Jadrový raketový motor pre ruské kozmické lode. Prečo sa jadrové raketové motory nestali realitou

Našiel zaujímavý článok. Vo všeobecnosti ma jadrové vesmírne lode vždy zaujímali. Toto je budúcnosť astronautiky. Rozsiahla práca na túto tému bola vykonaná aj v ZSSR. Článok je práve o nich.

Do vesmíru na jadrovú energiu. Sny a realita.

Doktor fyzikálnych a matematických vied Yu

V roku 1950 som obhájil diplom inžiniera-fyzika na Moskovskom mechanickom inštitúte (MMI) ministerstva munície. O päť rokov skôr, v roku 1945, tam vznikla Technicko-fyzikálna fakulta, ktorá vychovávala odborníkov pre nový priemysel, medzi ktorých úlohy patrila najmä výroba jadrových zbraní. Fakulta bola na špičkovej úrovni. Spolu so základnou fyzikou v rámci vysokoškolských predmetov (metódy matematickej fyziky, teória relativity, kvantová mechanika, elektrodynamika, štatistická fyzika a iné) nás učili celé spektrum inžinierskych disciplín: chémia, metalurgia, pevnosť materiálov, teória. mechanizmov a strojov atď. Inžinierska a fyzikálna fakulta MMI, ktorú vytvoril vynikajúci sovietsky fyzik Alexander Iľjič Leypunskij, sa časom rozrástla na Moskovský inžiniersky a fyzikálny inštitút (MEPhI). Ďalšia inžinierska a fyzikálna fakulta, ktorá sa tiež neskôr pripojila k MEPhI, vznikla na Moskovskom energetickom inštitúte (MPEI), ale ak sa na MMI kládol hlavný dôraz na základnú fyziku, tak na Energetickom inštitúte to bola tepelná a elektrická fyzika.

Študovali sme kvantovú mechaniku z knihy Dmitrija Ivanoviča Blokhintseva. Predstavte si moje prekvapenie, keď ma po zadaní poslali pracovať s ním. Ja, zanietený experimentátor (ako dieťa som rozoberal všetky hodiny v dome) a zrazu sa ocitnem u známeho teoretika. Zachvátila ma mierna panika, ale po príchode na miesto - „Objekt B“ Ministerstva vnútra ZSSR v Obninsku - som si okamžite uvedomil, že sa obávam márne.

V tom čase bola hlavnou témou „Objekt B“, ktorý až do júna 1950 v skutočnosti viedol A.I. Leypunsky, už vznikol. Tu vytvorili reaktory s rozšírenou reprodukciou jadrového paliva - „rýchly chov“. Blokhintsev ako riaditeľ inicioval vývoj nového smeru - vytvorenie motorov s jadrovým pohonom pre vesmírne lety. Ovládnutie vesmíru bolo dlhodobým snom Dmitrija Ivanoviča, dokonca aj v mladosti si dopisoval a stretával sa s K.E. Ciolkovskij. Myslím si, že pochopenie gigantických možností jadrovej energie, ktorej výhrevnosť je miliónkrát vyššia ako u najlepších chemických palív, určilo životnú cestu D.I. Blokhintseva.
"Nevidíš tvárou v tvár"... V tých rokoch sme si veľa nerozumeli. Až teraz, keď sa konečne naskytla príležitosť porovnať činy a osudy vynikajúcich vedcov Fyzikálneho a energetického ústavu (PEI) - bývalého „Objektu B“, premenovaného 31. decembra 1966, je, ako sa zdá, správne. pre mňa pochopenie myšlienok, ktoré ich v tom čase motivovali. Pri všetkej rôznorodosti činností, ktorými sa ústav musel zaoberať, je možné identifikovať prioritné vedecké oblasti, ktoré boli v sfére záujmu jeho popredných fyzikov.

Hlavným záujmom AIL (ako za jeho chrbtom v ústave volali Alexandra Iľjiča Leypunského) je rozvoj globálnej energetiky založenej na rýchlych množivých reaktoroch (jadrových reaktoroch, ktoré nemajú žiadne obmedzenia na zdroje jadrového paliva). Je ťažké preceňovať dôležitosť tohto skutočne „kozmického“ problému, ktorému zasvätil posledné štvrťstoročie svojho života. Leypunsky vynaložil veľa úsilia na obranu krajiny, najmä na vytvorenie jadrových motorov pre ponorky a ťažké lietadlá.

Záujmy D.I. Blokhintsev (dostal prezývku „D.I.“) boli zamerané na riešenie problému využívania jadrovej energie na vesmírne lety. Žiaľ, koncom 50. rokov bol nútený túto prácu opustiť a viesť vytvorenie medzinárodného vedeckého centra - Spojeného ústavu jadrového výskumu v Dubni. Tam pracoval na pulzných rýchlych reaktoroch – IBR. Toto sa stalo poslednou veľkou vecou v jeho živote.

Jeden gól – jeden tím

DI. Blokhintsev, ktorý koncom 40. rokov učil na Moskovskej štátnej univerzite, si to tam všimol a potom pozval mladého fyzika Igora Bondarenka, ktorý doslova blúznil o vesmírnych lodiach s jadrovým pohonom, aby pracoval v Obninsku. Jeho prvým vedeckým vedúcim bol A.I. Leypunsky a Igor sa, prirodzene, zaoberali jeho témou – rýchlymi množiteľmi.

Pod D.I. Blokhintsev, skupina vedcov vytvorená okolo Bondarenka, ktorí sa zjednotili pri riešení problémov využívania atómovej energie vo vesmíre. Okrem Igora Iľjiča Bondarenka v skupine boli: Viktor Jakovlevič Pupko, Edwin Aleksandrovič Stumbur a autor týchto riadkov. Hlavným ideológom bol Igor. Edwin uskutočnil experimentálne štúdie pozemných modelov jadrových reaktorov vo vesmírnych zariadeniach. Pracoval som najmä na raketových motoroch „nízkoťahových“ (ťah v nich vytvára akýsi urýchľovač – „iónový pohon“, ktorý je poháňaný energiou z vesmírnej jadrovej elektrárne). Skúmali sme procesy
prúdiace v iónových propulzoroch, na prízemných stojanoch.

O Viktorovi Pupkovi (v budúcnosti
sa stal vedúcim oddelenia kozmických technológií IPPE) organizačnej práce bolo veľa. Igor Iľjič Bondarenko bol vynikajúci fyzik. Mal veľký zmysel pre experimenty a vykonával jednoduché, elegantné a veľmi efektívne experimenty. Myslím si, že žiaden experimentátor a možno len málo teoretikov „necítil“ fundamentálnu fyziku. Vždy pohotový, otvorený a priateľský Igor bol skutočne dušou inštitútu. Jeho myšlienkami IPPE žije dodnes. Bondarenko žil neospravedlnene krátky život. V roku 1964, vo veku 38 rokov, tragicky zomrel v dôsledku lekárskej chyby. Bolo to, ako keby Boh, keď videl, koľko toho človek urobil, rozhodol sa, že je to príliš veľa a prikázal: „Dosť“.

Nedá si nespomenúť ďalšiu jedinečnú osobnosť - Vladimíra Aleksandroviča Malycha, technológa „od Boha“, moderného ľaváka Leskovského. Ak boli „produktmi“ vyššie spomenutých vedcov najmä nápady a vypočítané odhady ich reality, potom mali Malychhove diela vždy výstup „v kove“. Jej technologický sektor, ktorý v čase rozkvetu IPPE čítal viac ako dvetisíc zamestnancov, dokázal bez preháňania čokoľvek. Navyše, on sám vždy hral kľúčovú úlohu.

V.A. Malykh začal ako laboratórny asistent vo Výskumnom ústave jadrovej fyziky Moskovskej štátnej univerzity, keď absolvoval tri kurzy fyziky, vojna mu neumožnila dokončiť štúdium. Koncom 40. rokov sa mu podarilo vytvoriť technológiu na výrobu technickej keramiky na báze oxidu berýlia, unikátneho dielektrického materiálu s vysokou tepelnou vodivosťou. Pred Malykhom mnohí neúspešne zápasili s týmto problémom. A palivový článok na báze komerčnej nehrdzavejúcej ocele a prírodného uránu, ktorý vyvinul pre prvú jadrovú elektráreň, je v tých časoch a aj dnes zázrakom. Alebo termionický palivový prvok reaktorového elektrického generátora, ktorý vytvoril Malykh na poháňanie kozmickej lode - „girland“. Doteraz sa v tejto oblasti neobjavilo nič lepšie. Malykhove výtvory neboli demonštračné hračky, ale prvky jadrovej technológie. Pracovali mesiace a roky. Vladimír Aleksandrovič sa stal doktorom technických vied, laureátom Leninovej ceny, Hrdinom socialistickej práce. V roku 1964 tragicky zomrel na následky vojenského šoku.

Krok za krokom

S.P. Korolev a D.I. Blokhintsev už dlho živí sen o vesmírnom lete s ľudskou posádkou. Boli medzi nimi vytvorené úzke pracovné väzby. No na začiatku 50. rokov, v čase vrcholiacej studenej vojny, sa nešetrilo len na vojenské účely. Raketová technika bola považovaná len za nosič jadrových nábojov a o satelitoch sa ani len neuvažovalo. Medzitým Bondarenko, ktorý vedel o najnovších úspechoch raketových vedcov, vytrvalo obhajoval vytvorenie umelého satelitu Zeme. Následne si to už nikto nepamätal.

Zaujímavá je história vytvorenia rakety, ktorá vyniesla prvého kozmonauta planéty Jurija Gagarina do vesmíru. Je spojená s menom Andreja Dmitrieviča Sacharova. Koncom štyridsiatych rokov minulého storočia vyvinul kombinovanú štiepno-termonukleárnu nálož, „obláčik“, zjavne nezávisle od „otca vodíkovej bomby“, Edwarda Tellera, ktorý navrhol podobný produkt s názvom „budík“. Teller si však čoskoro uvedomil, že jadrová nálož takéhoto dizajnu bude mať „obmedzenú“ silu, nie viac ako ~ 500 kiloton toe ekvivalent. Pre „absolútnu“ zbraň to nestačí, preto sa od „budíka“ upustilo. V Únii bola v roku 1953 vybuchnutá Sacharovova RDS-6s nadýchaná pasta.

Po úspešných testoch a Sacharovovom zvolení za akademika, vtedajší šéf ministerstva pre stavbu stredných strojov V.A. Malyšev ho pozval na svoje miesto a určil mu za úlohu určiť parametre bomby ďalšej generácie. Andrei Dmitrievich odhadol (bez podrobnej štúdie) hmotnosť nového, oveľa výkonnejšieho náboja. Sacharovova správa tvorila základ pre uznesenie Ústredného výboru CPSU a Rady ministrov ZSSR, ktoré zaviazalo S.P. Korolev vyvinúť balistickú nosnú raketu pre tento náboj. Bola to práve táto raketa R-7 s názvom „Vostok“, ktorá v roku 1957 vyniesla na obežnú dráhu umelý satelit Zeme a v roku 1961 kozmickú loď s Jurijom Gagarinom. Neplánovalo sa použiť ho ako nosič ťažkej jadrovej nálože, keďže vývoj termonukleárnych zbraní sa uberal inou cestou.

V počiatočnej fáze vesmírneho jadrového programu IPPE spolu s Design Bureau V.N. Chelomeya vyvíjala jadrovú riadenú strelu. Tento smer sa nevyvíjal dlho a skončil výpočtami a testovaním prvkov motora vytvorených v oddelení V.A. Malykha. V podstate sme hovorili o nízko letiacom bezpilotnom lietadle s náporovým jadrovým motorom a jadrovou hlavicou (akýsi jadrový analóg „bzučiacej chyby“ - nemeckej V-1). Systém bol spustený pomocou konvenčných raketových zosilňovačov. Po dosiahnutí danej rýchlosti vznikol ťah atmosférickým vzduchom, zohriatym reťazovou reakciou štiepenia oxidu berýliového impregnovaného obohateným uránom.

Všeobecne povedané, schopnosť rakety vykonávať určitú astronautickú úlohu je určená rýchlosťou, ktorú nadobudne po spotrebovaní celej zásoby pracovnej tekutiny (palivo a okysličovadlo). Vypočíta sa pomocou Tsiolkovského vzorca: V = c×lnMn/Mk, kde c je rýchlosť výfuku pracovnej tekutiny a Mn a Mk sú počiatočná a konečná hmotnosť rakety. V konvenčných chemických raketách je rýchlosť výfuku určená teplotou v spaľovacej komore, typom paliva a okysličovadla a molekulovou hmotnosťou produktov spaľovania. Američania napríklad použili vodík ako palivo v zostupovom module na pristátie astronautov na Mesiaci. Produktom jeho spaľovania je voda, ktorej molekulová hmotnosť je relatívne nízka a prietok je 1,3-krát vyšší ako pri spaľovaní petroleja. To stačí na to, aby sa zostupové vozidlo s astronautmi dostalo na povrch Mesiaca a následne ich vrátilo na obežnú dráhu jeho umelého satelitu. Korolevova práca s vodíkovým palivom bola pozastavená pre nehodu s ľudskými obeťami. Nemali sme čas vytvoriť lunárny lander pre ľudí.

Jedným zo spôsobov, ako výrazne zvýšiť rýchlosť výfukových plynov, je vytvorenie jadrových tepelných rakiet. U nás to boli balistické jadrové rakety (BAR) s dosahom niekoľko tisíc kilometrov (spoločný projekt OKB-1 a IPPE), kým u Američanov sa používali podobné systémy typu „Kiwi“. Motory boli testované na testovacích miestach blízko Semipalatinska a Nevady. Princíp ich fungovania je nasledovný: vodík sa v jadrovom reaktore zahrieva na vysoké teploty, prechádza do atómového stavu a v tejto forme vyteká z rakety. V tomto prípade sa rýchlosť výfuku zvýši viac ako štvornásobne v porovnaní s chemickou vodíkovou raketou. Otázkou bolo zistiť, na akú teplotu sa dá zohriať vodík v reaktore s prvkami na tuhé palivo. Výpočty ukázali asi 3000 °K.

Na NII-1, ktorého vedeckým riaditeľom bol Mstislav Vsevolodovič Keldysh (vtedajší prezident Akadémie vied ZSSR), oddelenie V.M. Ievleva za účasti IPPE pracovala na úplne fantastickej schéme - reaktore v plynnej fáze, v ktorom dochádza k reťazovej reakcii v plynnej zmesi uránu a vodíka. Vodík vyteká z takéhoto reaktora desaťkrát rýchlejšie ako z reaktora na tuhé palivo, pričom urán sa oddelí a zostane v aktívnej zóne. Jedna z myšlienok zahŕňala využitie odstredivej separácie, kedy je horúca plynná zmes uránu a vodíka „vírená“ prichádzajúcim studeným vodíkom, v dôsledku čoho dochádza k separácii uránu a vodíka ako v centrifúge. Ievlev sa v skutočnosti pokúsil priamo reprodukovať procesy v spaľovacej komore chemickej rakety, pričom ako zdroj energie nepoužíval teplo spaľovania paliva, ale štiepnu reťazovú reakciu. Tým sa otvorila cesta k plnému využitiu energetickej kapacity atómových jadier. Ale otázka možnosti čistého vodíka (bez uránu) vytekať z reaktora zostala nevyriešená, nehovoriac o technických problémoch spojených s udržiavaním vysokoteplotných zmesí plynov pri tlakoch stoviek atmosfér.

Práca IPPE na balistických jadrových raketách sa skončila v rokoch 1969-1970 „požiarnymi skúškami“ na testovacom mieste prototypu jadrového raketového motora s prvkami na tuhé palivo v Semipalatinsku. Vytvoril ho IPPE v spolupráci s Voronezh Design Bureau A.D. Konopatov, Moskovský výskumný inštitút-1 a množstvo ďalších technologických skupín. Základom motora s ťahom 3,6 tony bol jadrový reaktor IR-100 s palivovými článkami z tuhého roztoku karbidu uránu a karbidu zirkónia. Teplota vodíka dosiahla 3000°K s výkonom reaktora ~170 MW.

Jadrové rakety s nízkym ťahom

Doteraz sme hovorili o raketách s ťahom prevyšujúcim ich hmotnosť, ktoré by bolo možné vypustiť z povrchu Zeme. V takýchto systémoch zvýšenie rýchlosti výfuku umožňuje znížiť prívod pracovnej tekutiny, zvýšiť užitočné zaťaženie a eliminovať viacstupňovú prevádzku. Existujú však spôsoby, ako dosiahnuť prakticky neobmedzené rýchlosti odtoku, napríklad zrýchlenie hmoty elektromagnetickými poľami. V tejto oblasti som pracoval v úzkom kontakte s Igorom Bondarenkom takmer 15 rokov.

Zrýchlenie rakety s elektrickým hnacím motorom (EPE) je určené pomerom špecifického výkonu na nich inštalovanej vesmírnej jadrovej elektrárne (SNPP) k rýchlosti výfukových plynov. V dohľadnej budúcnosti merný výkon KNPP zjavne neprekročí 1 kW/kg. V tomto prípade je možné vytvárať rakety s nízkym ťahom, desiatky a stokrát menším ako je hmotnosť rakety, a s veľmi nízkou spotrebou pracovnej tekutiny. Takáto raketa môže štartovať len z obežnej dráhy umelej družice Zeme a pri pomalom zrýchľovaní dosahovať vysoké rýchlosti.

Pre lety v rámci Slnečnej sústavy sú potrebné rakety s rýchlosťou výfuku 50-500 km/s a pre lety ku hviezdam „fotónové rakety“, ktoré presahujú našu predstavivosť s rýchlosťou výfuku rovnajúcou sa rýchlosti svetla. Na uskutočnenie vesmírneho letu na veľké vzdialenosti v akomkoľvek rozumnom čase je potrebná nepredstaviteľná hustota výkonu elektrární. Zatiaľ si nie je možné ani len predstaviť, na akých fyzikálnych procesoch by mohli byť založené.

Výpočty ukázali, že počas Veľkej konfrontácie, keď sú Zem a Mars k sebe najbližšie, je možné za jeden rok letieť jadrovou kozmickou loďou s posádkou na Mars a vrátiť ju na obežnú dráhu umelej družice Zeme. Celková hmotnosť takejto lode je asi 5 ton (vrátane dodávky pracovnej tekutiny - cézia, 1,6 tony). Je určený hlavne hmotnosťou KNPP s výkonom 5 MW a prúdový ťah je určený dvojmegawattovým lúčom céziových iónov s energiou 7 kiloelektrónvoltov *. Loď štartuje z obežnej dráhy umelej družice Zeme, dostane sa na obežnú dráhu družice Mars a na jej povrch bude musieť zostúpiť na zariadení s vodíkovým chemickým motorom, podobne ako na americkom lunárnom.

Tejto oblasti bola venovaná veľká séria prác IPPE na základe technických riešení, ktoré sú už dnes možné.

Iónový pohon

V tých rokoch sa diskutovalo o spôsoboch vytvárania rôznych elektrických pohonných systémov pre kozmické lode, ako sú „plazmové delá“, elektrostatické urýchľovače „prachu“ alebo kvapôčky kvapaliny. Žiadna z myšlienok však nemala jasný fyzikálny základ. Objavom bola povrchová ionizácia cézia.

Ešte v 20. rokoch minulého storočia objavil americký fyzik Irving Langmuir povrchovú ionizáciu alkalických kovov. Keď sa atóm cézia vyparí z povrchu kovu (v našom prípade volfrámu), ktorého funkcia práce elektrónov je väčšia ako ionizačný potenciál cézia, v takmer 100 % prípadov stratí slabo viazaný elektrón a ukáže sa, že ide o jediný nabitý ión. Povrchová ionizácia cézia na volfráme je teda fyzikálny proces, ktorý umožňuje vytvoriť iónové pohonné zariadenie s takmer 100% využitím pracovnej tekutiny a s energetickou účinnosťou blízkou jednotke.

Pri vytváraní modelov iónového pohonného systému tohto typu zohral hlavnú úlohu náš kolega Stal Jakovlevič Lebedev. Svojou železnou húževnatosťou a vytrvalosťou prekonal všetky prekážky. V dôsledku toho bolo možné reprodukovať plochý trojelektródový iónový pohonný obvod z kovu. Prvou elektródou je volfrámová platňa s rozmermi približne 10 x 10 cm s potenciálom +7 kV, druhou je volfrámová mriežka s potenciálom -3 kV a treťou je thorovaná volfrámová mriežka s nulovým potenciálom. „Molekulárna pištoľ“ vytvorila lúč céznych pár, ktorý cez všetky sieťky dopadol na povrch volfrámovej platne. Vyvážená a kalibrovaná kovová doska, takzvaná váha, slúžila na meranie „sily“, t. j. ťahu iónového lúča.

Urýchľujúce napätie do prvej mriežky urýchľuje cézne ióny na 10 000 eV, spomaľovacie napätie do druhej mriežky ich spomalí na 7 000 eV. To je energia, s ktorou musia ióny opustiť trysku, čo zodpovedá rýchlosti výfuku 100 km/s. Ale zväzok iónov, obmedzený vesmírnym nábojom, nemôže „ísť do vesmíru“. Objemový náboj iónov musí byť kompenzovaný elektrónmi, aby sa vytvorila kvázi-neutrálna plazma, ktorá sa nerušene šíri v priestore a vytvára reaktívny ťah. Zdrojom elektrónov na kompenzáciu objemového náboja iónového lúča je tretia mriežka (katóda) vyhrievaná prúdom. Druhá, „blokovacia“ mriežka bráni elektrónom dostať sa z katódy na volfrámovú platňu.

Prvá skúsenosť s modelom iónového pohonu znamenala začiatok viac ako desaťročnej práce. Jeden z najnovších modelov s poréznym volfrámovým žiaričom, vytvorený v roku 1965, produkoval „ťah“ približne 20 g pri prúde iónového lúča 20 A, mal mieru využitia energie okolo 90 % a mieru využitia hmoty 95. %.

Priama premena jadrového tepla na elektrickú energiu

Spôsoby, ako priamo premeniť energiu jadrového štiepenia na elektrickú energiu, sa zatiaľ nenašli. Stále sa nezaobídeme bez medzičlánku – tepelného motora. Keďže jeho účinnosť je vždy menšia ako jedna, „odpadové“ teplo je potrebné niekam uložiť. Nie sú s tým žiadne problémy na zemi, vo vode ani vo vzduchu. Vo vesmíre existuje len jedna cesta – tepelné žiarenie. KNPP sa teda nezaobíde bez „chladničky – žiariča“. Hustota žiarenia je úmerná štvrtej mocnine absolútnej teploty, takže teplota vyžarujúcej chladničky by mala byť čo najvyššia. Potom bude možné zmenšiť plochu emitujúceho povrchu a podľa toho aj hmotnosť elektrárne. Prišli sme s nápadom využiť „priamu“ premenu jadrového tepla na elektrickú energiu, bez turbíny či generátora, čo sa nám zdalo spoľahlivejšie pre dlhodobú prevádzku pri vysokých teplotách.

Z literatúry sme vedeli o dielach A.F. Ioffe - zakladateľ sovietskej školy technickej fyziky, priekopník vo výskume polovodičov v ZSSR. Málokto si už pamätá súčasné pramene, ktoré vyvinul a ktoré sa používali počas Veľkej vlasteneckej vojny. Viac ako jeden partizánsky oddiel mal v tom čase kontakt s pevninou vďaka „petrolejovým“ TEG – termoelektrickým generátorom Ioffe. „Koruna“ vyrobená z TEG (bola to súprava polovodičových prvkov) bola nasadená na petrolejovú lampu a jej vodiče boli pripojené k rádiovému zariadeniu. „Horúce“ konce prvkov sa zahrievali plameňom petrolejovej lampy, „studené“ konce sa ochladzovali na vzduchu. Tepelný tok prechádzajúci cez polovodič generoval elektromotorickú silu, ktorá stačila na komunikačnú reláciu a v intervaloch medzi nimi TEG nabíjal batériu. Keď sme desať rokov po Víťazstve navštívili moskovský závod TEG, ukázalo sa, že sa stále predávajú. Mnoho dedinčanov malo vtedy ekonomické rádiá „Rodina“ s priamymi žiarovkami napájanými batériou. Namiesto toho sa často používali značky TAG.

Problémom petroleja TEG je jeho nízka účinnosť (iba asi 3,5%) a nízka maximálna teplota (350°K). Ale jednoduchosť a spoľahlivosť týchto zariadení priťahovala vývojárov. Polovodičové meniče vyvinuté skupinou I.G. Gverdtsiteli na Suchumiskom inštitúte fyziky a technológie našiel uplatnenie vo vesmírnych inštaláciách typu Buk.

Svojho času A.F. Ioffe navrhol ďalší termionický menič – diódu vo vákuu. Princíp jeho činnosti je nasledujúci: vyhrievaná katóda vyžaruje elektróny, niektoré z nich, ktoré prekonávajú potenciál anódy, fungujú. Od tohto zariadenia sa očakávala oveľa vyššia účinnosť (20-25%) pri prevádzkových teplotách nad 1000°K. Navyše, na rozdiel od polovodiča, vákuová dióda sa nebojí neutrónového žiarenia a môže byť kombinovaná s jadrovým reaktorom. Ukázalo sa však, že nebolo možné realizovať myšlienku „vákuového“ Ioffe konvertora. Rovnako ako v iónovom pohonnom zariadení, aj vo vákuovom konvertore sa potrebujete zbaviť priestorového náboja, no tentoraz nie iónov, ale elektrónov. A.F. Ioffe zamýšľal použiť mikrónové medzery medzi katódou a anódou vo vákuovom konvertore, čo je v podmienkach vysokých teplôt a tepelných deformácií prakticky nemožné. Tu príde vhod cézium: jeden cézny ión vytvorený povrchovou ionizáciou na katóde kompenzuje priestorový náboj asi 500 elektrónov! Céziový konvertor je v podstate „obrátené“ iónové hnacie zariadenie. Fyzikálne procesy v nich sú blízko.

„Girlandy“ od V.A. Malykha

Jedným z výsledkov práce IPPE na termionických konvertoroch bolo vytvorenie V.A. Malykh a sériová výroba v jeho oddelení palivových článkov zo sériovo zapojených termionických konvertorov - „girlandy“ pre reaktor Topaz. Poskytovali až 30 V - stokrát viac ako jednoprvkové konvertory vytvorené „konkurenčnými organizáciami“ - Leningradskou skupinou M.B. Barabash a neskôr - Ústav atómovej energie. To umožnilo „odstrániť“ z reaktora desiatky a stokrát viac energie. Spoľahlivosť systému napchatého tisíckami termionických prvkov však vyvolávala obavy. Parné a plynové turbíny zároveň fungovali bez porúch, preto sme venovali pozornosť aj „strojovej“ premene jadrového tepla na elektrinu.

Celý problém spočíval v zdroji, pretože pri diaľkových vesmírnych letoch musia turbogenerátory fungovať rok, dva alebo dokonca niekoľko rokov. Aby sa znížilo opotrebovanie, „otáčky“ (otáčky turbíny) by mali byť čo najnižšie. Na druhej strane turbína funguje efektívne, ak je rýchlosť molekúl plynu alebo pary blízka rýchlosti jej lopatiek. Preto sme najprv uvažovali o použití najťažšej – ortuťovej pary. Vystrašila nás však intenzívna korózia železa a nehrdzavejúcej ocele stimulovaná žiarením, ku ktorej došlo v jadrovom reaktore chladenom ortuťou. Za dva týždne korózia „zožrala“ palivové články experimentálneho rýchleho reaktora „Clementine“ v Argonne Laboratory (USA, 1949) a reaktora BR-2 v IPPE (ZSSR, Obninsk, 1956).

Draselné výpary sa ukázali ako lákavé. Reaktor, v ktorom vrel draslík, tvoril základ elektrárne, ktorú sme vyvíjali pre kozmickú loď s nízkym ťahom – draselná para roztáčala turbogenerátor. Tento „strojový“ spôsob premeny tepla na elektrickú energiu umožňoval počítať s účinnosťou až 40 %, zatiaľ čo skutočné termionické inštalácie dosahovali účinnosť len okolo 7 %. KNPP so „strojovou“ premenou jadrového tepla na elektrinu však nebola vyvinutá. Záležitosť sa skončila vydaním podrobnej správy, v podstate „fyzickej poznámky“ k technickému návrhu kozmickej lode s nízkym ťahom pre let na Mars s posádkou. Samotný projekt nebol nikdy vypracovaný.

Neskôr si myslím, že záujem o vesmírne lety pomocou jadrových raketových motorov jednoducho zmizol. Po smrti Sergeja Pavloviča Koroleva sa podpora práce IPPE na iónovom pohone a „strojových“ jadrových elektrárňach výrazne oslabila. OKB-1 viedol Valentin Petrovič Glushko, ktorý nemal záujem o odvážne, sľubné projekty. Spoločnosť Energia Design Bureau, ktorú vytvoril, postavila silné chemické rakety a kozmickú loď Buran, ktorá sa vracala na Zem.

"Buk" a "Topaz" na satelitoch série "Cosmos".

Práce na vytvorení KNPP s priamou premenou tepla na elektrinu, teraz ako zdroja energie pre výkonné rádiové satelity (vesmírne radarové stanice a televízne vysielače), pokračovali až do začiatku perestrojky. Od roku 1970 do roku 1988 bolo do vesmíru vypustených asi 30 radarových satelitov s jadrovými elektrárňami Buk s polovodičovými konvertorovými reaktormi a dvoma s termoelektrárňami Topaz. Buk bol v skutočnosti TEG - polovodičový Ioffe konvertor, no namiesto petrolejky používal jadrový reaktor. Išlo o rýchly reaktor s výkonom až 100 kW. Plná záťaž vysoko obohateného uránu bola asi 30 kg. Teplo z jadra prenášal tekutý kov – eutektická zliatina sodíka a draslíka – do polovodičových batérií. Elektrický výkon dosiahol 5 kW.

Inštaláciu Buk pod vedeckým vedením IPPE vyvinuli špecialisti OKB-670 M.M. Bondaryuk, neskôr - NPO "Červená hviezda" (hlavný dizajnér - G.M. Gryaznov). Dnepropetrovsk Yuzhmash Design Bureau (hlavný dizajnér - M.K. Yangel) mal za úlohu vytvoriť nosnú raketu na vynesenie satelitu na obežnú dráhu.

Prevádzková doba „Buk“ je 1-3 mesiace. Ak inštalácia zlyhala, satelit bol prenesený na dlhodobú obežnú dráhu vo výške 1000 km. Počas takmer 20 rokov štartov sa vyskytli tri prípady pádu satelitu na Zem: dva v oceáne a jeden na súši v Kanade v blízkosti jazera Great Slave Lake. Spadol tam Kosmos-954, vypustený 24. januára 1978. Pracoval 3,5 mesiaca. Uránové prvky satelitu úplne zhoreli v atmosfére. Na zemi sa našli len zvyšky berýliového reflektora a polovodičových batérií. (Všetky tieto údaje sú uvedené v spoločnej správe americkej a kanadskej atómovej komisie o operácii Morning Light.)

Termionická jadrová elektráreň Topaz využívala tepelný reaktor s výkonom až 150 kW. Plné zaťaženie uránom bolo asi 12 kg - výrazne menej ako u Buku. Základom reaktora boli palivové články - „girlandy“, vyvinuté a vyrobené Malykhovou skupinou. Pozostávali z reťazca termoprvkov: katóda bola „náprstok“ vyrobený z volfrámu alebo molybdénu, naplnený oxidom uránu, anóda bola tenkostenná trubica z nióbu, chladená tekutým sodíkom a draslíkom. Teplota katódy dosiahla 1650 °C. Elektrický výkon inštalácie dosiahol 10 kW.

Prvý letový model, satelit Cosmos-1818 s inštaláciou Topaz, vstúpil na obežnú dráhu 2. februára 1987 a bezchybne fungoval šesť mesiacov až do vyčerpania zásob cézia. Druhý satelit, Cosmos-1876, bol vypustený o rok neskôr. Na obežnej dráhe pracoval takmer dvakrát tak dlho. Hlavným vývojárom Topaz bol MMZ Soyuz Design Bureau, na čele s S.K. Tumansky (bývalá konštrukčná kancelária konštruktéra leteckých motorov A.A. Mikulina).

Bolo to koncom 50. rokov, keď sme pracovali na iónovom pohone a on pracoval na motore tretieho stupňa pre raketu, ktorá by obletela Mesiac a pristála na ňom. Spomienky na Melnikovovo laboratórium sú dodnes čerstvé. Nachádzalo sa v Podlipki (dnes mesto Korolev), na mieste č. 3 OKB-1. Obrovská dielňa s rozlohou asi 3000 m2, obložená desiatkami stolov s retiazkovými osciloskopmi zaznamenávajúcimi na 100 mm kotúčový papier (to bola éra dávno minulá, dnes by stačil jeden osobný počítač). Na prednej stene dielne je stojan, kde je namontovaná spaľovacia komora „lunárneho“ raketového motora. Osciloskopy majú tisíce vodičov zo snímačov rýchlosti plynu, tlaku, teploty a ďalších parametrov. Deň začína o 9.00 zapálením motora. Beží niekoľko minút, potom ho ihneď po zastavení tím mechanikov prvej zmeny rozoberie, dôkladne skontroluje a premeria spaľovací priestor. Súčasne sa analyzujú pásky osciloskopu a vydávajú sa odporúčania na zmeny dizajnu. Druhá zmena – konštruktéri a pracovníci dielní robia odporúčané zmeny. Počas tretej zmeny je na stánku inštalovaná nová spaľovacia komora a diagnostický systém. O deň neskôr, presne o 9:00, ďalšie sedenie. A tak bez dní voľna týždne, mesiace. Viac ako 300 možností motorov ročne!

Takto vznikli motory chemických rakiet, ktoré museli pracovať len 20-30 minút. Čo môžeme povedať o testovaní a úpravách jadrových elektrární - podľa výpočtu by mali fungovať dlhšie ako jeden rok. To si vyžadovalo skutočne obrovské úsilie.

Skeptici tvrdia, že vytvorenie jadrového motora nie je významným pokrokom v oblasti vedy a techniky, ale iba „modernizáciou parného kotla“, kde namiesto uhlia a palivového dreva funguje urán ako palivo a vodík ako palivo. pracovná kvapalina. Je NRE (jadrový prúdový motor) taký beznádejný? Skúsme na to prísť.

Prvé rakety

Všetky úspechy ľudstva pri prieskume blízkozemského priestoru možno bezpečne pripísať chemickým prúdovým motorom. Prevádzka takýchto pohonných jednotiek je založená na premene energie chemickej reakcie spaľovania paliva v okysličovadle na kinetickú energiu prúdového prúdu a tým aj rakety. Používaným palivom je kerozín, kvapalný vodík, heptán (pre raketové motory na kvapalné palivo (LPRE)) a polymerizovaná zmes chloristanu amónneho, hliníka a oxidu železa (pre raketové motory na tuhé palivo (SDRE)).

Je všeobecne známe, že prvé rakety používané na ohňostroje sa objavili v Číne v druhom storočí pred naším letopočtom. Vzniesli sa do neba vďaka energii práškových plynov. K rozvoju raketovej techniky významne prispel teoretický výskum nemeckého zbrojára Konrada Haasa (1556), poľského generála Kazimira Semenoviča (1650) a ruského generálporučíka Alexandra Zasyadka.

Americký vedec Robert Goddard získal patent na vynález prvej rakety na kvapalné palivo. Jeho aparatúra s hmotnosťou 5 kg a dĺžkou asi 3 m na benzín a kvapalný kyslík trvala v roku 1926 2,5 s. preletel 56 metrov.

Rýchlosť naháňania

Vážne experimentálne práce na vytvorení sériových chemických prúdových motorov sa začali v 30. rokoch minulého storočia. V Sovietskom zväze sú V. P. Glushko a F. A. Tsander právom považovaní za priekopníkov konštrukcie raketových motorov. Za ich účasti boli vyvinuté pohonné jednotky RD-107 a RD-108, ktoré zabezpečili prvenstvo ZSSR v kozmickom prieskume a položili základ pre budúce vedúce postavenie Ruska v oblasti prieskumu vesmíru s ľudskou posádkou.

Pri modernizácii motora s kvapalinovou turbínou sa ukázalo, že teoretická maximálna rýchlosť prúdového prúdu nemôže prekročiť 5 km/s. To môže stačiť na štúdium blízkozemského priestoru, ale lety na iné planéty, a ešte viac ku hviezdam, zostanú pre ľudstvo snom. V dôsledku toho sa už v polovici minulého storočia začali objavovať projekty alternatívnych (nechemických) raketových motorov. Najpopulárnejšie a najsľubnejšie zariadenia boli tie, ktoré využívali energiu jadrových reakcií. Prvé experimentálne vzorky jadrových vesmírnych motorov (NRE) v Sovietskom zväze a USA prešli testami už v roku 1970. Po černobyľskej katastrofe však boli pod tlakom verejnosti práce v tejto oblasti pozastavené (v ZSSR v roku 1988, v USA - od roku 1994).

Prevádzka jadrových elektrární je založená na rovnakých princípoch ako termochemické. Jediný rozdiel je v tom, že ohrev pracovnej tekutiny sa uskutočňuje energiou rozpadu alebo fúzie jadrového paliva. Energetická účinnosť takýchto motorov výrazne prevyšuje chemickú. Napríklad energia, ktorú môže uvoľniť 1 kg najlepšieho paliva (zmes berýlia s kyslíkom) je 3 × 107 J, zatiaľ čo pre izotopy polónia Po210 je táto hodnota 5 × 1011 J.

Energiu uvoľnenú v jadrovom motore je možné využiť rôznymi spôsobmi:

ohrievanie pracovnej tekutiny emitovanej cez dýzy, ako v tradičnom raketovom motore na kvapalné palivo, po premene na elektrinu, ionizujúce a urýchľujúce častice pracovnej tekutiny, vytvárajúce impulz priamo štiepnymi alebo syntetickými produktmi Aj obyčajná voda môže pôsobiť ako a pracovná kvapalina, ale oveľa efektívnejšie bude použitie alkoholu, amoniaku alebo kvapalného vodíka. V závislosti od stavu agregácie paliva pre reaktor sa jadrové raketové motory delia na pevnú, kvapalnú a plynnú fázu. Najrozvinutejší jadrový pohonný motor je so štiepnym reaktorom na tuhú fázu, využívajúci ako palivo palivové tyče (palivové články) používané v jadrových elektrárňach. Prvý takýto motor v rámci amerického projektu Nerva prešiel pozemným testovaním v roku 1966, pričom pracoval asi dve hodiny.

Dizajnové prvky

Srdcom každého jadrového vesmírneho motora je reaktor pozostávajúci z jadra a berýliového reflektora umiestneného v energetickom kryte. V jadre dochádza k štiepeniu atómov horľavej látky, zvyčajne uránu U238, obohateného o izotopy U235. Na udelenie určitých vlastností procesu rozpadu jadier sa tu nachádzajú aj moderátory - žiaruvzdorný volfrám alebo molybdén. Ak je moderátor súčasťou palivových tyčí, reaktor sa nazýva homogénny a ak je umiestnený oddelene, nazýva sa heterogénny. Súčasťou jadrového motora je aj jednotka na prívod pracovnej tekutiny, ovládacie prvky, ochrana pred tieňovým žiarením a tryska. Konštrukčné prvky a komponenty reaktora, ktoré sú vystavené vysokému tepelnému zaťaženiu, sú ochladzované pracovnou kvapalinou, ktorá je následne čerpaná do palivových kaziet turbočerpadlom. Tu sa zahreje na takmer 3000˚C. Pracovná kvapalina, ktorá prúdi cez trysku, vytvára prúdový ťah.

Typickým riadením reaktora sú riadiace tyče a otočné taniere vyrobené z látky absorbujúcej neutróny (bór alebo kadmium). Tyče sú umiestnené priamo v aktívnej zóne alebo v špeciálnych výklenkoch reflektorov a rotačné bubny sú umiestnené na obvode reaktora. Pohybom tyčí alebo otáčaním bubnov sa mení počet štiepnych jadier za jednotku času, čím sa reguluje úroveň uvoľňovania energie reaktora a tým aj jeho tepelný výkon.

Na zníženie intenzity neutrónového a gama žiarenia, ktoré je nebezpečné pre všetko živé, sú v budove elektrárne umiestnené prvky primárnej ochrany reaktora.

Zvýšená účinnosť

Jadrový motor v kvapalnej fáze je svojím princípom činnosti a konštrukciou podobný ako motor v tuhej fáze, ale kvapalný stav paliva umožňuje zvýšiť teplotu reakcie a tým aj ťah pohonnej jednotky. Ak teda pre chemické jednotky (kvapalné prúdové motory a raketové motory na tuhé palivo) je maximálny špecifický impulz (rýchlosť prúdenia prúdu) 5 420 m/s, pre jadrové motory na tuhú fázu je 10 000 m/s ďaleko od limitu, potom priemerná hodnota tohto ukazovateľa pre motory na plynné jadrové pohonné látky sa pohybuje v rozmedzí 30 000 - 50 000 m/s.

Existujú dva typy projektov plynových jadrových motorov:

Otvorený cyklus, v ktorom dochádza k jadrovej reakcii vo vnútri plazmového oblaku pracovnej tekutiny, ktorú drží elektromagnetické pole a absorbuje všetko vytvorené teplo. Teploty môžu dosiahnuť niekoľko desiatok tisíc stupňov. V tomto prípade je aktívna oblasť obklopená žiaruvzdornou látkou (napríklad kremeň) - jadrovou lampou, ktorá voľne prenáša emitovanú energiu V zariadeniach druhého typu bude teplota reakcie obmedzená teplotou topenia materiálu banky. Zároveň sa mierne znižuje energetická účinnosť jadrového vesmírneho motora (špecifický impulz až 15 000 m/s), ale zvyšuje sa účinnosť a radiačná bezpečnosť.

Praktické úspechy

Formálne sa za vynálezcu jadrovej elektrárne považuje americký vedec a fyzik Richard Feynman. Vo výskumnom centre Los Alamos (USA) sa v roku 1955 začali rozsiahle práce na vývoji a tvorbe jadrových motorov pre kozmické lode v rámci programu Rover. Americkí vynálezcovia uprednostňovali zariadenia s homogénnym jadrovým reaktorom. Prvá experimentálna vzorka "Kiwi-A" bola zostavená v závode jadrového centra v Albuquerque (Nové Mexiko, USA) a testovaná v roku 1959. Reaktor bol umiestnený vertikálne na stojan s tryskou nahor. Počas testov bol zohriaty prúd vyčerpaného vodíka vypustený priamo do atmosféry. A hoci rektor pracoval na nízky výkon len asi 5 minút, úspech inšpiroval vývojárov.

V Sovietskom zväze bolo pre takýto výskum silným impulzom stretnutie „troch veľkých K“, ktoré sa konalo v roku 1959 v Ústave atómovej energie – tvorcu atómovej bomby I. V. Kurchatova, hlavného teoretika ruskej kozmonautiky M. V. Keldysh a generálny konštruktér sovietskych rakiet S. P. Queen. Na rozdiel od amerického modelu mal sovietsky motor RD-0410, vyvinutý v konštrukčnej kancelárii združenia Khimavtomatika (Voronež), heterogénny reaktor. Požiarne testy sa uskutočnili na cvičisku neďaleko Semipalatinska v roku 1978.

Stojí za zmienku, že bolo vytvorených pomerne veľa teoretických projektov, ale nikdy nedošlo k praktickej realizácii. Dôvodom bola prítomnosť obrovského množstva problémov v materiálovej vede a nedostatok ľudských a finančných zdrojov.

Pre poznámku: dôležitým praktickým úspechom bolo letové testovanie lietadiel s jadrovým pohonom. V ZSSR bol najsľubnejší experimentálny strategický bombardér Tu-95LAL, v USA - B-36.

Projekt "Orion" alebo impulzné jadrové raketové motory

Na lety vo vesmíre pulzný jadrový motor prvýkrát navrhol použiť v roku 1945 americký matematik poľského pôvodu Stanislaw Ulam. V nasledujúcom desaťročí túto myšlienku rozvinuli a zdokonalili T. Taylor a F. Dyson. Pointa je, že energia malých jadrových náloží, odpálených v určitej vzdialenosti od tlačnej plošiny na dne rakety, jej dodáva veľké zrýchlenie.

Počas projektu Orion, ktorý bol spustený v roku 1958, sa plánovalo vybaviť raketu práve takým motorom, ktorý by bol schopný dopraviť ľudí na povrch Marsu alebo na obežnú dráhu Jupitera. Posádku umiestnenú v prednom priestore by pred ničivými účinkami gigantických zrýchlení chránilo tlmiace zariadenie. Výsledkom podrobných inžinierskych prác boli pochodové skúšky rozsiahlej makety lode na štúdium stability letu (namiesto jadrových náloží boli použité bežné výbušniny). Pre vysoké náklady bol projekt v roku 1965 ukončený.

Podobné nápady na vytvorenie „výbušného lietadla“ vyjadril v júli 1961 sovietsky akademik A. Sacharov. Na vypustenie lode na obežnú dráhu vedec navrhol použiť konvenčné kvapalné turbovrtuľové motory.

Alternatívne projekty

Obrovské množstvo projektov nikdy neprekročilo rámec teoretického výskumu. Medzi nimi bolo veľa originálnych a veľmi sľubných. Myšlienka jadrovej elektrárne na báze štiepnych úlomkov je potvrdená. Konštrukčné vlastnosti a štruktúra tohto motora umožňujú úplne sa zaobísť bez pracovnej tekutiny. Tryskový prúd, ktorý poskytuje potrebné trakčné vlastnosti, je vytvorený z vyhoreného jadrového materiálu. Reaktor je založený na rotujúcich diskoch s podkritickou jadrovou hmotnosťou (koeficient atómového štiepenia menší ako jedna). Pri rotácii v sektore disku umiestnenom v jadre sa spustí reťazová reakcia a do dýzy motora sú nasmerované rozpadajúce sa vysokoenergetické atómy, ktoré vytvárajú prúd. Zachované neporušené atómy sa zúčastnia reakcie pri ďalších otáčkach palivového disku.

Projekty jadrového motora pre lode vykonávajúce určité úlohy v blízkozemskom priestore, založené na RTG (rádioizotopových termoelektrických generátoroch), sú celkom uskutočniteľné, ale takéto inštalácie sú málo sľubné pre medziplanetárne a ešte viac medzihviezdne lety.

Motory jadrovej syntézy majú obrovský potenciál. Už v súčasnej fáze rozvoja vedy a techniky je celkom uskutočniteľná impulzná inštalácia, v ktorej, podobne ako pri projekte Orion, budú pod spodkom rakety odpálené termonukleárne nálože. Implementáciu riadenej jadrovej fúzie však mnohí odborníci považujú za záležitosť blízkej budúcnosti.

Výhody a nevýhody jadrových motorov

Medzi nesporné výhody použitia jadrových motorov ako pohonných jednotiek pre kozmické lode patrí ich vysoká energetická účinnosť, poskytovanie vysokého špecifického impulzu a dobrého ťahového výkonu (až tisíc ton v bezvzduchovom priestore) a pôsobivé energetické rezervy počas autonómnej prevádzky. Súčasná úroveň vedecko-technického rozvoja umožňuje zabezpečiť porovnateľnú kompaktnosť takejto inštalácie.

Hlavnou nevýhodou motorov s jadrovým pohonom, ktorá spôsobila obmedzenie konštrukčných a výskumných prác, je vysoké radiačné riziko. Platí to najmä pri vykonávaní pozemných požiarnych testov, v dôsledku ktorých sa spolu s pracovnou tekutinou môžu dostať do atmosféry aj rádioaktívne plyny, zlúčeniny uránu a jeho izotopy a deštruktívne účinky prenikajúceho žiarenia. Z rovnakých dôvodov je neprijateľné vypustiť kozmickú loď vybavenú jadrovým motorom priamo z povrchu Zeme.

Súčasnosť a budúcnosť

Podľa ubezpečenia akademika Ruskej akadémie vied, generálneho riaditeľa Keldyšského centra Anatolija Koroteeva, bude v Rusku v blízkej budúcnosti vytvorený zásadne nový typ jadrového motora. Podstatou prístupu je, že energia vesmírneho reaktora nebude smerovať k priamemu ohrevu pracovnej tekutiny a vytváraniu prúdového prúdu, ale k výrobe elektriny. Úloha pohonu v inštalácii je priradená plazmovému motoru, ktorého špecifický ťah je 20-krát vyšší ako ťah dnes existujúcich chemických prúdových zariadení. Hlavným podnikom projektu je divízia štátnej korporácie Rosatom, as NIKIET (Moskva).

Testy prototypov v plnom rozsahu boli úspešne ukončené už v roku 2015 na základe NPO Mashinostroeniya (Reutov). Termín začiatku letových skúšok jadrovej elektrárne je november tohto roka. Najdôležitejšie prvky a systémy budú musieť byť otestované, a to aj na palube ISS.

Nový ruský jadrový motor pracuje v uzavretom cykle, čo úplne eliminuje únik rádioaktívnych látok do okolitého priestoru. Hmotnostné a rozmerové charakteristiky hlavných prvkov elektrárne zabezpečujú jej použitie s existujúcimi domácimi nosnými raketami Proton a Angara.

Alexander Losev

Rýchly rozvoj raketovej a vesmírnej techniky v 20. storočí bol determinovaný vojensko-strategickými, politickými a do určitej miery aj ideologickými cieľmi a záujmami dvoch superveľmocí - ZSSR a USA a všetky štátne vesmírne programy boli pokračovanie ich vojenských projektov, kde hlavnou úlohou bola potreba zabezpečiť obranyschopnosť a strategickú paritu s potenciálnym nepriateľom. Náklady na vytvorenie zariadenia a prevádzkové náklady vtedy nemali zásadný význam. Na vytvorenie nosných rakiet a kozmických lodí boli pridelené obrovské zdroje a 108-minútový let Jurija Gagarina v roku 1961 a televízne vysielanie Neila Armstronga a Buzza Aldrina z povrchu Mesiaca v roku 1969 neboli len triumfom vedecko-technickej Mysleli si, že boli tiež považované za strategické víťazstvá v bitkách studenej vojny.

Ale potom, čo sa Sovietsky zväz zrútil a vypadol z pretekov o svetové prvenstvo, jeho geopolitickí oponenti, predovšetkým Spojené štáty, už nepotrebovali realizovať prestížne, no mimoriadne nákladné vesmírne projekty, aby celému svetu dokázali nadradenosť západnej ekonomiky. systémových a ideologických koncepcií.
V 90. rokoch stratili hlavné politické úlohy predchádzajúcich rokov aktuálnosť, blokovú konfrontáciu nahradila globalizácia, vo svete prevládol pragmatizmus, takže väčšina vesmírnych programov bola obmedzená alebo odložená len ISS ako dedičstvo z rozsiahlych projektov r minulosť. Západná demokracia navyše urobila všetky drahé vládne programy závislé od volebných cyklov.
Podpora voličov, potrebná na získanie alebo udržanie moci, núti politikov, parlamenty a vlády prikloniť sa k populizmu a riešiť krátkodobé problémy, takže výdavky na prieskum vesmíru sa rok čo rok znižujú.
Väčšina zásadných objavov sa uskutočnila v prvej polovici dvadsiateho storočia a dnes už veda a technika dosiahli určité hranice, navyše popularita vedeckých poznatkov vo svete klesla a kvalita výučby matematiky, fyziky a iných prírodných vedy sa zhoršila. To sa stalo dôvodom stagnácie, a to aj vo vesmírnom sektore, v posledných dvoch desaťročiach.
Teraz je však zrejmé, že svet sa blíži ku koncu ďalšieho technologického cyklu založeného na objavoch minulého storočia. Preto každá veľmoc, ktorá bude disponovať zásadne novými sľubnými technológiami v čase zmien v globálnej technologickej štruktúre, si automaticky zabezpečí svetové prvenstvo aspoň na ďalších päťdesiat rokov.

Základná konštrukcia jadrového hnacieho motora s vodíkom ako pracovnou tekutinou

Realizuje sa to tak v Spojených štátoch, ktoré určili smer obnovy americkej veľkosti vo všetkých sférach činnosti, ako aj v Číne, ktorá spochybňuje americkú hegemóniu, ako aj v Európskej únii, ktorá sa zo všetkých síl snaží udržať si svoju váhu v globálnej ekonomike.
Existuje tam priemyselná politika a vážne sa angažujú v rozvoji vlastného vedeckého, technického a výrobného potenciálu a vesmírna sféra sa môže stať najlepším testovacím priestorom na testovanie nových technológií a na dokazovanie alebo vyvracanie vedeckých hypotéz, ktoré môžu položiť základy. na vytvorenie zásadne odlišnej, vyspelejšej technológie budúcnosti.
A je celkom prirodzené očakávať, že Spojené štáty americké budú prvou krajinou, kde budú obnovené projekty prieskumu hlbokého vesmíru s cieľom vytvoriť jedinečné inovatívne technológie v oblasti zbraní, dopravy a konštrukčných materiálov, ako aj v biomedicíne a telekomunikáciách.
Pravda, ani Spojené štáty nemajú zaručený úspech pri vytváraní revolučných technológií. Existuje vysoké riziko, že skončíte v slepej uličke pri zdokonaľovaní pol storočia starých raketových motorov na báze chemického paliva, ako to robí SpaceX Elona Muska, alebo pri vytváraní systémov podpory života pre dlhé lety podobné tým, ktoré už boli implementované na ISS.
Môže Rusko, ktorého stagnácia vo vesmírnom sektore je každým rokom citeľnejšia, urobiť skok v pretekoch o budúce technologické vedúce postavenie o zotrvanie v klube superveľmocí a nie v zozname rozvojových krajín?
Áno, samozrejme, Rusko môže, a navyše, v jadrovej energetike a technológiách jadrových raketových motorov sa už urobil citeľný krok vpred, a to aj napriek chronickému podfinancovaniu vesmírneho priemyslu.
Budúcnosťou astronautiky je využívanie jadrovej energie. Aby sme pochopili, ako sú jadrová technológia a vesmír prepojené, je potrebné zvážiť základné princípy prúdového pohonu.
Hlavné typy moderných vesmírnych motorov sú teda vytvorené na princípoch chemickej energie. Ide o urýchľovače na tuhé palivo a kvapalné raketové motory, v ich spaľovacích komorách zložky paliva (palivo a okysličovadlo) vstupujú do exotermickej fyzikálnej a chemickej spaľovacej reakcie, pričom vytvárajú prúd prúdu, ktorý každú sekundu vyvrhne tony látky z dýzy motora. Kinetická energia pracovnej tekutiny prúdu sa premieňa na reaktívnu silu dostatočnú na pohon rakety. Špecifický impulz (pomer generovaného ťahu k hmotnosti použitého paliva) takýchto chemických motorov závisí od zložiek paliva, tlaku a teploty v spaľovacej komore, ako aj od molekulovej hmotnosti plynnej zmesi vytlačenej cez tryska motora.
A čím vyššia je teplota látky a tlak vo vnútri spaľovacej komory a čím nižšia je molekulová hmotnosť plynu, tým vyšší je špecifický impulz, a teda aj účinnosť motora. Špecifický impulz je množstvo pohybu a zvyčajne sa meria v metroch za sekundu, rovnako ako rýchlosť.
V chemických motoroch poskytujú najvyšší špecifický impulz palivové zmesi kyslík-vodík a fluór-vodík (4500–4700 m/s), no najobľúbenejšími (a najpohodlnejšími na obsluhu) sa stali raketové motory na petrolej a kyslík, napr. napríklad rakety Sojuz a Muskov Falcon, ako aj motory využívajúce nesymetrický dimetylhydrazín (UDMH) s oxidačným činidlom vo forme zmesi oxidu dusnatého a kyseliny dusičnej (sovietsky a ruský protón, francúzsky Ariane, americký titán). Ich účinnosť je 1,5-krát nižšia ako u motorov na vodíkové palivo, ale impulz 3000 m/s a výkon sú dosť dostatočné na to, aby bolo ekonomicky výhodné vypustiť tony užitočného zaťaženia na obežnú dráhu blízko Zeme.
Lety na iné planéty si však vyžadujú oveľa väčšie kozmické lode, než aké ľudstvo doteraz vytvorilo, vrátane modulárnej ISS. Na týchto lodiach je potrebné zabezpečiť dlhodobú autonómnu existenciu posádok a určitú zásobu paliva a životnosť hlavných motorov a motorov na manévre a korekciu obežnej dráhy, zabezpečiť dodávku astronautov v špeciálnom pristávacom module. na povrch inej planéty a ich návrat na hlavnú transportnú loď a potom a návrat expedície na Zem.
Nahromadené inžinierske znalosti a chemická energia motorov umožňujú návrat na Mesiac a dosiahnutie Marsu, takže je vysoká pravdepodobnosť, že ľudstvo v nasledujúcom desaťročí navštívi Červenú planétu.
Ak sa spoliehame len na existujúce vesmírne technológie, tak minimálna hmotnosť obývateľného modulu pre let s ľudskou posádkou na Mars alebo k satelitom Jupitera a Saturnu bude približne 90 ton, čo je 3-krát viac ako pri lunárnych lodiach zo začiatku 70. rokov 20. storočia. , čo znamená, že nosné rakety na ich vypustenie na referenčné dráhy pre ďalší let na Mars budú oveľa lepšie ako Saturn 5 (štartovacia hmotnosť 2965 ton) lunárneho projektu Apollo alebo sovietsky nosič Energia (štartovacia hmotnosť 2400 ton). Bude potrebné vytvoriť medziplanetárny komplex na obežnej dráhe s hmotnosťou do 500 ton. Let na medziplanetárnej lodi s chemickými raketovými motormi bude vyžadovať 8 mesiacov až 1 rok iba jedným smerom, pretože budete musieť robiť gravitačné manévre s využitím gravitačnej sily planét a obrovského množstva paliva na dodatočné zrýchlenie lode. .
Ale pomocou chemickej energie raketových motorov ľudstvo nedoletí ďalej, ako je obežná dráha Marsu alebo Venuše. Potrebujeme rôzne rýchlosti letu kozmických lodí a inú silnejšiu energiu pohybu.

Moderný dizajn jadrového raketového motora Princeton Satellite Systems

Na prieskum hlbokého vesmíru je potrebné výrazne zvýšiť pomer ťahu k hmotnosti a účinnosť raketového motora, a teda zvýšiť jeho špecifický impulz a životnosť. A k tomu je potrebné zahriať plyn alebo pracovnú kvapalinu s nízkou atómovou hmotnosťou vo vnútri komory motora na teploty niekoľkonásobne vyššie, ako je teplota chemického spaľovania tradičných palivových zmesí, a to sa dá dosiahnuť pomocou jadrovej reakcie.
Ak sa namiesto klasickej spaľovacej komory umiestni do raketového motora jadrový reaktor, do ktorého aktívnej zóny sa privádza látka v kvapalnej alebo plynnej forme, potom sa začne zahrievať pod vysokým tlakom až na niekoľko tisíc stupňov. byť vyvrhnutý cez kanál dýzy, čím sa vytvorí prúdový ťah. Špecifický impulz takéhoto jadrového prúdového motora bude niekoľkonásobne väčší ako pri klasickom s chemickými zložkami, čím sa mnohonásobne zvýši účinnosť ako samotného motora, tak aj nosnej rakety ako celku. V tomto prípade nebude potrebné okysličovadlo na spaľovanie paliva a ako látku, ktorá vytvára prúdový ťah, možno použiť ľahký vodíkový plyn, vieme, že čím nižšia je molekulová hmotnosť plynu, tým vyšší je impulz, a to výrazne znížiť hmotnosť rakety s lepším výkonom motora.
Jadrový motor bude lepší ako konvenčný, pretože v zóne reaktora sa môže svetelný plyn zahriať na teplotu presahujúcu 9 tisíc stupňov Kelvina a prúd takéhoto prehriateho plynu poskytne oveľa vyšší špecifický impulz, ako dokážu poskytnúť bežné chemické motory. . Ale to je teoreticky.
Nebezpečenstvo nie je ani v tom, že pri štarte nosnej rakety s takýmto jadrovým zariadením môže dôjsť k rádioaktívnej kontaminácii atmosféry a priestoru okolo štartovacej rampy, hlavným problémom je, že pri vysokých teplotách môže dôjsť k samotnému motoru spolu s kozmickou loďou roztopiť. Dizajnéri a inžinieri to chápu a už niekoľko desaťročí sa snažia nájsť vhodné riešenia.
Jadrové raketové motory (NRE) už majú svoju históriu vzniku a prevádzky vo vesmíre. Prvý vývoj jadrových motorov sa začal v polovici 50. rokov 20. storočia, teda ešte predtým, ako človek vyletel do vesmíru a takmer súčasne v ZSSR aj USA, a myšlienka využitia jadrových reaktorov na ohrev pracovnej látky v raketový motor sa zrodil spolu s prvými rektormi v polovici 40. rokov, teda pred viac ako 70 rokmi.
V našej krajine bol iniciátorom vytvorenia jadrového pohonu tepelný fyzik Vitalij Michajlovič Ievlev. V roku 1947 predstavil projekt, ktorý podporili S. P. Korolev, I. V. Kurčatov a M. V. Keldysh. Spočiatku sa plánovalo použiť takéto motory pre riadené strely a potom ich nainštalovať na balistické strely. Na vývoji sa podieľali popredné obranné dizajnérske kancelárie Sovietskeho zväzu, ako aj výskumné ústavy NIITP, CIAM, IAE, VNIINM.
Sovietsky jadrový motor RD-0410 bol zostavený v polovici 60. rokov vo Voronezh Chemical Automatics Design Bureau, kde bola vytvorená väčšina kvapalných raketových motorov pre vesmírne technológie.
RD-0410 využíval ako pracovnú tekutinu vodík, ktorý v kvapalnej forme prechádzal cez „chladiaci plášť“, pričom odvádzal prebytočné teplo zo stien dýzy a bráni tomu, aby sa roztavilo, a potom vstúpil do aktívnej zóny reaktora, kde sa zahrial na 3000K a uvoľňuje sa cez kanálové dýzy, čím premieňa tepelnú energiu na kinetickú energiu a vytvára špecifický impulz 9100 m/s.
V USA bol projekt jadrového hnacieho motora spustený v roku 1952 a prvý funkčný motor bol vytvorený v roku 1966 a dostal názov NERVA (Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application). V 60-tych a 70-tych rokoch sa Sovietsky zväz a USA snažili navzájom neustúpiť.
Pravda, naše RD-0410 aj americká NERVA boli jadrové motory na tuhú fázu (jadrové palivo na báze karbidov uránu bolo v reaktore v tuhom stave) a ich prevádzková teplota bola v rozmedzí 2300–3100 K.
Na zvýšenie teploty aktívnej zóny bez rizika výbuchu alebo roztavenia stien reaktora je potrebné vytvoriť také podmienky jadrovej reakcie, pri ktorých sa palivo (urán) premení na plynné skupenstvo alebo sa zmení na plazmu a udrží sa vo vnútri reaktora. v dôsledku silného magnetického poľa, bez dotyku stien. A potom vodík vstupujúci do jadra reaktora „obteká“ urán v plynnej fáze a mení sa na plazmu, ktorá je veľmi vysokou rýchlosťou vyvrhovaná cez kanál dýzy.
Tento typ motora sa nazýva plynový jadrový pohon. Teploty plynného uránového paliva v takýchto jadrových motoroch sa môžu pohybovať od 10 tisíc do 20 tisíc stupňov Kelvina a špecifický impulz môže dosiahnuť 50 000 m/s, čo je 11-krát viac ako u najúčinnejších chemických raketových motorov.
Vytvorenie a využitie plynových jadrových pohonných motorov otvoreného a uzavretého typu vo vesmírnej technike je najsľubnejším smerom vo vývoji vesmírnych raketových motorov a presne tým, čo ľudstvo potrebuje na skúmanie planét slnečnej sústavy a ich satelitov.
Prvý výskum projektu jadrového pohonu v plynnej fáze sa začal v ZSSR v roku 1957 vo Výskumnom ústave tepelných procesov (Národné výskumné centrum pomenované po M. V. Keldyshovi) a rozhodnutie o vývoji jadrových vesmírnych elektrární založených na jadrových reaktoroch v plynnej fáze bol vyrobený v roku 1963 akademik V. P. Glushko (NPO Energomash), a potom schválený uznesením Ústredného výboru CPSU a Rady ministrov ZSSR.
Vývoj plynových jadrových pohonných motorov prebiehal v Sovietskom zväze dve desaťročia, ale, žiaľ, nebol nikdy dokončený pre nedostatočné financovanie a potrebu ďalšieho základného výskumu v oblasti termodynamiky jadrového paliva a vodíkovej plazmy, neutrónová fyzika a magnetohydrodynamika.
Sovietski jadroví vedci a konštruktéri čelili množstvu problémov, ako je dosiahnutie kritickosti a zabezpečenie stability prevádzky jadrového reaktora v plynnej fáze, zníženie strát roztaveného uránu pri uvoľňovaní vodíka zahriateho na niekoľko tisíc stupňov, tepelná ochrana trysky a generátora magnetického poľa a akumulácia produktov štiepenia uránu, výber chemicky odolných konštrukčných materiálov atď.
A keď sa začala vytvárať nosná raketa Energia pre sovietsky program Mars-94 pre prvý pilotovaný let na Mars, projekt jadrového motora bol odložený na neurčito. Sovietsky zväz nemal dostatok času a hlavne politickej vôle a ekonomickej efektívnosti, aby v roku 1994 vysadil našich kozmonautov na planéte Mars. Bol by to nepopierateľný úspech a dôkaz nášho vedúceho postavenia v oblasti špičkových technológií v priebehu niekoľkých nasledujúcich desaťročí. Ale vesmír, ako mnoho iných vecí, zradilo posledné vedenie ZSSR. Históriu nemožno zmeniť, odchádzajúcich vedcov a inžinierov nemožno vrátiť späť a stratené vedomosti nemožno obnoviť. Veľa sa bude musieť vytvoriť nanovo.
Vesmírna jadrová energia sa však neobmedzuje len na oblasť jadrových pohonných motorov na tuhú a plynnú fázu. Elektrická energia môže byť použitá na vytvorenie zohriateho toku hmoty v prúdovom motore. Túto myšlienku prvýkrát vyjadril Konstantin Eduardovič Ciolkovskij v roku 1903 vo svojom diele „Skúmanie svetových priestorov pomocou prúdových prístrojov“.
A prvý elektrotermálny raketový motor v ZSSR vytvoril v 30. rokoch 20. storočia Valentin Petrovič Gluško, budúci akademik Akadémie vied ZSSR a šéf NPO Energia.
Princípy činnosti elektrických raketových motorov môžu byť rôzne. Zvyčajne sú rozdelené do štyroch typov:

• elektrotermické (vykurovanie alebo elektrický oblúk). V nich sa plyn ohrieva na teploty 1000–5000 K a vystrekuje sa z dýzy rovnakým spôsobom ako v jadrovom raketovom motore.
• elektrostatické motory (koloidné a iónové), v ktorých sa pracovná látka najskôr ionizuje a potom sa kladné ióny (atómy bez elektrónov) urýchľujú v elektrostatickom poli a sú tiež vyvrhované cez kanál dýzy, čím sa vytvára prúdový ťah. Medzi elektrostatické motory patria aj stacionárne plazmové motory.
• magnetoplazmové a magnetodynamické raketové motory. Tam sa plynová plazma zrýchľuje v dôsledku ampérovej sily v kolmo pretínajúcich sa magnetických a elektrických poliach.
• pulzné raketové motory, ktoré využívajú energiu plynov vznikajúcu pri vyparovaní pracovnej tekutiny v elektrickom výboji.

Výhodou týchto elektrických raketových motorov je nízka spotreba pracovnej tekutiny, účinnosť až 60% a vysoká rýchlosť prúdenia častíc, čo môže výrazne znížiť hmotnosť kozmickej lode, ale je tu aj nevýhoda - nízka hustota ťahu, a preto nízky výkon, ako aj vysoké náklady na pracovnú tekutinu (inertné plyny alebo výpary alkalických kovov) na vytvorenie plazmy.
Všetky vymenované typy elektromotorov sa v praxi realizovali a od polovice 60. rokov boli opakovane využívané vo vesmíre na sovietskych aj amerických kozmických lodiach, no pre nízky výkon sa používali najmä ako korekčné motory na dráhu.
Od roku 1968 do roku 1988 ZSSR vypustil celú sériu satelitov Cosmos s jadrovými zariadeniami na palube. Typy reaktorov boli pomenované: „Buk“, „Topaz“ a „Yenisei“.
Reaktor projektu Yenisei mal tepelný výkon až 135 kW a elektrický výkon asi 5 kW. Chladivom bola sodno-draselná tavenina. Tento projekt bol ukončený v roku 1996.
Skutočný hnací raketový motor vyžaduje veľmi výkonný zdroj energie. A najlepším zdrojom energie pre takéto vesmírne motory je jadrový reaktor.
Jadrová energetika patrí medzi high-tech odvetvia, kde si naša krajina udržuje popredné miesto. A v Rusku sa už vytvára zásadne nový raketový motor a tento projekt sa blíži k úspešnému dokončeniu v roku 2018. Letové testy sú naplánované na rok 2020.
A ak je jadrový pohon v plynnej fáze témou budúcich desaťročí, ku ktorej sa bude treba vrátiť po základnom výskume, tak jeho dnešnou alternatívou je megawattový jadrový pohonný systém (NPPU), ktorý už vytvorili Rosatom a Podniky Roskosmos od roku 2009.
NPO Krasnaya Zvezda, ktorá je v súčasnosti jediným svetovým vývojárom a výrobcom vesmírnych jadrových elektrární, ako aj Výskumné centrum pomenované po A. M. V. Keldysh, NIKIET im. N.A. Dollezhala, Výskumný ústav NPO „Luch“, „Kurchatov Institute“, IRM, IPPE, RIAR a NPO Mashinostroeniya.
Pohonný systém jadrovej energie zahŕňa vysokoteplotný plynom chladený jadrový reaktor s rýchlymi neutrónmi s turbostrojovým systémom na premenu tepelnej energie na elektrickú energiu, systém chladiacich žiaričov na odvádzanie prebytočného tepla do vesmíru, prístrojový priestor, blok udržiavacieho zariadenia. plazmové alebo iónové elektromotory a kontajner na uloženie užitočného zaťaženia.
V silovom pohonnom systéme slúži jadrový reaktor ako zdroj elektriny pre prevádzku elektrických plazmových motorov, pričom chladivo plynu reaktora prechádzajúce aktívnou zónou vstupuje do turbíny elektrického generátora a kompresora a vracia sa späť do reaktora v r. uzavretá slučka a nie je vymrštený do vesmíru ako v prípade jadrového hnacieho motora, vďaka čomu je konštrukcia spoľahlivejšia a bezpečnejšia, a preto je vhodná na vesmírne lety s ľudskou posádkou.
Plánuje sa, že jadrová elektráreň bude využitá na opakovane použiteľný vesmírny remorkér na zabezpečenie dodávky nákladu počas prieskumu Mesiaca či vytváranie viacúčelových orbitálnych komplexov. Výhodou bude nielen opätovne použiteľné využitie prvkov dopravného systému (o čo sa snaží Elon Musk vo svojich vesmírnych projektoch SpaceX), ale aj možnosť dopraviť trikrát viac nákladu ako na raketách s chemickými prúdovými motormi porovnateľného výkonu. znížením štartovacej hmotnosti dopravného systému . Vďaka špeciálnemu dizajnu je inštalácia bezpečná pre ľudí a životné prostredie na Zemi.
V roku 2014 bol v JSC Mashinostroitelny Zavod v Elektrostale zmontovaný prvý palivový článok štandardnej konštrukcie (palivový článok) pre tento jadrový elektrický pohonný systém a v roku 2016 boli vykonané testy simulátora koša aktívnej zóny reaktora.
Teraz (v roku 2017) prebiehajú práce na výrobe konštrukčných prvkov inštalácie a testovania komponentov a zostáv na maketách, ako aj autonómne testovanie systémov premeny energie turbostrojov a prototypových pohonných jednotiek. Ukončenie prác je naplánované na koniec budúceho roka 2018, no od roku 2015 sa začali hromadiť rozpisy.
Akonáhle bude toto zariadenie vytvorené, Rusko sa stane prvou krajinou na svete, ktorá bude vlastniť jadrové vesmírne technológie, ktoré budú tvoriť základ nielen pre budúce projekty na prieskum slnečnej sústavy, ale aj pre pozemskú a mimozemskú energiu. . Vesmírne jadrové elektrárne možno využiť na vytváranie systémov na diaľkový prenos elektriny na Zem alebo do vesmírnych modulov pomocou elektromagnetického žiarenia. A to sa stane aj vyspelou technológiou budúcnosti, kde bude mať naša krajina vedúce postavenie.
Na základe vyvíjaných plazmových elektromotorov sa vytvoria výkonné pohonné systémy na diaľkové lety ľudí do vesmíru a v prvom rade na prieskum Marsu, ktorého obežnú dráhu je možné dosiahnuť už za 1,5 mesiaca a nie v r. viac ako rok, ako pri použití bežných chemických prúdových motorov .
A budúcnosť vždy začína revolúciou v energetike. A nič iné. Energia je primárna a práve množstvo jej spotreby ovplyvňuje technický pokrok, obranyschopnosť a kvalitu života ľudí.

Experimentálny plazmový raketový motor NASA

Sovietsky astrofyzik Nikolaj Kardashev navrhol rozsah rozvoja civilizácií už v roku 1964. Podľa tejto stupnice závisí úroveň technologického rozvoja civilizácií od množstva energie, ktorú obyvateľstvo planéty využíva pre svoje potreby. Civilizácia typu I teda využíva všetky dostupné zdroje na planéte; Civilizácia typu II - prijíma energiu svojej hviezdy v systéme, v ktorom sa nachádza; a civilizácia typu III využíva dostupnú energiu svojej galaxie. Ľudstvo ešte nedozrelo na civilizáciu typu I v tomto meradle. Využívame len 0,16 % z celkovej potenciálnej zásoby energie planéty Zem. To znamená, že Rusko a celý svet majú priestor na rast a tieto jadrové technológie otvoria našej krajine cestu nielen do vesmíru, ale aj k budúcej ekonomickej prosperite.
A možno jedinou možnosťou pre Rusko vo vedeckej a technickej sfére je teraz urobiť revolučný prelom v technológiách jadrového vesmíru, aby prekonalo mnohoročné zaostávanie za lídrami jedným „skokom“ a bolo priamo pri počiatkoch nová technologická revolúcia v ďalšom cykle rozvoja ľudskej civilizácie. Takáto jedinečná šanca pripadá konkrétnej krajine len raz za niekoľko storočí.
Žiaľ, Rusku, ktoré za posledných 25 rokov nevenovalo dostatočnú pozornosť základným vedám a kvalite vysokoškolského a stredoškolského vzdelávania, riskuje, že túto šancu navždy stratí, ak sa program obmedzí a nová generácia výskumníkov nenahradí súčasných vedcov. inžinierov. Geopolitické a technologické výzvy, ktorým bude Rusko čeliť o 10 – 12 rokov, budú veľmi vážne, porovnateľné s hrozbami v polovici dvadsiateho storočia. V záujme zachovania suverenity a integrity Ruska v budúcnosti je teraz naliehavo potrebné začať s prípravou špecialistov schopných reagovať na tieto výzvy a vytvoriť niečo zásadne nové.
Na premenu Ruska na globálne intelektuálne a technologické centrum je len asi 10 rokov a to sa nezaobíde bez vážnej zmeny kvality vzdelávania. Pre vedecko-technický prielom je potrebné vrátiť do vzdelávacieho systému (školského aj univerzitného) systematické pohľady na obraz sveta, vedeckú fundamentálnosť a ideologickú integritu.
Pokiaľ ide o súčasnú stagnáciu vo vesmírnom priemysle, nie je to desivé. Fyzikálne princípy, na ktorých sú založené moderné vesmírne technológie, budú v sektore konvenčných satelitných služieb ešte dlho žiadané. Pripomeňme si, že ľudstvo využívalo plachtu 5,5 tisíc rokov a éra pary trvala takmer 200 rokov a až v dvadsiatom storočí sa svet začal rýchlo meniť, pretože nastala ďalšia vedecko-technická revolúcia, ktorá spustila vlnu tzv. inovácie a zmena technologických štruktúr, ktoré v konečnom dôsledku zmenili svetovú ekonomiku aj politiku. Hlavná vec je byť pri počiatkoch týchto zmien.

Vo všeobecných vzdelávacích publikáciách o kozmonautike sa často nerozlišuje rozdiel medzi jadrovým raketovým motorom (NRE) a jadrovým raketovým elektrickým pohonným systémom (NRE). Za týmito skratkami sa však skrýva nielen rozdielnosť princípov premeny jadrovej energie na raketový ťah, ale aj veľmi dramatická história rozvoja kozmonautiky.

Dráma dejín spočíva v tom, že ak by pokračoval najmä z ekonomických dôvodov zastavený výskum jadrového pohonu a jadrového pohonu v ZSSR aj USA, potom by sa ľudské lety na Mars už dávno stali samozrejmosťou.

Všetko to začalo atmosférickým lietadlom s náporovým jadrovým motorom

Konštruktéri v USA a ZSSR uvažovali o „dýchacích“ jadrových zariadeniach schopných nasávať vonkajší vzduch a ohrievať ho na kolosálne teploty. Pravdepodobne bol tento princíp generovania ťahu vypožičaný z náporových motorov, iba namiesto raketového paliva sa použila štiepna energia atómových jadier oxidu uranového 235.

V USA bol takýto motor vyvinutý v rámci projektu Pluto. Američanom sa podarilo vytvoriť dva prototypy nového motora – Tory-IIA a Tory-IIC, ktoré dokonca poháňali reaktory. Inštalačný výkon mal byť 600 megawattov.

Motory vyvinuté v rámci projektu Pluto sa plánovali inštalovať na riadené strely, ktoré v 50. rokoch vznikli pod označením SLAM (Supersonic Low Altitude Missile, nadzvuková strela s nízkou výškou).

Spojené štáty plánovali postaviť raketu s dĺžkou 26,8 metra, priemerom tri metre a hmotnosťou 28 ton. Telo rakety malo obsahovať jadrovú hlavicu, ako aj jadrový pohonný systém s dĺžkou 1,6 metra a priemerom 1,5 metra. V porovnaní s inými veľkosťami vyzerala inštalácia veľmi kompaktne, čo vysvetľuje jej princíp priameho toku.

Vývojári verili, že vďaka jadrovému motoru bude dolet strely SLAM minimálne 182-tisíc kilometrov.

V roku 1964 ministerstvo obrany USA projekt uzavrelo. Oficiálnym dôvodom bolo, že počas letu raketa s jadrovým pohonom príliš znečisťuje všetko naokolo. V skutočnosti však dôvodom boli značné náklady na údržbu takýchto rakiet, najmä preto, že v tom čase sa raketová technika rýchlo rozvíjala na základe raketových motorov na kvapalné palivo, ktorých údržba bola oveľa lacnejšia.

ZSSR zostal verný myšlienke vytvoriť náporový dizajn pre jadrový motor oveľa dlhšie ako Spojené štáty, pričom projekt uzavrel až v roku 1985. Ale výsledky sa ukázali byť oveľa významnejšie. Prvý a jediný sovietsky jadrový raketový motor bol teda vyvinutý v konštrukčnej kancelárii Khimavtomatika vo Voroneži. Toto je RD-0410 (index GRAU - 11B91, tiež známy ako „Irbit“ a „IR-100“).

RD-0410 používal heterogénny tepelný neutrónový reaktor, moderátorom bol hydrid zirkónia, reflektory neutrónov boli vyrobené z berýlia, jadrové palivo bol materiál na báze uránu a karbidov volfrámu, s asi 80% obohatením izotopom 235.

Návrh zahŕňal 37 palivových kaziet, pokrytých tepelnou izoláciou, ktorá ich oddeľovala od moderátora. Konštrukcia predpokladala, že prúd vodíka najprv prechádzal cez reflektor a moderátor, pričom ich teplota sa udržiaval na izbovej teplote, a potom vstupoval do aktívnej zóny, kde ochladzoval palivové kazety, pričom sa zahrial až na 3100 K. Na stánku bol reflektor a moderátor chladený oddeleným prúdom vodíka.

Reaktor prešiel značnou sériou testov, ale nikdy nebol testovaný počas celej doby prevádzky. Vonkajšie komponenty reaktora však boli úplne vyčerpané.

Technické vlastnosti RD 0410

Ťah v prázdnote: 3,59 tf (35,2 kN)
Tepelný výkon reaktora: 196 MW
Špecifický ťahový impulz vo vákuu: 910 kgf s/kg (8927 m/s)
Počet štartov: 10
Pracovný zdroj: 1 hodina
Zložky paliva: pracovná kvapalina - kvapalný vodík, pomocná látka - heptán
Hmotnosť s ochranou proti žiareniu: 2 tony
Rozmery motora: výška 3,5 m, priemer 1,6 m.

Pomerne malé celkové rozmery a hmotnosť, vysoká teplota jadrového paliva (3100 K) s účinným chladiacim systémom s prietokom vodíka naznačujú, že RD0410 je takmer ideálnym prototypom jadrového pohonného motora pre moderné riadené strely. A berúc do úvahy moderné technológie výroby jadrového paliva s automatickým zastavením, zvýšenie zdroja z hodiny na niekoľko hodín je veľmi reálna úloha.

Konštrukcia jadrových raketových motorov

Jadrový raketový motor (NRE) je prúdový motor, v ktorom energia vznikajúca počas jadrového rozpadu alebo fúznej reakcie ohrieva pracovnú tekutinu (najčastejšie vodík alebo čpavok).

Existujú tri typy jadrových hnacích motorov v závislosti od typu paliva pre reaktor:

• tuhá fáza;
• kvapalná fáza;
• plynná fáza.

Najkompletnejšia je verzia motora s pevnou fázou. Na obrázku je znázornená schéma najjednoduchšieho jadrového motora s reaktorom na tuhé jadrové palivo. Pracovná kvapalina je umiestnená vo vonkajšej nádrži. Pomocou čerpadla sa dodáva do komory motora. V komore sa pracovná kvapalina rozprašuje pomocou trysiek a prichádza do kontaktu s jadrovým palivom na výrobu paliva. Pri zahriatí sa roztiahne a veľkou rýchlosťou vyletí z komory cez trysku.

V plynových motoroch s jadrovým pohonom sú palivo (napríklad urán) a pracovná kvapalina v plynnom stave (vo forme plazmy) a sú udržiavané v pracovnej oblasti elektromagnetickým poľom. Uránová plazma zahriata na desiatky tisíc stupňov odovzdáva teplo pracovnej tekutine (napríklad vodíku), ktorá zahriatím na vysoké teploty vytvára prúdový prúd.

Na základe typu jadrovej reakcie sa rozlišuje rádioizotopový raketový motor, termonukleárny raketový motor a samotný jadrový motor (využíva sa energia jadrového štiepenia).

Zaujímavou možnosťou je aj pulzný jadrový raketový motor – ako zdroj energie (paliva) sa navrhuje použiť jadrovú nálož. Takéto inštalácie môžu byť vnútorného a vonkajšieho typu.

Hlavné výhody jadrových motorov sú:

• vysoký špecifický impulz;
• značné zásoby energie;
• kompaktnosť pohonného systému;
• možnosť získať veľmi vysoký ťah - desiatky, stovky a tisíce ton vo vákuu.

Hlavnou nevýhodou je vysoké radiačné riziko pohonného systému:

• toky prenikavého žiarenia (gama žiarenie, neutróny) počas jadrových reakcií;
• odstraňovanie vysoko rádioaktívnych zlúčenín uránu a jeho zliatin;
• únik rádioaktívnych plynov s pracovnou tekutinou.

Jadrový pohonný systém

Vzhľadom na to, že nie je možné získať žiadne spoľahlivé informácie o jadrových elektrárňach z publikácií vrátane vedeckých článkov, je najlepšie zvážiť princíp fungovania takýchto zariadení pomocou príkladov otvorených patentových materiálov, hoci obsahujú know-how.

Napríklad vynikajúci ruský vedec Anatolij Sazonovič Koroteev, autor vynálezu podľa patentu, poskytol technické riešenie zloženia zariadenia pre moderný YARDU. Nižšie uvádzam časť uvedeného patentového dokumentu doslovne a bez komentára.

Podstatu navrhovaného technického riešenia znázorňuje schéma uvedená na výkrese. Jadrový pohonný systém pracujúci v režime pohonnej energie obsahuje elektrický pohonný systém (EPS) (v príklade sú znázornené dva elektrické raketové motory 1 a 2 so zodpovedajúcimi zásobovacími systémami 3 a 4), reaktorové zariadenie 5, turbína 6, kompresor 7, generátor 8, tepelný výmenník-rekuperátor 9, Ranck-Hilschova vírivá trubica 10, chladnička-radiátor 11. V tomto prípade sú turbína 6, kompresor 7 a generátor 8 spojené do jedného celku - turbogenerátor-kompresor. Jadrová pohonná jednotka je vybavená potrubím 12 pracovnej tekutiny a elektrickými vedeniami 13 spájajúcimi generátor 8 a elektrickú pohonnú jednotku. Výmenník tepla-rekuperátor 9 má takzvané vysokoteplotné 14 a nízkoteplotné 15 vstupy pracovnej tekutiny, ako aj vysokoteplotné 16 a nízkoteplotné 17 výstupy pracovnej tekutiny.

Výstup reaktorovej jednotky 5 je pripojený na vstup turbíny 6, výstup turbíny 6 je pripojený k vysokoteplotnému vstupu 14 tepelného výmenníka-rekuperátora 9. Nízkoteplotný výstup 15 tepelného výmenníka-rekuperátora 9 je pripojená k vstupu do Ranck-Hilschovej vírivej trubice 10. Ranck-Hilschova vírivá trubica 10 má dva výstupy, z ktorých jeden (cez „horúcu“ pracovnú tekutinu) je pripojený k chladiču 11 a druhý ( cez „studenú“ pracovnú kvapalinu) je pripojený na vstup kompresora 7. Výstup chladiča 11 je tiež pripojený na vstup do kompresora 7. Výstup 7 kompresora je pripojený k nízkoteplotnému vstupu 15 do tepelný výmenník-rekuperátor 9. Vysokoteplotný výstup 16 tepelného výmenníka-rekuperátora 9 je pripojený na vstup do reaktorového zariadenia 5. Hlavné prvky jadrovej elektrárne sú tak prepojené jedným okruhom pracovnej tekutiny. .

Jadrová elektráreň funguje nasledovne. Pracovná tekutina ohriata v reaktorovom zariadení 5 je privádzaná do turbíny 6, ktorá zabezpečuje chod kompresora 7 a generátora 8 turbogenerátora-kompresora. Generátor 8 generuje elektrickú energiu, ktorá sa prostredníctvom elektrických vedení 13 posiela do elektrických raketových motorov 1 a 2 a ich napájacích systémov 3 a 4, zabezpečujúcich ich prevádzku. Po opustení turbíny 6 je pracovná tekutina privádzaná cez vysokoteplotný vstup 14 do výmenníka tepla-rekuperátora 9, kde je pracovná tekutina čiastočne ochladená.

Potom z nízkoteplotného výstupu 17 tepelného výmenníka-rekuperátora 9 je pracovná tekutina nasmerovaná do Ranque-Hilschovej vírivej trubice 10, v ktorej je prúd pracovnej tekutiny rozdelený na „horúcu“ a „studenú“ zložku. „Horúca“ časť pracovnej tekutiny potom ide do chladničky-emitora 11, kde sa táto časť pracovnej tekutiny účinne ochladí. „Studená“ časť pracovnej tekutiny ide na vstup kompresora 7 a po ochladení tam nasleduje aj časť pracovnej tekutiny opúšťajúca chladiacu chladničku 11.

Kompresor 7 privádza ochladenú pracovnú tekutinu do výmenníka-rekuperátora 9 cez nízkoteplotný vstup 15. Táto ochladená pracovná tekutina v tepelnom výmenníku-rekuperátore 9 zabezpečuje čiastočné chladenie protiprúdu pracovnej tekutiny vstupujúcej do výmenníka-rekuperátora. 9 z turbíny 6 cez vysokoteplotný vstup 14. Ďalej čiastočne zohriata pracovná tekutina (v dôsledku výmeny tepla s protiprúdom pracovnej tekutiny z turbíny 6) z výmenníka tepla-rekuperátora 9 cez vysokoteplotný výstup 16 opäť vstupuje do reaktorovej inštalácie 5, cyklus sa znova opakuje.

Jedna pracovná kvapalina umiestnená v uzavretom okruhu teda zabezpečuje nepretržitú prevádzku jadrovej elektrárne a použitie Ranque-Hilschovej vírivej trubice ako súčasti jadrovej elektrárne v súlade s nárokovaným technickým riešením zlepšuje hmotnostné a rozmerové charakteristiky. jadrovej elektrárne, zvyšuje spoľahlivosť jej prevádzky, zjednodušuje jej projektovanie a umožňuje zvýšiť účinnosť jadrových elektrární vo všeobecnosti.

odkazy:

Jadrový raketový motor je raketový motor, ktorého princíp činnosti je založený na jadrovej reakcii alebo rádioaktívnom rozpade, pri ktorom sa uvoľňuje energia, ktorá ohrieva pracovnú tekutinu, ktorou môžu byť produkty reakcie alebo iná látka, napríklad vodík. Existuje niekoľko typov raketových motorov, ktoré využívajú princíp činnosti opísaný vyššie: jadrové, rádioizotopové, termonukleárne. Pomocou jadrových raketových motorov je možné získať špecifické hodnoty impulzov výrazne vyššie ako tie, ktoré je možné dosiahnuť chemickými raketovými motormi. Vysoká hodnota špecifického impulzu sa vysvetľuje vysokou rýchlosťou odtoku pracovnej tekutiny - asi 8-50 km / s. Ťahová sila jadrového motora je porovnateľná s chemickými motormi, čo v budúcnosti umožní nahradiť všetky chemické motory jadrovými.

Hlavnou prekážkou úplnej výmeny je rádioaktívne znečistenie spôsobené motormi jadrových rakiet.

Delia sa na dva typy - tuhá a plynná fáza. V prvom type motorov je štiepny materiál umiestnený v tyčových zostavách s rozvinutým povrchom. To umožňuje efektívne ohrievať plynnú pracovnú tekutinu, zvyčajne vodík pôsobí ako pracovná tekutina. Rýchlosť výfuku je obmedzená maximálnou teplotou pracovnej tekutiny, ktorá zasa priamo závisí od maximálnej prípustnej teploty konštrukčných prvkov, a nepresahuje 3000 K. V plynových jadrových raketových motoroch je štiepna látka je v plynnom stave. Jeho zadržiavanie v pracovnej oblasti sa uskutočňuje vplyvom elektromagnetického poľa. Pre tento typ jadrových raketových motorov nie sú konštrukčné prvky limitujúcim faktorom, takže rýchlosť výfuku pracovnej tekutiny môže presiahnuť 30 km/s. Môžu byť použité ako motory prvého stupňa napriek úniku štiepneho materiálu.

V 70. rokoch XX storočia V USA a Sovietskom zväze sa aktívne testovali jadrové raketové motory so štiepnymi látkami v tuhej fáze. V Spojených štátoch amerických sa v rámci programu NERVA vyvíjal program na vytvorenie experimentálneho jadrového raketového motora.

Američania vyvinuli grafitový reaktor chladený kvapalným vodíkom, ktorý sa zahrieval, odparoval a vystreľoval cez raketovú dýzu. Výber grafitu bol spôsobený jeho teplotnou odolnosťou. Podľa tohto projektu mal byť špecifický impulz výsledného motora dvakrát vyšší ako zodpovedajúci údaj charakteristický pre chemické motory, s ťahom 1100 kN. Reaktor Nerva mal fungovať ako súčasť tretieho stupňa nosnej rakety Saturn V, no z dôvodu uzavretia lunárneho programu a nedostatku iných úloh pre raketové motory tejto triedy nebol reaktor nikdy v praxi odskúšaný.

Jadrový raketový motor v plynnej fáze je v súčasnosti v štádiu teoretického vývoja. Jadrový motor v plynnej fáze využíva plutónium, ktorého pomaly sa pohybujúci prúd plynu je obklopený rýchlejším prúdom chladiaceho vodíka. Na orbitálnych vesmírnych staniciach MIR a ISS sa uskutočňovali experimenty, ktoré by mohli dať impulz pre ďalší vývoj motorov v plynnej fáze.

Dnes môžeme povedať, že Rusko mierne „zmrazilo“ svoj výskum v oblasti jadrových pohonných systémov. Práca ruských vedcov je viac zameraná na vývoj a zlepšovanie základných komponentov a zostáv jadrových elektrární, ako aj ich unifikáciu. Prioritným smerom ďalšieho výskumu v tejto oblasti je vytvorenie jadrových pohonných systémov schopných prevádzky v dvoch režimoch. Prvým je režim jadrového raketového motora a druhým je režim inštalácie na výrobu elektriny na napájanie zariadení inštalovaných na palube kozmickej lode.

Nasledujúce:ELEKTROMER
Predchádzajúce: