Atsargiai daug raidžių.

Erdvėlaivio su branduoline varomąja sistema (AE) skrydžio prototipą Rusijoje planuojama sukurti iki 2025 m. Atitinkami darbai numatyti Federalinės kosmoso programos 2016–2025 metams (FKP-25) projekte, kurį „Roscosmos“ išsiuntė tvirtinti ministerijoms.

Planuojant didelio masto tarpplanetines ekspedicijas, branduolinės energetikos sistemos laikomos pagrindiniais perspektyviais energijos šaltiniais erdvėje. Ateityje megavatų galia kosmose leis pastatyti atominę elektrinę, kurios kūrimą dabar vykdo „Rosatom“ įmonės.

Visi atominės elektrinės kūrimo darbai vyksta pagal numatytus terminus. Galime su dideliu pasitikėjimu teigti, kad darbai bus atlikti laiku, numatytu tikslinėje programoje“, – sako valstybinės korporacijos „Rosatom“ komunikacijos skyriaus projektų vadovas Andrejus Ivanovas.

Neseniai projektas baigtas du svarbius etapus: sukurtas unikalus kuro elemento dizainas, užtikrinantis veikimą esant aukštai temperatūrai, dideliems temperatūros gradientams, didelėms apšvitinimo dozėms. Taip pat sėkmingai baigti būsimo kosminio bloko reaktoriaus indo technologiniai bandymai. Atliekant šiuos bandymus, korpuse buvo daromas slėgis ir atlikti 3D matavimai netauriųjų metalų, suvirinimo ir kūginių pereinamųjų zonų.

Veikimo principas. Kūrybos istorija.

SU branduolinis reaktorius nėra jokių esminių sunkumų naudojant kosmosą. Laikotarpiu nuo 1962 iki 1993 metų mūsų šalis sukaupė didelę panašių įrenginių gamybos patirtį. Panašūs darbai buvo atlikti JAV. Nuo septintojo dešimtmečio pradžios pasaulyje buvo kuriami kelių tipų elektriniai reaktyviniai varikliai: joninis, stacionarus plazminis, anodo sluoksnio variklis, impulsinis plazminis variklis, magnetoplazminis, magnetoplazmodinaminis.

Darbas kuriant branduolinius variklius erdvėlaivis praėjusį šimtmetį buvo aktyviai vykdomi SSRS ir JAV: amerikiečiai projektą uždarė 1994 m., SSRS 1988 m. Darbus užbaigti labai palengvino Černobylio katastrofa, kuri neigiamai pavertė visuomenės nuomonę apie branduolinės energijos naudojimą. Be to, branduolinių įrenginių bandymai kosmose ne visada vykdavo įprastai: 1978 metais į atmosferą pateko sovietinis palydovas „Kosmos-954“ ir žlugo, išsklaidydamas tūkstančius radioaktyvių fragmentų 100 tūkstančių kvadratinių metrų plote. km Kanados šiaurės vakarų regionuose. Sovietų Sąjunga sumokėjo Kanadai pinigine kompensacija daugiau nei 10 mln.

1988 m. gegužę dvi organizacijos – Amerikos mokslininkų federacija ir Sovietų mokslininkų komitetas už taiką prieš branduolinę grėsmę – pateikė bendrą pasiūlymą uždrausti branduolinės energijos naudojimą kosmose. Šis pasiūlymas neturėjo formalių pasekmių, tačiau nuo to laiko nė viena šalis nepaleido erdvėlaivių su atominėmis elektrinėmis.

Dideli projekto privalumai yra praktiškai svarbios eksploatacinės charakteristikos – ilgas tarnavimo laikas (10 eksploatacijos metų), didelis kapitalinio remonto intervalas ir ilgas veikimo laikas vienu įjungimu.

2010 m. buvo suformuluoti techniniai projekto pasiūlymai. Nuo šių metų prasidėjo projektavimas.

Atominėje elektrinėje yra trys pagrindiniai įrenginiai: 1) reaktoriaus elektrinė su darbiniu skysčiu ir pagalbiniais įrenginiais (šilumokaičiu-rekuperatoriumi ir turbininiu generatoriumi-kompresoriumi); 2) elektrinė raketinė varomoji sistema; 3) šaldytuvas-radiatorius.

Reaktorius.

Fiziniu požiūriu tai kompaktiškas dujomis aušinamas greitųjų neutronų reaktorius.
Urano junginys (dioksidas arba karbonitridas) naudojamas kaip kuras, tačiau kadangi konstrukcija turi būti labai kompaktiška, urano izotopas 235 yra labiau sodrinamas nei įprastų (civilinių) kuro elementų. atominės elektrinės galbūt daugiau nei 20 proc. O jų apvalkalas yra monokristalinis ugniai atsparių metalų lydinys molibdeno pagrindu.

Šis kuras turės veikti labai aukštoje temperatūroje. Todėl reikėjo parinkti tokias medžiagas, kurios galėtų sulaikyti su temperatūra susijusius neigiamus veiksnius ir tuo pačiu leisti kurui atlikti pagrindinę savo funkciją – šildyti dujinį šilumnešį, kurio pagalba bus tiekiama elektra. pagaminta.

Šaldytuvas.

Eksploatuojant branduolinį įrenginį būtina atvėsinti dujas. Kaip išleidžiate šilumą kosmose? Vienintelė galimybė yra aušinimas spinduliuote. Įkaitęs paviršius tuštumoje vėsinamas plataus diapazono elektromagnetinėmis bangomis, įskaitant matomą šviesą. Projekto išskirtinumas slypi naudojant specialų aušinimo skystį – helio-ksenono mišinį. Įrengimas užtikrina aukštą efektyvumą.

Variklis.

Jonų variklio veikimo principas yra toks. Dujų išlydžio kameroje anodų ir katodo bloko, esančio magnetiniame lauke, pagalba sukuriama išretinta plazma. Darbinės terpės (ksenono ar kitos medžiagos) jonai yra „ištraukiami“ iš jos emisijos elektrodu ir yra pagreitinami tarpe tarp jos ir greitinančio elektrodo.

Planui įgyvendinti 2010–2018 metais buvo pažadėta 17 mlrd. Iš šių lėšų 7,245 mlrd. rublių buvo skirta valstybinei korporacijai „Rosatom“ pačiam reaktoriui sukurti. Kiti 3,955 mlrd. – FSUE „Keldysh Center“ branduolinės jėgainės sukūrimui. Dar 5,8 milijardo rublių – RSC Energia, kur per tą patį laikotarpį turi būti suformuota viso transporto ir energijos modulio darbinė išvaizda.

Pagal planus iki 2017 metų pabaigos bus parengta branduolinės energijos varomoji sistema transporto ir energetikos moduliui (tarpplanetinio skrydžio moduliui) užbaigti. Iki 2018 metų pabaigos atominė elektrinė bus paruošta skrydžio projekto bandymams. Projektas finansuojamas iš federalinio biudžeto.

Ne paslaptis, kad branduolinių raketų variklių kūrimo darbai prasidėjo JAV ir SSRS praėjusio amžiaus 60-aisiais. Kaip toli jie atėjo? O su kokiomis problemomis teko susidurti kelyje?

Anatolijus Korotejevas: Iš tiesų, septintajame ir aštuntajame dešimtmečiuose mūsų šalyje ir JAV prasidėjo ir buvo aktyviai vykdomi branduolinės energijos naudojimo kosmose darbai.

Iš pradžių buvo keliamas uždavinys sukurti raketinius variklius, kurie vietoj cheminės kuro ir oksidatoriaus degimo energijos naudotų vandenilio kaitinimą iki maždaug 3000 laipsnių temperatūros. Bet paaiškėjo, kad toks tiesioginis maršrutas vis dar neefektyvus. Trumpą laiką gauname didelę trauką, bet tuo pat metu išmetame čiurkšlę, kuri, esant nenormaliam reaktoriaus darbui, gali pasirodyti radioaktyviai užteršta.

Tam tikra patirtis buvo sukaupta, tačiau nei mes, nei amerikiečiai tuo metu nesugebėjome sukurti patikimų variklių. Jie dirbo, bet nedaug, nes kaitinti vandenilį iki 3000 laipsnių atominiame reaktoriuje – rimta užduotis. Be to, tokių variklių antžeminių bandymų metu buvo aplinkos problemų, nes į atmosferą buvo išleistos radioaktyvios srovės. Jau ne paslaptis, kad toks darbas buvo atliktas specialiai branduoliniams bandymams paruoštoje Semipalatinsko poligone, kuris liko Kazachstane.

Tai yra, du parametrai pasirodė esąs svarbūs - draudžiama temperatūra ir radiacijos emisija?

Anatolijus Korotejevas: Apskritai, taip. Dėl šių ir kai kurių kitų priežasčių darbas mūsų šalyje ir JAV buvo sustabdytas arba sustabdytas – galite tai vertinti įvairiai. Ir mums atrodė neprotinga atnaujinti juos tokiu, sakyčiau, frontaliniu būdu, norint pagaminti branduolinį variklį su visais jau minėtais trūkumais. Mes pasiūlėme visiškai kitokį požiūrį. Nuo senojo jis skiriasi taip pat, kaip hibridinis automobilis skiriasi nuo įprasto. Įprastame automobilyje variklis suka ratus, o hibridiniuose automobiliuose iš variklio susidaro elektra, o ši elektra suka ratus. Tai yra, kuriama savotiška tarpinė elektrinė.

Taigi pasiūlėme schemą, pagal kurią kosminis reaktorius ne šildo iš jo išmetamą čiurkšlę, o gamina elektros energiją. Karštos dujos iš reaktoriaus suka turbiną, turbina – elektros generatorių ir kompresorių, kuris uždaru kontūru cirkuliuoja darbinį skystį. Generatorius gamina elektros energiją plazminiam varikliui, kurio specifinė trauka yra 20 kartų didesnė nei jo cheminių analogų.

Sudėtinga schema. Iš esmės tai yra maža atominė elektrinė kosmose. O kokie yra jo pranašumai prieš reaktyvinį branduolinį variklį?

Anatolijus Korotejevas: Svarbiausia, kad iš naujojo variklio išeinanti srovė nebūtų radioaktyvi, nes per reaktorių, kuris yra uždaroje kilpoje, praeina visiškai kitoks darbinis skystis.

Be to, naudojant šią schemą, mums nereikia kaitinti vandenilio iki pernelyg didelių verčių: reaktoriuje cirkuliuoja inertiškas darbinis skystis, kuris įkaista iki 1500 laipsnių. Mes rimtai supaprastiname savo užduotį. Ir dėl to specifinę trauką padidinsime ne du kartus, o 20 kartų, palyginti su cheminiais varikliais.

Svarbus ir kitas dalykas: nereikia atlikti sudėtingų lauko bandymų, kuriems reikalinga buvusios Semipalatinsko poligono infrastruktūra, ypač Kurchatovo mieste išlikusi stendinė bazė.

Mūsų atveju visus reikiamus bandymus galima atlikti Rusijos teritorijoje, neįsiveliant į ilgas tarptautines derybas dėl branduolinės energijos panaudojimo už savo valstybės ribų.

Ar dabar panašūs darbai atliekami kitose šalyse?

Anatolijus Korotejevas: Turėjau susitikimą su NASA vadovo pavaduotoju, aptarėme klausimus, susijusius su grįžimu prie atominės energijos kosmose, ir jis sakė, kad amerikiečiai šiuo klausimu rodo didelį susidomėjimą.

Visai įmanoma, kad Kinija gali atsakyti energingais savo veiksmais, todėl darbas turi būti atliktas greitai. Ir ne tik tam, kad ką nors aplenktum puse žingsnio.

Reikia dirbti greitai, visų pirma, kad besiformuojančiame tarptautiniame bendradarbiavime, o de facto jis ir formuojasi, atrodytume verti.

Neatmetu galimybės, kad artimiausiu metu bus įgyvendinama tarptautinė atominės erdvės elektrinės programa, panaši į valdomos termobranduolinės sintezės programą.

Skystojo kuro raketų varikliai leido žmogui patekti į kosmosą – į artimas žemės orbitas. Tačiau reaktyvinės srovės greitis skystojo kuro variklyje neviršija 4,5 km/s, o skrydžiams į kitas planetas reikia dešimčių kilometrų per sekundę. Galimas sprendimas – panaudoti branduolinių reakcijų energiją.

Praktinį branduolinių raketų variklių (NRM) kūrimą atliko tik SSRS ir JAV. 1955 metais JAV pradėjo įgyvendinti Rover programą, skirtą sukurti branduolinį raketų variklį erdvėlaivių... Po trejų metų, 1958-aisiais, NASA įsitraukė į projektą, kuris iškėlė konkrečią užduotį laivams su branduolinėmis varymo sistemomis – skrydį į Mėnulį ir Marsą. Nuo to laiko programa tapo žinoma kaip NERVA, reiškianti „branduolinis variklis, skirtas montuoti ant raketų“.

Iki aštuntojo dešimtmečio vidurio pagal šią programą buvo numatyta suprojektuoti branduolinį varomąjį variklį, kurio trauka buvo apie 30 tonų (palyginimui, to meto LPRE būdinga trauka buvo apie 700 tonų), tačiau su dujų nutekėjimo greitis 8,1 km/s. Tačiau 1973 m. programa buvo atšaukta dėl JAV interesų perėjimo link erdvėlaivių.

SSRS pirmųjų branduolinių raketų variklių projektavimas buvo atliktas šeštojo dešimtmečio antroje pusėje. Tuo pačiu metu sovietų dizaineriai, užuot sukūrę viso masto modelį, pradėjo gaminti atskiras NRM dalis. Ir tada šie pokyčiai buvo išbandyti sąveikaujant su specialiai suprojektuotu impulsiniu grafito reaktoriumi (IGR).

Praėjusio amžiaus aštuntajame ir devintajame dešimtmečiuose projektavimo biuras „Salyut“, projektavimo biuras „Chimavtomatiki“ ir NPO „Luch“ sukūrė kosminių branduolinių raketų variklių RD-0411 ir RD-0410 projektus, kurių trauka yra 40 ir 3,6. tonų, atitinkamai. Projektavimo metu buvo pagamintas reaktoriaus, šalto variklio ir stendo prototipas bandymams.

1961 m. liepą sovietų akademikas Andrejus Sacharovas Kremliuje vykusiame žymiausių branduolinės energetikos mokslininkų susitikime paskelbė branduolinio sprogimo projektą. Sprogimas turėjo įprastinius skystojo kuro raketų variklius kilimui, o kosmose turėjo susprogdinti nedidelius branduolinius užtaisus. Po sprogimo atsiradę skilimo produktai perdavė savo impulsą laivui, priversdami jį skristi. Tačiau 1963 metų rugpjūčio 5 dieną Maskvoje buvo pasirašyta sutartis, draudžianti branduolinių ginklų bandymus atmosferoje, kosmose ir po vandeniu. Tai buvo branduolinių sprogimų programos uždarymo priežastis.

Gali būti, kad NRM plėtra buvo aplenkusi savo laiką. Tačiau jie nebuvo per anksti. Juk pasiruošimas pilotuojamam skrydžiui į kitas planetas trunka kelis dešimtmečius, o varomąsias sistemas jam reikia paruošti iš anksto.

Branduolinių raketų variklio projektavimas

Branduolinės raketinis variklis(NRE) – reaktyvinis variklis, kuriame energija, atsirandanti dėl branduolio skilimo ar sintezės reakcijos, kaitina darbinį skystį (dažniausiai vandenilį arba amoniaką).

Pagal reaktoriaus kuro tipą yra trys NRE tipai:

• kieta fazė;
• skystoji fazė;
• dujų fazė.

Pilniausia yra kieta fazė variklio variantas. Paveiksle parodyta paprasčiausio NRE su kietojo branduolinio kuro reaktoriumi schema. Darbinis skystis yra išoriniame rezervuare. Siurblio pagalba jis tiekiamas į variklio kamerą. Kameroje darbinis skystis purškiamas purkštukais ir kontaktuoja su šilumą generuojančiu branduoliniu kuru. Kai įkaista, jis plečiasi ir didžiuliu greičiu išskrenda iš kameros per antgalį.

Skysta fazė- branduolinis kuras tokio variklio reaktoriaus zonoje yra skysto pavidalo. Tokių variklių traukos parametrai yra didesni nei kietosios fazės dėl aukštesnės reaktoriaus temperatūros.

V dujų fazė NRE kuras (pavyzdžiui, uranas) ir darbinis skystis yra dujinės būsenos (plazmos pavidalu) ir yra laikomi darbo zonoje elektromagnetinio lauko. Iki dešimčių tūkstančių laipsnių įkaitinta urano plazma perduoda šilumą darbinei terpei (pavyzdžiui, vandeniliui), kuri, savo ruožtu, kaitinama iki aukštos temperatūros, sudaro srautą.

Pagal branduolinės reakcijos tipą išskiriamas radioizotopinis raketinis variklis, termobranduolinis raketinis variklis ir pats branduolinis variklis (naudojama branduolio dalijimosi energija).

Įdomus variantas yra ir impulsinis NRE – kaip energijos (kuro) šaltinį siūloma naudoti branduolinį užtaisą. Tokie įrenginiai gali būti vidinio ir išorinio tipo.

Pagrindiniai NRE pranašumai yra šie:

• didelis specifinis impulsas;
• didelis energijos kaupimas;
• varomosios sistemos kompaktiškumas;
• galimybė gauti labai didelę trauką - dešimtys, šimtai ir tūkstančiai tonų vakuume.

Pagrindinis trūkumas yra didelis varomosios sistemos radiacijos pavojus:

• prasiskverbiančios spinduliuotės (gama spinduliuotės, neutronų) srautai vykstant branduolinėms reakcijoms;
• didelio radioaktyvumo urano junginių ir jo lydinių pernešimas;
• radioaktyviųjų dujų nutekėjimas su darbiniu skysčiu.

Todėl branduolinio variklio užvedimas nepriimtinas paleidžiant nuo Žemės paviršiaus dėl radioaktyviosios taršos pavojaus.

Rasta įdomus straipsnis... Apskritai, atominiai erdvėlaiviai mane visada domino. Tai astronautikos ateitis. Didelis darbas šia tema buvo atliktas ir SSRS. Straipsnis tik apie juos.

Atominė erdvė. Svajonės ir realybė.

Fizikos ir matematikos mokslų daktaras Yu. Ya. Stavisskiy

1950 metais šaudmenų ministerijos Maskvos mechanikos institute (MMI) apsigyniau fizikos inžinieriaus laipsnį. Prieš penkerius metus, 1945 m., jame buvo suformuotas Inžinerijos ir fizikos fakultetas, ruošiantis specialistus naujai pramonei, kurios uždaviniai daugiausia buvo branduolinių ginklų gamyba. Fakultetas buvo neprilygstamas. Kartu su fundamentalia fizika universitetinių kursų apimtimi (matematinės fizikos metodai, reliatyvumo teorija, Kvantinė mechanika, elektrodinamika, statistinė fizika ir kt.) buvome mokomi visų inžinerinių disciplinų: chemijos, metalo mokslo, medžiagų atsparumo, mechanizmų ir mašinų teorijos ir kt. MMI Inžinerijos ir fizikos fakultetas, sukurtas iškilaus sovietinio fiziko. Aleksandras Iljičius Leipunskis laikui bėgant išaugo į Maskvos inžinerinės fizikos institutą (MEPhI). Kitas Inžinerijos ir fizikos fakultetas, kuris taip pat vėliau susijungė į MEPhI, buvo suformuotas Maskvos energetikos institute (MEI), tačiau jei MMI daugiausia dėmesio skyrė fundamentaliajai fizikai, tai Energetikos fakultete - šilumos ir elektrofizikai.

Kvantinę mechaniką studijavome iš Dmitrijaus Ivanovičiaus Blokhincevo knygos. Įsivaizduokite mano nuostabą, kai per užduotį buvau išsiųstas pas jį dirbti. Aš, aistringas eksperimentuotojas (vaikystėje ardydavau visus namų laikrodžius), staiga patenku pas garsų teoretiką. Mane apėmė lengva panika, bet atvykęs į vietą – SSRS VRM „Objektą B“ Obninske – iškart supratau, kad nerimauju veltui.

Iki to laiko pagrindinė „Objekto B“ tema, kuriai iki 1950 m. birželio mėn. faktiškai vadovavo A.I. Leipunskis, jau susiformavo. Čia jie sukūrė reaktorius su išplėstu branduolinio kuro reprodukcija – „greitaisiais augintojais“. Būdamas režisieriumi, Blokhintsevas inicijavo naujos krypties kūrimą – atominių variklių, skirtų skrydžiams į kosmosą, kūrimą. Kosmoso meistriškumas buvo sena Dmitrijaus Ivanovičiaus svajonė, net jaunystėje jis susirašinėjo ir susitiko su K.E. Ciolkovskis. Manau, kad supratimas apie milžiniškas branduolinės energijos galimybes, kurių kaloringumas milijonus kartų didesnis nei geriausio cheminio kuro, nulėmė gyvenimo kelias DI. Blochincevas.
„Viskas į veidą nematai“... Tais metais mes daug ko nesupratome. Tik dabar, kai pagaliau atsirado galimybė palyginti iškilių Fizikos ir energetikos instituto (IPPE) – buvusio „Objekto B“, pervadinto 1966 m. gruodžio 31 d. – poelgius ir likimus, man atrodo, teisinga. , formuojasi supratimas apie idėjas, kurios tuo metu juos skatino... Su visomis įvairiausiomis bylomis, kurias institutas turėjo nagrinėti, pirmenybė mokslo kryptys paaiškėjo, kad tai yra jo pirmaujančių fizikų interesų sfera.

Pagrindinis AIL (taip institutas pavadino Aleksandrą Iljičių Leipunskį už nugaros) interesas yra pasaulinės energetikos plėtra, pagrįsta greitaisiais reaktoriais (branduoliniais reaktoriais, kurie neturi apribojimų branduolinio kuro ištekliams). Sunku pervertinti šios tikrai „kosminės“ problemos, kuriai jis paskyrė paskutinį savo gyvenimo ketvirtį amžiaus, reikšmę. Leipunskis daug pastangų skyrė šalies gynybai, ypač kurdamas povandeninių laivų ir sunkiųjų orlaivių atominius variklius.

D. I. interesai. Blokhintsevas (jam prilipo slapyvardis „DI“) buvo skirti išspręsti branduolinės energijos naudojimo kosminiams skrydžiams problemą. Deja, šeštojo dešimtmečio pabaigoje jis buvo priverstas palikti šį darbą ir vadovauti tarptautinės organizacijos kūrimui mokslo centras- Jungtinis branduolinių tyrimų institutas Dubnoje. Ten jis užsiėmė impulsiniais greitaisiais reaktoriais – IBR. Tai buvo paskutinis didelis dalykas jo gyvenime.

Vienas įvartis, viena komanda

DI. Blokhincevas, dėstęs Maskvos valstybiniame universitete 1940-ųjų pabaigoje, ten pastebėjo, o paskui pakvietė dirbti į Obninską jauną fiziką Igorį Bondarenko, kuris tiesiogine prasme šėlo apie atominius erdvėlaivius. Pirmasis jos mokslinis patarėjas buvo A.I. Leipunskis ir Igoris, žinoma, nagrinėjo savo temą – greitus veisėjus.

Pagal D.I. Blokhintsevas, aplink Bondarenko susiformavusi mokslininkų grupė, kuri susivienijo, kad išspręstų atominės energijos naudojimo kosmose problemas. Be Igorio Iljičiaus Bondarenko, grupėje buvo: Viktoras Jakovlevičius Pupko, Edvinas Aleksandrovičius Stumburas ir šių eilučių autorius. Igoris buvo pagrindinis ideologas. Edvinas atliko eksperimentinius antžeminių branduolinių reaktorių modelių tyrimus kosminiuose įrenginiuose. Daugiausia užsiėmiau „mažos traukos“ raketiniais varikliais (trauką juose sukuria tam tikras greitintuvas – „joninis varomasis įtaisas“, kuris maitinamas energija iš kosminės atominės elektrinės). Mes ištyrėme procesus
teka joniniais sraigtais, antžeminiuose stenduose.

Apie Viktorą Pupko (ateityje
jis tapo IPPE kosminių technologijų skyriaus vadovu) buvo daug organizacinio darbo. Igoris Iljičius Bondarenko buvo puikus fizikas. Jis subtiliai jautė eksperimentą, sukūrė paprastus, elegantiškus ir labai efektyvius eksperimentus. Manau, kaip joks kitas eksperimentuotojas, o gal net keli teoretikai, „pajuto“ pagrindinę fiziką. Visada jautrus, atviras ir geranoriškas Igoris buvo tikrai instituto siela. Iki šiol IPPE gyvena jo idėjomis. Bondarenko gyveno nepagrįstai trumpą gyvenimą. 1964 m., būdamas 38 metų, jis tragiškai mirė dėl medikų klaidos. Tarsi Dievas, matydamas, kiek žmogus padarė, nusprendė, kad jau per daug ir įsakė: „Užteks“.

Neįmanoma neprisiminti dar vieno unikali asmenybė- Vladimiras Aleksandrovičius Malychas, technologas „nuo Dievo“, šiuolaikinis Leskovskis Lefty. Jei minėtų mokslininkų „produktai“ daugiausia buvo idėjos ir apskaičiuoti jų tikrovės įvertinimai, tai Malycho darbai visada turėjo išeitį „mele“. Jo technologinis sektorius, kuriame IPPE klestėjimo laikais dirbo daugiau nei du tūkstančiai darbuotojų, be perdėto galėjo padaryti viską. Be to, jis pats visada vaidino pagrindinį vaidmenį.

V.A. Malykh pradėjo dirbti laboratorijos asistentu tyrimų institute branduolinė fizika Maskvos valstybinis universitetas, kurio širdyje yra trys fizikos kursai, – karas neleido man baigti studijų. 1940-ųjų pabaigoje jam pavyko sukurti techninės keramikos gamybos technologiją berilio oksido, unikalios medžiagos, didelio šilumos laidumo dielektriko pagrindu. Prieš Malykhą daugelis nesėkmingai kovojo dėl šios problemos. O kuro elementas iš serijinio nerūdijančio plieno ir natūralaus urano, kurį jis sukūrė pirmajai atominei elektrinei, yra stebuklas abiem modernūs laikai... Arba Malycho suprojektuoto reaktoriaus-elektros generatoriaus termoemisijos kuro elementas, skirtas maitinti erdvėlaivius – „girliandą“. Iki šiol nieko geresnio šioje srityje neatsirado. Malycho kūriniai buvo ne demonstraciniai žaislai, o branduolinės technologijos elementai. Jie dirbo mėnesius ir metus. Vladimiras Aleksandrovičius tapo technikos mokslų daktaru, Lenino premijos laureatu, socialistinio darbo didvyriu. 1964 m. jis tragiškai mirė nuo karinio šoko pasekmių.

Žingsnis po žingsnio

S.P. Korolevas ir D.I. Blokhintsevas jau seniai puoselėjo svajonę apie pilotuojamą skrydį į kosmosą. Tarp jų užsimezgė glaudūs darbiniai ryšiai. Tačiau šeštojo dešimtmečio pradžioje, įpusėjus „ Šaltasis karas“, Lėšų negailėta tik kariniams tikslams. Raketų technologija buvo laikoma tik branduolinių užtaisų nešėja, o apie palydovus jie net negalvojo. Tuo tarpu Bondarenko, žinodamas apie naujausi pasiekimai raketų mokslininkai, atkakliai pasisakė už dirbtinio Žemės palydovo sukūrimą. Vėliau niekas to neprisiminė.

Raketos, iškėlusios į kosmosą pirmąjį planetos kosmonautą Jurijų Gagariną, sukūrimo istorija yra įdomi. Jis siejamas su Andrejaus Dmitrijevič Sacharovo vardu. 1940-ųjų pabaigoje jis sukūrė kombinuotą dalijimosi ir termobranduolinio krūvio – „puff“, matyt, nepaisant „tėvo“. vandenilio bomba„Edwardas Telleris, kuris pasiūlė panašų produktą, vadinamą žadintuvu. Tačiau Telleris netrukus suprato, kad tokios schemos branduolinis užtaisas turės „ribotą“ galią, ne daugiau kaip ~ 500 kilotonų tol ekvivalento. To neužtenka „absoliučiam“ ginklui, todėl „žadintuvo“ buvo atsisakyta. Sovietų Sąjungoje 1953 metais buvo susprogdinti Sacharovo pūstieji RDS-6.

Po sėkmingų bandymų ir Sacharovo išrinkimo į akademiką tuometinis Vidutinių mašinų gamybos ministerijos vadovas V.A. Malyshevas pakvietė jį į savo vietą ir iškėlė užduotį nustatyti naujos kartos bombos parametrus. Andrejus Dmitrijevičius įvertino (be išsamaus tyrimo) naujo, daug galingesnio įkrovimo svorį. Sacharovo ataskaita buvo TSKP CK ir SSRS Ministrų Tarybos dekreto, įpareigojančio S.P. Korolevas šiam užtaisui sukurti balistinę nešančiąją raketą. Būtent ši R-7 raketa „Vostok“ 1957 metais į orbitą iškėlė dirbtinį Žemės palydovą, o 1961 metais – erdvėlaivį su Jurijumi Gagarinu. Nuo pat sukūrimo nebeplanuota jo naudoti kaip sunkaus branduolinio užtaiso nešiklį termobranduoliniai ginklai nuėjo kitu keliu.

Pradiniame kosminės branduolinės programos etape IPPE kartu su projektavimo biuru V.N. Chelomėja sukūrė sparnuotąją branduolinę raketą. Ši kryptis vystėsi neilgai ir baigėsi V.A. skyriuje sukurtais variklio elementų skaičiavimais ir bandymais. Malykha. Tiesą sakant, tai buvo apie žemai skraidantį nepilotuojamą orlaivį su reaktyviniu branduoliniu varikliu ir branduoline galvute (savotiškas „bumbingo blakės“ branduolinis analogas – vokiškas V-1). Sistema buvo paleista naudojant įprastus raketų stiprintuvus. Pasiekus nustatytą greitį, trauką sukūrė atmosferos oras, įkaitintas berilio oksido, impregnuoto prisodrintu uranu, dalijimosi grandininės reakcijos.

Paprastai tariant, raketos gebėjimą atlikti tam tikrą astronautinę užduotį lemia greitis, kurį ji įgyja panaudojus visą darbinio skysčio atsargą (kurą ir oksidatorių). Jis apskaičiuojamas pagal Ciolkovskio formulę: V = c × lnMn / Mk, kur c yra darbinio skysčio ištekėjimo greitis, o Mn ir Mk yra pradinė ir galutinė raketos masė. Įprastose cheminėse raketose srautą lemia temperatūra degimo kameroje, kuro ir oksidatoriaus tipas bei degimo produktų molekulinė masė. Pavyzdžiui, amerikiečiai naudojo vandenilį kaip kurą nusileidžiančioje transporto priemonėje, norėdami išlaipinti astronautus Mėnulyje. Jo degimo produktas yra vanduo, kurio molekulinė masė yra santykinai maža, o srautas yra 1,3 karto didesnis nei deginant žibalą. To pakanka, kad nusileidžianti transporto priemonė su astronautais pasiektų Mėnulio paviršių ir grąžintų juos į savo dirbtinio palydovo orbitą. Koroleve darbas su vandeniliniu kuru buvo sustabdytas dėl nelaimingo atsitikimo su mirtimi. Mes neturėjome laiko sukurti žmonėms nusileidžiančios Mėnulio transporto priemonės.

Vienas iš būdų žymiai padidinti galiojimo laiką yra branduolinių šiluminių raketų kūrimas. Mes turėjome balistines atomines raketas (BAR), kurių nuotolis buvo keli tūkstančiai kilometrų (bendras OKB-1 ir IPPE projektas), amerikiečiai turėjo panašias Kiwi tipo sistemas. Varikliai buvo išbandyti bandymų aikštelėse netoli Semipalatinsko ir Nevadoje. Jų veikimo principas toks: vandenilis kaitinamas branduoliniame reaktoriuje iki aukštų temperatūrų, pereina į atominę būseną ir jau tokia forma išteka iš raketos. Šiuo atveju ištekėjimo greitis padidėja daugiau nei keturis kartus, palyginti su chemine vandenilio raketa. Klausimas buvo išsiaiškinti, iki kokios temperatūros vandenilis gali būti kaitinamas kietojo kuro elementų reaktoriuje. Skaičiavimai davė apie 3000 °K.

NII-1, kurio mokslinis direktorius buvo Mstislavas Vsevolodovičius Keldyšas (tuometinis SSRS mokslų akademijos prezidentas), V.M. Ievlevas, dalyvaujant IPPE, užsiėmė absoliučiai fantastiška schema - dujų fazės reaktoriumi, kuriame urano ir vandenilio dujų mišinyje vyksta grandininė reakcija. Iš tokio reaktoriaus vandenilis išteka dešimt kartų greičiau nei iš kietojo kuro, o uranas atsiskiria ir lieka aktyvioje zonoje. Viena iš idėjų buvo panaudoti išcentrinį atskyrimą, kai karštas urano ir vandenilio dujų mišinys yra „sukiojamas“ įeinančio šalto vandenilio, dėl ko uranas ir vandenilis atskiriami tarsi centrifugoje. Ievlevas iš tikrųjų bandė tiesiogiai atkurti procesus cheminės raketos degimo kameroje, kaip energijos šaltinį naudodamas ne kuro degimo šilumą, o dalijimosi grandininę reakciją. Tai atvėrė kelią visapusiškam energijos intensyvumo panaudojimui. atomų branduoliai... Tačiau klausimas dėl gryno vandenilio (be urano) nutekėjimo iš reaktoriaus galimybės liko neišspręstas, jau nekalbant apie technines problemas, susijusias su aukštos temperatūros izoliavimu. dujų mišiniai esant šimtų atmosferų slėgiui.

IPPE darbas su balistinėmis atominėmis raketomis buvo baigtas 1969–1970 m. „ugnies bandymais“ Semipalatinsko branduolinės raketos variklio prototipo su kietojo kuro elementais bandymų poligone. Jį sukūrė IPPE bendradarbiaudama su A.D. Konopatovas, Maskvos tyrimų institutas-1 ir daugybė kitų technologijų grupių. Variklio, kurio trauka 3,6 tonos, pagrindas buvo branduolinis reaktorius IR-100 su kuro elementais, pagamintais iš kieto urano karbido ir cirkonio karbido tirpalo. Vandenilio temperatūra siekė 3000 °K esant ~ 170 MW reaktoriaus galiai.

Mažos traukos branduolinės raketos

Iki šiol buvo kalbama apie savo svorį viršijančias traukos raketas, kurios galėtų būti paleistos iš Žemės paviršiaus. Tokiose sistemose padidinus srautą galima sumažinti darbinio skysčio atsargas, padidinti naudingąją apkrovą ir atsisakyti daugiapakopės sistemos. Tačiau yra būdų, kaip pasiekti praktiškai neribotą srautą, pavyzdžiui, medžiagos pagreitį elektromagnetiniais laukais. Šioje srityje glaudžiai bendraudamas su Igoriu Bondarenko dirbu beveik 15 metų.

Raketos su elektriniu reaktyviniu varikliu (ERE) pagreitį lemia jose įrengtos kosminės atominės elektrinės (KNPP) specifinės galios ir ištekėjimo greičio santykis. Artimiausiu metu KAE savitieji pajėgumai, matyt, neviršys 1 kW/kg. Tokiu atveju galima sukurti raketas su maža trauka, dešimtis ir šimtus kartų mažesnė už raketos svorį ir su labai mažu darbinio skysčio suvartojimu. Tokia raketa gali prasidėti tik iš dirbtinio Žemės palydovo orbitos ir, lėtai įsibėgėdama, pasiekti didelį greitį.

Skrydžiams saulės sistemoje reikalingos raketos, kurių nutekėjimo greitis yra 50–500 km / s, o skrydžiams į žvaigždes - „fotoninės raketos“, kurių nutekėjimo greitis viršija mūsų vaizduotę, vienodas greitis Sveta. Norint įvykdyti kažkaip pagrįstą ilgo nuotolio skrydį į kosmosą, reikalinga neįsivaizduojama specifinė jėgainių galia. Nors neįmanoma net įsivaizduoti, kokiais fiziniais procesais jie gali būti pagrįsti.

Skaičiavimai parodė, kad Didžiosios konfrontacijos metu, kai Žemė ir Marsas yra arčiausiai vienas kito, per vienerius metus galima nuskraidinti branduolinį erdvėlaivį su įgula į Marsą ir grąžinti jį į dirbtinio Žemės palydovo orbitą. Bendras tokio laivo svoris yra apie 5 tonos (įskaitant darbinio skysčio atsargas – cezis, lygus 1,6 tonos). Jį daugiausia lemia 5 MW KAE masė, o srovės trauką – dviejų megavatų cezio jonų pluoštas, kurio energija yra 7 keV *. Erdvėlaivis startuoja iš dirbtinio Žemės palydovo orbitos, patenka į Marso palydovo orbitą ir į jo paviršių turės nusileisti įrenginiu su vandeniliniu cheminiu varikliu, panašiu į amerikietišką Mėnulio.

Ši kryptis pagrįsta techniniai sprendimai, galima jau šiandien, buvo skirta dideliam IPPE darbų ciklui.

Joniniai judesiai

Tais metais buvo kalbama apie įvairių erdvėlaivių elektroreaktyvinių varomųjų įrenginių, tokių kaip „plazminiai ginklai“, elektrostatiniai „dulkių“ ar skysčio lašelių greitintuvai, sukūrimo būdai. Tačiau nė viena idėja neturėjo aiškaus fizinio pagrindo. Radinys buvo cezio paviršiaus jonizacija.

Dar XX amžiaus 20-ajame dešimtmetyje amerikiečių fizikas Irvingas Langmuiras atrado šarminių metalų paviršiaus jonizaciją. Kai nuo metalo (mūsų atveju volframo) paviršiaus išgaruoja cezio atomas, kuriam elektronų darbo funkcija yra didesnė už cezio jonizacijos potencialą, jis beveik 100% atvejų netenka silpnai surišto elektrono ir pasirodo. būti viengubo krūvio jonu. Taigi cezio paviršiaus jonizacija ant volframo yra fizinis procesas, leidžiantis sukurti jonų varomąjį įtaisą, naudojant beveik 100% darbinio skysčio ir kurio energijos vartojimo efektyvumas yra artimas vienybei.

Mūsų kolega Stal Yakovlevich Lebedev atliko svarbų vaidmenį kuriant tokios schemos jonų varymo įrenginio modelius. Savo geležiniu atkaklumu ir atkaklumu jis įveikė visas kliūtis. Dėl to metale buvo galima atkurti plokščią trijų elektrodų jonų varymo įrenginio schemą. Pirmasis elektrodas yra maždaug 10 × 10 cm dydžio volframo plokštė, kurios potencialas yra +7 kV, antrasis yra volframo tinklelis, kurio potencialas yra -3 kV, o trečiasis yra nulinio potencialo toriuoto volframo tinklelis. „Molekulinis pistoletas“ pagamino cezio garų spindulį, kuris per visus tinklelius nukrito ant volframo plokštės paviršiaus. „Jėgai“, tai yra jonų pluošto traukai, matuoti buvo naudojama subalansuota ir kalibruota metalinė plokštė, vadinamoji pusiausvyra.

Greitėjanti įtampa į pirmąjį tinklelį pagreitina cezio jonus iki 10 000 eV, lėtėjanti įtampa į antrąjį sulėtina iki 7000 eV. Tai energija, su kuria jonai turi palikti varomąjį įtaisą, o tai atitinka 100 km/s ištekėjimo greitį. Tačiau jonų pluoštas, apribotas erdvės krūvio, negali „išeiti į kosmosą“. Tūrinį jonų krūvį turi kompensuoti elektronai, kad susidarytų beveik neutrali plazma, kuri laisvai sklinda erdvėje ir sukuria reaktyviąją trauką. Trečiasis tinklelis (katodas), šildomas srovės, yra elektronų šaltinis, kompensuojantis jonų pluošto erdvės krūvį. Antrasis, „blokuojantis“ tinklelis neleidžia elektronams patekti iš katodo į volframo plokštę.

Pirmoji patirtis su jonų varomuoju modeliu pažymėjo daugiau nei dešimties metų darbo pradžią. Vienas naujausių modelių – su porėtu volframo spinduliuote, sukurtas 1965 metais, esant 20 A jonų pluošto srovei davė apie 20 g „trauką“, turėjo apie 90% energijos panaudojimo koeficientą, o medžiagos – 95%.

Tiesioginis konvertavimas branduolinė šilumaį elektrą

Branduolio dalijimosi energijos tiesioginio pavertimo elektros energija būdai dar nerasta. Vis dar neapsieisime be tarpinės grandies – šilumos variklio. Kadangi jo efektyvumas visada mažesnis už vienetą, „atlieką“ šilumą reikia kažkur išmesti. Žemėje, vandenyje ir ore tai nėra problema. Kosmose yra tik vienas būdas - šiluminė spinduliuotė... Taigi KAE neapsieina be „aušintuvo-radiatoriaus“. Spinduliuotės tankis yra proporcingas ketvirtajai absoliučios temperatūros laipsniai, todėl radiatoriaus-šaldytuvo temperatūra turi būti kuo aukštesnė. Tada bus galima sumažinti skleidžiamo paviršiaus plotą ir atitinkamai elektrinės masę. Sugalvojome panaudoti „tiesioginį“ branduolinės šilumos pavertimą elektra, be turbinos ir generatoriaus, kuris atrodė patikimesnis ilgai dirbant aukštoje temperatūroje.

Iš literatūros žinojome apie A.F. Joffe – įkūrėjas Tarybinė mokykla techninė fizika, puslaidininkių tyrimo pradininkė SSRS. Mažai kas dabar prisimena apie dabartinius jo sukurtus šaltinius, kurie buvo naudojami Didžiojo Tėvynės karo metu. Tada ne vienas partizanų būrys turėjo ryšį su žemynu dėl „žibalo“ TEG – Ioffe termoelektrinių generatorių. Ant žibalinės lempos buvo uždėta TEG „karūnėlė“ (tai buvo puslaidininkinių elementų rinkinys), jos laidai sujungti su radijo įranga. „Karšti“ elementų galai buvo kaitinami žibalinės lempos liepsna, o „šalti“ galai buvo vėsinami oru. Šilumos srautas, eidamas per puslaidininkį, generavo elektrovaros jėgą, kurios pakako ryšio seansui, o tarpais tarp jų TEG įkrovė akumuliatorių. Kai praėjus dešimčiai metų po Pergalės apsilankėme Maskvos TEG gamykloje, paaiškėjo, kad jie vis dar randa išpardavimų. Tuo metu daugelis kaimo gyventojų turėjo energiją taupančius radijo imtuvus „Rodina“ su tiesioginėmis kaitrinėmis lempomis ir veikė baterija. Vietoj to dažnai buvo naudojami TEG.

Žibalo TEG problema yra mažas jo efektyvumas (tik apie 3,5%) ir žema ribinė temperatūra (350 °K). Tačiau šių įrenginių paprastumas ir patikimumas pritraukė kūrėjus. Taigi I.G grupės sukurti puslaidininkiniai keitikliai. Gverdtsitels Sukhumi fizikos ir technologijų institute rado pritaikymą Buk tipo erdvės įrenginiuose.

Vienu metu A.F. Ioffe'as pasiūlė dar vieną termokonverterį – diodą vakuume. Jo veikimo principas toks: įkaitęs katodas skleidžia elektronus, dalis jų, įveikę anodo potencialą, dirba. Iš šio įrenginio buvo tikimasi žymiai didesnio efektyvumo (20-25%) Darbinė temperatūra virš 1000°K. Be to, skirtingai nei puslaidininkis, vakuuminis diodas nebijo neutroninės spinduliuotės ir gali būti derinamas su branduolinis reaktorius... Tačiau paaiškėjo, kad „vakuuminio“ „Ioffe“ keitiklio idėjos įgyvendinti neįmanoma. Kaip ir jonų varomajame įrenginyje, vakuuminiame keitiklyje reikia atsikratyti erdvės krūvio, tačiau šį kartą ne jonų, o elektronų. A.F. Ioffe'as pasiūlė vakuuminiame keitiklyje panaudoti mikronų tarpus tarp katodo ir anodo, o tai praktiškai neįmanoma esant aukštai temperatūrai ir šiluminėms deformacijoms. Čia ir pravertė cezis: vienas cezio jonas, gautas dėl katodo paviršiaus jonizacijos, kompensuoja apie 500 elektronų tūrinį krūvį! Iš esmės cezio keitiklis yra „atvirkštinis“ jonų varomasis įtaisas. Fiziniai procesai juose yra panašūs.

V.A. „Girliandos“. Malykha

Vienas iš IPPE darbo su termioniniais keitikliais rezultatų buvo V.A. Maža ir serijinė gamyba savo skyriuje kuro elementų iš nuosekliai sujungtų termokonverterių - "girliandų" Topaz reaktoriui. Jie davė iki 30 V – šimtą kartų daugiau nei vieno elemento keitikliai, sukurti „konkuruojančių organizacijų“ – MB Leningrado grupės. Barabash, o vėliau – Atominės energijos institutas. Tai leido iš reaktoriaus „pašalinti“ dešimtis ir šimtus kartų daugiau galios. Tačiau susirūpinimą kėlė sistemos, prikimštos tūkstančiais termioninių elementų, patikimumas. Tuo pačiu metu garo ir dujų turbinos veikė be pertrūkių, todėl atkreipėme dėmesį į „mašininį“ branduolinės šilumos pavertimą elektra.

Visas sunkumas buvo resurse, nes skrydžiuose į gilųjį kosmosą turbininiai generatoriai turėtų dirbti metus, dvejus ar net keletą metų. Norint sumažinti susidėvėjimą, „apsisukimai“ (turbinos greitis) turėtų būti kuo mažesni. Kita vertus, turbina veikia efektyviai, jei dujų ar garų molekulių greitis yra artimas jos menčių greičiui. Todėl pirmiausia svarstėme apie sunkiausių – gyvsidabrio garų – naudojimą. Tačiau mus išgąsdino intensyvi radiacijos skatinama geležies ir nerūdijančio plieno korozija, kuri įvyko gyvsidabriu aušinamame branduoliniame reaktoriuje. Per dvi savaites korozija „suvalgė“ eksperimentinio greitojo reaktoriaus „Clementine“ Argonne laboratorijoje (JAV, 1949 m.) ir IPPE reaktoriaus BR-2 (SSRS, Obninskas, 1956 m.) kuro elementus.

Kalio garai pasirodė viliojantys. Reaktorius su jame verdančiu kaliu sudarė mūsų kuriamo mažos traukos erdvėlaivio elektrinės pagrindą - kalio garai suko turbogeneratorių. Šis „mašininis“ šilumos pavertimo elektra būdas leido tikėtis iki 40 % naudingumo koeficiento, o tikri termoelektroniniai įrenginiai davė tik apie 7 %. Tačiau KAE su „mašininiu“ branduolinės šilumos pavertimu elektros energija nebuvo sukurtos. Byla baigėsi tuo, kad buvo paskelbta išsami ataskaita, iš tikrųjų – „fizinė pastaba“ į techninį mažos traukos erdvėlaivio projektą, skirtą įgulos skrydžiui į Marsą. Pats projektas niekada nebuvo vystomas.

Ateityje, manau, susidomėjimas skrydžiais į kosmosą naudojant branduolinių raketų variklius tiesiog išnyko. Mirus Sergejui Pavlovičiui Korolevui, parama IPPE darbams, susijusiems su jonų varymo sistemomis ir „mašininėmis“ atominėmis elektrinėmis, pastebimai susilpnėjo. OKB-1 vadovavo Valentinas Petrovičius Gluško, kuris nebuvo suinteresuotas drąsiais perspektyviais projektais. Jo sukurta „OKB Energia“ pastatė galingas chemines raketas ir erdvėlaivį „Buran“, kuris sugrįžtų į Žemę.

„Buk“ ir „Topazas“ serijos „Cosmos“ palydovuose

KAE su tiesioginiu šilumos pavertimu elektra, dabar kaip galingų radiotechninių palydovų (kosminių radarų stočių ir televizijos transliuotojų) energijos šaltinio, sukūrimo darbai tęsėsi iki restruktūrizavimo pradžios. 1970–1988 metais į kosmosą buvo paleista apie 30 radiolokacinių palydovų su Buk atominėmis elektrinėmis su puslaidininkiniais keitikliais ir du su Topaz termoemisijos įrenginiais. „Buk“, tiesą sakant, buvo TEG – puslaidininkinis Ioffe konverteris, tik vietoj žibalinės lempos naudojo branduolinį reaktorių. Tai buvo greitas reaktorius, kurio galia siekė iki 100 kW. Visa labai prisodrinto urano apkrova buvo apie 30 kg. Šiluma iš šerdies buvo perduota skystu metalu – eutektiniu natrio ir kalio lydiniu į puslaidininkines baterijas. Elektros galia siekė 5 kW.

Įrenginį „Buk“, prižiūrint IPPE, sukūrė OKB-670 MM ekspertai. Bondaryukas, vėliau - NPO Krasnaya Zvezda (vyriausiasis dizaineris - GM Gryaznov). Dnepropetrovsko projektavimo biurui Yuzhmash (vyriausiasis dizaineris - MK Yangel) buvo pavesta sukurti raketą, skirtą palydovui paleisti į orbitą.

„Buk“ darbo laikas – 1-3 mėn. Jei diegimas nepavyko, palydovas buvo perkeltas į ilgalaikę orbitą 1000 km aukštyje. Per beveik 20 paleidimo metų buvo trys atvejai, kai palydovas nukrito į Žemę: du – į vandenyną ir vienas – sausumoje, Kanadoje, prie Didžiojo vergų ežero. Space-954, paleistas 1978 m. sausio 24 d., ten nukrito. Dirbo 3,5 mėn. Palydovo urano elementai buvo visiškai sudeginti atmosferoje. Ant žemės buvo rastos tik berilio atšvaito ir puslaidininkių baterijų liekanos. (Visi šie duomenys pateikti bendroje JAV ir Kanados atominių komisijų ataskaitoje apie operaciją „Ryto šviesa“.)

Topazo šiluminės emisijos atominėje elektrinėje buvo naudojamas iki 150 kW galios šiluminis reaktorius. Visa urano apkrova buvo apie 12 kg – žymiai mažiau nei „Buk“. Reaktoriaus šerdis buvo kuro elementai – „girliandos“, sukurtos ir pagamintos Malykh grupės. Jie buvo termoelementų grandinė: katodas buvo volframo arba molibdeno „antpirštis“, užpildytas urano oksidu, o anodas buvo plonasienis niobio vamzdis, aušinamas skystu natriu-kaliu. Katodo temperatūra pasiekė 1650 °C. Įrenginio elektros galia siekė 10 kW.

Pirmasis skrydžio prototipas – palydovas Kosmos-1818 su instaliacija Topazas į orbitą išskrido 1987 metų vasario 2 dieną ir be gedimų veikė šešis mėnesius, kol išseko cezio atsargos. Antrasis palydovas „Cosmos-1876“ buvo paleistas po metų. Orbitoje jis dirbo beveik dvigubai ilgiau. Pagrindinis „Topazo“ kūrėjas buvo OKB MMZ „Sojuz“, kuriam vadovavo S.K. Tumanskis (buvęs orlaivių variklių konstruktoriaus A.A.Mikulino projektavimo biuras).

Tai buvo šeštojo dešimtmečio pabaigoje, kai mes dirbome su jonų varomąja sistema, o jis dirbo su trečios pakopos varikliu, skirtu raketai, kuri turėjo skristi aplink Mėnulį ir ant jo nusileisti. Prisiminimai apie Melnikovo laboratoriją švieži iki šiol. Jis buvo Podlipki mieste (dabar Korolevo miestas), OKB-1 aikštelėje Nr. 3. Didžiulis, apie 3000 m2 ploto dirbtuvės, išklotos dešimtimis stalų su kilpiniais osciloskopais, įrašinėjančiais ant 100 mm ritininio popieriaus (tai buvo dar praeitis, šiandien užtektų vieno asmeninio kompiuterio). Prie cecho priekinės sienos yra stovas, kuriame sumontuota „mėnulio“ raketinio variklio degimo kamera. Osciloskopai yra prijungti prie tūkstančių laidų iš dujų greičio, slėgio, temperatūros ir kitų parametrų jutiklių. Diena prasideda 9.00 su variklio uždegimu. Jis veikia keletą minučių, tada iškart sustabdžius pirmosios pamainos mechanikų komanda jį išmontuoja, atidžiai apžiūri ir išmatuoja degimo kamerą. Tuo pačiu metu analizuojamos osciloskopinės juostos ir pateikiamos rekomendacijos dėl dizaino pakeitimų. Antroji pamaina – projektuotojai ir dirbtuvių darbuotojai atlieka rekomenduojamus pakeitimus. Trečioje pamainoje prie stendo montuojama nauja degimo kamera ir diagnostikos sistema. Po dienos, lygiai 9.00 val., vyks kitas užsiėmimas. Ir taip be poilsio dienų savaites, mėnesius. Daugiau nei 300 variklių variantų per metus!

Taip buvo sukurti cheminių raketų varikliai, kurie turėjo dirbti vos 20-30 minučių. Ką jau kalbėti apie atominių elektrinių bandymus ir modifikacijas – skaičiuojama, kad jos turėtų veikti ne vienerius metus. Tam reikėjo tikrai milžiniškų pastangų.

Sergejus Aleksejus, 9 „A“ klasės SM „84 vidurinė mokykla“

Mokslinis konsultantas: pelno nesiekiančios bendrijos mokslinei ir inovacinei veiklai „Tomsko atominis centras“ direktoriaus pavaduotojas

Vadovas:, fizikos mokytojas, SM "84 vidurinė mokykla" ZATO Severskas

Įvadas

Erdvėlaivyje esančios varymo sistemos yra skirtos generuoti trauką arba kampinį impulsą. Pagal naudojamą traukos tipą varomoji sistema skirstoma į cheminę (CRD) ir necheminę (NHRD). HRM skirstomas į skystąjį (LPRE), kietąjį raketinį kurą (kietojo kuro raketų variklius) ir kombinuotus (KRD). Savo ruožtu necheminės varomosios sistemos skirstomos į branduolines (NRE) ir elektrines (ERE). Puiku mokslininkas Konstantinas Eduardovičius Ciolkovskis prieš šimtmetį sukūrė pirmąjį varomosios sistemos modelį, kuris veikė kietuoju ir skystuoju kuru. Po to, XX amžiaus antroje pusėje, tūkstančiai skrydžių buvo vykdomi naudojant daugiausia skysto ir kietojo kuro variklius.

Tačiau šiuo metu skrydžiams į kitas planetas, jau nekalbant apie žvaigždes, skysto kuro raketų variklių ir kietojo kuro naudojimas darosi vis nuostolingesnis, nors buvo sukurta daug RD. Greičiausiai skysto kuro raketų variklių ir kietojo kuro galimybės visiškai išnaudojo save. Priežastis čia ta, kad visų cheminių riedėjimo takų savitasis impulsas yra mažas ir neviršija 5000 m/s, todėl norint išvystyti pakankamai didelius greičius, reikalingas ilgalaikis varomasis veikimas ir atitinkamai didelės kuro atsargos, kaip įprasta astronautikoje. didelės vertybės Ciolkovskio skaičius, t.y. kuru varomos raketos masės ir tuščios raketos masės santykis. Taigi LV Energia, įpurškianti 100 tonų naudingosios apkrovos į žemą orbitą, paleidimo masė yra apie 3000 tonų, o tai reiškia, kad Ciolkovskio skaičius yra 30.

Pavyzdžiui, skrydžiui į Marsą Ciolkovskio skaičius turėtų būti dar didesnis ir siekti nuo 30 iki 50. Nesunku įvertinti, kad esant maždaug 1000 tonų naudingajam kroviniui, būtent tokiose ribose, minimali reikalinga masė. aprūpinti visą reikiamą įgulą startuojant į Marsą svyruoja Atsižvelgiant į degalų tiekimą skrydžiui atgal į Žemę, pradinė erdvėlaivio masė turėtų būti ne mažesnė kaip 30 000 tonų, o tai aiškiai neatitinka šiuolaikinės kosmonautikos išsivystymo lygio. skysto kuro raketų variklių ir kietojo kuro naudojimas.

Taigi, norint pilotuojamomis įgulomis pasiekti net artimiausias planetas, būtina kurti nešančias raketas su varikliais, veikiančiais skirtingais nei cheminių varomųjų sistemų principais. Perspektyviausi šiuo atžvilgiu yra elektriniai reaktyviniai varikliai (ERE), termocheminiai raketiniai varikliai ir branduoliniai reaktyviniai varikliai (NRE).

1 pagrindinės sąvokos

Raketinis variklis – tai reaktyvinis variklis, kuris darbui nenaudoja aplinkos (oro, vandens). Plačiausiai naudojami cheminiai raketų varikliai. Kuriami ir bandomi kitų tipų raketiniai varikliai – elektriniai, branduoliniai ir kt. Paprasčiausi raketiniai varikliai, veikiantys suslėgtomis dujomis, taip pat plačiai naudojami kosminėse stotyse ir erdvėlaiviuose. Paprastai juose kaip darbinis skystis naudojamas azotas. /1/

Varomųjų sistemų klasifikacija

2. Raketų variklių paskirtis

Pagal paskirtį raketiniai varikliai skirstomi į keletą pagrindinių tipų: greitinančius (užvedančius), stabdančius, kreiserinius, valdomus ir kitus. Raketų varikliai pirmiausia naudojami raketoms (iš čia ir pavadinimas). Be to, aviacijoje kartais naudojami raketų varikliai. Raketų varikliai yra pagrindiniai kosminių tyrimų varikliai.

Karinės (kovinės) raketos dažniausiai yra kietojo kuro. Taip yra dėl to, kad toks variklis degalų pildomas gamykloje ir nereikalauja priežiūros visą pačios raketos saugojimo ir naudojimo laiką. Kietojo kuro varikliai dažnai naudojami kaip kosminių raketų stiprintuvai. Ypač plačiai, tokiu pajėgumu, jie naudojami JAV, Prancūzijoje, Japonijoje ir Kinijoje.

Skystojo kuro raketiniai varikliai turi didesnes traukos charakteristikas nei kietojo kuro varikliai. Todėl jie naudojami kosminėms raketoms paleisti į orbitą aplink Žemę ir tarpplanetiniams skrydžiams. Pagrindinis skystasis kuras raketoms yra žibalas, heptanas (dimetilhidrazinas) ir skystasis vandenilis. Šioms degalų rūšims reikalingas oksidatorius (deguonis). Tokiuose varikliuose kaip oksidatoriai naudojami azoto rūgštis ir suskystintas deguonis. Oksidacinėmis savybėmis azoto rūgštis yra prastesnė už suskystintą deguonį, tačiau jai nereikia palaikyti specialaus temperatūros režimo sandėliuojant, pildant degalus ir naudojant raketas.

Skrydžių į kosmosą varikliai skiriasi nuo žemiškos temos kad jie, turėdami kuo mažesnę masę ir tūrį, generuotų kuo daugiau galios. Be to, jiems keliami tokie reikalavimai kaip itin didelis efektyvumas ir patikimumas, nemažas eksploatacijos laikas. Pagal naudojamos energijos rūšį erdvėlaivių varomosios sistemos skirstomos į keturias rūšis: termochemines, branduolines, elektrines, saulės – buriavimo. Kiekvienas iš šių tipų turi savo privalumų ir trūkumų ir gali būti naudojamas tam tikromis sąlygomis.

Šiuo metu erdvėlaiviai, orbitinės stotys ir nepilotuojami Žemės palydovai į kosmosą paleidžiami raketomis, kuriose įrengti galingi termocheminiai varikliai. Taip pat yra miniatiūrinių mažos traukos variklių. Tai miniatiūrinė galingų variklių kopija. Kai kurie iš jų gali tilpti į delną. Tokių variklių trauka labai maža, tačiau jos pakanka valdyti laivo padėtį erdvėje.

3. Termocheminiai raketiniai varikliai.

Yra žinoma, kad variklyje vidaus degimas, garo katilo krosnis - visur, kur vyksta degimas, atmosferos deguonis aktyviai dalyvauja. Kosmose nėra oro, o kad raketų varikliai veiktų kosmose, būtina turėti du komponentus – kurą ir oksidatorių.

Skystuose termocheminiuose raketiniuose varikliuose kaip kuras naudojamas alkoholis, žibalas, benzinas, anilinas, hidrazinas, dimetilhidrazinas ir skystas vandenilis. Skystas deguonis, vandenilio peroksidas ir azoto rūgštis naudojami kaip oksidatoriai. Galbūt ateityje skystas fluoras bus naudojamas kaip oksidatorius, kai bus išrasti tokios aktyvios cheminės medžiagos laikymo ir naudojimo būdai.

Skysčių reaktyvinių variklių degalai ir oksidatorius yra laikomi atskirai, specialiose talpyklose ir siurbliais pumpuojami į degimo kamerą. Kai jie sujungiami degimo kameroje, susidaro iki 3000 - 4500 ° C temperatūra.

Degimo produktai, besiplečiantys, įgyja 2500–4500 m/s greitį. Atsistumdami nuo variklio korpuso, jie sukuria reaktyvinę trauką. Be to, kuo didesnė dujų nutekėjimo masė ir greitis, tuo didesnė variklio traukos jėga.

Įprasta savitąją variklių trauką įvertinti pagal traukos dydį, kurį sukuria per sekundę sudegusio kuro masės vienetas. Ši vertė vadinama specifiniu raketos variklio impulsu ir matuojama sekundėmis (kg traukos / kg sudeginto kuro per sekundę). Geriausi kietojo kuro raketiniai varikliai turi specifinį impulsą iki 190 s, tai yra, 1 kg degalų, sudegusių per sekundę, sukuria 190 kg trauką. Vandenilio-deguonies raketos variklio specifinis impulsas yra 350 s. Teoriškai vandenilio-fluoro variklis gali sukurti didesnį nei 400 s specifinį impulsą.

Dažniausiai naudojama skysto kuro raketinio variklio schema veikia taip. Suslėgtos dujos sukuria reikiamą slėgį kriogeninio kuro bakuose, kad vamzdynuose nesusidarytų dujų burbuliukai. Siurbliai tiekia kurą raketų varikliams. Degalai įpurškiami į degimo kamerą per didelis skaičius purkštukai. Taip pat per purkštukus į degimo kamerą įpurškiamas oksidatorius.

Bet kuriame automobilyje degant kurui susidaro dideli šilumos srautai, kaitinantys variklio sieneles. Jei neatvėsinsite kameros sienų, ji greitai sudegs, nesvarbu, iš kokios medžiagos ji pagaminta. Skystojo kuro reaktyvinis variklis paprastai aušinamas vienu iš kuro komponentų. Tam kamera pagaminta iš dviejų sienelių. Šalto kuro komponentas teka per tarpą tarp sienų.

Aliuminis "href =" / text / category / alyuminij / "rel =" bookmark "> aliuminis ir kt. Ypač kaip priedas prie įprastų degalų, tokių kaip vandenilis-deguonis. Tokios" trigubos kompozicijos "gali užtikrinti didžiausią įmanomą greitį cheminio kuro nutekėjimui - iki 5 km/s.Bet tai praktiškai chemijos išteklių riba.Daugiau praktiškai negali.Nors siūlomame aprašyme vis dar vyrauja skysto kuro raketiniai varikliai, bet reikia pasakyti, kad termocheminis pirmą kartą žmonijos istorijoje sukurtas kietojo kuro raketinis variklis - Kietasis kuro kuras. Kuras - pvz specialus parakas - yra tiesiai degimo kameroje. Degimo kamera su reaktyviniu antgaliu, pripildyta kieto kuro - štai ir viskas struktūra. kietojo kuro priklauso nuo kietojo kuro raketos paskirties (paleidžiančios, žygiuojančios ar kombinuotos). Kietojo kuro raketoms, naudojamoms kariniuose reikaluose, būdingas paleidimo ir atramos variklių buvimas. Pradedantis kietojo kuro variklis labai trumpą laiką išvysto didelę trauką, kuri būtina, kad raketa išeitų iš paleidimo įrenginio ir pradinis jos pagreitis. Sustainer kietasis raketinis kuras yra skirtas palaikyti pastovų raketos skrydžio greitį pagrindinėje (palaikančioje) skrydžio trajektorijos dalyje. Skirtumai tarp jų daugiausia yra degimo kameros konstrukcijoje ir kuro įkrovos degimo paviršiaus profilyje, kurie lemia kuro degimo greitį, nuo kurio priklauso darbo laikas ir variklio trauka. Priešingai nei tokios raketos, kosminės nešančiosios raketos, skirtos Žemės palydovams paleisti, orbitinės stotys ir erdvėlaiviai, taip pat tarpplanetinės stotys veikia tik paleidimo režimu nuo raketos paleidimo iki objekto paleidimo į orbitą aplink Žemę arba iki tarpplanetinė trajektorija. Apskritai kietojo kuro raketiniai varikliai neturi daug pranašumų prieš skystojo kuro variklius: juos lengva gaminti, galima ilgai laikyti, jie visada paruošti darbui ir yra gana atsparūs sprogimui. Tačiau pagal specifinę trauką kietojo kuro varikliai yra 10–30% prastesni už skystuosius.

4 elektriniai raketiniai varikliai

Beveik visi aukščiau aptarti raketų varikliai sukuria didžiulę traukos jėgą ir yra skirti paleisti erdvėlaivius į orbitą aplink Žemę ir pagreitinti juos iki kosminio greičio tarpplanetiniams skrydžiams. Visai kitas reikalas – į orbitą arba į tarpplanetinę trajektoriją jau paleistų erdvėlaivių varomosios sistemos. Čia, kaip taisyklė, reikalingi mažos galios (kelių kilovatų ar net vatų) varikliai, galintys veikti šimtus ir tūkstančius valandų ir pakartotinai įsijungti bei išsijungti. Jie leidžia išlaikyti skrydį orbitoje arba tam tikra trajektorija, kompensuojant viršutinių atmosferos sluoksnių ir saulės vėjo sukuriamą skrydžio pasipriešinimą. Elektriniuose raketiniuose varikliuose darbinis skystis pagreitinamas iki tam tikro greičio, kaitinant jį elektros energija. Elektra ateina iš saulės elementai arba atominė elektrinė. Darbinio skysčio šildymo būdai yra skirtingi, tačiau iš tikrųjų jis daugiausia naudojamas elektros lanku. Jis pasirodė esąs labai patikimas ir atlaiko daugybę intarpų. Vandenilis naudojamas kaip darbo terpė elektros lanko varikliuose. Elektros lankas įkaitina vandenilį iki labai aukštos temperatūros ir paverčia jį plazma – elektriškai neutraliu teigiamų jonų ir elektronų mišiniu. Plazmos nutekėjimo iš variklio greitis siekia 20 km/s. Kai mokslininkai išspręs plazmos magnetinės izoliacijos nuo variklio kameros sienelių problemą, bus galima žymiai padidinti plazmos temperatūrą ir padidinti srauto greitį iki 100 km/s. Tais metais Sovietų Sąjungoje buvo sukurtas pirmasis elektrinis raketinis variklis. vadovaujamas (vėliau tapo sovietinių kosminių raketų variklių kūrėju ir akademiku) garsiojoje dujų dinamikos laboratorijoje (LDL). / 10 /

5. Kiti variklių tipai

Yra ir egzotiškesnių branduolinių raketų variklių projektų, kuriuose skilioji medžiaga yra skystos, dujinės ar net plazminės būsenos, tačiau tokių konstrukcijų įgyvendinimas š. modernaus lygio technika ir technologija yra nerealios. Teoriniame arba laboratoriniame etape yra šie raketų variklių projektai

Impulsiniai branduolinių raketų varikliai, naudojantys mažų branduolinių užtaisų sprogimų energiją;

Termobranduoliniai raketiniai varikliai, galintys kaip kurą naudoti vandenilio izotopą. Vandenilio energijos produktyvumas tokioje reakcijoje yra 6,8 * 1011 KJ / kg, tai yra maždaug dviem eilėmis didesnis nei branduolio dalijimosi reakcijų produktyvumas;

Saulės buriavimo varikliai – kuriuose naudojamas saulės šviesos slėgis (saulės vėjas), kurių egzistavimą eksperimentiškai įrodė rusų fizikas dar 1899 m. Skaičiuodami mokslininkai nustatė, kad 1 tonos masės aparatas, aprūpintas 500 m skersmens bure, iš Žemės į Marsą gali nuskristi maždaug per 300 dienų. Tačiau saulės burės efektyvumas greitai mažėja tolstant nuo Saulės.

6 branduolinių raketų varikliai

Vienas iš pagrindinių skystojo kuro raketų variklių trūkumų yra susijęs su ribotu dujų srautu. Atrodo, kad branduoliniuose raketiniuose varikliuose kolosalią energiją, išsiskiriančią skylant branduoliniam „kurui“, galima panaudoti darbinei medžiagai šildyti. Branduolinių raketų variklių veikimo principas beveik nesiskiria nuo termocheminių variklių veikimo principo. Skirtumas slypi tame, kad darbinis skystis įkaista ne dėl savo cheminės energijos, o dėl intrabranduolinės reakcijos metu išsiskiriančios „pašalinės“ energijos. Darbinis skystis praleidžiamas per branduolinį reaktorių, kuriame vyksta atomų branduolių (pavyzdžiui, urano) dalijimosi reakcija, ir tuo pačiu įkaista. Branduoliniai raketiniai varikliai pašalina oksidatoriaus poreikį, todėl galima naudoti tik vieną skystį. Kaip darbinį skystį patartina naudoti medžiagas, kurios leidžia varikliui sukurti didelę traukos jėgą. Šią sąlygą labiausiai tenkina vandenilis, po to amoniakas, hidrazinas ir vanduo. Procesai, kurių metu išsiskiria branduolinė energija, skirstomi į radioaktyviąsias transformacijas, sunkiųjų branduolių dalijimosi reakcijas ir lengvųjų branduolių sintezės reakciją. Radioizotopų transformacijos realizuojamos taip vadinamuose izotopiniuose energijos šaltiniuose. Dirbtinių radioaktyviųjų izotopų savitoji masės energija (energija, kurią gali išskirti 1 kg sverianti medžiaga) yra daug didesnė nei cheminio kuro. Taigi, 210Ро jis yra lygus 5 * 10 8 KJ / kg, o energingiausiam cheminiam kurui (beriliui su deguonimi) ši vertė neviršija 3 * 10 4 KJ / kg. Deja, tokie varikliai naudojami kosminės raketos dar nėra racionalus. To priežastis – didelė izotopinės medžiagos kaina ir veikimo sudėtingumas. Juk izotopas energiją išskiria nuolat, net ir gabenant specialiame konteineryje bei raketai pastačius startą. Branduoliniuose reaktoriuose naudojamas efektyvesnis kuras. Taigi, savitoji 235U (skilusis urano izotopas) masės energija yra 6,75 * 10 9 kJ / kg, tai yra, maždaug eilės tvarka didesnė nei izotopo 210Ро. Šiuos variklius galima įjungti ir išjungti, branduolinis kuras (233U, 235U, 238U, 239Pu) yra daug pigesnis nei izotopinis kuras. Tokiuose varikliuose kaip darbinis skystis gali būti naudojamas ne tik vanduo, bet ir efektyvesnės darbinės medžiagos – alkoholis, amoniakas, skystas vandenilis. Variklio su skystu vandeniliu savitoji trauka yra 900 s. Paprasčiausioje branduolinio raketinio variklio su kietuoju branduoliniu kuru veikiančiu reaktoriumi schemoje darbinis skystis yra rezervuare. Siurblys tiekia jį į variklio kamerą. Purškiant purkštukų pagalba darbinis skystis susiliečia su šilumą generuojančiu branduoliniu kuru, įkaista, plečiasi ir dideliu greičiu išmetamas pro antgalį. Branduolinis kuras energijos kaupime lenkia bet kurią kitą kuro rūšį. Tada kyla natūralus klausimas – kodėl šio kuro įrenginiai vis dar turi palyginti mažą specifinę trauką ir didelę masę? Faktas yra tas, kad kietosios fazės branduolinio raketinio variklio specifinę trauką riboja skiliosios medžiagos temperatūra ir elektrinė dirbdamas skleidžia stiprią jonizuojančiąją spinduliuotę, kuri žalingai veikia gyvus organizmus. Biologinė apsauga nuo tokios spinduliuotės yra labai svarbi ir netaikoma kosmose lėktuvas... Praktinis branduolinių raketų variklių, naudojančių kietąjį branduolinį kurą, kūrimas prasidėjo XX amžiaus šeštojo dešimtmečio viduryje Sovietų Sąjungoje ir JAV, beveik tuo pačiu metu, kai buvo pastatytas pirmasis. atominės elektrinės... Darbai buvo atliekami padidinto slaptumo atmosferoje, tačiau žinoma, kad tokie raketų varikliai dar nebuvo realiai panaudoti astronautikoje. Iki šiol viskas apsiribojo santykinai mažos galios izotopinių elektros energijos šaltinių naudojimu bepiločiams dirbtiniai palydovaiŽemė, tarpplanetinis erdvėlaivis ir visame pasaulyje žinomas sovietinis „mėnulio roveris“.

7. Branduoliniai reaktyviniai varikliai, veikimo principas, impulso gavimo būdai NRE.

NRE gavo savo pavadinimą dėl to, kad jie sukuria trauką naudodami branduolinę energiją, ty energiją, kuri išsiskiria dėl branduolinių reakcijų. Bendrąja prasme šios reakcijos reiškia bet kokius atomo branduolių energetinės būsenos pokyčius, taip pat kai kurių branduolių transformaciją į kitus, susijusius su branduolių struktūros persitvarkymu arba juose esančių elementariųjų dalelių skaičiaus pasikeitimu. - nukleonai. Be to, branduolinės reakcijos, kaip žinoma, gali vykti arba spontaniškai (tai yra spontaniškai), arba būti sukeltos dirbtinai, pavyzdžiui, kai vieni branduoliai yra bombarduojami kitais (arba elementariomis dalelėmis). Branduolio dalijimosi ir sintezės reakcijos energijos atžvilgiu viršija cheminės reakcijos atitinkamai milijonus ir dešimtis milijonų kartų. Taip yra dėl to, kad energija cheminis ryšys atomų molekulėse daug kartų mažesnė už branduolio nukleonų branduolinio ryšio energiją. Branduolinė energija raketų varikliuose gali būti naudojama dviem būdais:

1. Išsiskyrusi energija naudojama darbiniam skysčiui šildyti, kuris vėliau plečiasi purkštuke, kaip ir įprastame raketiniame variklyje.

2. Branduolinė energija paverčiama elektros energija, o vėliau naudojama darbinio skysčio dalelėms jonizuoti ir pagreitinti.

3. Galiausiai impulsą sukuria patys dalijimosi produktai, susidarantys proceso metu, pvz. ugniai atsparūs metalai- volframas, molibdenas) naudojami ypatingų savybių dalioms medžiagoms suteikti.

Kietosios fazės reaktoriaus kuro elementai yra perverti kanalais, kuriais teka NRE darbinis skystis, palaipsniui įkaista. Kanalų skersmuo yra 1-3 mm, o bendras jų plotas sudaro 20-30% šerdies skerspjūvio. Akdynė yra pakabinama specialiomis grotelėmis maitinimo korpuso viduje, kad kaitinant reaktorių galėtų plėstis (kitaip subyrėtų dėl šiluminių įtempių).

Šerdis patiria dideles mechanines apkrovas, susijusias su dideliais hidraulinio slėgio kritimais (iki kelių dešimčių atmosferų) dėl tekančio darbinio skysčio, šiluminių įtempių ir vibracijų. Šerdies dydžio padidėjimas kaitinant reaktorių siekia kelis centimetrus. Aktyvioji zona ir atšvaitas yra tvirtame jėgos korpuse, kuris suvokia darbinio skysčio slėgį ir purkštuko sukuriamą trauką. Korpusas uždaromas tvirtu dangteliu. Jame telpa pneumatiniai, spyruokliniai arba elektriniai reguliavimo korpusų pavaros mechanizmai, mazgai NRE tvirtinimui prie erdvėlaivio, flanšai NRE sujungimui su darbinio skysčio tiekimo vamzdynais. Turbo siurblio blokas taip pat gali būti ant dangčio.

8 - antgalis,

9 - išsiplečiantis antgalio tvirtinimas,

10 - Darbinės medžiagos turbinai parinkimas,

11 - jėgos korpusas,

12 - Valdymo būgnas,

13 - Turbinos išmetimas (naudojamas orientacijai valdyti ir traukai padidinti),

14 - Valdymo būgnų pavarų žiedas)

1957 metų pradžioje buvo nustatyta galutinė Los Alamos laboratorijos darbo kryptis, priimtas sprendimas statyti grafito branduolinį reaktorių su grafite išsklaidytu urano kuru. Šia kryptimi sukurtas reaktorius Kiwi-A buvo išbandytas 1959 metais liepos 1 d.

Amerikietiškas kietojo kūno branduolinis reaktyvinis variklis XE Prime ant bandymų stendo (1968 m.)

Be reaktoriaus statybos, Los Alamos laboratorija įsibėgėjo specialios bandymų aikštelės Nevadoje statyboje, taip pat vykdė keletą specialių JAV oro pajėgų užsakymų susijusiose srityse (individualių TNRD kūrimas). vienetai). Los Alamos laboratorijos vardu visus specialius atskirų agregatų gamybos užsakymus vykdė šios įmonės: Šiaurės Amerikos aviacijos padalinys „Rocketdyne“ „Aerojet General“. 1958 metų vasarą visa „Rover“ programos įgyvendinimo kontrolė buvo perduota iš JAV oro pajėgų naujai organizuotai Nacionalinei aeronautikos ir kosmoso administracijai (NASA). Dėl specialaus CAE ir NASA susitarimo 1960 m. vasaros viduryje buvo suformuotas Kosmoso branduolinių variklių biuras, kuriam vadovavo G. Finger, vėliau vadovavęs Rover programai.

Šešių branduolinių reaktyvinių variklių „karštų bandymų“ rezultatai buvo labai džiuginantys, o 1961 m. pradžioje buvo paskelbta „Reactor In-Flight Test“ (RJFT) ataskaita. Tada, 1961 m. viduryje, buvo pradėtas projektas „Nerva“ (branduolinio variklio panaudojimas kosminėms raketoms). Generaliniu rangovu buvo pasirinktas „Aerojet General“, o už reaktoriaus statybą atsakingas subrangovas – „Westinghouse“.

10.2 Darbas su TNRE Rusijoje

Amerikos "href =" / text / category / amerikanetc / "rel =" bookmark "> Amerikiečiai, Rusijos mokslininkai naudojo ekonomiškiausius ir efektyviausius atskirų kuro elementų bandymus mokslinių tyrimų reaktoriuose. Salyut ", KB Khimavtomatiki, IAE, NIKIET ir NPO Luch (PNITI) plėtoti įvairius kosminių branduolinių raketų ir hibridinių branduolinių variklių projektus. KB Khimavtomatiki, vadovaujant NIITP mokslui (reaktoriaus elementai buvo atsakingi už FEI, IAE, NIKIET, NIITVEL, NPO „Luch“, MAI). sukurtas KIEMAS RD 0411 ir minimalių matmenų branduolinis variklis RD 0410 kurių trauka atitinkamai 40 ir 3,6 tonos.

Dėl to buvo pagamintas reaktorius, „šaltas“ variklis ir stendo prototipas, skirtas bandymams naudojant dujinį vandenilį. Priešingai nei amerikietiškas, kurio specifinis impulsas ne didesnis kaip 8250 m / s, sovietų TNRE dėl karščiui atsparesnių ir pažangesnių kuro elementų bei aukštos temperatūros šerdyje šis rodiklis buvo lygus 9100 m/s ir daugiau. NPO „Luch“ jungtinės ekspedicijos TNRM bandymų stendo bazė buvo 50 km į pietvakarius nuo Semipalatinsko-21 miesto. Ji pradėjo dirbti 1962 m. Per metus. poligone buvo išbandyti branduolinės raketos variklio prototipų pilno masto kuro elementai. Šiuo atveju išmetamosios dujos pateko į uždarą išleidimo sistemą. „Baikal-1“ stendų kompleksas, skirtas viso dydžio branduolinių variklių bandymams, yra 65 km į pietus nuo Semipalatinsko-21. Nuo 1970 iki 1988 metų buvo atlikta apie 30 reaktorių „karštųjų paleidimų“. Tuo pačiu metu galia neviršijo 230 MW, kai vandenilio srautas buvo iki 16,5 kg/sek, o jo temperatūra prie reaktoriaus išėjimo angoje – 3100 K. Visi paleidimai buvo sėkmingi, be nelaimingų atsitikimų ir pagal planą.

Sovietinis TYRD RD-0410 - vienintelis veikiantis ir patikimas pramoninis branduolinis raketinis variklis pasaulyje

Šiuo metu tokie darbai sąvartyne yra nutraukti, nors įrenginiai palaikomi gana efektyviai. „NPO Luch“ stendinė bazė yra vienintelis eksperimentinis kompleksas pasaulyje, kuriame be didelių finansinių ir laiko sąnaudų galima atlikti NRD reaktorių elementų bandymus. Gali būti, kad Jungtinėse Valstijose atnaujinus darbą su TNRE skrydžiams į Mėnulį ir Marsą pagal Kosmoso tyrimų iniciatyvos programą, kuriame planuojama dalyvauti Rusijos ir Kazachstano specialistams, bus atnaujinta Semipalatinsko bazė ir „Marso“ ekspedicijos įgyvendinimas 2020 m. ...

Pagrindinės charakteristikos

Specifinis vandenilio impulsas: 910–980 sek(teorija iki 1000 sek).

· Darbinio skysčio (vandenilio) nutekėjimo greitis: 9100 - 9800 m/sek.

· Pasiekiama trauka: iki šimtų ir tūkstančių tonų.

· Maksimalios darbinės temperatūros: 3000 °C - 3700 °C (trumpalaikis įjungimas).

· Tarnavimo laikas: iki kelių tūkstančių valandų (periodinis aktyvinimas). /5/

11.Įrenginys

Sovietinio kietosios fazės branduolinio raketinio variklio RD-0410 įrenginys

1 - linija iš darbinio skysčio bako

2 - turbo siurblio blokas

3 - reguliuojama būgno pavara

4 - radiacinė apsauga

5 - reguliavimo būgnas

6 - lėtintuvas

7 - kuro rinkinys

8 - reaktoriaus indas

9 - ugnies dugnas

10 - purkštukų aušinimo linija

11- purkštukų kamera

12 - antgalis

12.Darbo principas

TNRP pagal savo veikimo principą yra aukštos temperatūros reaktorius-šilumokaitis, į kurį veikiant slėgiui įleidžiamas darbinis skystis (skystas vandenilis), o jam įšylant iki aukštos temperatūros (virš 3000 °C) išstumiamas per atvėsusį antgalį. Šilumos regeneravimas purkštuke yra labai naudingas, nes leidžia daug greičiau įkaitinti vandenilį ir, panaudojus nemažą kiekį šiluminės energijos, padidinti savitąjį impulsą iki 1000 sek (9100-9800 m/s). .

Branduolinio raketinio variklio reaktorius

MsoNormalTable ">

Darbinis kūnas

Tankis, g / cm3

Specifinė trauka (esant nurodytai temperatūrai šildymo kameroje, ° K), sek

0,071 (skystas)

0,682 (skystas)

1000 (skystas)

ne. nežinia

ne. nežinia

ne. nežinia

(Pastaba: slėgis šildymo kameroje yra 45,7 atm, išsiplėtimas iki 1 atm slėgio, esant pastoviai cheminei darbinio skysčio sudėčiai) /6/

15.Privalumai

Pagrindinis TNRE pranašumas prieš cheminius raketų variklius yra gauti didesnį specifinį impulsą, reikšmingą energijos kaupimą, sistemos kompaktiškumą ir galimybę gauti labai didelę trauką (dešimtis, šimtus ir tūkstančius tonų vakuume. Apskritai specifinė vakuume pasiekiamas impulsas yra 3-4 kartus didesnis nei panaudoto dvikomponenčio cheminio raketinio kuro (žibalas-deguonis, vandenilis-deguonis), o dirbant didžiausiu šilumos intensyvumu 4-5 kartus. kosmoso tyrinėjimas) , tokius variklius galima pagaminti per trumpą laiką ir jų kaina bus priimtina. papildomas naudojimas perturbacijos manevrus naudojant didelių planetų (Jupiterio, Urano, Saturno, Neptūno) gravitacinį lauką, pasiekiamos Saulės sistemos tyrimo ribos gerokai išsiplečia, o laikas, reikalingas tolimas planetas pasiekti, gerokai sumažėja. Be to, TNRE gali būti sėkmingai naudojamas erdvėlaiviams, skriejantiems žemose milžiniškų planetų orbitose, naudojant jų retą atmosferą kaip darbo terpę, arba darbui jų atmosferoje. /aštuoni/

16.Trūkumai

Pagrindinis TNRE trūkumas yra galingo prasiskverbiančios spinduliuotės (gama spinduliuotės, neutronų) srautas, taip pat labai radioaktyvių urano junginių, ugniai atsparių junginių su indukuota spinduliuote ir radioaktyviųjų dujų pašalinimas darbiniu skysčiu. Šiuo atžvilgiu TNRE nepriimtinas paleidimui ant žemės, kad būtų išvengta pablogėjimo ekologinė situacija paleidimo vietoje ir atmosferoje. /keturiolika/

17. Turbininio variklio charakteristikų gerinimas. Hibridinis TYRD

Kaip ir bet kuris raketinis variklis ar bet kuris variklis apskritai, kietosios fazės branduolinis reaktyvinis variklis turi didelių apribojimų. kritinės charakteristikos... Šie apribojimai rodo įrenginio (TNRD) nesugebėjimą veikti temperatūros diapazone, viršijančiame maksimalių darbinių temperatūrų diapazoną. Statybinės medžiagos variklis. Norint išplėsti TNRE galimybes ir žymiai padidinti pagrindinius veikimo parametrus, gali būti taikomos įvairios hibridinės schemos, kuriose TNRE atlieka šilumos ir energijos šaltinio vaidmenį bei naudojami papildomi fiziniai darbo kūnų pagreitinimo metodai. Patikimiausia, praktiškai įgyvendinama ir turinti aukštas charakteristikas specifinio impulso ir traukos atžvilgiu yra hibridinė schema su papildoma MHD grandine (magnetohidrodinamine grandine), skirta jonizuoto darbinio skysčio (vandenilio ir specialių priedų) pagreitinimui. /13/

18. NRE keliamas radiacijos pavojus.

Veikiantis NRE yra galingas spinduliuotės šaltinis – gama ir neutroninė spinduliuotė. Nenaudojant specialių priemonių, spinduliuotė gali sukelti nepriimtiną darbinio skysčio ir konstrukcijos šildymą erdvėlaivyje, metalinių konstrukcinių medžiagų trapumą, plastiko sunaikinimą ir guminių dalių senėjimą, elektros kabelių izoliacijos pažeidimus, elektroninės įrangos sunaikinimą. Radiacija gali sukelti indukuotą (dirbtinį) medžiagų radioaktyvumą – jų aktyvavimą.

Šiuo metu erdvėlaivių su branduolinio kuro varikliais radiacinės saugos problema iš esmės laikoma išspręsta. Taip pat išspręsti esminiai klausimai, susiję su NRE priežiūra bandymų stenduose ir paleidimo aikštelėse. Nors veikiantis NRE kelia pavojų aptarnaujančiam personalui, „jau parą po NRE operacijos pabaigos be jokių asmeninių apsaugos priemonių galima keliasdešimt minučių būti 50 m atstumu nuo NRE ir net prieiti prie jo Paprasčiausios apsaugos priemonės leidžia aptarnaujančiam personalui patekti į darbo zoną KIEMAS netrukus po bandymo.

Paleidimo kompleksų ir aplinkos užterštumo lygis, matyt, nebus kliūtis NRE naudoti žemesnėse kosminių raketų pakopose. Radiacinio pavojaus aplinkai ir techninės priežiūros personalui problemą iš esmės sušvelnina tai, kad vandenilis, naudojamas kaip darbo terpė, praeinant per reaktorių praktiškai neįsijungia. Todėl NRE reaktyvinė srovė nėra pavojingesnė už skystojo kuro variklio srovę. / 4 /

Išvada

Svarstant NRE plėtros ir panaudojimo kosmonautikoje perspektyvas, reikėtų vadovautis pasiektomis ir tikėtinomis įvairių tipų NRE charakteristikomis, nuo to, ką jie gali duoti kosmonautikai, jų taikymą ir, galiausiai, nuo artimo poveikio. ryšys tarp NRE problemos ir energijos tiekimo kosmose problemos bei su energetikos plėtros klausimais.

Kaip minėta pirmiau, iš visų galimų NRE tipų labiausiai išvystytas terminis radioizotopinis variklis ir variklis su kietosios fazės dalijimosi reaktoriumi. Bet jei radioizotopų NRE savybės neleidžia tikėtis plataus jų panaudojimo astronautikoje (bent jau artimiausiu metu), tai kietosios fazės NRE sukūrimas atveria dideles perspektyvas astronautikai.

Pavyzdžiui, buvo pasiūlytas aparatas, kurio pradinė masė yra 40 000 tonų (ty maždaug 10 kartų didesnė už didžiausių šiuolaikinių nešančiųjų raketų), 1/10 šios masės sudaro naudingoji apkrova, o 2/3 – branduolinė. mokesčiai... Jei susprogdinsite vieną užtaisą kas 3 s, tada jų tiekimo užteks 10 dienų nuolatiniam NRM darbui. Per šį laiką įrenginys įsibėgės iki 10 000 km/s greičio ir ateityje, po 130 metų, gali pasiekti žvaigždę Alfa Kentauro.

Atominės elektrinės pasižymi unikaliomis savybėmis, kurios apima praktiškai neribotą energijos suvartojimą, veikimo nepriklausomybę nuo aplinkos, neatsparumą išoriniams poveikiams (kosmoso spinduliuotei, meteoritų pažeidimams, dideliam ir. žemos temperatūros ir tt). Tačiau maksimali branduolinių radioizotopų įrenginių galia ribojama iki kelių šimtų vatų. Šis apribojimas neegzistuoja atominių reaktorių elektrinėms, o tai nulemia jų naudojimo pelningumą ilgalaikių sunkiųjų erdvėlaivių skrydžiams artimoje žemėje, skrendant į tolimas Saulės sistemos planetas ir kitais atvejais.

Kietosios fazės ir kitų NRE su dalijimosi reaktoriais privalumai labiausiai atsiskleidžia tiriant tokias sudėtingas kosmoso programas kaip pilotuojami skrydžiai į Saulės sistemos planetas (pavyzdžiui, ekspedicijos į Marsą metu). Šiuo atveju specifinio RD impulso padidėjimas leidžia kokybiškai išspręsti naujas problemas. Visos šios problemos labai palengvinamos naudojant kietosios fazės NRE, kurio specifinis impulsas dvigubai didesnis nei šiuolaikinių skystojo kuro raketų variklių. Tokiu atveju taip pat tampa įmanoma žymiai sutrumpinti skrydžio laiką.

Labiausiai tikėtina, kad artimiausioje ateityje kietosios fazės NRE taps viena iš labiausiai paplitusių RD. Kietosios fazės NRM gali būti naudojamos kaip transporto priemonės tolimiems skrydžiams, pavyzdžiui, į tokias planetas kaip Neptūnas, Plutonas ir net išskristi iš Saulės sistemos. Tačiau skrydžiams į žvaigždes dalijimosi principais pagrįstas NRM netinka. Šiuo atveju perspektyvūs yra NRE arba, tiksliau, termobranduoliniai reaktyviniai varikliai (TJE), veikiantys sintezės reakcijų principu ir fotoniniai reaktyviniai varikliai (FRD), kurių impulsų šaltiniai yra materijos ir antimedžiagos anihiliacijos reakcija. Tačiau, greičiausiai, žmonija keliaudama tarpžvaigždinėje erdvėje naudos kitokį, nei reaktyvinį, keliavimo būdą.

Baigdamas perfrazuosiu garsiąją Einšteino frazę – norėdama keliauti į žvaigždes, žmonija turi sugalvoti kažką, kas savo sudėtingumu ir suvokimu prilygtų neandertaliečiui branduoliniam reaktoriui!

LITERATŪRA

Šaltiniai:

1. "Raketos ir žmonės. 4 knyga Mėnulio lenktynės" -M: Žinios, 1999 m.
2.http:// www. lpre. de / energomash / indeksas. htm
3. Pervušinas "Mūšis dėl žvaigždžių. Kosminė akistata" -M: žinios, 1998 m.
4. L. Gilberg „Dangaus užkariavimas“ – M: Žinios, 1994 m.
5.http:// epizodsspace. ***** / biblija / molodcovas
6. "Variklis", "Branduoliniai varikliai erdvėlaiviams", Nr. 5 1999 m.

7. „Variklis“, „Dujų fazės branduoliniai varikliai erdvėlaiviams“,

1999 Nr.6
7.http:// www. ***** / turinys / skaičiai / 263 / 03.shtml
8.http:// www. lpre. de / energomash / indeksas. htm
9.http:// www. ***** / turinys / skaičiai / 219 / 37.shtml
10., Chekalin ateities transportas.

M .: Žinios, 1983 m.

11., Kosmoso tyrinėjimų čekalinas .- M .:

Žinios, 1988 m.

12. Gubanovas B. „Energija – Buranas“ – žingsnis į ateitį // Mokslas ir gyvenimas.-

(13) Getland K. Kosmoso inžinerija .- Maskva: Mir, 1986 m.

14., Sergejus ir komercija. - M .: APN, 1989 m.

15. SSRS kosmose. 2005.-M .: APN, 1989 m.

16. Kelyje į giliąją erdvę // Energija. - 1985. - Nr.6.

TAIKYMAS

Pagrindinės kietųjų fazių branduolinių reaktyvinių variklių charakteristikos

Gamintojo šalis	Variklis	Trauka vakuume, kN	specifinis impulsas, sek		Projektinis darbas, metai
	NERVA / Lox mišrus ciklas