Cuidado con muchas letras.

Se planea crear un modelo de vuelo de una nave espacial con una planta de energía nuclear (NPP) en Rusia para 2025. El trabajo relevante está incluido en el borrador del Programa Espacial Federal para 2016-2025 (FKP-25), que Roscosmos envió a los ministerios para su aprobación.

Los sistemas de energía nuclear se consideran las principales fuentes prometedoras de energía en el espacio cuando se planifican expediciones interplanetarias a gran escala. En el futuro, las plantas de energía nuclear, que actualmente están siendo desarrolladas por las empresas de Rosatom, podrán proporcionar megavatios de energía en el espacio en el futuro.

Todos los trabajos de creación de centrales nucleares se desarrollan de acuerdo con los plazos previstos. Podemos decir con mucha confianza que el trabajo se completará dentro del plazo estipulado por el programa objetivo, dice Andrey Ivanov, gerente de proyectos del departamento de comunicaciones de la corporación estatal Rosatom.

Recientemente, el proyecto ha completado dos hitos: se ha creado un diseño único del elemento combustible que garantiza la operabilidad a altas temperaturas, grandes gradientes de temperatura y altas dosis de irradiación. También se han completado con éxito las pruebas tecnológicas de la vasija del reactor de la futura unidad de energía espacial. Como parte de estas pruebas, se presurizó la carrocería y se realizaron mediciones 3D en las áreas del metal base, soldadura circunferencial y transición del cono.

Principio de operación. Historia de la creación.

DE reactor nuclear no hay dificultades fundamentales para las aplicaciones espaciales. En el período de 1962 a 1993, se acumuló en nuestro país una rica experiencia en la producción de instalaciones similares. Un trabajo similar se llevó a cabo en los Estados Unidos. Desde principios de la década de 1960, se han desarrollado en el mundo varios tipos de motores de propulsión eléctrica: ion, plasma estacionario, motor de capa anódica, motor de plasma pulsado, magnetoplasma, magnetoplasmodinámico.

Trabajar en la creación de motores nucleares para astronave se llevaron a cabo activamente en la URSS y los EE. UU. En el siglo pasado: los estadounidenses cerraron el proyecto en 1994, la URSS, en 1988. El cierre de la obra se vio facilitado en gran medida por el desastre de Chernobyl, que sintonizó negativamente la opinión pública respecto al uso de la energía nuclear. Además, las pruebas de las instalaciones nucleares en el espacio no siempre se realizaron con regularidad: en 1978, el satélite soviético Kosmos-954 ingresó a la atmósfera y se desintegró, esparciendo miles de fragmentos radiactivos en un área de 100 mil metros cuadrados. km en el noroeste de Canadá. La Unión Soviética pagó a Canadá Compensación monetaria más de $10 millones.

En mayo de 1988, dos organizaciones, la Federación de Científicos Estadounidenses y el Comité de Científicos Soviéticos por la Paz contra la Amenaza Nuclear, presentaron una propuesta conjunta para prohibir el uso de la energía nuclear en el espacio. Esa propuesta no tuvo consecuencias formales, pero desde entonces ningún país ha lanzado naves espaciales con centrales nucleares a bordo.

Las grandes ventajas del proyecto son características de rendimiento prácticamente importantes: una larga vida útil (10 años de operación), un intervalo de revisión significativo y un largo tiempo de operación en un interruptor.

En 2010 se formularon las propuestas técnicas del proyecto. El diseño comenzó este año.

La central nuclear contiene tres dispositivos principales: 1) una planta de reactor con un fluido de trabajo y dispositivos auxiliares (un intercambiador de calor-recuperador y un turbogenerador-compresor); 2) sistema de propulsión de cohetes eléctricos; 3) refrigerador-emisor.

Reactor.

Desde un punto de vista físico, se trata de un reactor compacto de neutrones rápidos refrigerado por gas.
El combustible utilizado es un compuesto (dióxido o carbonitruro) de uranio, pero como el diseño debe ser muy compacto, el uranio tiene un mayor enriquecimiento en el isótopo 235 que en los elementos combustibles convencionales (civiles). plantas de energía nuclear posiblemente superior al 20%. Y su caparazón es una aleación monocristalina de metales refractarios a base de molibdeno.

Este combustible tendrá que trabajar a temperaturas muy altas. Por lo tanto, era necesario elegir materiales que pudieran contener los factores negativos asociados con la temperatura y, al mismo tiempo, permitir que el combustible realizara su función principal: calentar el gas refrigerante, que se utilizará para producir electricidad.

Nevera.

La refrigeración de gases durante el funcionamiento de una instalación nuclear es absolutamente necesaria. ¿Cómo descargar calor en el espacio exterior? La única posibilidad es el enfriamiento por radiación. La superficie calentada en el vacío se enfría emitiendo ondas electromagnéticas en un amplio rango, incluida la luz visible. La singularidad del proyecto está en el uso de un refrigerante especial - mezcla de helio-xenón. La instalación proporciona una alta eficiencia.

Motor.

El principio de funcionamiento del motor iónico es el siguiente. Se crea un plasma enrarecido en la cámara de descarga de gas con la ayuda de ánodos y un bloque de cátodos ubicado en un campo magnético. Los iones del fluido de trabajo (xenón u otra sustancia) son "extraídos" de él por el electrodo de emisión y acelerados en el espacio entre este y el electrodo de aceleración.

Para la implementación del plan, se prometieron 17 mil millones de rublos en el período de 2010 a 2018. De estos fondos, 7.245 millones de rublos se destinaron a la corporación estatal Rosatom para construir el propio reactor. Otros 3.955 millones - FSUE "Centro de Keldysh" para la creación de una planta de propulsión de energía nuclear. Otros 5.800 millones de rublos se destinarán a RSC Energia, donde se deberá formar la imagen de trabajo de todo el módulo de transporte y energía dentro del mismo período de tiempo.

Según lo previsto, a finales de 2017 estará preparada una central nuclear para completar el módulo de transporte y energía (módulo de vuelo interplanetario). A fines de 2018, la planta de energía nuclear estará lista para las pruebas de diseño de vuelo. El proyecto se financia con cargo al presupuesto federal.

No es ningún secreto que el trabajo en la creación de motores de cohetes nucleares se inició en los EE. UU. Y en la URSS en los años 60 del siglo pasado. ¿Qué tan lejos han llegado? ¿Y qué desafíos encontraste en el camino?

Anatoly Koroteev: De hecho, el trabajo sobre el uso de la energía nuclear en el espacio comenzó y se llevó a cabo activamente en nuestro país y en los Estados Unidos en las décadas de 1960 y 1970.

Inicialmente, la tarea era crear motores de cohetes que usaran hidrógeno calentándose a una temperatura de aproximadamente 3000 grados en lugar de la energía química de la combustión del combustible y el oxidante. Pero resultó que un camino tan directo sigue siendo ineficiente. Obtenemos un gran empuje durante un corto tiempo, pero al mismo tiempo arrojamos un chorro que, en caso de funcionamiento anormal del reactor, puede resultar contaminado radiactivamente.

Se ganó algo de experiencia, pero ni nosotros ni los estadounidenses pudimos crear motores confiables en ese momento. Funcionaron, pero no lo suficiente, porque calentar hidrógeno a 3000 grados en un reactor nuclear es una tarea seria. Y además, hubo problemas ambientales durante las pruebas en tierra de dichos motores, ya que se emitieron chorros radiactivos a la atmósfera. Ya no es un secreto que dicho trabajo se llevó a cabo en el sitio de prueba de Semipalatinsk especialmente preparado para pruebas nucleares, que permaneció en Kazajstán.

Es decir, dos parámetros resultaron ser críticos: ¿temperatura prohibitiva y emisiones de radiación?

Anatoly Koroteev: En general, sí. Por estas y algunas otras razones, el trabajo en nuestro país y en los Estados Unidos fue terminado o suspendido, se puede evaluar de diferentes maneras. Y nos parecía descabellado retomarlos de tal manera, diría, de manera frontal, para hacer un motor nuclear con todas las carencias ya mencionadas. Hemos propuesto un enfoque completamente diferente. Se diferencia del antiguo de la misma manera que un coche híbrido se diferencia de uno convencional. En un automóvil convencional, el motor hace girar las ruedas, mientras que en los automóviles híbridos, la electricidad se genera a partir del motor y esta electricidad hace girar las ruedas. Es decir, se está creando una cierta planta de energía intermedia.

Así que propusimos un esquema en el que el reactor espacial no calienta el chorro que expulsa, sino que genera electricidad. El gas caliente del reactor hace girar la turbina, la turbina hace girar el generador eléctrico y el compresor, que hace circular el fluido de trabajo en un circuito cerrado. El generador, por otro lado, genera electricidad para un motor de plasma con un empuje específico 20 veces mayor que el de sus homólogos químicos.

esquema inteligente. En esencia, se trata de una minicentral nuclear en el espacio. ¿Y cuáles son sus ventajas sobre un motor nuclear estatorreactor?

Anatoly Koroteev: Lo principal es que el chorro que sale del nuevo motor no será radiactivo, ya que un fluido de trabajo completamente diferente pasa a través del reactor, que está contenido en un circuito cerrado.

Además, no necesitamos calentar el hidrógeno a valores extremos con este esquema: en el reactor circula un fluido de trabajo inerte, que se calienta hasta 1500 grados. Simplificamos seriamente nuestra tarea. Y como resultado, aumentaremos el empuje específico no dos veces, sino 20 veces en comparación con los motores químicos.

Otra cosa también es importante: no hay necesidad de pruebas complejas a gran escala, que requieren la infraestructura del antiguo sitio de prueba de Semipalatinsk, en particular, la base del banco que permaneció en la ciudad de Kurchatov.

En nuestro caso, todas las pruebas necesarias se pueden realizar en el territorio de Rusia, sin involucrarse en largas negociaciones internacionales sobre el uso de la energía nuclear fuera de nuestro estado.

¿Se están realizando obras similares en otros países?

Anatoly Koroteev: Tuve una reunión con el subjefe de la NASA, discutimos temas relacionados con el regreso al trabajo sobre energía nuclear en el espacio, y dijo que los estadounidenses están mostrando un gran interés en esto.

Es muy posible que China también pueda responder con acciones activas de su parte, por lo que es necesario trabajar con rapidez. Y no solo por adelantarse a alguien medio paso.

Debemos trabajar con rapidez, en primer lugar, para que en la cooperación internacional emergente, y de facto que se está formando, luzcamos dignos.

No descarto que en un futuro cercano se pueda iniciar un programa internacional para una central nuclear espacial, similar al programa de fusión termonuclear controlada que se está implementando ahora.

Los motores de cohetes líquidos hicieron posible que el hombre fuera al espacio, a órbitas cercanas a la Tierra. Pero la velocidad de la corriente en chorro en el LRE no supera los 4,5 km/s, y para los vuelos a otros planetas se necesitan decenas de kilómetros por segundo. Una posible salida es utilizar la energía de las reacciones nucleares.

La creación práctica de motores de cohetes nucleares (NRE) fue realizada solo por la URSS y los EE. UU. En 1955, Estados Unidos inició la implementación del programa Rover para desarrollar un motor de cohete nuclear para naves espaciales. Tres años más tarde, en 1958, el proyecto fue asumido por la NASA, que estableció una tarea específica para los barcos con YARD: un vuelo a la Luna y Marte. Desde entonces, el programa se conoce como NERVA, que significa "motor nuclear para instalación en cohetes".

A mediados de la década de 1970, en el marco de este programa, se planeó diseñar un motor de cohete nuclear con un empuje de unas 30 toneladas (a modo de comparación, el empuje característico de un LRE de esa época era de unas 700 toneladas), pero con una velocidad de escape de gases de 8,1 km/s. Sin embargo, en 1973, el programa se cerró debido al cambio en los intereses estadounidenses hacia el transbordador espacial.

En la URSS, el diseño de la primera NRE se llevó a cabo en la segunda mitad de los años 50. Al mismo tiempo, los diseñadores soviéticos, en lugar de crear un modelo a escala real, comenzaron a fabricar partes separadas del YARD. Y luego estos desarrollos se probaron en cooperación con un reactor de grafito pulsado (IGR) especialmente diseñado.

En los años 70-80 del siglo pasado, la Oficina de Diseño de Salyut, la Oficina de Diseño de Khimavtomatika y la Asociación de Investigación y Producción de Luch crearon proyectos para motores de cohetes nucleares espaciales RD-0411 y RD-0410 con un empuje de 40 y 3,6 toneladas, respectivamente. . Durante el proceso de diseño, se fabricaron un reactor, un motor "frío" y un prototipo de banco para pruebas.

En julio de 1961, el académico soviético Andrei Sakharov anunció el proyecto de una explosión nuclear en una reunión de destacados científicos atómicos en el Kremlin. El explosivo tenía motores de cohetes de combustible líquido convencionales para el despegue, mientras que en el espacio se suponía que explotaría pequeñas cargas nucleares. Los productos de fisión generados durante la explosión transfirieron su impulso a la nave, haciéndola volar. Sin embargo, el 5 de agosto de 1963 se firmó en Moscú un acuerdo que prohibía los ensayos con armas nucleares en la atmósfera, el espacio exterior y bajo el agua. Esta fue la razón del cierre del programa de explosivos nucleares.

Es posible que el desarrollo del YARD se haya adelantado a su tiempo. Sin embargo, no fueron demasiado prematuros. Después de todo, la preparación de un vuelo tripulado a otros planetas lleva varias décadas, y los sistemas de propulsión deben prepararse con anticipación.

Diseño de un motor de cohete nuclear

Nuclear motor de cohete(NRE) - un motor a reacción en el que la energía que surge de una descomposición nuclear o una reacción de fusión calienta el fluido de trabajo (más a menudo, hidrógeno o amoníaco).

Existen tres tipos de NRE según el tipo de combustible del reactor:

• fase sólida;
• fase líquida;
• fase gaseosa.

La mas completa es fase sólida opción de motor. La figura muestra un diagrama de la NRE más simple con un reactor de combustible nuclear sólido. El fluido de trabajo se encuentra en un tanque externo. Con la ayuda de una bomba, se alimenta a la cámara del motor. En la cámara, el fluido de trabajo se rocía con la ayuda de boquillas y entra en contacto con el combustible nuclear generador de calor. Cuando se calienta, se expande y sale volando de la cámara a través de una boquilla a gran velocidad.

Fase líquida- el combustible nuclear en el núcleo del reactor de dicho motor está en forma líquida. Los parámetros de tracción de este tipo de motores son superiores a los de los de fase sólida, debido a la mayor temperatura del reactor.

A fase gaseosa El combustible NRE (por ejemplo, uranio) y el fluido de trabajo está en estado gaseoso (en forma de plasma) y se mantiene en el área de trabajo por un campo electromagnético. Calentado a decenas de miles de grados, el plasma de uranio transfiere calor al fluido de trabajo (por ejemplo, hidrógeno), que, a su vez, al calentarse a altas temperaturas, forma un chorro.

Según el tipo de reacción nuclear, se distinguen un motor de cohete de radioisótopos, un motor de cohete termonuclear y un motor nuclear propiamente dicho (se utiliza la energía de la fisión nuclear).

Una opción interesante es también un NRE pulsado: se propone utilizar una carga nuclear como fuente de energía (combustible). Tales instalaciones pueden ser de tipo interno y externo.

Las principales ventajas del YRD son:

• alto impulso específico;
• importante reserva de energía;
• compacidad del sistema de propulsión;
• la posibilidad de obtener un empuje muy grande: decenas, cientos y miles de toneladas en el vacío.

La principal desventaja es el alto riesgo de radiación del sistema de propulsión:

• flujos de radiación penetrante (radiación gamma, neutrones) durante reacciones nucleares;
• eliminación de compuestos altamente radiactivos de uranio y sus aleaciones;
• salida de gases radiactivos con el fluido de trabajo.

Por lo tanto, el lanzamiento de un motor nuclear es inaceptable para lanzamientos desde la superficie terrestre debido al riesgo de contaminación radiactiva.

Fundar artículo interesante. En general, las naves espaciales nucleares siempre me han interesado. Este es el futuro de la exploración espacial. También se llevó a cabo un extenso trabajo sobre este tema en la URSS. El artículo es sobre ellos.

Espacio de energía atómica. Sueños y realidad.

Doctor en Ciencias Físicas y Matemáticas Yu. Ya. Stavissky

En 1950 defendí mi título de ingeniería física en el Instituto Mecánico de Moscú (MMI) del Ministerio de Municiones. Cinco años antes, en 1945, se formó allí un departamento de ingeniería física, que formó especialistas para una nueva industria, cuyas tareas incluían principalmente la producción de armas nucleares. La facultad era insuperable. Junto con la física fundamental en el ámbito de los cursos universitarios (métodos de física matemática, teoría de la relatividad, mecánica cuántica, electrodinámica, física estadística y otras) nos enseñaron una amplia gama de disciplinas de ingeniería: química, ciencia de los metales, resistencia de materiales, teoría de mecanismos y máquinas, etc. Creada por el destacado físico soviético Alexander Ilyich Leipunsky, la Facultad MMI de Ingeniería Física se convirtió con el tiempo en el Instituto de Ingeniería Física de Moscú (MEPhI). Otra Facultad de Ingeniería Física, que más tarde también se fusionó con MEPhI, se formó en el Instituto de Ingeniería de Energía de Moscú (MPEI), pero si en MMI el énfasis principal estaba en la física fundamental, entonces en el Instituto de Energía estaba en termo y electrofísica.

Estudiamos la mecánica cuántica utilizando el libro de Dmitry Ivanovich Blokhintsev. Imagínese mi sorpresa cuando, durante la distribución, me enviaron a trabajar con él. Soy un ávido experimentador (de niño desmantelé todos los relojes de la casa), y de repente llego a un teórico muy conocido. Me invadió un ligero pánico, pero al llegar al lugar, el "Objeto B" del Ministerio del Interior de la URSS en Obninsk, inmediatamente me di cuenta de que estaba preocupado en vano.

En ese momento, el tema principal del "Objeto B", que en realidad estaba encabezado por A.I. Leipunsky, ya se ha formado. Aquí crearon reactores con reproducción ampliada de combustible nuclear - "reproductores rápidos". Como director, Blokhintsev inició el desarrollo de una nueva dirección: la creación de motores atómicos para vuelos espaciales. Dominar el espacio era un viejo sueño de Dmitry Ivanovich, incluso en su juventud mantuvo correspondencia y se reunió con K.E. Tsiolkovski. Creo que la comprensión de las gigantescas posibilidades de la energía nuclear, en términos de poder calorífico millones de veces superior a los mejores combustibles químicos, determinó camino de la vida D.I. Blokhintsev.
“No se puede ver un cara a cara”... En aquellos años, no entendíamos mucho. Solo ahora, cuando finalmente se hizo posible comparar las hazañas y los destinos de los destacados científicos del Instituto de Física y Energía (IPPE), el antiguo "Objeto B", renombrado el 31 de diciembre de 1966, hay una correcta, como parece para mí, la comprensión de las ideas que los movían en ese momento. Con toda la variedad de casos que tuvo que atender el instituto, es posible señalar como prioritarios direcciones científicas, que resultó estar en la esfera de los intereses de sus principales físicos.

El principal interés de AIL (como se llamaba a Alexander Ilyich Leipunsky a espaldas en el instituto) es el desarrollo de energía global basada en reactores reproductores rápidos (reactores nucleares que no tienen restricciones en los recursos de combustible nuclear). Es difícil sobrestimar la importancia de este problema verdaderamente "cósmico", al que dedicó el último cuarto de siglo de su vida. Leipunsky también dedicó mucha energía a la defensa del país, en particular, a la creación de motores atómicos para submarinos y aviones pesados.

Intereses D.I. Blokhintsev (se le asignó el apodo de "D.I.") tenían como objetivo resolver el problema del uso de la energía nuclear para vuelos espaciales. Desafortunadamente, a fines de la década de 1950, se vio obligado a dejar este trabajo y liderar la creación de una organización internacional. centro cientifico- Instituto Conjunto para la Investigación Nuclear en Dubna. Allí trabajó en reactores rápidos pulsados ​​- IBR. Esta fue la última gran cosa en su vida.

Un objetivo - un equipo

D.I. Blokhintsev, quien enseñó a fines de la década de 1940 en la Universidad Estatal de Moscú, se dio cuenta allí y luego invitó al joven físico Igor Bondarenko a trabajar en Obninsk, quien literalmente se entusiasmó con las naves espaciales de propulsión nuclear. Su primer supervisor fue A.I. Leipunsky e Igor, por supuesto, trataron su tema: criadores rápidos.

Bajo D. I. Blokhintsev, un grupo de científicos formado alrededor de Bondarenko, quienes se unieron para resolver los problemas del uso de la energía atómica en el espacio. Además de Igor Ilyich Bondarenko, el grupo incluía: Viktor Yakovlevich Pupko, Edvin Alexandrovich Stumbur y el autor de estas líneas. Igor fue el principal ideólogo. Edwin realizó estudios experimentales de modelos terrestres de reactores nucleares en instalaciones espaciales. Me dediqué principalmente a motores de cohetes de "bajo empuje" (el empuje en ellos es creado por un tipo de acelerador, "propulsión de iones", que funciona con energía de una planta de energía nuclear espacial). Hemos explorado los procesos
fluyendo en propulsores de iones, en soportes de tierra.

Sobre Victor Pupko (en el futuro
se convirtió en el jefe del departamento de tecnología espacial del IPPE) hubo mucho trabajo organizativo. Igor Ilyich Bondarenko fue un físico destacado. Sutilmente sintió el experimento, estableció experimentos simples, elegantes y muy efectivos. Creo que, como ningún experimentador y, quizás, pocos teóricos, "sentí" la física fundamental. Siempre receptivo, abierto y amigable, Igor fue realmente el alma del instituto. Hasta ahora FEI vive de sus ideas. Bondarenko vivió una vida irrazonablemente corta. En 1964, a la edad de 38 años, murió trágicamente debido a un error médico. Era como si Dios, viendo cuánto había hecho el hombre, decidiera que ya era demasiado y ordenara: “Basta”.

No puedo olvidar uno más personalidad única- Vladimir Alexandrovich Malykh, tecnólogo "de Dios", moderno Leskovsky Lefty. Si los "productos" de los científicos mencionados anteriormente fueron principalmente ideas y estimaciones calculadas de su realidad, entonces las obras de Malykh siempre tuvieron una producción "en metal". Su sector tecnológico, que en el momento del apogeo del IPPE contaba con más de dos mil empleados, podía, sin exagerar, hacer de todo. Además, él mismo siempre ha jugado un papel clave.

VIRGINIA. Malykh comenzó como asistente de laboratorio en un instituto de investigación. física nuclear Universidad Estatal de Moscú, con tres cursos de la facultad de física detrás de su alma, la guerra no me permitió terminar mis estudios. A finales de la década de 1940 consiguió crear una tecnología para la fabricación de cerámica técnica a base de óxido de berilio, un material único, un dieléctrico de alta conductividad térmica. Antes de Malykh, muchos lucharon sin éxito con este problema. Y la pila de combustible a base de acero inoxidable comercial y uranio natural, que desarrolló para la primera central nuclear, es un milagro en eso y en tiempos presentes. O el elemento combustible termoiónico del reactor-generador eléctrico diseñado por Malykh para impulsar naves espaciales: la "guirnalda". Hasta ahora, nada mejor ha aparecido en esta área. Las creaciones de Malykh no eran juguetes de demostración, sino elementos de tecnología nuclear. Trabajaron durante meses y años. Vladimir Alexandrovich se convirtió en Doctor en Ciencias Técnicas, laureado con el Premio Lenin, Héroe del Trabajo Socialista. En 1964, murió trágicamente a consecuencia de una conmoción cerebral militar.

Paso a paso

SP Korolev y D.I. Blokhintsev ha alimentado durante mucho tiempo el sueño de un vuelo espacial tripulado. Se establecieron estrechos lazos de trabajo entre ellos. Pero a principios de la década de 1950, en el apogeo de guerra Fría“, los fondos no se ahorraron solo para fines militares. La tecnología de cohetes se consideraba solo como un portador de cargas nucleares, y ni siquiera se pensó en los satélites. Mientras tanto, Bondarenko, sabiendo acerca de logros recientes científicos de cohetes, defendieron persistentemente la creación de un satélite artificial de la Tierra. Posteriormente, nadie recordó esto.

La historia de la creación del cohete que llevó al espacio al primer cosmonauta del planeta, Yuri Gagarin, es curiosa. Se asocia con el nombre de Andrei Dmitrievich Sakharov. A fines de la década de 1940, desarrolló una carga termonuclear combinada de fisión - "puff", aparentemente, independientemente del "padre bomba de hidrogeno Edward Teller, quien propuso un producto similar llamado "despertador". Sin embargo, Teller pronto se dio cuenta de que una carga nuclear de tal diseño tendría un rendimiento "limitado", no más de ~ 500 kilotones de remolque equivalente. Esto no es suficiente para el arma "absoluta", por lo que se abandonó el "despertador". En la Unión, en 1953, volaron los Sakharov puff RDS-6.

Después de las pruebas exitosas y la elección de Sajarov como académico, el entonces jefe de Minsredmash V.A. Malyshev lo invitó a su lugar y se encargó de determinar los parámetros de la bomba de próxima generación. Andrei Dmitrievich estimó (sin un estudio detallado) el peso de una nueva carga mucho más poderosa. El informe de Sakharov formó la base de la resolución del Comité Central del PCUS y el Consejo de Ministros de la URSS, que obligó a S.P. Korolev para desarrollar un vehículo de lanzamiento balístico para esta carga. Fue un cohete R-7 llamado Vostok el que lanzó un satélite terrestre artificial en 1957 y una nave espacial con Yuri Gagarin en 1961. Ya no estaba previsto utilizarlo como portador de una carga nuclear pesada, ya que el desarrollo armas termonucleares fue por el otro lado.

En la etapa inicial del programa nuclear espacial IPPE, junto con V.N. Chelomeya desarrolló un misil atómico de crucero. Esta dirección no se desarrolló por mucho tiempo y terminó con cálculos y pruebas de elementos del motor creados en el departamento de V.A. Malykha. De hecho, era un avión no tripulado que volaba a baja altura con un motor estatorreactor nuclear y una ojiva nuclear (una especie de análogo nuclear del "bicho zumbador": el V-1 alemán). El sistema se lanzó utilizando propulsores de cohetes convencionales. Después de alcanzar una velocidad dada, el aire atmosférico creaba empuje, calentado por una reacción en cadena de fisión de óxido de berilio impregnado con uranio enriquecido.

En términos generales, la capacidad de un cohete para realizar una u otra tarea cosmonáutica está determinada por la velocidad que adquiere después de consumir todo el suministro del fluido de trabajo (combustible y comburente). Se calcula según la fórmula de Tsiolkovsky: V = c × lnMn / Mk, donde c es la velocidad de salida del fluido de trabajo, y Mn y Mk son la masa inicial y final del cohete. En los cohetes químicos convencionales, la velocidad de escape está determinada por la temperatura en la cámara de combustión, el tipo de combustible y oxidante y el peso molecular de los productos de combustión. Por ejemplo, los estadounidenses usaron hidrógeno como combustible en el vehículo de descenso para llevar a los astronautas a la luna. El producto de su combustión es agua, cuyo peso molecular es relativamente bajo, y el caudal es 1,3 veces mayor que cuando se quema queroseno. Esto es suficiente para que el vehículo de descenso con los astronautas alcance la superficie de la Luna y luego los devuelva a la órbita de su satélite artificial. En Korolev, el trabajo con combustible de hidrógeno se suspendió debido a un accidente con víctimas. No tuvimos tiempo de crear un vehículo de descenso lunar para humanos.

Una de las formas de aumentar significativamente la velocidad de escape es la creación de cohetes térmicos nucleares. Teníamos misiles atómicos balísticos (BAR) con un alcance de varios miles de kilómetros (un proyecto conjunto de OKB-1 e IPPE), los estadounidenses tenían sistemas similares del tipo Kiwi. Los motores se probaron en los sitios de prueba cerca de Semipalatinsk y en Nevada. El principio de su funcionamiento es el siguiente: el hidrógeno se calienta en un reactor nuclear a altas temperaturas, pasa a un estado atómico y ya en esta forma expira desde un cohete. En este caso, la velocidad de escape aumenta más de cuatro veces en comparación con un cohete de hidrógeno químico. La cuestión era averiguar a qué temperatura se puede calentar el hidrógeno en un reactor de pila de combustible sólido. Los cálculos dieron alrededor de 3000°K.

En NII-1, cuyo supervisor era Mstislav Vsevolodovich Keldysh (entonces presidente de la Academia de Ciencias de la URSS), el departamento de V.M. Ievleva, con la participación de IPPE, participó en un esquema completamente fantástico: un reactor de fase gaseosa en el que se produce una reacción en cadena en una mezcla gaseosa de uranio e hidrógeno. El hidrógeno sale de un reactor de este tipo diez veces más rápido que de uno de combustible sólido, mientras que el uranio se separa y permanece en el núcleo. Una de las ideas era usar la separación centrífuga, cuando una mezcla gaseosa caliente de uranio e hidrógeno es "girada" por el hidrógeno frío entrante, como resultado de lo cual el uranio y el hidrógeno se separan, como en una centrífuga. Ievlev intentó, de hecho, reproducir directamente los procesos en la cámara de combustión de un cohete químico, utilizando como fuente de energía no el calor de combustión del combustible, sino una reacción en cadena de fisión. Esto allanó el camino para el uso completo de la intensidad energética. núcleos atómicos. Pero la cuestión de la posibilidad de la salida de hidrógeno puro (sin uranio) del reactor quedó sin resolver, sin mencionar los problemas técnicos asociados con la retención de alta temperatura. mezclas de gases a presiones de cientos de atmósferas.

El trabajo de IPPE sobre misiles atómicos balísticos terminó en 1969-1970 con "pruebas de fuego" en el sitio de prueba de Semipalatinsk de un prototipo de motor de cohete nuclear con elementos de combustible sólido. Fue creado por IPPE en cooperación con Voronezh Design Bureau A.D. Konopatov, Moscow NII-1 y varios otros grupos tecnológicos. El motor con un empuje de 3,6 toneladas se basó en el reactor nuclear IR-100 con elementos combustibles hechos de una solución sólida de carburo de uranio y carburo de circonio. La temperatura del hidrógeno alcanzó los 3000°K a una potencia del reactor de ~170 MW.

Propulsores nucleares

Hasta ahora hemos estado hablando de cohetes con un empuje superior a su peso, que podrían ser lanzados desde la superficie de la Tierra. En tales sistemas, un aumento en la tasa de escape permite reducir el stock de fluido de trabajo, aumentar la carga útil y abandonar el proceso de múltiples etapas. Sin embargo, hay formas de lograr velocidades de escape prácticamente ilimitadas, por ejemplo, la aceleración de la materia por campos electromagnéticos. Trabajé en esta área en estrecho contacto con Igor Bondarenko durante casi 15 años.

La aceleración de un cohete con un motor a reacción eléctrico (EP) está determinada por la relación entre la potencia específica de la planta de energía nuclear espacial (KAES) instalada en ellos y la velocidad de escape. En un futuro previsible, la potencia específica de KNPP, aparentemente, no superará 1 kW/kg. Al mismo tiempo, es posible crear cohetes con bajo empuje, decenas y cientos de veces menos que el peso del cohete, y con un consumo muy bajo del fluido de trabajo. Tal cohete solo puede lanzarse desde la órbita de un satélite artificial de la Tierra y, acelerando lentamente, alcanza altas velocidades.

Para vuelos dentro del sistema solar se necesitan cohetes con una velocidad de expiración de 50-500 km/s, y para vuelos a las estrellas, “cohetes de fotones” que van más allá de nuestra imaginación con una velocidad de expiración, igual velocidad Sveta. Para llevar a cabo un vuelo espacial de largo alcance de cualquier duración razonable, se necesitan inimaginables relaciones potencia-peso de las plantas de energía. Hasta ahora, es imposible siquiera imaginar en qué procesos físicos se pueden basar.

Los cálculos realizados demostraron que durante la Gran Confrontación, cuando la Tierra y Marte están más cerca, es posible volar una nave nuclear con tripulación a Marte en un año y devolverla a la órbita de un satélite artificial de la Tierra. . El peso total de un barco de este tipo es de aproximadamente 5 toneladas (incluida la reserva del fluido de trabajo: cesio, equivalente a 1,6 toneladas). Está determinado principalmente por la masa del KNPP con una potencia de 5 MW, y el empuje reactivo está determinado por un haz de iones de cesio de dos megavatios con una energía de 7 kiloelectronvoltios*. La nave parte de la órbita de un satélite artificial de la Tierra, entra en la órbita de un satélite de Marte, y deberá descender a su superficie sobre un aparato con un motor químico de hidrógeno, similar al lunar estadounidense.

Esta dirección, basada en soluciones tecnicas, que ya son posibles hoy, se dedicó un gran ciclo de trabajos del IPPE.

Propulsores de iones

En esos años, se discutieron formas de crear diversos sistemas de propulsión eléctrica para vehículos espaciales, como "cañones de plasma", aceleradores electrostáticos de "polvo" o gotas líquidas. Sin embargo, ninguna de las ideas tenía una base física clara. El descubrimiento fue la ionización superficial del cesio.

En la década de 1920, el físico estadounidense Irving Langmuir descubrió la ionización superficial de los metales alcalinos. Cuando un átomo de cesio se evapora de la superficie de un metal (en nuestro caso, tungsteno), cuya función de trabajo electrónico es mayor que el potencial de ionización del cesio, pierde un electrón débilmente unido en casi el 100% de los casos y resulta ser un átomo simple. ión cargado. Así, la ionización superficial de cesio sobre tungsteno es el proceso físico que hace posible crear un propulsor de iones con casi un 100% de uso del fluido de trabajo y con una eficiencia energética cercana a la unidad.

Nuestro colega Stal Yakovlevich Lebedev desempeñó un papel importante en la creación de modelos de un propulsor de iones de tal esquema. Con su perseverancia y perseverancia de hierro, superó todos los obstáculos. Como resultado, fue posible reproducir en metal un circuito plano de tres electrodos de un propulsor de iones. El primer electrodo es una placa de tungsteno de aproximadamente 10 × 10 cm de tamaño con un potencial de +7 kV, el segundo es una rejilla de tungsteno con un potencial de -3 kV y el tercero es una rejilla de tungsteno toriado con potencial cero. El "cañón molecular" emitió un haz de vapor de cesio, que cayó a través de todas las rejillas sobre la superficie de la placa de tungsteno. Una placa de metal balanceada y calibrada, la llamada balanza, servía para medir la "fuerza", es decir, el empuje del haz de iones.

Un voltaje de aceleración en la primera rejilla acelera los iones de cesio a 10 000 eV, mientras que un voltaje de desaceleración en la segunda rejilla los ralentiza a 7 000 eV. Esta es la energía con la que los iones deben salir de la hélice, lo que corresponde a una velocidad de salida de 100 km/s. Pero un haz de iones, limitado por una carga espacial, no puede “salir al espacio exterior”. La carga volumétrica de los iones debe compensarse con electrones para formar un plasma casi neutro, que se propaga libremente en el espacio y crea un empuje reactivo. La fuente de electrones para compensar la carga espacial del haz de iones es la tercera rejilla (cátodo) calentada por la corriente. La segunda rejilla de "bloqueo" evita que los electrones pasen del cátodo a la placa de tungsteno.

La primera experiencia con el modelo de propulsión iónica marcó el inicio de más de diez años de trabajo. Uno de los últimos modelos, con un emisor de tungsteno poroso, creado en 1965, daba un "empuje" de unos 20 g con una corriente de haz de iones de 20 A, tenía un factor de utilización de energía de alrededor del 90 % y una tasa de utilización de materia de 95 %

conversión directa calor nuclear en electricidad

Aún no se han encontrado formas de convertir directamente la energía de la fisión nuclear en energía eléctrica. Todavía no podemos prescindir de un enlace intermedio: un motor térmico. Dado que su eficiencia siempre es menor que la unidad, el calor "de desecho" debe colocarse en alguna parte. En tierra, en el agua y en el aire, no hay problemas con esto. En el espacio, solo hay una forma: Radiación termal. Por lo tanto, KNPP no puede prescindir de un "emisor de refrigerador". La densidad de radiación es proporcional a la cuarta potencia de la temperatura absoluta, por lo que la temperatura del radiador-emisor debe ser lo más alta posible. Entonces será posible reducir el área de la superficie radiante y, en consecuencia, la masa de la planta de energía. Se nos ocurrió la idea de utilizar la conversión "directa" del calor nuclear en electricidad, sin turbina ni generador, que parecía más fiable en el funcionamiento a largo plazo a altas temperaturas.

Por la literatura, conocíamos las obras de A.F. Joffe - fundador escuela sovietica física técnica, pionera en el estudio de los semiconductores en la URSS. Pocos recuerdan ahora las fuentes actuales que desarrolló, que se utilizaron durante la Gran Guerra Patria. En ese momento, más de un destacamento partisano tenía conexión con el continente gracias a los TEG de "queroseno", los generadores termoeléctricos de Ioffe. La "corona" de los TEG (era un conjunto de elementos semiconductores) se colocó en una lámpara de queroseno y sus cables se conectaron a un equipo de radio. Los extremos "calientes" de los elementos se calentaron con la llama de una lámpara de queroseno y los extremos "fríos" se enfriaron en el aire. El flujo de calor, al atravesar el semiconductor, generaba una fuerza electromotriz, suficiente para una sesión de comunicación, y en los intervalos entre ellas, el TEG cargaba la batería. Cuando, diez años después de la Victoria, visitamos la planta de TEG de Moscú, resultó que todavía encuentran ventas. Muchos aldeanos tenían entonces receptores de radio económicos "Rodina" con lámparas incandescentes directas, alimentadas por una batería. En su lugar, a menudo se usaban TEG.

El problema con el TEG de queroseno es su baja eficiencia (solo alrededor del 3,5%) y su baja temperatura límite (350°K). Pero la simplicidad y confiabilidad de estos dispositivos atrajeron a los desarrolladores. Entonces, los convertidores de semiconductores desarrollados por el grupo de I.G. Gverdtsiteli en el Instituto de Física y Tecnología de Sukhumi, han encontrado aplicación en instalaciones espaciales del tipo Buk.

En un momento, A.F. Ioffe propuso otro convertidor termoiónico: un diodo en el vacío. El principio de su funcionamiento es el siguiente: un cátodo calentado emite electrones, parte de ellos, superando el potencial del ánodo, funciona. Se esperaba que este dispositivo tuviera una eficiencia significativamente mayor (20-25%) con Temperatura de funcionamiento por encima de 1000°K. Además, a diferencia de un semiconductor, un diodo de vacío no teme la radiación de neutrones y se puede combinar con reactor nuclear. Sin embargo, resultó que era imposible realizar la idea del convertidor Ioffe de "vacío". Al igual que en la propulsión de iones, en el convertidor de vacío, debe deshacerse de la carga espacial, pero esta vez no los iones, sino los electrones. AF Ioffe pretendía utilizar brechas de micras entre el cátodo y el ánodo en un convertidor de vacío, lo que es prácticamente imposible en condiciones de altas temperaturas y deformaciones térmicas. Aquí es donde el cesio resulta útil: ¡un ion de cesio, producido por la ionización superficial en el cátodo, compensa la carga espacial de unos 500 electrones! De hecho, el convertidor de cesio es un propulsor de iones "invertido". Los procesos físicos en ellos están cerca.

"Guirnaldas" V.A. Malyja

Uno de los resultados del trabajo de IPPE sobre convertidores termoiónicos fue la creación de V.A. Malykh y la producción en serie en su departamento de elementos combustibles de convertidores termoiónicos conectados en serie: "guirnaldas" para el reactor Topaz. Dieron hasta 30 V, cien veces más que los convertidores de un solo elemento creados por "organizaciones competidoras", el grupo de Leningrado de M.B. Barabash y más tarde - por el Instituto de Energía Atómica. Esto hizo posible "quitar" decenas y cientos de veces más energía del reactor. Sin embargo, la confiabilidad del sistema, repleto de miles de elementos termoiónicos, causó preocupación. Al mismo tiempo, las turbinas de vapor y de gas funcionaban sin fallas, por lo que dirigimos nuestra atención a la conversión "máquina" del calor nuclear en electricidad.

Toda la dificultad radicaba en el recurso, porque en los vuelos espaciales de largo alcance, los turbogeneradores deben funcionar durante un año, dos o incluso varios años. Para reducir el desgaste, las “revoluciones” (velocidad de la turbina) deben mantenerse lo más bajas posible. Por otro lado, una turbina funciona eficientemente si la velocidad de las moléculas de gas o vapor es cercana a la velocidad de sus palas. Por lo tanto, al principio consideramos el uso del vapor de mercurio más pesado. Pero estábamos asustados por la intensa corrosión inducida por radiación del hierro y el acero inoxidable que se produjo en un reactor nuclear enfriado por mercurio. En dos semanas, la corrosión "comió" los elementos combustibles del reactor rápido experimental "Clementine" en el laboratorio Argon (EE. UU., 1949) y el reactor BR-2 en el IPPE (URSS, Obninsk, 1956).

El vapor de potasio era tentador. El reactor con potasio hirviendo formó la base de la planta de energía que estamos desarrollando para una nave espacial de bajo empuje: el vapor de potasio hizo girar el turbogenerador. Tal método de "máquina" para convertir el calor en electricidad hizo posible contar con una eficiencia de hasta el 40%, mientras que las instalaciones termoiónicas reales dieron una eficiencia de solo alrededor del 7%. Sin embargo, no se han desarrollado KNPP con conversión "máquina" de calor nuclear en electricidad. El caso terminó con la publicación de un informe detallado, de hecho, una "nota física" del diseño técnico de una nave espacial de bajo empuje para un vuelo con tripulación a Marte. El proyecto en sí nunca se desarrolló.

En el futuro, creo, el interés en los vuelos espaciales con motores de cohetes nucleares simplemente desapareció. Después de la muerte de Sergei Pavlovich Korolev, el apoyo al trabajo del IPPE sobre propulsión iónica y centrales nucleares "máquinas" se debilitó notablemente. OKB-1 estaba dirigido por Valentin Petrovich Glushko, quien no tenía interés en proyectos audaces y prometedores. La oficina de diseño de Energiya creada por él construyó poderosos cohetes químicos y la nave espacial Buran que regresa a la Tierra.

"Buk" y "Topaz" en los satélites de la serie "Cosmos"

El trabajo sobre la creación de un KNPP con conversión directa de calor en electricidad, ahora como fuentes de energía para poderosos satélites de radio (estaciones de radar espacial y emisoras de televisión), continuó hasta el comienzo de la perestroika. Entre 1970 y 1988, se lanzaron al espacio unos 30 satélites de radar con centrales nucleares Buk con reactores convertidores de semiconductores y dos con instalaciones termoiónicas Topaz. El Buk, de hecho, era un TEG, un convertidor de semiconductores Ioffe, solo que en lugar de una lámpara de queroseno usaba un reactor nuclear. Era un reactor rápido con una potencia de hasta 100 kW. La carga completa de uranio altamente enriquecido era de unos 30 kg. El calor del núcleo fue transferido por metal líquido, una aleación eutéctica de sodio y potasio a las baterías de semiconductores. La potencia eléctrica alcanzó los 5 kW.

La instalación Buk bajo la supervisión científica del IPPE fue desarrollada por los especialistas de OKB-670 M.M. Bondaryuk, más tarde - NPO Krasnaya Zvezda (diseñador jefe - G.M. Gryaznov). La Oficina de Diseño de Dnepropetrovsk Yuzhmash (Diseñador Jefe M.K. Yangel) fue asignada para crear un vehículo de lanzamiento para poner el satélite en órbita.

El tiempo de funcionamiento del Buk es de 1-3 meses. Si la instalación fallaba, el satélite se transfirió a una órbita a largo plazo con una altura de 1000 km. Durante casi 20 años de lanzamientos, ha habido tres casos de satélites que caen a la Tierra: dos en el océano y uno en tierra, en Canadá, en las cercanías del Gran Lago de los Esclavos. Cosmos-954, lanzado el 24 de enero de 1978, cayó allí. Trabajó durante 3,5 meses. Los elementos de uranio del satélite se quemaron por completo en la atmósfera. En el suelo solo se encontraron los restos de un reflector de berilio y baterías de semiconductores. (Todos estos datos se proporcionan en el informe conjunto de las comisiones nucleares de EE. UU. y Canadá sobre la Operación Morning Light).

En la central nuclear termoiónica Topaz se utilizó un reactor térmico con una potencia de hasta 150 kW. La carga completa de uranio era de unos 12 kg, significativamente menor que la del Buk. La base del reactor fueron los elementos combustibles - "guirnaldas", desarrolladas y fabricadas por el grupo de Malykh. Eran una cadena de termoelementos: el cátodo era un “dedal” de tungsteno o molibdeno lleno de óxido de uranio, el ánodo era un tubo de paredes delgadas de niobio enfriado con sodio-potasio líquido. La temperatura del cátodo alcanzó 1650°C. La potencia eléctrica de la instalación alcanzó los 10 kW.

El primer modelo de vuelo, el satélite Kosmos-1818 con la instalación Topaz, entró en órbita el 2 de febrero de 1987 y funcionó a la perfección durante seis meses, hasta que se agotaron las reservas de cesio. El segundo satélite, Cosmos-1876, se lanzó un año después. Trabajó en órbita casi el doble de tiempo. El principal desarrollador de Topaz fue OKB MMZ Soyuz, encabezado por S.K. Tumansky (antigua oficina de diseño del diseñador de motores de aviones A.A. Mikulin).

Fue a fines de la década de 1950, cuando trabajábamos en la propulsión iónica, y él estaba en un motor de tercera etapa para un cohete que volaría alrededor de la luna y aterrizaría en ella. Los recuerdos del laboratorio de Melnikov están frescos hasta el día de hoy. Estaba ubicado en Podlipki (ahora la ciudad de Korolev), en el sitio No. 3 de OKB-1. Un enorme taller con una superficie de unos 3000 m2, flanqueado por decenas de mesas con osciloscopios de bucle que grababan en rollos de papel de 100 mm (esto era todavía una época pasada, hoy bastaría con un ordenador personal). En la pared frontal del taller hay un soporte donde se monta la cámara de combustión del motor de cohete "lunar". Miles de cables van a los osciloscopios desde los sensores de velocidad del gas, presión, temperatura y otros parámetros. El día comienza a las 9.00 con el encendido del motor. Funciona durante varios minutos, luego, inmediatamente después de que se detiene, el equipo mecánico de primer turno lo desmonta, inspecciona cuidadosamente y mide la cámara de combustión. Al mismo tiempo, se analizan las cintas de osciloscopio y se hacen recomendaciones para cambios de diseño. El segundo turno: los diseñadores y los trabajadores del taller realizan los cambios recomendados. En el tercer turno, se montan en el soporte una nueva cámara de combustión y un sistema de diagnóstico. Un día después, exactamente a las 9.00, la siguiente sesión. Y así sin días libres semanas, meses. ¡Más de 300 opciones de motor por año!

Así es como se crearon los motores de cohetes químicos, que tenían que funcionar durante solo 20-30 minutos. ¿Qué podemos decir sobre las pruebas y el refinamiento de las centrales nucleares? El cálculo fue que deberían funcionar durante más de un año. Requirió un esfuerzo verdaderamente gigantesco.

Sergeev Alexey, 9 Clase "A" MOU "Escuela secundaria No. 84"

Consultor científico: , Director Adjunto de la asociación sin fines de lucro para actividades científicas e innovadoras "Tomsk Atomic Center"

Supervisor: , profesor de física, MOU "Escuela Secundaria No. 84" ZATO Seversk

Introducción

Los sistemas de propulsión a bordo de una nave espacial están diseñados para generar empuje o impulso. Según el tipo de empuje que utiliza el sistema de propulsión, se dividen en químicos (CRD) y no químicos (NCRD). Los HRD se dividen en líquidos (LRE), combustibles sólidos (RDTT) y combinados (KRD). A su vez, los sistemas de propulsión no química se dividen en nucleares (NRE) y eléctricos (EP). Excelente científico Konstantin Eduardovich Tsiolkovsky, hace un siglo, creó el primer modelo de un sistema de propulsión que funcionaba con combustibles sólidos y líquidos. Posteriormente, en la segunda mitad del siglo XX, se realizaron miles de vuelos utilizando principalmente LRE y motores de cohetes de combustible sólido.

Sin embargo, en la actualidad, para vuelos a otros planetas, sin mencionar las estrellas, el uso de motores de cohetes de propulsante líquido y motores de cohetes de propulsante sólido es cada vez menos rentable, aunque se han desarrollado muchos motores de cohetes. Lo más probable es que las posibilidades de LRE y los motores de cohetes de propulsante sólido se hayan agotado por completo. La razón de esto es que el impulso específico de todos los motores de cohetes químicos es bajo y no supera los 5000 m/s, lo que requiere un funcionamiento a largo plazo del sistema de propulsión y, en consecuencia, grandes reservas de combustible o, como es habitual en la astronáutica. , para desarrollar velocidades suficientemente altas. grandes valores el número de Tsiolkovsky, es decir, la relación entre la masa de un cohete con combustible y la masa de uno vacío. Así, RN Energia, que pone en órbita baja 100 toneladas de carga útil, tiene una masa de lanzamiento de unas 3.000 toneladas, lo que le da al número de Tsiolkovsky un valor en el rango de 30.

Para un vuelo a Marte, por ejemplo, el número de Tsiolkovsky debería ser aún mayor, alcanzando valores de 30 a 50. Es fácil estimar que con una carga útil de unas 1.000 toneladas, es decir, la masa mínima requerida para proporcionar todo lo necesario para una tripulación que parta hacia Marte teniendo en cuenta el suministro de combustible para el vuelo de regreso a la Tierra, la masa inicial de la nave espacial debe ser de al menos 30.000 toneladas, lo que supera claramente el nivel de desarrollo de la astronáutica moderna basada en el uso de líquido motores de cohetes propulsores y motores de cohetes propulsores sólidos.

Por lo tanto, para que las tripulaciones tripuladas lleguen incluso a los planetas más cercanos, es necesario desarrollar vehículos de lanzamiento con motores que funcionen con principios diferentes a los de la propulsión química. Los más prometedores en este sentido son los motores a reacción eléctricos (EP), los motores de cohetes termoquímicos y los motores a reacción nucleares (NJ).

1.Conceptos básicos

Un motor de cohete es un motor a reacción que no utiliza el medio ambiente (aire, agua) para funcionar. Los motores de cohetes químicos más utilizados. Se están desarrollando y probando otros tipos de motores de cohetes: eléctricos, nucleares y otros. En las estaciones y vehículos espaciales, también se utilizan ampliamente los motores de cohetes más simples que funcionan con gases comprimidos. Usualmente usan nitrógeno como fluido de trabajo. /una/

Clasificación de los sistemas de propulsión

2. Propósito de los motores de cohetes.

Según su propósito, los motores de cohetes se dividen en varios tipos principales: aceleración (arranque), frenado, sostén, control y otros. Los motores de cohetes se utilizan principalmente en cohetes (de ahí el nombre). Además, los motores de cohetes a veces se utilizan en la aviación. Los motores de cohetes son los motores principales en la astronáutica.

Los misiles militares (de combate) suelen tener motores de combustible sólido. Esto se debe al hecho de que dicho motor se reabastece de combustible en la fábrica y no requiere mantenimiento durante todo el período de almacenamiento y servicio del cohete. Los motores de combustible sólido se utilizan a menudo como propulsores para cohetes espaciales. Especialmente ampliamente, en esta capacidad, se utilizan en los EE. UU., Francia, Japón y China.

Los motores de cohetes de propulsante líquido tienen características de empuje más altas que los de propulsante sólido. Por lo tanto, se utilizan para lanzar cohetes espaciales en órbita alrededor de la Tierra y en vuelos interplanetarios. Los principales propulsores líquidos para cohetes son el queroseno, el heptano (dimetilhidrazina) y el hidrógeno líquido. Para tales combustibles, se requiere un agente oxidante (oxígeno). El ácido nítrico y el oxígeno licuado se utilizan como agentes oxidantes en dichos motores. El ácido nítrico es inferior al oxígeno licuado en términos de propiedades oxidantes, pero no requiere mantener un régimen de temperatura especial durante el almacenamiento, el reabastecimiento de combustible y el uso de cohetes.

Los motores de los vuelos espaciales son diferentes de temas terrenales que ellos, con la menor masa y volumen posibles, deben producir la mayor cantidad de energía posible. Además, están sujetos a requisitos tales como una eficiencia y confiabilidad excepcionalmente altas, un tiempo de operación significativo. Según el tipo de energía utilizada, los sistemas de propulsión de las naves espaciales se dividen en cuatro tipos: termoquímicos, nucleares, eléctricos, de navegación solar. Cada uno de estos tipos tiene sus propias ventajas y desventajas y puede usarse en ciertas condiciones.

Actualmente, las naves espaciales, las estaciones orbitales y los satélites terrestres no tripulados se lanzan al espacio mediante cohetes equipados con potentes motores termoquímicos. También hay motores en miniatura de bajo empuje. Esta es una copia reducida de motores potentes. Algunos de ellos pueden caber en la palma de tu mano. La fuerza de empuje de tales motores es muy pequeña, pero es suficiente para controlar la posición de la nave en el espacio.

3. Motores de cohetes termoquímicos.

Se sabe que el motor Combustión interna, el horno de una caldera de vapor: dondequiera que tenga lugar la combustión, el oxígeno atmosférico toma la parte más activa. No hay aire en el espacio exterior, y para el funcionamiento de los motores de cohetes en el espacio exterior, es necesario tener dos componentes: combustible y oxidante.

En los motores de cohetes termoquímicos líquidos, se utilizan como combustible alcohol, queroseno, gasolina, anilina, hidracina, dimetilhidracina e hidrógeno líquido. El oxígeno líquido, el peróxido de hidrógeno y el ácido nítrico se utilizan como agente oxidante. Es posible que el flúor líquido se use como agente oxidante en el futuro, cuando se inventen métodos para almacenar y usar dicho químico activo.

El combustible y el oxidante para los motores a reacción de propulsante líquido se almacenan por separado en tanques especiales y se bombean a la cámara de combustión. Cuando se combinan en la cámara de combustión, se desarrolla una temperatura de hasta 3000 - 4500 ° C.

Los productos de combustión, al expandirse, adquieren una velocidad de 2500 a 4500 m/s. Comenzando desde la carcasa del motor, crean un empuje de chorro. Al mismo tiempo, cuanto mayor sea la masa y la velocidad de la salida de gases, mayor será la fuerza de empuje del motor.

Es costumbre estimar el empuje específico de los motores por la cantidad de empuje creado por una unidad de masa de combustible quemado en un segundo. Este valor se denomina impulso específico del motor del cohete y se mide en segundos (kg de empuje / kg de combustible quemado por segundo). Los mejores motores de cohetes de combustible sólido tienen un impulso específico de hasta 190 s, es decir, 1 kg de combustible quemado en un segundo crea un empuje de 190 kg. El motor cohete de hidrógeno-oxígeno tiene un impulso específico de 350 s. Teóricamente, un motor de hidrógeno-flúor puede desarrollar un impulso específico de más de 400 s.

El esquema de uso común de un motor de cohete de propulsante líquido funciona de la siguiente manera. El gas comprimido crea la presión necesaria en los tanques con combustible criogénico para evitar la aparición de burbujas de gas en las tuberías. Las bombas suministran combustible a los motores de cohetes. El combustible se inyecta en la cámara de combustión a través de un gran número de boquillas Además, se inyecta un agente oxidante en la cámara de combustión a través de las boquillas.

En cualquier automóvil, durante la combustión del combustible, se forman grandes flujos de calor que calientan las paredes del motor. Si no enfría las paredes de la cámara, se quemará rápidamente, sin importar de qué material esté hecho. Un motor a reacción de propulsante líquido generalmente se enfría con uno de los componentes propulsores. Para esto, la cámara está hecha de dos paredes. El componente de combustible frío fluye en el espacio entre las paredes.

Aluminio" href="/text/category/aluminij/" rel="bookmark">aluminio, etc. Especialmente como aditivo a los combustibles convencionales, como el hidrógeno-oxígeno. Tales "composiciones triples" pueden proporcionar la mayor velocidad posible para la salida de combustibles químicos - hasta 5 km / s. Pero este es prácticamente el límite de los recursos de la química. Prácticamente no puede hacer más. Aunque la descripción propuesta todavía está dominada por motores de cohetes líquidos, debe decirse que el primero en la historia de la humanidad se creó un motor de cohete termoquímico con combustible sólido - Propulsor de cohetes de combustible sólido - combustible - por ejemplo, pólvora especial - se encuentra directamente en la cámara de combustión La cámara de combustión con una boquilla de chorro llena de combustible sólido - eso es todo diseño combustible sólido depende del propósito del motor cohete de combustible sólido (arranque, marcha o combinado). Para los cohetes de propulsor sólido utilizados en asuntos militares, la presencia de motores de arranque y sustentación es característica. El motor de cohete de propulsor sólido de lanzamiento desarrolla un gran empuje durante un tiempo muy corto, que es necesario para que el cohete abandone el lanzador y su aceleración inicial. Un motor de cohete de propulsor sólido en marcha está diseñado para mantener una velocidad de vuelo constante del cohete en la sección principal (crucero) de la ruta de vuelo. Las diferencias entre ellos radican principalmente en el diseño de la cámara de combustión y el perfil de la superficie de combustión de la carga de combustible, que determinan la velocidad de combustión del combustible, de la que depende el tiempo de funcionamiento y el empuje del motor. A diferencia de estos cohetes, los vehículos de lanzamiento espacial para lanzar satélites terrestres, estaciones orbitales y naves espaciales, así como estaciones interplanetarias, funcionan únicamente en el modo de arranque desde el lanzamiento del cohete hasta el lanzamiento de un objeto en órbita alrededor de la Tierra o en un espacio interplanetario. trayectoria. En general, los motores de cohetes sólidos no tienen muchas ventajas sobre los motores de combustible líquido: son fáciles de fabricar, se pueden almacenar durante mucho tiempo, siempre están listos para la acción y son relativamente a prueba de explosiones. Pero en términos de empuje específico, los motores de propulsante sólido son un 10-30% inferiores a los líquidos.

4. Motores de cohetes eléctricos

Casi todos los motores de cohetes discutidos anteriormente desarrollan un empuje tremendo y están diseñados para poner naves espaciales en órbita alrededor de la Tierra y acelerarlas a velocidades espaciales para vuelos interplanetarios. Es un asunto completamente diferente: los sistemas de propulsión para naves espaciales ya puestas en órbita o en una trayectoria interplanetaria. Aquí, por regla general, se necesitan motores de baja potencia (varios kilovatios o incluso vatios) que pueden funcionar cientos y miles de horas y encenderse y apagarse repetidamente. Te permiten mantener el vuelo en órbita oa lo largo de una trayectoria determinada, compensando la resistencia al vuelo creada por la atmósfera superior y el viento solar. En los motores de cohetes eléctricos, el fluido de trabajo se acelera a una cierta velocidad calentándolo con energía eléctrica. La electricidad proviene de paneles solares o una central nuclear. Los métodos de calentamiento del fluido de trabajo son diferentes, pero en realidad se utiliza principalmente arco eléctrico. Demostró ser muy confiable y resiste una gran cantidad de inclusiones. El hidrógeno se utiliza como fluido de trabajo en los motores de arco eléctrico. Con la ayuda de un arco eléctrico, el hidrógeno se calienta a una temperatura muy alta y se convierte en plasma, una mezcla eléctricamente neutra de iones positivos y electrones. La velocidad de salida del plasma del propulsor alcanza los 20 km/s. Cuando los científicos resuelvan el problema del aislamiento magnético del plasma de las paredes de la cámara del motor, será posible aumentar significativamente la temperatura del plasma y llevar la velocidad de salida a 100 km/s. El primer motor de cohete eléctrico se desarrolló en la Unión Soviética en los años. bajo el liderazgo (más tarde se convirtió en el creador de motores para cohetes espaciales soviéticos y académico) en el famoso laboratorio de dinámica de gases (GDL). / 10 /

5.Otros tipos de motores

También hay proyectos más exóticos de motores de cohetes nucleares, en los que el material fisible se encuentra en estado líquido, gaseoso o incluso de plasma, sin embargo, la implementación de tales diseños en nivel moderno la técnica y la tecnología no es realista. Existen, mientras se encuentran en la etapa teórica o de laboratorio, los siguientes proyectos de motores de cohetes

Motores de cohetes nucleares de pulso que utilizan la energía de explosiones de pequeñas cargas nucleares;

Motores de cohetes termonucleares que pueden utilizar un isótopo de hidrógeno como combustible. La eficiencia energética del hidrógeno en tal reacción es de 6,8*1011 kJ/kg, es decir, aproximadamente dos órdenes de magnitud superior a la productividad de las reacciones de fisión nuclear;

Motores de vela solar: que utilizan la presión de la luz solar (viento solar), cuya existencia fue probada experimentalmente por un físico ruso en 1899. Por cálculo, los científicos han establecido que un dispositivo que pesa 1 tonelada, equipado con una vela con un diámetro de 500 m, puede volar de la Tierra a Marte en unos 300 días. Sin embargo, la eficiencia de una vela solar disminuye rápidamente con la distancia al Sol.

6. Motores de cohetes nucleares

Una de las principales desventajas de los motores de cohetes de propulsante líquido está asociada con la velocidad limitada de la salida de gases. En los motores de cohetes nucleares, parece posible utilizar la colosal energía liberada durante la descomposición del "combustible" nuclear para calentar la sustancia de trabajo. El principio de funcionamiento de los motores de cohetes nucleares es casi el mismo que el principio de funcionamiento de los motores termoquímicos. La diferencia radica en el hecho de que el fluido de trabajo se calienta no debido a su propia energía química, sino a la energía "extraña" liberada durante la reacción intranuclear. El fluido de trabajo pasa a través de un reactor nuclear, en el que tiene lugar la reacción de fisión de los núcleos atómicos (por ejemplo, el uranio) y, al mismo tiempo, se calienta. Los motores de cohetes nucleares eliminan la necesidad de un oxidante y, por lo tanto, solo se puede usar un líquido. Como fluido de trabajo, es recomendable utilizar sustancias que permitan que el motor desarrolle una gran fuerza de tracción. El hidrógeno satisface más plenamente esta condición, seguido del amoníaco, la hidracina y el agua. Los procesos en los que se libera energía nuclear se dividen en transformaciones radiactivas, reacciones de fisión de núcleos pesados ​​y reacciones de fusión de núcleos ligeros. Las transformaciones de radioisótopos se realizan en las llamadas fuentes de energía isotópicas. La energía de masa específica (la energía que puede liberar una sustancia que pesa 1 kg) de los isótopos radiactivos artificiales es mucho mayor que la de los combustibles químicos. Así, para 210Ро es igual a 5*10 8 KJ/kg, mientras que para el combustible químico más eficiente energéticamente (berilio con oxígeno) este valor no supera los 3*10 4 KJ/kg. Desafortunadamente, estos motores se utilizan en vehículos de lanzamiento espacial aún no es racional. La razón de esto es el alto costo de la sustancia isotópica y la dificultad de operación. Después de todo, el isótopo libera energía constantemente, incluso cuando se transporta en un contenedor especial y cuando el cohete está estacionado en la salida. Los reactores nucleares utilizan combustible más eficiente energéticamente. Así, la energía de masa específica del 235U (el isótopo fisible del uranio) es de 6,75 * 10 9 kJ/kg, es decir, aproximadamente un orden de magnitud superior a la del isótopo 210Ро. Estos motores se pueden "encender" y "apagar", el combustible nuclear (233U, 235U, 238U, 239Pu) es mucho más económico que el isótopo. En tales motores, no solo se puede usar agua como fluido de trabajo, sino también sustancias de trabajo más eficientes: alcohol, amoníaco, hidrógeno líquido. El empuje específico de un motor con hidrógeno líquido es de 900 s. En el esquema más simple de un motor de cohete nuclear con un reactor que funciona con combustible nuclear sólido, el fluido de trabajo se coloca en un tanque. La bomba lo envía a la cámara del motor. Rociado con la ayuda de boquillas, el fluido de trabajo entra en contacto con el combustible nuclear que produce calor, se calienta, se expande y es expulsado a través de la boquilla a alta velocidad. El combustible nuclear en términos de reservas de energía supera a cualquier otro tipo de combustible. Entonces surge una pregunta natural: ¿por qué las instalaciones de este combustible todavía tienen un empuje específico relativamente pequeño y una gran masa? El hecho es que el empuje específico de un motor de cohete nuclear de fase sólida está limitado por la temperatura del material fisionable, y planta de energía cuando funciona, emite una fuerte radiación ionizante, que tiene un efecto nocivo en los organismos vivos. La protección biológica contra tales radiaciones es de gran importancia; no es aplicable al espacio. aeronave. El desarrollo práctico de los motores de cohetes nucleares que utilizan combustible nuclear sólido comenzó a mediados de la década de 1950 en la Unión Soviética y los Estados Unidos, casi simultáneamente con la construcción del primer plantas de energía nuclear. El trabajo se llevó a cabo en un ambiente de alto secreto, pero se sabe que tales motores de cohetes aún no han recibido un uso real en la astronáutica. Hasta ahora todo se ha limitado al uso de fuentes isotópicas de electricidad de potencia relativamente baja en vehículos no tripulados. satélites artificiales La Tierra, naves espaciales interplanetarias y el mundialmente famoso "rover lunar" soviético.

7. Motores de reacción nuclear, principio de funcionamiento, métodos para obtener un impulso en un motor de cohete nuclear.

NRE obtuvo su nombre debido al hecho de que crean empuje mediante el uso de la energía nuclear, es decir, la energía que se libera como resultado de las reacciones nucleares. En un sentido general, estas reacciones significan cualquier cambio en el estado de energía de los núcleos atómicos, así como la transformación de unos núcleos en otros, asociada con el reordenamiento de la estructura de los núcleos o un cambio en el número de partículas elementales contenidas en ellos. - nucleones. Además, las reacciones nucleares, como es sabido, pueden ocurrir de forma espontánea (es decir, espontáneamente) o inducidas artificialmente, por ejemplo, cuando unos núcleos son bombardeados por otros (o por partículas elementales). Las reacciones nucleares de fisión y fusión en términos de energía superan reacciones químicas millones y decenas de millones de veces, respectivamente. Esto se debe a que la energía enlace químicoátomos en las moléculas es muchas veces menor que la energía de enlace nuclear de los nucleones en el núcleo. La energía nuclear en los motores de cohetes se puede utilizar de dos formas:

1. La energía liberada se utiliza para calentar el fluido de trabajo, que luego se expande en la boquilla, como en un motor de cohete convencional.

2. La energía nuclear se convierte en energía eléctrica y luego se utiliza para ionizar y acelerar partículas del fluido de trabajo.

3. Finalmente, el impulso es creado por los propios productos de fisión, formados en el proceso, por ejemplo, metales refractarios- tungsteno, molibdeno) se utilizan para impartir propiedades especiales a las sustancias fisionables.

Los elementos combustibles del reactor de fase sólida están perforados con canales a través de los cuales fluye el fluido de trabajo de la NRE, calentándose gradualmente. Los canales tienen un diámetro de aproximadamente 1-3 mm y su área total es del 20-30% de la sección transversal del núcleo. El núcleo está suspendido por una rejilla especial dentro de la carcasa de potencia para que pueda expandirse cuando se calienta el reactor (de lo contrario, colapsaría debido a las tensiones térmicas).

El núcleo experimenta altas cargas mecánicas asociadas con la acción de importantes caídas de presión hidráulica (hasta varias decenas de atmósferas) del fluido de trabajo que fluye, tensiones térmicas y vibraciones. El aumento del tamaño del núcleo durante el calentamiento del reactor alcanza varios centímetros. La zona activa y el reflector se colocan dentro de una carcasa de potencia fuerte, que percibe la presión del fluido de trabajo y el empuje creado por la boquilla de chorro. El estuche está cerrado por una cubierta fuerte. Acomoda mecanismos neumáticos, de resorte o eléctricos para el accionamiento de los cuerpos reguladores, puntos de fijación del NRE a la nave espacial, bridas para conectar el NRE con las tuberías de suministro del fluido de trabajo. También se puede ubicar una unidad de turbobomba en la cubierta.

8 - Boquilla,

9 - Boquilla de expansión,

10 - Selección de la sustancia de trabajo a la turbina,

11 - Cuerpo de poder,

12 - Tambor de control

13 - Escape de turbina (utilizado para controlar la actitud y aumentar el empuje),

14 - Tambores de control de unidades de anillo)

A principios de 1957, se determinó la dirección final del trabajo del Laboratorio de Los Álamos y se tomó la decisión de construir un reactor nuclear de grafito con combustible de uranio disperso en grafito. El reactor Kiwi-A creado en esta dirección fue probado en 1959 el 1 de julio.

Motor a reacción nuclear de fase sólida estadounidense XE primer en un banco de pruebas (1968)

Además de la construcción del reactor, el Laboratorio de Los Álamos estaba en plena construcción de un sitio de prueba especial en Nevada, y también llevó a cabo una serie de pedidos especiales de la Fuerza Aérea de EE. UU. en áreas relacionadas (desarrollo de TNRE individuales unidades). En nombre del Laboratorio de Los Álamos, todos los pedidos especiales para la fabricación de componentes individuales fueron realizados por las firmas: Aerojet General, la división Rocketdyne de North American Aviation. En el verano de 1958, todo el control del programa Rover pasó de la Fuerza Aérea de EE. UU. a la recién organizada Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio (NASA). Fruto de un acuerdo especial entre la AEC y la NASA a mediados del verano de 1960, se formó la Oficina de Motores Nucleares Espaciales bajo la dirección de G. Finger, que lideró el programa Rover en el futuro.

Los resultados de seis "pruebas en caliente" de motores a reacción nucleares fueron muy alentadores y, a principios de 1961, se preparó un informe sobre las pruebas de vuelo del reactor (RJFT). Luego, a mediados de 1961, se lanzó el proyecto Nerva (el uso de un motor nuclear para cohetes espaciales). Se eligió a Aerojet General como contratista general y a Westinghouse como subcontratista responsable de la construcción del reactor.

10.2 Trabajo de TNRD en Rusia

Estadounidenses" href="/text/category/amerikanetc/" rel="bookmark">Estadounidenses Científicos rusos utilizaron las pruebas más económicas y eficientes de elementos combustibles individuales en reactores de investigación. Salyut", Design Bureau of Chemical Automation, IAE, NIKIET y Se creó NPO "Luch" (PNITI) para desarrollar varios proyectos de motores de cohetes nucleares espaciales y centrales nucleares híbridas. Luch", MAI) PATIO RD 0411 y un motor nuclear de mínima dimensión RD 0410 empuje de 40 y 3,6 toneladas, respectivamente.

Como resultado, se fabricaron un reactor, un motor “frío” y un prototipo de banco para realizar pruebas con hidrógeno gaseoso. A diferencia del estadounidense, con un impulso específico de no más de 8250 m/s, el TNRE soviético, debido al uso de elementos combustibles más resistentes al calor y avanzados y alta temperatura en el núcleo, tenía este indicador igual a 9100 m/s. sy superior. La base del banco para probar el TNRD de la expedición conjunta de NPO Luch se ubicó a 50 km al suroeste de la ciudad de Semipalatinsk-21. Comenzó a trabajar en 1962. En los años Los elementos combustibles a gran escala de los prototipos NRE se probaron en el sitio de prueba. Al mismo tiempo, los gases de escape ingresaron al sistema de emisión cerrado. El complejo de bancos para pruebas a gran escala de motores nucleares "Baikal-1" se encuentra a 65 km al sur de la ciudad de Semipalatinsk-21. Desde 1970 hasta 1988, se llevaron a cabo unos 30 "arranques en caliente" de reactores. Al mismo tiempo, la potencia no superó los 230 MW a un caudal de hidrógeno de hasta 16,5 kg/s y su temperatura a la salida del reactor de 3100 K. Todos los lanzamientos fueron exitosos, sin accidentes y según lo previsto.

TYARD RD-0410 soviético: el único motor de cohete nuclear industrial confiable y que funciona en el mundo

Actualmente, dicho trabajo en el vertedero se ha detenido, aunque el equipo se mantiene en condiciones relativamente operativas. La base de banco de NPO Luch es el único complejo experimental en el mundo donde es posible probar elementos de reactores NRE sin costos financieros y de tiempo significativos. Es posible que la reanudación en los Estados Unidos del trabajo en TNRE para vuelos a la Luna y Marte como parte del programa Iniciativa de Investigación Espacial con la participación prevista de especialistas de Rusia y Kazajstán conduzca a la reanudación de las actividades de Semipalatinsk. base y la implementación de la expedición "marciana" en la década de 2020.

Características principales

Impulso específico sobre hidrógeno: 910 - 980 segundo(teórico hasta 1000 segundo).

· Velocidad de expiración de un cuerpo de trabajo (hidrógeno): 9100 - 9800 m/seg.

· Empuje alcanzable: hasta cientos y miles de toneladas.

· Temperaturas máximas de trabajo: 3000°С - 3700°С (inclusión a corto plazo).

· Vida útil: hasta varios miles de horas (activación periódica). /5/

11.Dispositivo

El dispositivo del motor de cohete nuclear de fase sólida soviético RD-0410

1 - línea del tanque del fluido de trabajo

2 - grupo turbobomba

3 - accionamiento del tambor de control

4 - Protección de radiación

5 - tambor de control

6 - retardador

7 - conjunto de combustible

8 - vasija del reactor

9 - fondo de fuego

10 - Línea de refrigeración de boquillas

11- cámara de boquilla

12 - boquilla

12. Principio de funcionamiento

El TNRD, por su principio de funcionamiento, es un reactor-intercambiador de alta temperatura, en el que se introduce a presión un fluido de trabajo (hidrógeno líquido), y al ser calentado a altas temperaturas (superiores a los 3000 °C), es expulsado a través de una boquilla enfriada. La recuperación de calor en la boquilla es muy beneficiosa, ya que permite un calentamiento mucho más rápido del hidrógeno y, al utilizar una cantidad significativa de energía térmica, aumentar el impulso específico a 1000 segundos (9100-9800 m/s).

Reactor de motor de cohete nuclear

Tabla MsoNormal">

cuerpo de trabajo

Densidad, g/cm3

Empuje específico (a las temperaturas indicadas en la cámara de calentamiento, °K), segundo

0,071 (líquido)

0,682 (líquido)

1,000 (líquido)

no. datos

no. datos

no. datos

(Nota: la presión en la cámara de calentamiento es de 45,7 atm, expansión a una presión de 1 atm con la composición química del fluido de trabajo sin cambios) /6/

15.Ventajas

La principal ventaja del TNRD frente a los motores de cohetes químicos es la obtención de un impulso específico superior, una importante reserva de energía, un sistema compacto y la capacidad de obtener empujes muy elevados (decenas, centenas y miles de toneladas en vacío). En general, el impulso específico alcanzado en el vacío es mayor que el del combustible gastado de cohetes químicos de dos componentes (queroseno-oxígeno, hidrógeno-oxígeno) en 3-4 veces, y cuando se opera a la máxima intensidad de calor en 4-5 veces. En la actualidad, en los EE. UU. y Rusia existe una experiencia considerable en el desarrollo y construcción de dichos motores y, si es necesario (programas especiales de exploración espacial), dichos motores se pueden producir en poco tiempo y tendrán un costo razonable. uso adicional maniobras de perturbación utilizando el campo gravitatorio de grandes planetas (Júpiter, Urano, Saturno, Neptuno), los límites alcanzables del estudio del sistema solar se amplían significativamente y el tiempo necesario para llegar a los planetas distantes se reduce significativamente. Además, TNRD se puede utilizar con éxito para vehículos que operan en órbitas bajas de planetas gigantes utilizando su atmósfera enrarecida como fluido de trabajo, o para trabajar en su atmósfera. /ocho/

16. Desventajas

La principal desventaja de TNRD es la presencia de un poderoso flujo de radiación penetrante (radiación gamma, neutrones), así como la eliminación de compuestos de uranio altamente radiactivos, compuestos refractarios con radiación inducida y gases radiactivos con el fluido de trabajo. En este sentido, TNRD es inaceptable para lanzamientos desde tierra para evitar el deterioro. situación ambiental en el sitio de lanzamiento y en la atmósfera. /catorce/

17. Mejorar las características del TJARD. TNRD híbrido

Como cualquier cohete o cualquier motor en general, un motor a reacción nuclear de fase sólida tiene limitaciones significativas en cuanto a la capacidad alcanzable. las caracteristicas mas importantes. Estas restricciones representan la incapacidad del dispositivo (TNRD) para operar en el rango de temperatura que excede el rango de temperaturas máximas de operación materiales de construcción motor. Para expandir las capacidades y aumentar significativamente los principales parámetros operativos del TNRD, se pueden aplicar varios esquemas híbridos en los que el TNRD desempeña el papel de una fuente de calor y energía y se utilizan métodos físicos adicionales para acelerar los cuerpos de trabajo. El más confiable, práctico y de altas características en términos de impulso y empuje específico es un esquema híbrido con un circuito MHD adicional (circuito magnetohidrodinámico) para acelerar el fluido de trabajo ionizado (hidrógeno y aditivos especiales). /13/

18. Riesgo de radiación de YARD.

Un NRE en funcionamiento es una poderosa fuente de radiación: radiación gamma y de neutrones. Si no se toman medidas especiales, la radiación puede provocar un calentamiento inaceptable del fluido de trabajo y la estructura de la nave espacial, fragilización de los materiales estructurales metálicos, destrucción del plástico y envejecimiento de las piezas de caucho, violación del aislamiento de los cables eléctricos y fallas en los equipos electrónicos. La radiación puede causar radiactividad inducida (artificial) de los materiales: su activación.

En la actualidad, el problema de la protección radiológica de las naves espaciales con NRE se considera en principio resuelto. También se han resuelto las cuestiones fundamentales relacionadas con el mantenimiento de motores de cohetes nucleares en bancos de pruebas y sitios de lanzamiento. Aunque un NRE en funcionamiento representa un peligro para el personal operativo, "un día después del final de la operación del NRE, es posible permanecer durante varias decenas de minutos a una distancia de 50 m del NRE sin ningún equipo de protección personal y incluso acercarse a él El medio de protección más simple permite que el personal de mantenimiento ingrese al área de trabajo YARD poco después de la prueba.

El nivel de contaminación de los complejos de lanzamiento y el medio ambiente, aparentemente, no será un obstáculo para el uso de motores de cohetes nucleares en las etapas inferiores de los cohetes espaciales. El problema del riesgo de radiación para el medio ambiente y el personal operativo se mitiga en gran medida por el hecho de que el hidrógeno, utilizado como fluido de trabajo, prácticamente no se activa al pasar por el reactor. Por lo tanto, el jet NRE no es más peligroso que el jet LRE. / 4 /

Conclusión

Al considerar las perspectivas para el desarrollo y uso de motores de cohetes nucleares en la astronáutica, uno debe partir de las características logradas y esperadas de varios tipos de motores de cohetes nucleares, de lo que pueden aportar a la astronáutica, su aplicación y, finalmente, de la presencia de una estrecha conexión entre el problema de los motores de cohetes nucleares con el problema del suministro de energía en el espacio y con el desarrollo de la energía en general.

Como se mencionó anteriormente, de todos los tipos posibles de NRE, los más desarrollados son el motor de radioisótopos térmicos y el motor con un reactor de fisión en fase sólida. Pero si las características de los NRE de radioisótopos no permiten esperar su amplia aplicación en astronáutica (al menos en un futuro próximo), entonces la creación de NRE en fase sólida abre grandes perspectivas para la astronáutica.

Por ejemplo, se ha propuesto un dispositivo con una masa inicial de 40.000 toneladas (es decir, aproximadamente 10 veces mayor que la de los vehículos de lanzamiento modernos más grandes), con 1/10 de esta masa recayendo en la carga útil y 2/3 en la nuclear. cargos Si cada 3 segundos explota una carga, entonces su suministro será suficiente para 10 días de operación continua del motor de cohete nuclear. Durante este tiempo, el dispositivo acelerará hasta una velocidad de 10.000 km/s y en el futuro, después de 130 años, podrá alcanzar la estrella Alfa Centauro.

Las centrales nucleares tienen características únicas, que incluyen una intensidad energética prácticamente ilimitada, independencia de operación del medio ambiente, resistencia a las influencias externas (radiación cósmica, daño por meteoritos, alta y temperaturas bajas etc.). Sin embargo, la potencia máxima de las instalaciones de radioisótopos nucleares está limitada a un valor del orden de varios cientos de vatios. Esta restricción no existe para las plantas de energía de reactores nucleares, lo que predetermina la rentabilidad de su uso durante vuelos de larga duración de naves espaciales pesadas en el espacio cercano a la Tierra, durante vuelos a planetas distantes del sistema solar y en otros casos.

Las ventajas de la fase sólida y otras NRE con reactores de fisión se revelan más plenamente en el estudio de programas espaciales tan complejos como los vuelos tripulados a los planetas del sistema solar (por ejemplo, durante una expedición a Marte). En este caso, un aumento en el impulso específico de la RD permite resolver problemas cualitativamente nuevos. Todos estos problemas se ven facilitados en gran medida por el uso de un NRE de fase sólida con un impulso específico dos veces mayor que el de los LRE modernos. En este caso, también es posible reducir significativamente los tiempos de vuelo.

Lo más probable es que, en un futuro próximo, los NRE de fase sólida se conviertan en uno de los RD más comunes. El NRE de fase sólida se puede utilizar como vehículos para vuelos de largo alcance, por ejemplo, a planetas como Neptuno, Plutón e incluso volar fuera del Sistema Solar. Sin embargo, para vuelos a las estrellas, el NRE, basado en los principios de la fisión, no es adecuado. En este caso, los NRE o, más precisamente, los motores a reacción termonucleares (TRD) que funcionan según el principio de las reacciones de fusión y los motores a reacción fotónicos (PRD), en los que la reacción de aniquilación de materia y antimateria es la fuente del impulso, son prometedores. Sin embargo, lo más probable es que la humanidad para viajar en el espacio interestelar use un método de movimiento diferente, diferente al jet.

En conclusión, reformularé la famosa frase de Einstein: ¡para viajar a las estrellas, la humanidad debe idear algo que sea comparable en complejidad y percepción a un reactor nuclear para un neandertal!

LITERATURA

Fuentes:

1. "Cohetes y personas. Libro 4 Carrera lunar" - M: Knowledge, 1999.
2. http://www. lpre. de/energomash/índice. htm
3. Pervushin "Batalla por las estrellas. Confrontación espacial" - M: conocimiento, 1998.
4. L. Gilberg "Conquista del cielo" - M: Conocimiento, 1994.
5. http://epizodsspace. *****/biblia/molodtsov
6. "Motor", "Motores nucleares para vehículos espaciales", No. 5, 1999

7. "Motor", "Motores nucleares de fase gaseosa para vehículos espaciales",

Nº 6, 1999
7.http://www. *****/contenido/números/263/03.shtml
8.http://www. lpre. de/energomash/índice. htm
9. http://www. *****/contenido/números/219/37.shtml
10., Chekalin transporte del futuro.

Moscú: Conocimiento, 1983.

11., exploración espacial Chekalin.- M.:

Conocimiento, 1988.

12. Gubanov B. "Energía - Buran" - un paso hacia el futuro // Ciencia y Vida.-

13. Getland K. Tecnología espacial.- M.: Mir, 1986.

14., Sergeyuk y el comercio.- M .: APN, 1989.

15 .URSS en el espacio. 2005.-M.: APN, 1989.

16. De camino al espacio profundo // Energía. - 1985. - Nº 6.

APÉNDICE

Principales características de los motores a reacción nucleares de fase sólida

País fabricante	Motor	Empuje en vacío, kN	impulso específico, segundo		Trabajo del proyecto, año
	NERVA/Lox Ciclo Mixto