju se rudniku nije smjelo prići bliže od jednog i pol kilometra, a samom rudniku bilo je nemoguće prići mjesec dana. Tijekom 13 godina rada izvršeno je 28 "vrućih" pokretanja reaktora IVG-1. Ispitano je oko 200 plinom hlađenih gorivnih sklopova u sklopu 4 eksperimentalne jezgre. Životni vijek određenog broja sklopova akumuliranih pri nazivnoj snazi bio je 4000 sekundi. Mnogi od rezultata ovih ispitivanja znatno nadmašuju one dobivene tijekom rada u okviru programa NRE u SAD-u, pa je maksimalna gustoća oslobađanja topline u jezgri reaktora IVG-1 dosegla 25 kW/cm3. naspram 5,2 za Amerikance, temperatura vodika na izlazu iz gorivnih sklopova bila je oko 2800 stupnjeva naspram 2300 za Amerikance. Godine 1977 pušteno je u rad drugo-A radno mjesto kompleksa klupa Baikal, na kojem je 17.09.1977. pušten je u rad prvi bench reaktor za YARD 11B91-IR-100 koji je dobio oznaku IRGIT. Šest mjeseci kasnije, 27.3.1978. izvršen je električni start. Pri čemu je postignuta snaga od 25 MW (15% projektirane), temperatura vodika 1500 stupnjeva, vrijeme rada 70 sekundi. Tijekom ispitivanja 03.07.1978. i 11.08.1978. postignuta je snaga od 33 MW i 42 MW, temperatura vodika bila je 2360 st. Krajem 70-ih i ranih 80-ih, na kompleksu klupe provedene su još dvije serije ispitivanja - drugi i treći uređaj 11B91-IR-100. Nastavljena su i ispitivanja gorivnih sklopova u reaktorima IGR i IVG, u tijeku je izgradnja objekata s ciljem puštanja u rad drugog B radnog mjesta za ispitivanje motora na tekući vodik. Istodobno su na postolju u Zagorsku blizu Moskve obavljena ispitivanja takozvanog "hladnog" motora 11B91X, koji nije imao nuklearni reaktor. Vodik se zagrijavao u posebnim izmjenjivačima topline iz običnih kisik-vodikovih plamenika. Do 1977 riješeni su svi zadaci izrade "hladnog" motora (jedinice su mogle raditi satima). U principu, YARD je stvoren i njegova priprema za letna ispitivanja trajala je još nekoliko godina. YARD 11B91 imao je heterogeni toplinski neutronski reaktor, cirkonijev hidrid je služio kao moderator, berilijev reflektor, materijal za nuklearno gorivo na bazi urana i volfram karbida, s udjelom urana-235 od oko 80%. Bio je to relativno mali metalni cilindar promjera oko 50 cm. a dug oko metar. Unutra - 900 tankih šipki koje sadrže uran karbid. Reaktor YARD bio je okružen neutronskim reflektorom od berilija, u koji su bili ugrađeni bubnjevi, obloženi s jedne strane apsorberom neutrona. Igrali su ulogu kontrolnih šipki - ovisno o tome koja je strana bubnja bila okrenuta prema jezgri, apsorbirali su više ili manje neutrona, regulirajući snagu rektora (Amerikanci su imali istu shemu). Oko 1985. godine. YARD 11B91 mogao bi izvesti svoj prvi svemirski let. Ali to se nije dogodilo iz niza razloga. Do početka 1980-ih učinjen je značajan napredak u razvoju visokoučinkovitih raketnih motora, što je, uz odustajanje od planova za istraživanje Mjeseca i drugih obližnjih planeta Sunčeva sustava, dovelo u pitanje izvedivost stvaranje nuklearnog raketnog motora. Nastale ekonomske poteškoće i takozvana „perestrojka“ doveli su do toga da je cijela svemirska industrija bila „u nemilosti“ i 1988. god. obustavljen je rad na nuklearnom raketnom motoru u SSSR-u. Ideju o korištenju električne energije za stvaranje mlaznog pogona izrazio je K.E. Tsiolkovsky još 1903. godine. Prvi eksperimentalni EJE stvoren je u Laboratoriju za dinamiku plina (Lenjingrad) pod vodstvom V. P. Glushka 1929.-1933. Proučavanje mogućnosti stvaranja EJE-a počelo je krajem 50-ih u IAE (pod vodstvom L.A. Artsimovicha), NII-1 (pod vodstvom V.M. Ievleva i A.A. Porotnikova) i nizu drugih organizacija. . Tako su u OKB-1 provedena istraživanja usmjerena na stvaranje nuklearnog električnog pogonskog motora. Godine 1962 Preliminarni dizajn rakete-nosača H1 uključivao je “Materijale za nuklearni pogon za teške međuplanetarne letjelice”. Godine 1960 Izdana je uredba Vlade o organizaciji rada na elektroporivnom sustavu. Osim IAE i NII-1, u rad su bili uključeni deseci drugih istraživačkih instituta, dizajnerskih biroa i organizacija. Do 1962 u NII-1 stvoren je impulsni plazma potisnik (SPT) erozijskog tipa. Kod SPD-a plazma nastaje kao rezultat isparavanja (ablacije) čvrstog dielektrika (fluoroplast-4, također poznatog kao teflon) u pulsirajućem (iskričastom) električnom pražnjenju u trajanju od nekoliko mikrosekundi (snaga impulsa 10–200 MW) nakon čega slijedi elektromagnetsko ubrzanje plazme. Prva životna ispitivanja takvog motora započela su 27. ožujka i trajala do 16. travnja 1962. godine. Uz prosječnu potrošnju energije od 1 kW (impulsno - 200 MW), potisak je bio 1 g. - "cijena" potiska 1 kW/g. Za ispitivanja u svemiru bila je potrebna približno 4 puta manja “cijena” potiska. Ovi parametri su postignuti do kraja 1962. godine. Novi motor trošio je 50 W (impulsna snaga 10 MW) za stvaranje potiska od 0,2g. (kasnije je “cijena” vuče povećana na 85W za 1 godinu). U ožujku 1963 Izrađen je i testiran upravljački sustav za stabilizacijski sustav svemirske letjelice temeljen na SPD-u, koji je uključivao šest motora, pretvarač napona (pražnjenje iskre stvoreno je kondenzatorima kapaciteta 100 mikrofarada i naponom od 1 kV), programsko prebacivanje uređaja, visokonaponskih hermetičkih konektora i druge opreme. Temperatura plazme dosegla je 30 tisuća stupnjeva. a brzina izdisaja je 16 km/sek. Prvo lansiranje svemirske letjelice (međuplanetarne stanice tipa Zond) s električnim propulzijskim motorom zakazano je za studeni 1963. godine. Lansiranje 11. studenog 1963 završio nesrećom RN. Samo 30. studenoga 1964. AMS "Zond-2" s EJE-om na brodu uspješno lansiran prema Marsu. 14. prosinca 1964. godine na udaljenosti većoj od 5 milijuna km od Zemlje uključeni su plazma motori (plinodinamički su tada bili isključeni) koji rade iz solarnih baterija. Unutar 70 min. šest plazma motora održavalo je potrebnu orijentaciju postaje u prostoru. u SAD-u 1968. Komunikacijski satelit "LES-6" lansiran je s četiri eroziona SPD-a koji su radili više od 2 godine. Za daljnji rad na EJE-u organiziran je Dizajnerski biro "Fakel" (na temelju Dizajnerskog biroa nazvanog po B.S. Stečkinu, Kalinjingrad). Prvi razvoj OKB Fakel bio je EPS sustava stabilizacije i orijentacije za vojnu svemirsku letjelicu tipa Globus (AES Horizon), blizu Zond-2 IPD. Od 1971. god U sustavu korekcije orbite meteorološkog satelita Meteor korištena su dva plazma motora dizajnerskog biroa Fakel, od kojih je svaki, s težinom od 32,5 kg, trošio oko 0,4 kW, dok je razvijao potisak od oko 2 g. brzina ispuha preko 8 km/s, zaliha RT (komprimirani ksenon) bila je 2,4 kg. Od 1982. god na geostacionarnim komunikacijskim satelitima "Luch" koriste se EJE koje je razvio OKB "Fakel". Sve do 1991. godine ERE je uspješno operirao na 16 svemirskih letjelica. Više detalja o EJD-u bit će opisano na zasebnoj stranici sayie. Potisak stvorenog EJE-a bio je ograničen električnom snagom izvora energije na brodu. Da bi se potisak EPS-a povećao do nekoliko kilograma, bilo je potrebno povećati snagu na nekoliko stotina kilovata, što je bilo praktički nemoguće tradicionalnim metodama (baterije i solarni paneli). Stoga su IPPE, IAE i druge organizacije paralelno s radom na EJE pokrenule rad na izravnoj pretvorbi toplinske energije nuklearnog reaktora u električnu energiju. Isključivanje srednjih faza pretvorbe energije i odsutnost pokretnih dijelova omogućili su stvaranje kompaktnih, laganih i pouzdanih elektrana dovoljno velike snage i resursa pogodnih za korištenje na svemirskim letjelicama. Godine 1965 U OKB-1, zajedno s IPPE, razvijen je nacrt dizajna nuklearnog pogonskog motora YaERD-2200 za međuplanetarnu letjelicu s posadom. Pogonski sustav sastojao se od dva bloka (svaki je imao svoju nuklearnu elektranu), električna snaga svakog bloka bila je 2200 kW, potisak 8,3 kg. Magnetoplazma motor je imao specifični impuls od oko 54 000 m/s. Godine 1966-70. Razvijen je nacrt dizajna termoelektrane (11B97) i električnog pogonskog sustava za Marsov kompleks lansiran lansirnom raketom N1M. Nuklearni električni pogonski sustav bio je sastavljen iz zasebnih blokova, a električna snaga jednog bloka bila je do 5 MW. EJE potisak - 9,5 kg. pri specifičnom impulsu potiska od 78000 m/sek. Međutim, stvaranje snažnih nuklearnih izvora električne energije trajalo je mnogo više nego što se očekivalo. Radioizotopni termoelektrični generatori (RTG), koji su koristili toplinu spontane fisije radioaktivnih izotopa (primjerice, polonija-210), prvi su našli praktičnu primjenu zbog svoje jednostavnosti konstrukcije i male težine. Termoelektrični pretvarač je u biti bio konvencionalni termoelement. Međutim, njihova relativno niska potrošnja energije RITEG-a i visoka cijena korištenih izotopa ozbiljno su ograničili njihovu primjenu. Bolje izglede imala je primjena termoelektričnih i termoelektričnih pretvarača energije u kombinaciji s nuklearnim reaktorima spojenim u jedinstvenu cjelinu (reaktor-pretvarač). Za eksperimentalnu provjeru mogućnosti stvaranja malog reaktora-pretvarača, u IEA (zajedno s NPO Luch) 1964. Izrađena je eksperimentalna postavka "Romashka". Toplina oslobođena u jezgri zagrijavala je termoelektrični pretvarač smješten na vanjskoj površini reaktora, koji se sastoji od velikog broja silicij-germanijevih poluvodičkih pločica, dok je njihovu drugu površinu hladio radijator. Električna snaga je bila 500 vata. pri toplinskoj snazi reaktora od 40 kW. Ispitivanja "Kamilice" ubrzo su obustavljena jer je već bila podvrgnuta ispitivanju nuklearne elektrane BES-5 (Buk) mnogo veće snage. Razvoj nuklearne elektrane BES-5 električne snage 2800 W, namijenjene za napajanje opreme radarske izviđačke letjelice US-A, započeo je 1961. godine. u NPO Krasnaya Zvezda pod znanstvenim vodstvom IPPE. Prvi let svemirske letjelice US-A (3. listopada 1970. "Cosmos-367") bio je neuspješan - nuklearna elektrana BES-5 radila je 110 minuta. nakon čega se jezgra reaktora otopila. Sljedećih 9 lansiranja modificirane nuklearne elektrane bilo je uspješno 1975. godine. KA US-A usvojila je mornarica. U siječnju 1978 zbog kvara svemirske letjelice US-A (Kosmos-954) krhotine nuklearne elektrane Buk pale su na područje Kanade.Ukupno (prije razgradnje 1989.) ove letjelice lansirane su 32. - radovi su obavljeni. na nuklearnim elektranama s termoelektranama koje su imale veću učinkovitost, radni vijek i težinsko-dimenzionalne karakteristike.U termoelektranama se koristi učinak termoeničke emisije s površine dovoljno zagrijanog vodiča.baza u Kijevu (1970. ista baza pojavila se u Alma-Ati).Rad su izvela dva programera - u NPO Krasnaya Zvezda (znanstveno upravljanje IPPE), razvijena je nuklearna elektrana Topaz s električnom snagom od 5-6,6 kW. - kationsko izviđanje , "Energovak-TsKBM" (znanstveni menadžment RRC "Kurchatov Institute") razvio je nuklearnu elektranu "Yenisei" za satelit za televizijsko emitiranje "Ekran-AM". testiran je u svemirskim uvjetima na svemirskoj letjelici Plasma-A (2. veljače 1987. „Kosmos-1818“ i 10.07.1987. "Kosmos-1867"). S procijenjenim resursom od godinu dana, već u drugom letu, Topaz je radio više od 11 mjeseci, ali su se lansiranja tu zaustavila. Radovi na nuklearnoj elektrani "Jenisej" zaustavljeni su u fazi zemaljskih ispitivanja zbog prestanka rada na svemirskoj letjelici za koju je bila namijenjena. Više detalja o izvorima nuklearne energije za svemirske letjelice bit će opisano na posebnoj stranici stranice. Godine 1970 NPO Energomash razvio je nacrt svemirske nuklearne elektrane s plinovito-faznim reaktorom (sa zonom bez protoka fisijskih materijala) EU-610 s električnom snagom od 3,3 GW. Međutim, problemi koji su se pojavili tijekom radova nisu dopustili realizaciju ovog projekta. Godine 1978 NPO Krasnaya Zvezda razvila je tehničke prijedloge za 2 verzije nuklearnog pogonskog sustava Zarya-3 s električnom snagom od 24 kW i resursom većim od godinu dana. Prva opcija je modifikacija nuklearne elektrane Topaz-1, druga je imala originalnu shemu (udaljene termoelektrane s toplinskim cijevima). Rad na instalacijama prekinut je zbog nedostatka vezanja za određenu letjelicu. U razdoblju 1981.-86. obavljena je velika količina projektiranja i eksperimentalnog rada, što ukazuje na temeljnu mogućnost povećanja radnog vijeka nuklearnih elektrana do 3-5 godina i električne snage do 600 kW. Godine 1982 NPO Energia (TsKBEM), prema projektnom zadatku Moskovske oblasti, izradila je tehnički prijedlog nuklearnog međuorbitalnog tegljača Hercules električne snage 550 kW, koji se lansira u referentnu orbitu visine 200 km. kompleks "Energija-Buran" ili lansirna raketa "Proton". Godine 1986 izrađen je tehnički prijedlog za korištenje interorbitalnog tegljača s nuklearnim propulzijskim motorom za prijevoz tereta mase do 100 tona u referentnu orbitu rakete-nosača Energija u geostacionarnu orbitu. Ali ti radovi nisu nastavljeni. Dakle, u SSSR-u nikada nije stvoren stvarno funkcionalan nuklearni električni pogonski sustav, iako su nuklearne elektrane uspješno djelovale na serijskim svemirskim letjelicama. Prva i jedina svemirska letjelica koja je imala nuklearnu elektranu s električnim propulzijskim motorom je američki Snapshot, lansiran 3. travnja 1965. godine. Električna snaga reaktora-konvertora bila je 650 W. Na aparatu je instaliran eksperimentalni ionski motor. Međutim, već prvo uključivanje EJE-a (43. dana leta) dovelo je do hitnog gašenja reaktora. Možda su razlog tome bili visokonaponski kvarovi koji su pratili rad električnog propulzijskog motora, zbog čega je poslana lažna naredba za ponovno postavljanje reflektora reaktora, što je dovelo do njegovog zaglavljivanja. Godine 1992 Sjedinjene Države kupile su od Rusije dvije nuklearne elektrane Jenisej. Jedan od reaktora trebao je biti korišten 1995. godine. u "Svemirski eksperiment s nuklearnim električnim pogonskim sustavom". Međutim, 1996. god projekt je zatvoren. U Sjedinjenim Američkim Državama studije o problemu stvaranja NRE provode se u Laboratoriju u Los Alamosu od 1952. godine. Godine 1957 započeo je rad na programu Rover. Za razliku od SSSR-a, gdje su se provodila elementarna ispitivanja sklopova goriva i drugih elemenata motora, u SAD-u su krenuli putem stvaranja i testiranja cijelog reaktora odjednom. Prvi reaktor nazvan "Kiwi-A" ("KIWI-A") testiran je 1. srpnja 1959. godine. na posebnom poligonu u Nevadi. Bio je to homogeni reaktor čija je jezgra bila sastavljena od nezaštićenih ploča koje su se sastojale od mješavine grafita i uran-235 oksida obogaćenog do 90%. Teška voda služila je kao moderator neutrona. Uranov oksid nije mogao izdržati visoke temperature, a vodik koji je prolazio kroz kanale između ploča mogao se zagrijati samo do 1600 stupnjeva. Snaga ovih reaktora bila je samo 100 MW. Testovi Kiwi-A, kao i svi sljedeći, provedeni su s otvorenim izdanjem. Aktivnost ispušnih produkata bila je niska i praktički nije bilo ograničenja za rad u ispitnom području. Ispitivanja reaktora završena su 7. prosinca 1961. godine. (tijekom posljednjeg lansiranja jezgra je uništena, zabilježeno je ispuštanje fragmenata ploča u ispušni mlaz). Rezultati šest "vrućih testova" nuklearnog raketnog motora pokazali su se vrlo ohrabrujućim, te su početkom 1961. god. izrađen je izvještaj o potrebi ispitivanja reaktora u letu. No, ubrzo je počela prolaziti “vrtoglavica” od prvih uspjeha, shvatilo se da na putu do stvaranja DVORIŠTA ima mnogo problema za čije će rješavanje biti potrebno mnogo vremena i novca. Osim toga, napredak u stvaranju kemijskih motora za borbene projektile ostavio je samo svemirsku sferu za korištenje nuklearnih raketnih motora. Unatoč činjenici da je dolaskom Kennedyjeve administracije u Bijelu kuću (1961.) obustavljen rad na zrakoplovu s nuklearnim motorom, program Rover nazvan je “jednim od četiri prioriteta u osvajanju svemira” i bio je dalje razvijati.. Novi programi "Rift" (RIFT - Reactor In Flight Test - reaktor u probnom letu) i "Nerva" (NERVA - Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application) usvojeni su za stvaranje letne verzije NRE. Nastavljeno je testiranje reaktora serije Kiwi. 1. rujna 1962. godine testiran je "Kiwi-V" s kapacitetom od 1100 MW, koji radi na tekući vodik. Uranov oksid zamijenjen je karbidom otpornijim na toplinu, osim toga, šipke su obložene niobij karbidom, ali tijekom ispitivanja, pri pokušaju postizanja projektirane temperature, reaktor se počeo urušavati (fragmenti ploča počeli su izletjeti kroz mlaznicu). Sljedeće lansiranje obavljeno je 30. studenog 1962. godine. ali nakon 260sek. Ispitivanje je prekinuto zbog jakih vibracija unutar reaktora i bljeskova plamena u ispušnom mlazu. Kao rezultat ovih neuspjeha, planirano je za 1963. god. testovi reaktora Kiwi-V odgođeni su za iduću godinu. U kolovozu 1964 proveden je još jedan test tijekom kojeg je motor radio na snazi od 900 MW više od osam minuta, razvijajući potisak od 22,7 tona. pri brzini istjecanja od 7500 m/s. Na samom početku 1965. god. provedeno je posljednje ispitivanje tijekom kojeg je reaktor uništen. Namjerno je doveden do eksplozije uslijed brzog "ubrzavanja". Ako normalno prijelaz reaktora s nulte snage na punu snagu zahtijeva desetke sekundi, tada je tijekom ovog ispitivanja trajanje takvog prijelaza određeno samo inercijom upravljačkih šipki, a otprilike 44 milisekunde nakon što su prebačene na punu snagu položaj snage, dogodila se eksplozija ekvivalentna 50-60 kg. trinitrotoluen. Program Rift uključivao je lansiranje rakete Saturn-V s eksperimentalnim reaktorom duž balističke putanje do visine do 1000 km. i njihov kasniji pad u južni dio Atlantskog oceana. Prije ulaska u vodu, YARD reaktor je trebao biti dignut u zrak (tada je malo ljudi razmišljalo o sigurnosti od zračenja). No iz godine u godinu provedba programa se odgađala i na kraju nikada nije realiziran. U prvoj fazi rada na motoru NERVA temeljili su se na blago modificiranom reaktoru Kiwi-V, nazvanom NERVA-NRX (Nuclear Rocket Experimental - eksperimentalna nuklearna raketa). Budući da do tog vremena još nije pronađen materijal koji bi mogao raditi na 2700–3000 stupnjeva. i kako bi se oduprlo uništenju vrućim vodikom, odlučeno je sniziti radnu temperaturu i specifični impuls je ograničen na 8400 m/s. Ispitivanja reaktora počela su 1964. godine, postigla je snagu od 1000 MW, potisak oko 22,5 tona. brzina protoka preko 7000m/s. Godine 1966 prvi put je motor testiran u punoj snazi od 1100 MW. Gdje je radio 28 minuta. (od 110 minuta rada). Temperatura vodika na izlazu iz reaktora dosegnula je 2000 stupnjeva, potisak je bio 20 tona.U sljedećoj fazi programa trebali su se koristiti snažniji reaktori Phoebus (Phoebus, a zatim Pewee). Razvoj poboljšanih grafitnih reaktora čvrste faze za motor NERVA u okviru programa Phoebus provodi se u Laboratoriju u Los Alamosu od 1963. godine. Prvi od ovih reaktora ima približno iste dimenzije kao Kiwi-V (promjer 0,813 m, duljina 1,395 m), ali je dizajniran za otprilike dvostruko veću snagu. Na temelju ovog reaktora planirano je stvoriti motor NERVA-1. Sljedeća modifikacija snage oko 4000–5000 MW trebala se koristiti za motor NERVA-2. Ovaj motor ima potisak u rasponu od 90-110t. trebala imati brzinu istjecanja do 9000 m/s. Visina motora je cca 12m. vanjski promjer - 1,8m. Potrošnja radne tekućine 136kg/s. Težina motora NERVA-2 bila je oko 13,6 tona. zbog financijskih poteškoća ubrzo se odustalo od motora NERVA-2 i prešlo se na projektiranje motora NERVA-1 povećane snage s potiskom od 34 tone. brzina protoka 8250m/s. Prvo testiranje reaktora NRX-A6 za ovaj motor obavljeno je 15. prosinca 1967. godine. U lipnju 1969 održana su prva vruća ispitivanja eksperimentalnog motora NERVA XE s potiskom od 22,7 tona. Ukupno vrijeme rada motora bilo je 115 minuta, izvršeno je 28 startova. DVORIŠTE "NERVA-1" imalo je homogeni reaktor s aktivnom zonom promjera 1 m. i visine 1,8m. koji se sastoji od 1800 heksagonalnih gorivih šipki (koncentracija nuklearnog goriva je 200 - 700 mg/cc. ). Reaktor je imao prstenasti reflektor debljine oko 150 mm, izrađen od berilijevog oksida. Energetska posuda reaktora izrađena je od aluminijske legure, unutarnji štit od zračenja izrađen je od kompozitnog materijala (bor karbid–aluminij–titan hidrid). Dodatna vanjska zaštita može se ugraditi i između reaktora i turbopumpnih jedinica. NASA je motor smatrala prikladnim za planiranu misiju na Mars. Trebao je biti postavljen na gornji stupanj rakete-nosača Saturn-5. Takav bi nosač mogao ponijeti dva ili tri puta više korisnog tereta u svemir nego njegova čisto kemijska verzija. No većinu američkog svemirskog programa otkazala je Nixonova administracija. I prestanak 1970. godine. proizvodnjom raketa Saturn-5 prekinut je program korištenja nuklearnih raketnih motora. U Los Alamosu, rad na motorima Pewee u okviru programa Rover nastavljen je do 1972. nakon čega je program konačno zatvoren. Glavna razlika između naših YARD-ova i američkih je što su bili heterogeni. Kod homogenih (homogenih) reaktora nuklearno gorivo i moderator su pomiješani. U domaćem NRE nuklearno gorivo je bilo koncentrirano u gorivim elementima (odvojeno od moderatora) i bilo je zatvoreno u zaštitni omotač, tako da je moderator radio na znatno nižim temperaturama nego u američkim reaktorima. To je omogućilo napuštanje grafita i korištenje cirkonijevog hidrida kao moderatora. Kao rezultat toga, pokazalo se da je reaktor mnogo kompaktniji i lakši od grafitnog. To je, zajedno s oblikom šipki koje su pronašli sovjetski dizajneri (četverokrake u presjeku i upletene po duljini), omogućilo značajno smanjenje gubitka urana kao rezultat uništenja šipki (nije bilo moguće potpuno eliminirati razaranje). Trenutačno samo Sjedinjene Države i Rusija imaju značajno iskustvo u razvoju i izgradnji NRE-ova čvrste faze i, ako bude potrebno, moći će stvoriti takve motore u kratkom vremenu i po prihvatljivoj cijeni. Reaktorski kompleksi IGR i IVG-1 sada pripadaju Nacionalnom nuklearnom centru Republike Kazahstan. Oprema se održava u relativno ispravnom stanju. Moguće je da će nastavak rada na programima letova na Mjesec i Mars oživjeti interes za nuklearne raketne motore čvrste faze. Osim toga, korištenje NRE može značajno proširiti granice proučavanja Sunčevog sustava, smanjujući vrijeme potrebno za postizanje udaljenih planeta. U 2010 Ruski predsjednik Medvedev naredio je stvaranje svemirskog transportnog i energetskog modula temeljenog na nuklearnoj elektrani koja koristi ionski električni pogon. Reaktor će izgraditi NIKIET. Keldysh Center će napraviti nuklearnu elektranu, a RSC Energia će sam izraditi transportni i energetski modul. Izlazna električna snaga pretvarača plinske turbine u nominalnom načinu rada bit će 100-150 kW. xenon bi se trebao koristiti kao RT. ERD specifični impuls 9000-50000m/sek. resurs 1,5-3 godine. Masa i dimenzije instalacije trebale bi omogućiti korištenje lansirnih vozila Proton i Angara za njeno lansiranje. Zemaljska testiranja radnog prototipa počet će 2014., a do 2017. nuklearni će motor biti spreman za lansiranje u svemir (NASA je također započela sličan program 2003., no tada je financiranje prekinuto). Za razvoj cijelog projekta bit će potrebno 17 milijardi rubalja. Čekaj i vidi.
© Oksana Viktorova/Kolaž/Ridus
Izjava Vladimira Putina tijekom obraćanja Saveznoj skupštini o prisutnosti krstareće rakete na nuklearni pogon u Rusiji izazvala je veliku buru u društvu i medijima. U isto vrijeme, malo se znalo o tome što je takav motor io mogućnostima njegove upotrebe, kako za širu javnost tako i za stručnjake.
Reedus je pokušao dokučiti o kakvoj bi tehničkoj napravi predsjednik mogao govoriti i po čemu je ona jedinstvena.
S obzirom na to da je prezentacija u Manježu bila napravljena ne za publiku tehničkih stručnjaka, već za "širu" javnost, njezini bi autori mogli dopustiti određenu zamjenu koncepata, Georgij Tihomirov, zamjenik ravnatelja Instituta za nuklearnu fiziku i tehnologiju Nacionalno istraživačko nuklearno sveučilište MEPhI, ne isključuje.
“Ono što je predsjednik rekao i pokazao, stručnjaci nazivaju kompaktnim elektranama, eksperimenti s kojima su se u početku provodili u zrakoplovstvu, a zatim tijekom istraživanja dubokog svemira. Bili su to pokušaji rješavanja nerješivog problema dovoljne količine goriva za letove na neograničenim udaljenostima. U tom smislu, prezentacija je apsolutno točna: prisutnost takvog motora osigurava energiju sustavima rakete ili bilo kojeg drugog uređaja na proizvoljno dugo vrijeme”, rekao je Reedusu.
Rad s takvim motorom u SSSR-u započeo je prije točno 60 godina pod vodstvom akademika M. Keldysha, I. Kurchatova i S. Koroljeva. Istih godina sličan je rad proveden u Sjedinjenim Državama, ali je prekinut 1965. U SSSR-u se rad nastavio otprilike jedno desetljeće prije nego što su također prepoznati kao nevažni. Možda se zato u Washingtonu nisu previše lecnuli rekavši da ih predstavljanje ruske rakete nije iznenadilo.
U Rusiji ideja o nuklearnom motoru nikada nije umrla - posebice od 2009. godine u tijeku je praktični razvoj takve instalacije. Sudeći prema vremenu, testovi koje je najavio predsjednik točno se uklapaju u ovaj zajednički projekt Roscosmosa i Rosatoma, budući da su programeri planirali provesti terenska ispitivanja motora 2018. godine. Možda su se iz političkih razloga malo trgli i pomaknuli rokove “ulijevo”.
“Tehnološki je uređeno na takav način da nuklearna jedinica zagrijava plinsko rashladno sredstvo. A ovaj zagrijani plin ili rotira turbinu ili izravno stvara mlazni potisak. Određeno lukavstvo u prikazu rakete, koje smo čuli, je da domet njezina leta ipak nije beskonačan: ograničen je volumenom radnog fluida - tekućeg plina, koji se fizički može upumpavati u spremnike rakete, “, kaže stručnjak.
Istodobno, svemirska raketa i krstareća raketa imaju bitno različite sheme upravljanja letom, budući da imaju različite zadaće. Prvi leti u bezzračnom prostoru, ne treba manevrirati - dovoljno mu je dati početni impuls, a zatim se kreće proračunatom balističkom putanjom.
Krstareća raketa, naprotiv, mora stalno mijenjati svoju putanju, za što mora imati dovoljno goriva za stvaranje impulsa. Hoće li to gorivo paliti nuklearna elektrana ili tradicionalna, u ovom slučaju nije bitno. Važna je samo opskrba tim gorivom, naglašava Tihomirov.
“Smisao nuklearne instalacije tijekom letova u duboki svemir je prisutnost izvora energije na brodu koji napaja sustave aparata neograničeno vrijeme. U ovom slučaju ne može postojati samo nuklearni reaktor, već i radioizotopni termoelektrični generatori. A smisao takve instalacije na raketi, čiji let neće trajati dulje od nekoliko desetaka minuta, još mi nije potpuno jasan “, priznaje fizičar.
Izvješće u Manegeu kasnilo je samo nekoliko tjedana u usporedbi s NASA-inom objavom od 15. veljače da Amerikanci nastavljaju s istraživanjem nuklearnog raketnog pogona koje su napustili prije pola stoljeća.
Inače, u studenom 2017. Kineska korporacija za svemirsku znanost i tehnologiju (CASC) već je najavila da će prije 2045. u Kini biti stvorena svemirska letjelica na nuklearni pogon. Stoga danas sa sigurnošću možemo reći da je svjetska utrka nuklearnih pogona započela.
Čuvajte se mnogih slova.
Model leta svemirske letjelice s nuklearnom elektranom (NPP) u Rusiji planira se izraditi do 2025. godine. Relevantni rad uključen je u nacrt Saveznog svemirskog programa za 2016.-2025. (FKP-25), koji je Roscosmos poslao ministarstvima na odobrenje.
Sustavi nuklearne energije smatraju se glavnim obećavajućim izvorima energije u svemiru kada se planiraju međuplanetarne ekspedicije velikih razmjera. U budućnosti, nuklearne elektrane, koje trenutno razvijaju poduzeća Rosatoma, moći će u budućnosti osigurati megavatnu snagu u svemiru.
Svi radovi na izgradnji nuklearnih elektrana odvijaju se u skladu s planiranim rokovima. S velikom dozom sigurnosti možemo reći da će posao biti završen u roku predviđenom ciljnim programom, - kaže Andrej Ivanov, voditelj projekta Odjela za komunikacije državne korporacije Rosatom.
Nedavno su u okviru projekta prošle dvije važne faze: stvoren je jedinstven dizajn gorivnog elementa koji osigurava rad na visokim temperaturama, velikim temperaturnim gradijentima i visokim dozama zračenja. Uspješno su završena i tehnološka ispitivanja reaktorske posude buduće svemirske elektrane. Kao dio ovih testova, karoserija je bila pod tlakom i napravljena su 3D mjerenja u područjima osnovnog metala, pojasnog zavara i konusnog prijelaza.
Princip rada. Povijest stvaranja.
Ne postoje temeljne poteškoće s nuklearnim reaktorom za svemirsku upotrebu. U razdoblju od 1962. do 1993. godine u našoj zemlji skupljeno je bogato iskustvo u proizvodnji sličnih instalacija. Sličan rad proveden je u SAD-u. Od početka 1960-ih godina u svijetu je razvijeno nekoliko tipova električnih mlaznih motora: ionski, stacionarni plazma, motor s anodnim slojem, impulsni plazma motor, magnetoplazma, magnetoplazmodinamički.
Rad na stvaranju nuklearnih motora za svemirske letjelice aktivno se provodio u SSSR-u i SAD-u u prošlom stoljeću: Amerikanci su zatvorili projekt 1994., SSSR - 1988. Prestanku rada uvelike je pridonijela černobilska katastrofa koja je negativno postavila javno mnijenje o korištenju nuklearne energije. Osim toga, testovi nuklearnih instalacija u svemiru nisu se uvijek odvijali redovito: 1978. godine sovjetski satelit Kosmos-954 ušao je u atmosferu i raspao se, raspršivši tisuće radioaktivnih fragmenata na površini od 100 tisuća četvornih metara. km u sjeverozapadnoj Kanadi. Sovjetski Savez je Kanadi isplatio novčanu odštetu u iznosu većem od 10 milijuna dolara.
U svibnju 1988. dvije organizacije - Federacija američkih znanstvenika i Odbor sovjetskih znanstvenika za mir protiv nuklearne prijetnje - dale su zajednički prijedlog za zabranu korištenja nuklearne energije u svemiru. Taj prijedlog nije dobio formalne posljedice, ali od tada nijedna država nije lansirala letjelicu s nuklearnim elektranama.
Velike prednosti projekta su praktički važne radne karakteristike - dug radni vijek (10 godina rada), značajan remontni interval i dugo vrijeme rada na jednoj sklopki.
U 2010. godini formulirani su tehnički prijedlozi za projekt. Dizajn je započeo ove godine.
Nuklearna elektrana sadrži tri glavna uređaja: 1) reaktorsko postrojenje s radnim fluidom i pomoćnim uređajima (izmjenjivač topline-rekuperator i turbogenerator-kompresor); 2) električni raketni pogonski sustav; 3) hladnjak-emiter.
Reaktor.
S fizičke točke gledišta, radi se o kompaktnom plinom hlađenom reaktoru brzih neutrona.
Gorivo koje se koristi je spoj (dioksid ili karbonitrid) urana, ali budući da dizajn mora biti vrlo kompaktan, uran ima veće obogaćenje u izotopu 235 nego u gorivim šipkama u konvencionalnim (civilnim) nuklearnim elektranama, možda preko 20%. A njihova ljuska je monokristalna legura vatrostalnih metala na bazi molibdena.
Ovo gorivo će morati raditi na vrlo visokim temperaturama. Stoga je bilo potrebno odabrati materijale koji bi mogli obuzdati negativne čimbenike povezane s temperaturom, a istovremeno omogućiti gorivu da obavlja svoju glavnu funkciju - zagrijavanje plinskog rashladnog sredstva, koje će se koristiti za proizvodnju električne energije.
Hladnjak.
Hlađenje plinom tijekom rada nuklearnog postrojenja je apsolutno neophodno. Kako ispustiti toplinu u svemir? Jedina mogućnost je hlađenje zračenjem. Zagrijana površina u praznini hladi se emitiranjem elektromagnetskih valova u širokom rasponu, uključujući vidljivu svjetlost. Jedinstvenost projekta je u korištenju posebne rashladne tekućine - mješavine helija i ksenona. Instalacija osigurava visoku učinkovitost.
Motor.
Princip rada ionskog motora je sljedeći. Uz pomoć anoda i katodnog bloka koji se nalaze u magnetskom polju u komori s plinskim pražnjenjem stvara se razrijeđena plazma. Ione radnog fluida (ksenona ili druge tvari) emisijska elektroda "izvlači" iz njega i ubrzava u međuprostoru između njega i akceleracijske elektrode.
Za provedbu plana obećano je 17 milijardi rubalja u razdoblju od 2010. do 2018. godine. Od tih sredstava, 7,245 milijardi rubalja bilo je namijenjeno državnoj korporaciji Rosatom za izgradnju samog reaktora. Drugih 3,955 milijardi - FSUE "Centar Keldysh" za stvaranje nuklearne - pogonske elektrane. Još 5,8 milijardi rubalja ide RSC Energiji, gdje će se u istom roku morati formirati radna slika cijelog transportno-energetskog modula.
Prema planovima, do kraja 2017. godine bit će pripremljena nuklearna elektrana za dovršetak transportno-energetskog modula (modula međuplanetarnog leta). Do kraja 2018. nuklearna elektrana bit će spremna za letna ispitivanja. Projekt se financira iz federalnog proračuna.
Nije tajna da je rad na stvaranju nuklearnih raketnih motora započeo u SAD-u i SSSR-u još 60-ih godina prošlog stoljeća. Dokle su stigli? I s kojim izazovima ste se susretali na tom putu?
Anatolij Korotejev: Doista, rad na korištenju nuklearne energije u svemiru započeo je i aktivno se provodio u našoj zemlji iu Sjedinjenim Državama 1960-ih i 70-ih godina.
U početku je zadatak bio stvoriti raketne motore koji bi koristili zagrijavanje vodika na temperaturu od oko 3000 stupnjeva umjesto kemijske energije izgaranja goriva i oksidatora. No pokazalo se da je takav izravan put ipak neučinkovit. Nakratko dobijemo veliki potisak, ali istovremeno izbacimo mlaz, koji se u slučaju nepravilnog rada reaktora može pokazati radioaktivno zagađenim.
Steklo se određeno iskustvo, ali ni mi ni Amerikanci tada nismo uspjeli stvoriti pouzdane motore. Radili su, ali nedovoljno, jer je zagrijavanje vodika na 3000 stupnjeva u nuklearnom reaktoru ozbiljan zadatak. Osim toga, bilo je ekoloških problema tijekom testiranja takvih motora na zemlji, budući da su radioaktivni mlazevi ispuštani u atmosferu. Više nije tajna da su takvi radovi obavljeni na poligonu Semipalatinsk, posebno pripremljenom za nuklearna testiranja, koji je ostao u Kazahstanu.
Odnosno, dva parametra su se pokazala kritičnima - previsoka temperatura i emisije zračenja?
Anatolij Korotejev: Općenito, da. Zbog ovih i nekih drugih razloga rad kod nas iu SAD-u je prekinut ili obustavljen - može se na različite načine ocijeniti. I činilo nam se nerazumnim obnavljati ih na takav, rekao bih, frontalni način, kako bi se napravio nuklearni motor sa svim već spomenutim nedostacima. Mi smo predložili potpuno drugačiji pristup. Razlikuje se od starog na isti način na koji se hibridni automobil razlikuje od konvencionalnog. U konvencionalnim automobilima motor okreće kotače, dok u hibridnim automobilima električna energija nastaje iz motora, a ta električna energija okreće kotače. Odnosno, stvara se određena srednja elektrana.
Stoga smo predložili shemu u kojoj svemirski reaktor ne zagrijava mlaz koji iz njega izbacuje, već proizvodi električnu energiju. Vrući plin iz reaktora pokreće turbinu, turbina pokreće električni generator i kompresor koji cirkulira radni fluid u zatvorenom krugu. Generator, s druge strane, proizvodi električnu energiju za plazma motor sa specifičnim potiskom 20 puta većim od onog kod kemijskih analoga.
Pametna shema. U biti, ovo je mini-nuklearna elektrana u svemiru. I koje su njegove prednosti u odnosu na ramjet nuklearni motor?
Anatolij Korotejev: Glavno je da mlaz koji izlazi iz novog motora neće biti radioaktivan, budući da kroz reaktor prolazi potpuno drugačiji radni fluid koji se nalazi u zatvorenom krugu.
Osim toga, ovom shemom ne moramo zagrijavati vodik do ekstremnih vrijednosti: u reaktoru cirkulira inertna radna tekućina koja se zagrijava do 1500 stupnjeva. Ozbiljno pojednostavljujemo svoj zadatak. Kao rezultat toga, povećat ćemo specifični potisak ne dva puta, već 20 puta u usporedbi s kemijskim motorima.
Još jedna stvar je također važna: nema potrebe za složenim testovima punog opsega, koji zahtijevaju infrastrukturu bivšeg poligona Semipalatinsk, posebno baze klupe koja je ostala u gradu Kurčatovu.
U našem slučaju, sva potrebna ispitivanja mogu se provesti na teritoriju Rusije, bez uključivanja u duge međunarodne pregovore o korištenju nuklearne energije izvan naše države.
Izvode li se slični radovi u drugim zemljama?
Anatolij Korotejev: Imao sam sastanak sa zamjenikom šefa NASA-e, razgovarali smo o pitanjima vezanim za povratak na rad na nuklearnoj energiji u svemiru, a on je rekao da Amerikanci pokazuju veliki interes za to.
Sasvim je moguće da i Kina može odgovoriti aktivnim djelovanjem sa svoje strane, stoga je potrebno djelovati brzo. I to ne samo zbog toga da bi nekoga pretekli za pola koraka.
Moramo raditi brzo, prije svega, kako bismo u novonastaloj međunarodnoj suradnji, a ona se de facto formira, izgledali dostojno.
Ne isključujem da bi se u bliskoj budućnosti mogao pokrenuti međunarodni program nuklearne svemirske elektrane, sličan programu kontrolirane termonuklearne fuzije koji se sada provodi.
Raketni motori na tekuće gorivo omogućili su čovjeku odlazak u svemir – u orbite blizu Zemlje. Ali brzina mlazne struje u LRE ne prelazi 4,5 km / s, a za letove na druge planete potrebni su deseci kilometara u sekundi. Mogući izlaz je korištenje energije nuklearnih reakcija.
Praktično stvaranje nuklearnih raketnih motora (NRE) proveli su samo SSSR i SAD. Godine 1955. Sjedinjene Države počele su provoditi program Rover za razvoj nuklearnog raketnog motora za svemirske letjelice. Tri godine kasnije, 1958., projekt je preuzela NASA, koja je brodovima s YARD-om postavila konkretan zadatak - let na Mjesec i Mars. Od tog vremena program je postao poznat kao NERVA, što je kratica za "nuklearni motor za ugradnju na rakete".
Do sredine 1970-ih, u okviru ovog programa, planirano je dizajnirati nuklearni raketni motor s potiskom od oko 30 tona (za usporedbu, karakterističan potisak LRE-a tog vremena bio je oko 700 tona), ali s brzina ispušnih plinova od 8,1 km / s. Međutim, 1973. program je zatvoren zbog pomaka američkih interesa prema svemirskom šatlu.
U SSSR-u je dizajn prvog NRE-a izveden u drugoj polovici 50-ih. U isto vrijeme, sovjetski dizajneri, umjesto stvaranja punog modela, počeli su izrađivati zasebne dijelove DVORIŠTA. Zatim su ti razvoji testirani u suradnji s posebno dizajniranim pulsnim grafitnim reaktorom (IGR).
U 70-80-im godinama prošlog stoljeća, dizajnerski biro Salyut, dizajnerski biro Khimavtomatika i istraživačko-proizvodna udruga Luch izradili su projekte svemirskih nuklearnih raketnih motora RD-0411 i RD-0410 s potiskom od 40 odnosno 3,6 tona. . Tijekom procesa projektiranja, za ispitivanje su proizvedeni reaktor, "hladni" motor i prototip stola.
U srpnju 1961. sovjetski akademik Andrej Saharov najavio je projekt nuklearne eksplozije na sastanku vodećih atomskih znanstvenika u Kremlju. Eksploziv je za polijetanje imao konvencionalne raketne motore na tekuće gorivo, dok je u svemiru trebao eksplodirati malim nuklearnim nabojima. Produkti fisije nastali tijekom eksplozije prenijeli su svoj zamah na brod, uzrokujući njegov let. No, 5. kolovoza 1963. u Moskvi je potpisan sporazum o zabrani testiranja nuklearnog oružja u atmosferi, svemiru i pod vodom. To je bio razlog za zatvaranje programa nuklearnih eksploziva.
Moguće je da je razvoj DVORIŠTA bio ispred svog vremena. Ipak, nisu bili preuranjeni. Uostalom, priprema leta s ljudskom posadom na druge planete traje nekoliko desetljeća, a pogonski sustavi za to moraju biti pripremljeni unaprijed.
Dizajn nuklearnog raketnog motora
Nuklearni raketni motor (NRE) je mlazni motor kod kojeg energija nastala reakcijom nuklearnog raspada ili fuzije zagrijava radni fluid (najčešće vodik ili amonijak).
Postoje tri vrste NRE prema vrsti goriva za reaktor:
- čvrsta faza;
- tekuća faza;
- plinovita faza.
Najpotpuniji je čvrsta faza opcija motora. Na slici je prikazan dijagram najjednostavnijeg NRE s reaktorom na kruto nuklearno gorivo. Radna tekućina nalazi se u vanjskom spremniku. Uz pomoć pumpe dovodi se u komoru motora. U komori se radna tekućina raspršuje uz pomoć mlaznica i dolazi u kontakt s nuklearnim gorivom koje stvara toplinu. Kada se zagrije, širi se i velikom brzinom izleti iz komore kroz mlaznicu.
tekuća faza- nuklearno gorivo u jezgri reaktora takvog motora je u tekućem obliku. Parametri vuče takvih motora veći su od onih na krutu fazu, zbog više temperature reaktora.
NA plinovita faza NRE gorivo (npr. uran), a radni fluid je u plinovitom stanju (u obliku plazme) i drži ga u radnom području elektromagnetsko polje. Zagrijana na desetke tisuća stupnjeva, uranova plazma prenosi toplinu na radnu tekućinu (na primjer, vodik), koja zauzvrat, zagrijavajući se na visoke temperature, formira mlaz.
Prema vrsti nuklearne reakcije razlikuju se radioizotopni raketni motor, termonuklearni raketni motor i vlastiti nuklearni motor (koristi se energija nuklearne fisije).
Zanimljiva opcija je i pulsirajući NRE - predlaže se korištenje nuklearnog punjenja kao izvora energije (goriva). Takve instalacije mogu biti unutarnje i vanjske vrste.
Glavne prednosti YRD-a su:
- visoki specifični impuls;
- značajna rezerva energije;
- kompaktnost pogonskog sustava;
- mogućnost dobivanja vrlo velikog potiska - deseci, stotine i tisuće tona u vakuumu.
Glavni nedostatak je velika opasnost od zračenja pogonskog sustava:
- tokovi prodornog zračenja (gama zračenje, neutroni) tijekom nuklearnih reakcija;
- uklanjanje visokoradioaktivnih spojeva urana i njegovih legura;
- istjecanje radioaktivnih plinova s radnim fluidom.
Stoga je lansiranje nuklearnog motora neprihvatljivo za lansiranja sa Zemljine površine zbog opasnosti od radioaktivne kontaminacije.
- Zelene rajčice punjene za zimu - ukusan zalogaj
- Rajčice za zimu punjene češnjakom i začinskim biljem
- Grissini - provjereni talijanski recepti za grisine
- Raf kava: povijest stvaranja i mogućnosti pripreme napitka od kave
- Brzi zalogaji
- Korisni kulinarski trikovi za domaćice
- Vegetarijanska majoneza kod kuće
- Pita od jabuka – brzi recept
- Tajne kuhanja tatarskih slatkiša chak-chak
- Unapređenje asortimana i povećanje prehrambene vrijednosti kruha i pekarskih proizvoda
- Značajke i recepti za pripremu i džem od luka
- Kakvu ribu možete soliti kod kuće: izbor i savjeti za kuhanje Solite bijelu ribu
- Što je jantra, vrste značenja jantre
- tehnologija izgaranja drva
- Kako izračunati specifičnu težinu u različitim područjima?
- Geografija mesnog govedarstva (goveda, svinje, ovce), peradarstvo
- Analiza tržišnog udjela poduzeća učinkovit je alat za uspješno poslovanje Koliki se udio u prodaji smatra normom
- Sedmi tehnološki način je kognitivni
- Vrste jednočlanih rečenica
- Pojam dijalekta. Što je dijalekt? Gramatički rječnik: Gramatika i lingvistički pojmovi