Cu grijă multe scrisori.

Un prototip de zbor al unei nave spațiale cu un sistem de propulsie nucleară (NPP) în Rusia este planificat să fie creat până în 2025. Lucrarea corespunzătoare este stabilită în proiectul Programului spațial federal pentru 2016–2025 (FKP-25), transmis de Roscosmos spre aprobare ministerelor.

Sistemele de energie nucleară sunt considerate principalele surse promițătoare de energie în spațiu atunci când se planifică expediții interplanetare la scară largă. Furnizarea de energie de megawați în spațiu în viitor va permite centrala nucleară, a cărei creare este acum realizată de întreprinderile Rosatom.

Toate lucrările de creare a unei centrale nucleare se desfășoară în conformitate cu termenii planificați. Putem spune cu un grad ridicat de încredere că lucrarea va fi finalizată la timp, prevăzut de programul țintă”, spune Andrey Ivanov, manager de proiect al departamentului de comunicații al corporației de stat Rosatom.

Recent, proiectul a finalizat două repere importante: a fost creat un design unic al elementului de combustibil, care asigura operabilitatea in conditii de temperaturi ridicate, gradienti mari de temperatura, iradiere cu doze mari. Testele tehnologice ale vasului reactor al viitoarei unități de putere spațială au fost, de asemenea, finalizate cu succes. Ca parte a acestor teste, corpul a fost presurizat și au fost făcute măsurători 3D în metalul de bază, sudarea circumferinței și zonele de tranziție conice.

Principiul de funcționare. Istoria creației.

CU reactor nuclear nu există dificultăți fundamentale pentru aplicațiile spațiale. În perioada 1962-1993, țara noastră a acumulat o experiență bogată în producția de instalații similare. Lucrări similare au fost efectuate în Statele Unite. De la începutul anilor 1960, în lume au fost dezvoltate mai multe tipuri de motoare cu reacție electrice: ionică, plasmă staționară, motor cu strat anodic, motor cu plasmă pulsată, magnetoplasmă, magnetoplasmoddinamică.

Lucrări la crearea motoarelor nucleare pt nava spatiala au fost desfășurate activ în URSS și SUA în ultimul secol: americanii au închis proiectul în 1994, URSS în 1988. Închiderea lucrărilor a fost în mare măsură facilitată de dezastrul de la Cernobîl, care a orientat negativ opinia publică spre utilizarea energiei nucleare. În plus, testele instalațiilor nucleare din spațiu nu au avut loc întotdeauna în mod obișnuit: în 1978, satelitul sovietic „Kosmos-954” a intrat în atmosferă și s-a prăbușit, împrăștiind mii de fragmente radioactive pe o suprafață de 100 de mii de metri pătrați. km în regiunile de nord-vest ale Canadei. Uniunea Sovietică a plătit Canada compensare băneascăîn valoare de peste 10 milioane USD.

În mai 1988, două organizații - Federația Oamenilor de Știință Americani și Comitetul Oamenilor de Știință Sovietici pentru Pace împotriva Amenințării Nucleare - au făcut o propunere comună de a interzice utilizarea energiei nucleare în spațiul cosmic. Acea propunere nu a primit implicații formale, dar de atunci nicio țară nu a lansat nave spațiale cu centrale nucleare la bord.

Marile avantaje ale proiectului sunt caracteristicile operaționale practic importante - o durată de viață lungă (10 ani de funcționare), un interval semnificativ de revizie și un timp lung de funcționare cu o singură pornire.

În 2010 au fost formulate propuneri tehnice pentru proiect. Din acest an a început proiectarea.

Centrala nucleară conține trei dispozitive principale: 1) o centrală reactor cu un fluid de lucru și dispozitive auxiliare (schimbător de căldură-recuperator și turbină generator-compresor); 2) un sistem electric de propulsie a rachetei; 3) frigider-radiator.

Reactor.

Din punct de vedere fizic, este un reactor compact de neutroni rapid, răcit cu gaz.
Un compus (dioxid sau carbonitrură) de uraniu este folosit ca combustibil, dar din moment ce designul trebuie să fie foarte compact, uraniul are o îmbogățire mai mare în izotop 235 decât în ​​elementele combustibile convenționale (civile). centrale nucleare eventual peste 20%. Și învelișul lor este un aliaj monocristalin de metale refractare pe bază de molibden.

Acest combustibil va trebui să funcționeze la temperaturi foarte ridicate. Prin urmare, a fost necesar să se aleagă materiale care să poată reține factorii negativi asociați cu temperatură și, în același timp, să permită combustibilului să-și îndeplinească funcția principală - să încălziți vehiculul de căldură cu gaz, cu ajutorul căruia va fi produsă electricitate. .

Frigider.

Răcirea gazului în timpul funcționării unei instalații nucleare este esențială. Cum eliberezi căldură în spațiul cosmic? Singura opțiune este răcirea prin radiație. Suprafața încălzită din gol este răcită prin emiterea de unde electromagnetice într-o gamă largă, inclusiv lumina vizibilă. Unicitatea proiectului constă în utilizarea unui amestec special de lichid de răcire - heliu-xenon. Instalația asigură o eficiență ridicată.

Motor.

Principiul de funcționare al motorului ionic este următorul. O plasmă rarefiată este creată în camera de descărcare a gazelor cu ajutorul anozilor și a unui bloc catodic situat într-un câmp magnetic. Ionii mediului de lucru (xenon sau altă substanță) sunt „extrași” din acesta de către electrodul de emisie și sunt accelerați în spațiul dintre acesta și electrodul de accelerare.

Pentru a implementa planul, au fost promise 17 miliarde de ruble în perioada 2010-2018. Dintre aceste fonduri, 7,245 miliarde de ruble au fost alocate corporației de stat „Rosatom” pentru crearea reactorului în sine. Alte 3,955 miliarde - FSUE „Keldysh Center” pentru crearea unei centrale nucleare de propulsie. Alte 5,8 miliarde de ruble - pentru RSC Energia, unde aspectul de funcționare al întregului modul de transport și energie urmează să fie format în același interval de timp.

Conform planurilor, până la sfârșitul anului 2017 va fi pregătit un sistem de propulsie nucleară pentru a finaliza modulul de transport și energie (modul de zbor interplanetar). Până la sfârșitul anului 2018, centrala nucleară va fi pregătită pentru testele de proiectare a zborului. Proiectul este finanțat de la bugetul federal.

Nu este un secret pentru nimeni că lucrările la crearea motoarelor de rachete nucleare au început în Statele Unite și URSS încă din anii 60 ai secolului trecut. Cât de departe au ajuns? Și cu ce probleme ai avut de înfruntat pe parcurs?

Anatoly Koroteev: Într-adevăr, lucrările privind utilizarea energiei nucleare în spațiu au început și au fost continuate activ în țara noastră și în Statele Unite în anii 1960 și 1970.

Inițial, sarcina a fost stabilită pentru a crea motoare de rachetă, care, în loc de energia chimică de ardere a combustibilului și a oxidantului, ar folosi încălzirea hidrogenului la o temperatură de aproximativ 3000 de grade. Dar s-a dovedit că o astfel de rută directă este încă ineficientă. Obținem o tracțiune mare pentru o perioadă scurtă de timp, dar în același timp aruncăm un jet, care, în cazul funcționării anormale a reactorului, poate fi contaminat radioactiv.

S-a acumulat o anumită experiență, dar nici noi, nici americanii nu am reușit să creăm motoare de încredere în acel moment. Au funcționat, dar nu mult, pentru că încălzirea hidrogenului la 3000 de grade într-un reactor nuclear este o sarcină serioasă. Și, în plus, au existat probleme de mediu în timpul testelor la sol ale unor astfel de motoare, deoarece jeturile radioactive au fost eliberate în atmosferă. Nu mai este un secret că astfel de lucrări au fost efectuate la locul de testare de la Semipalatinsk special pregătit pentru teste nucleare, care a rămas în Kazahstan.

Adică, doi parametri s-au dovedit a fi critici - temperatura prohibitivă și emisiile de radiații?

Anatoly Koroteev: În general, da. Din aceste motive și din alte câteva motive, munca în țara noastră și în Statele Unite a fost oprită sau suspendată - o puteți evalua în diferite moduri. Și ni s-a părut nerezonabil să le reînnoim într-un mod atât de, aș spune, frontal, pentru a face un motor nuclear cu toate dezavantajele deja menționate. Ne-am propus o abordare complet diferită. Se deosebește de cel vechi în același mod în care o mașină hibridă diferă de una convențională. Într-o mașină normală, motorul învârte roțile, iar în mașinile hibride, electricitatea este generată din motor, iar această energie electrică întoarce roțile. Adică se creează un fel de centrală intermediară.

Așa că am propus o schemă în care reactorul spațial nu încălzește jetul scos din el, ci generează electricitate. Gazul fierbinte din reactor rotește turbina, turbina întoarce generatorul electric și compresorul, care circulă fluidul de lucru într-o buclă închisă. Generatorul generează energie electrică pentru motorul cu plasmă cu o forță specifică de 20 de ori mai mare decât cea a omologilor săi chimici.

O schemă complicată. În esență, aceasta este o minicentrală nucleară în spațiu. Și care sunt avantajele acestuia față de un motor nuclear ramjet?

Anatoly Koroteev: Principalul lucru este că jetul care iese din noul motor nu va fi radioactiv, deoarece un fluid de lucru complet diferit trece prin reactor, care este conținut într-o buclă închisă.

În plus, cu această schemă, nu trebuie să încălzim hidrogenul la valori exorbitante: în reactor circulă un fluid de lucru inert, care se încălzește până la 1500 de grade. Ne simplificăm serios sarcina. Și, ca rezultat, vom crește forța specifică nu de două ori, ci de 20 de ori în comparație cu motoarele chimice.

Un alt lucru este, de asemenea, important: nu este nevoie de teste complexe pe teren, pentru care este nevoie de infrastructura fostului loc de testare Semipalatinsk, în special de baza de banc care a rămas în orașul Kurchatov.

În cazul nostru, toate testele necesare pot fi efectuate pe teritoriul Rusiei, fără a ne implica în lungi negocieri internaționale privind utilizarea energiei nucleare în afara statului lor.

Se fac lucrări similare în alte țări acum?

Anatoly Koroteev: Am avut o întâlnire cu șeful adjunct al NASA, am discutat chestiuni legate de revenirea la lucrul la energia nucleară în spațiu și a spus că americanii sunt interesați de acest lucru.

Este foarte posibil ca China să poată răspunde cu acțiuni viguroase din partea sa, așa că munca trebuie făcută rapid. Și nu numai pentru a trece înaintea cuiva cu jumătate de pas.

Trebuie să lucrăm rapid, în primul rând, astfel încât în ​​cooperarea internațională în curs de dezvoltare și de facto se formează, să parăm demni.

Nu exclud posibilitatea ca în viitorul apropiat să fie implementat acum un program internațional pentru o centrală nucleară spațială, similar programului de fuziune termonucleară controlată.

Motoarele de rachete cu propulsie lichidă au făcut posibil ca o persoană să meargă în spațiu - pe orbite apropiate de pământ. Dar viteza curentului cu jet în motorul cu propulsie lichidă nu depășește 4,5 km / s, iar zborurile către alte planete necesită zeci de kilometri pe secundă. O posibilă soluție este utilizarea energiei reacțiilor nucleare.

Crearea practică a motoarelor de rachete nucleare (NRM) a fost realizată numai de URSS și SUA. În 1955, Statele Unite au început să implementeze programul Rover pentru a dezvolta un motor de rachetă nucleară pentru nave spațiale... Trei ani mai târziu, în 1958, NASA s-a implicat în proiect, care a stabilit o sarcină specifică pentru navele cu sisteme de propulsie nucleară - un zbor către Lună și Marte. Din acel moment, programul a devenit cunoscut sub numele de NERVA, care înseamnă „motor nuclear pentru instalare pe rachete”.

Până la mijlocul anilor '70, în cadrul acestui program, trebuia să proiecteze un motor de propulsie nucleară cu o tracțiune de aproximativ 30 de tone (pentru comparație, un LPRE din acea vreme avea o tracțiune caracteristică de aproximativ 700 de tone), dar cu o viteză de ieșire a gazului de 8,1 km/s. Cu toate acestea, în 1973, programul a fost anulat din cauza unei schimbări a intereselor SUA către navetele spațiale.

În URSS, proiectarea primelor motoare de rachete nucleare a fost realizată în a doua jumătate a anilor '50. În același timp, designerii sovietici, în loc să creeze un model la scară largă, au început să realizeze părți separate ale NRM. Și apoi aceste dezvoltări au fost testate în interacțiune cu un reactor de grafit în impulsuri (IGR) special conceput.

În anii 70 și 80 ai secolului trecut, biroul de proiectare „Salyut”, biroul de proiectare „Khimavtomatiki” și NPO „Luch” au creat proiecte de motoare de rachete nucleare spațiale RD-0411 și RD-0410 cu o tracțiune de 40 și 3,6. tone, respectiv. În timpul procesului de proiectare, reactorul, motorul rece și prototipul de banc au fost fabricate pentru testare.

În iulie 1961, academicianul sovietic Andrei Saharov a anunțat proiectul unei explozii nucleare în cadrul unei reuniuni a oamenilor de știință nucleari de seamă de la Kremlin. Explozia a avut motoare de rachetă convenționale cu propulsie lichidă pentru decolare, în timp ce în spațiu ar fi trebuit să detoneze mici încărcături nucleare. Produsele de fisiune rezultate în urma exploziei și-au transferat impulsul navei, forțând-o să zboare. Cu toate acestea, la 5 august 1963, la Moscova a fost semnat un tratat care interzicea testele de arme nucleare în atmosferă, spațiu și sub apă. Acesta a fost motivul închiderii programului de explozii nucleare.

Este posibil ca dezvoltarea MNR să fi fost înaintea timpului său. Cu toate acestea, nu au fost prea prematuri. La urma urmei, pregătirea unui zbor cu echipaj uman către alte planete durează câteva decenii, iar sistemele de propulsie pentru acesta trebuie pregătite în avans.

Proiectarea motorului rachetei nucleare

Nuclear motor rachetă(NRE) - un motor cu reacție în care energia rezultată dintr-o reacție de dezintegrare nucleară sau de fuziune încălzește fluidul de lucru (cel mai adesea hidrogen sau amoniac).

Există trei tipuri de NRE în funcție de tipul de combustibil pentru reactor:

• fază solidă;
• fază lichidă;
• fază gazoasă.

Cel mai complet este fază solidă optiunea motorului. Figura prezintă o diagramă a celui mai simplu NRE cu un reactor cu combustibil nuclear solid. Lichidul de lucru este situat într-un rezervor exterior. Cu ajutorul unei pompe, este alimentat în camera motorului. În cameră, fluidul de lucru este pulverizat folosind duze și intră în contact cu combustibilul nuclear generator de căldură. Pe măsură ce se încălzește, se extinde și zboară din cameră prin duză cu o viteză extraordinară.

Faza lichida- combustibilul nuclear din miezul reactorului unui astfel de motor este sub formă lichidă. Parametrii de tracțiune ai unor astfel de motoare sunt mai mari decât cei în fază solidă datorită temperaturii mai ridicate a reactorului.

V fază gazoasă Combustibilul NRE (de exemplu, uraniu) și fluidul de lucru sunt în stare gazoasă (sub formă de plasmă) și sunt reținute în zona de lucru de un câmp electromagnetic. Plasma de uraniu încălzită la zeci de mii de grade transferă căldură mediului de lucru (de exemplu, hidrogen), care, la rândul său, fiind încălzit la temperaturi ridicate, formează un curent cu jet.

După tipul de reacție nucleară, se disting un motor de rachetă cu radioizotopi, un motor de rachetă termonuclear și un motor nuclear propriu-zis (se folosește energia de fisiune nucleară).

O opțiune interesantă este, de asemenea, un NRE pulsat - se propune utilizarea unei încărcături nucleare ca sursă de energie (combustibil). Astfel de instalații pot fi de tip intern și extern.

Principalele avantaje ale NRE sunt:

• impuls specific ridicat;
• stocare semnificativă de energie;
• compactitatea sistemului de propulsie;
• posibilitatea de a obține o tracțiune foarte mare - zeci, sute și mii de tone în vid.

Principalul dezavantaj este riscul ridicat de radiații al sistemului de propulsie:

• fluxuri de radiații penetrante (radiații gamma, neutroni) în timpul reacțiilor nucleare;
• transportul de compuși de uraniu foarte radioactiv și aliajele acestuia;
• scurgerea gazelor radioactive cu un fluid de lucru.

Prin urmare, pornirea unui motor nuclear este inacceptabilă pentru lansările de pe suprafața Pământului din cauza riscului de contaminare radioactivă.

Găsite articol interesant... În general, navele atomice m-au interesat întotdeauna. Acesta este viitorul astronauticii. Lucrări ample pe această temă au fost efectuate și în URSS. Articolul este doar despre ei.

Spațiu alimentat cu energie atomică. Vise și realitate.

Doctor în științe fizico-matematice Yu. Ya. Stavisskiy

În 1950, mi-am susținut diploma în inginerie fizică la Institutul Mecanic din Moscova (MMI) al Ministerului Munițiilor. Cu cinci ani mai devreme, în 1945, acolo s-a înființat Facultatea de Inginerie și Fizică, pregătind specialiști pentru o nouă industrie, ale cărei sarcini erau în principal producția de arme nucleare. Facultatea a fost de neegalat. Alături de fizica fundamentală în volumul cursurilor universitare (metode de fizică matematică, teoria relativității, mecanica cuantică, electrodinamică, fizică statistică și altele) am fost predate o gamă completă de discipline inginerești: chimie, știința metalelor, rezistența materialelor, teoria mecanismelor și mașinilor etc. Facultatea de Inginerie și Fizică a MMI, creată de remarcabilul fizician sovietic Alexander Ilici Leipunsky, a crescut de-a lungul timpului până la Institutul de Fizică de Inginerie din Moscova (MEPhI). O altă Facultate de Inginerie și Fizică, care mai târziu a fuzionat în MEPhI, a fost formată la Institutul de Inginerie Energetică din Moscova (MEI), dar dacă MMI s-a concentrat pe fizica fundamentală, atunci la Facultatea de Inginerie Energetică - pe căldură și electrofizică.

Am studiat mecanica cuantică din cartea lui Dmitri Ivanovici Blokhintsev. Imaginează-ți surpriza mea când, în timpul misiunii, am fost trimis să lucrez pentru el. Eu, pasionat experimentator (în copilărie, am demontat toate ceasurile din casă), și deodată ajung la un teoretician celebru. Am fost cuprins de o ușoară panică, dar la sosirea la locul – „Obiectul B” al Ministerului Afacerilor Interne al URSS din Obninsk – mi-am dat seama imediat că sunt îngrijorat degeaba.

În acest moment, tema principală a „Obiectului B”, care până în iunie 1950 a fost condusă de fapt de A.I. Leipunsky, sa format deja. Aici au creat reactoare cu reproducere extinsă a combustibilului nuclear - „producători rapidi”. În calitate de director, Blokhintsev a inițiat dezvoltarea unei noi direcții - crearea de motoare cu propulsie atomică pentru zborurile spațiale. Stăpânirea spațiului a fost un vis vechi al lui Dmitri Ivanovici, chiar și în tinerețe a corespondat și s-a întâlnit cu K.E. Ciolkovski. Cred că înțelegerea posibilităților gigantice ale energiei nucleare, în ceea ce privește puterea calorică de milioane de ori mai mare decât a celor mai buni combustibili chimici, a determinat drumul vietii DI. Blokhintsev.
„Nu poți vedea o față față în față”... În acei ani, nu înțelegeam multe. Abia acum, când a apărut în sfârșit oportunitatea de a compara faptele și destinele unor oameni de știință remarcabili ai Institutului de Fizică și Inginerie Energetică (IPPE) - fostul „Obiect B”, redenumit la 31 decembrie 1966 - un corect, mi se pare mie. , înțelegerea ideilor care i-au condus la acea vreme prinde contur... Cu toată varietatea de cazuri cu care a trebuit să se ocupe institutul, prioritate direcții științifice care s-a dovedit a fi în sfera intereselor fizicienilor săi de seamă.

Principalul interes al AIL (așa cum institutul l-a numit pe la spate pe Alexander Ilici Leipunsky) este dezvoltarea energiei globale bazată pe reactoare de reproducere rapidă (reactoare nucleare care nu au restricții privind resursele de combustibil nuclear). Este greu de supraestimat semnificația acestei probleme cu adevărat „cosmice”, căreia i-a dedicat ultimul sfert de secol al vieții sale. Leipunsky a depus multe eforturi pentru apărarea țării, în special pentru crearea de motoare atomice pentru submarine și avioane grele.

Interesele D.I. Blokhintsev (porecla „DI” i-a rămas) avea ca scop rezolvarea problemei utilizării energiei nucleare pentru zborurile spațiale. Din păcate, la sfârșitul anilor 1950, a fost forțat să părăsească acest loc de muncă și să conducă crearea unei organizații internaționale. centru științific- Institutul Comun de Cercetări Nucleare din Dubna. Acolo a fost angajat în reactoare rapide cu impulsuri - IBR. Acesta a fost ultimul lucru important din viața lui.

Un gol, o echipă

DI. Blokhintsev, care a predat la Universitatea de Stat din Moscova la sfârșitul anilor 1940, l-a observat acolo și apoi l-a invitat să lucreze la Obninsk pe tânărul fizician Igor Bondarenko, care s-a bucurat literalmente de navele spațiale cu propulsie atomică. Primul său consilier științific a fost A.I. Leipunsky și Igor, desigur, s-au ocupat de subiectul său - crescătorii rapizi.

Sub D.I. Blokhintsev, un grup de oameni de știință format în jurul lui Bondarenko, care s-au unit pentru a rezolva problemele de utilizare a energiei atomice în spațiu. Pe lângă Igor Ilici Bondarenko, grupul a inclus: Viktor Yakovlevich Pupko, Edwin Alexandrovich Stumbur și autorul acestor rânduri. Igor a fost principalul ideolog. Edwin a efectuat studii experimentale ale modelelor de la sol ale reactoarelor nucleare din instalațiile spațiale. M-am ocupat în principal de motoarele de rachete „de tracțiune joasă” (împingerea lor este creată de un fel de accelerator - „dispozitiv de propulsie ionică”, care este alimentat de energia dintr-o centrală nucleară spațială). Am investigat procesele
curgând în elice ionice, pe suporturi de pământ.

Pe Victor Pupko (în viitor
a devenit șeful departamentului de tehnologie spațială a IPPE) a fost multă muncă organizatorică. Igor Ilici Bondarenko a fost un fizician remarcabil. A simțit subtil experimentul, a pus la cale experimente simple, elegante și foarte eficiente. Cred că, ca niciun alt experimentator, și poate chiar câțiva teoreticieni, au „simțit” fizica fundamentală. Întotdeauna receptiv, deschis și binevoitor, Igor a fost cu adevărat sufletul institutului. Până astăzi, IPPE a trăit cu ideile sale. Bondarenko a trăit o viață nerezonabil de scurtă. În 1964, la vârsta de 38 de ani, a murit tragic din cauza unei erori medicale. De parcă Dumnezeu, văzând cât a făcut omul, a hotărât că deja era prea mult și a poruncit: „Destul”.

Este imposibil să nu mai țin minte unul personalitate unică- Vladimir Aleksandrovich Malykh, tehnolog „de la Dumnezeu”, modernul Leskovsky Lefty. Dacă „produsele” oamenilor de știință menționați mai sus erau în principal idei și estimări calculate ale realității lor, atunci lucrările lui Malykh au avut întotdeauna o cale de ieșire „în metal”. Sectorul său tehnologic, care în perioada de glorie a IPPE număra peste două mii de angajați, putea face, fără exagerare, totul. Mai mult, el însuși a jucat întotdeauna un rol cheie.

V.A. Malykh a început ca asistent de laborator la un institut de cercetare fizica nucleara Universitatea de Stat din Moscova, având în esență trei cursuri de fizică, - războiul nu mi-a permis să-mi termin studiile. La sfârșitul anilor 1940, a reușit să creeze o tehnologie de fabricare a ceramicii tehnice pe bază de oxid de beriliu, un material unic, un dielectric cu conductivitate termică ridicată. Înainte de Malykh, mulți s-au luptat fără succes pentru această problemă. Iar o celulă de combustibil pe bază de oțel inoxidabil în serie și uraniu natural, dezvoltată de el pentru prima centrală nucleară, este un miracol pentru ambii timpuri moderne... Sau celula de combustibil cu termoemisie a unui reactor-generator electric proiectat de Malykh pentru alimentarea navelor spațiale - o „ghirlandă”. Până acum nu a apărut nimic mai bun în acest domeniu. Creațiile lui Malykh nu erau jucării demonstrative, ci elemente de tehnologie nucleară. Au lucrat luni și ani. Vladimir Aleksandrovici a devenit doctor în științe tehnice, laureat al Premiului Lenin, Erou al Muncii Socialiste. În 1964, a murit tragic din cauza unui șoc militar.

Pas cu pas

S.P. Korolev și D.I. Blokhintsev a prețuit de mult visul unui zbor cu echipaj uman în spațiu. S-au stabilit legături strânse de lucru între ei. Dar la începutul anilor 1950, în mijlocul „ război rece„, Fondurile nu au fost cruțate doar în scopuri militare. Tehnologia rachetelor era considerată doar un purtător de încărcături nucleare și nici măcar nu s-au gândit la sateliți. Între timp, Bondarenko, știind despre realizările recente oamenii de știință rachete, au susținut cu insistență crearea unui satelit artificial Pământului. Ulterior, nimeni nu și-a amintit asta.

Povestea creării rachetei, care l-a ridicat în spațiu pe primul cosmonaut al planetei, Yuri Gagarin, este curioasă. Este asociat cu numele lui Andrei Dmitrievich Saharov. La sfârșitul anilor 1940, el a dezvoltat o sarcină combinată fisiune-termonucleară - „puf”, aparent, indiferent de „tatăl”. bombă cu hidrogen„Edward Teller, care a propus un produs similar numit ceas cu alarmă. Cu toate acestea, Teller și-a dat seama curând că sarcina nucleară a unei astfel de scheme ar avea o putere „limitată”, nu mai mult de ~ 500 de kilotone echivalent tol. Acest lucru nu este suficient pentru o armă „absolută”, așa că „ceasul cu alarmă” a fost abandonat. În Uniunea Sovietică, în 1953, RDS-6-ul lui Saharov a fost aruncat în aer.

După teste reușite și alegerea lui Saharov ca academician, șeful de atunci al Ministerului Construcției de Mașini Medii V.A. Malyshev l-a invitat la locul lui și a stabilit sarcina de a determina parametrii bombei de generație următoare. Andrei Dmitrievich a apreciat (fără un studiu detaliat) greutatea noii încărcături mult mai puternice. Raportul lui Saharov a stat la baza decretului Comitetului Central al PCUS și al Consiliului de Miniștri al URSS, care a obligat S.P. Korolev va dezvolta un vehicul de lansare balistică pentru această încărcare. Această rachetă R-7 numită Vostok a fost cea care a lansat un satelit artificial Pământului pe orbită în 1957 și o navă spațială cu Yuri Gagarin în 1961. Nu a mai fost planificat să-l folosească ca purtător al unei încărcături nucleare grele, încă de la dezvoltare arme termonucleare a mers pe alta cale.

În stadiul inițial al programului nuclear spațial, IPPE, împreună cu biroul de proiectare V.N. Chelomeya a dezvoltat o rachetă de croazieră nucleară. Această direcție nu s-a dezvoltat pentru mult timp și s-a încheiat cu calcule și testare a elementelor de motor create în departamentul V.A. Malykha. De fapt, era vorba despre o aeronavă fără pilot cu zbor joasă, cu un motor nuclear ramjet și un focos nuclear (un fel de analog nuclear al „buzing bug” - V-1 german). Sistemul a fost lansat folosind rachete booster convenționale. După atingerea vitezei stabilite, forța a fost creată de aerul atmosferic încălzit prin reacția în lanț de fisiune a oxidului de beriliu impregnat cu uraniu îmbogățit.

În general, capacitatea unei rachete de a îndeplini o anumită sarcină astronautică este determinată de viteza pe care o dobândește după utilizarea întregului stoc de fluid de lucru (combustibil și oxidant). Se calculează prin formula Tsiolkovsky: V = c × lnMn / Mk, unde c este viteza de curgere a fluidului de lucru, iar Mn și Mk sunt masa inițială și finală a rachetei. În rachetele chimice convenționale, debitul este determinat de temperatura din camera de ardere, tipul de combustibil și oxidant și greutatea moleculară a produselor de ardere. De exemplu, americanii au folosit hidrogen ca combustibil în vehiculul de coborâre pentru a ateriza astronauții pe Lună. Produsul arderii sale este apa, a cărei greutate moleculară este relativ mică, iar debitul este de 1,3 ori mai mare decât la arderea kerosenului. Acest lucru este suficient pentru ca vehiculul de coborâre cu astronauții să ajungă la suprafața Lunii și apoi să-i readucă pe orbita satelitului său artificial. La Korolev, munca cu hidrogen a fost suspendată din cauza unui accident cu decese. Nu am avut timp să creăm un vehicul de coborâre lunară pentru oameni.

Una dintre modalitățile de a crește semnificativ rata de expirare este crearea de rachete termice nucleare. Aveam rachete atomice balistice (BAR) cu o rază de acțiune de câteva mii de kilometri (un proiect comun al OKB-1 și IPPE), în timp ce americanii aveau sisteme similare de tip Kiwi. Motoarele au fost testate la locurile de testare de lângă Semipalatinsk și în Nevada. Principiul funcționării lor este următorul: hidrogenul este încălzit într-un reactor nuclear la temperaturi ridicate, trece într-o stare atomică și deja în această formă curge din rachetă. În acest caz, viteza de scurgere este crescută de peste patru ori în comparație cu o rachetă cu hidrogen chimic. Întrebarea a fost să aflăm la ce temperatură poate fi încălzit hidrogenul într-un reactor cu celule de combustie solidă. Calculele au dat aproximativ 3000 ° K.

La NII-1, al cărui director științific era Mstislav Vsevolodovich Keldysh (pe atunci președintele Academiei de Științe a URSS), departamentul V.M. Ievlev, cu participarea IPPE, a fost angajat într-o schemă absolut fantastică - un reactor în fază gazoasă în care o reacție în lanț are loc într-un amestec gazos de uraniu și hidrogen. Dintr-un astfel de reactor, hidrogenul curge de zece ori mai repede decât dintr-un combustibil solid, în timp ce uraniul este separat și rămâne în miez. Una dintre idei a implicat utilizarea separării centrifuge, atunci când un amestec de gaz fierbinte de uraniu și hidrogen este „învârtit” de hidrogenul rece care intră, în urma căruia uraniul și hidrogenul sunt separate, ca într-o centrifugă. Ievlev a încercat, de fapt, să reproducă direct procesele din camera de ardere a unei rachete chimice, folosind ca sursă de energie nu căldura de ardere a combustibilului, ci o reacție în lanț de fisiune. Acest lucru a deschis calea pentru utilizarea deplină a intensității energetice. nuclee atomice... Dar problema posibilității ieșirii hidrogenului pur (fără uraniu) din reactor a rămas nerezolvată, ca să nu mai vorbim de problemele tehnice asociate cu reținerea la temperaturi înalte. amestecuri de gaze la presiuni de sute de atmosfere.

Lucrările IPPE asupra rachetelor atomice balistice au fost finalizate în 1969-1970 cu „teste de foc” la locul de testare de la Semipalatinsk a unui prototip de motor de rachetă nucleară cu celule de combustibil solid. A fost creat de IPPE în cooperare cu A.D. Konopatov, Moscow Research Institute-1 și o serie de alte grupuri tehnologice. Baza motorului cu o tracțiune de 3,6 tone a fost un reactor nuclear IR-100 cu celule de combustie realizate dintr-o soluție solidă de carbură de uraniu și carbură de zirconiu. Temperatura hidrogenului a atins 3000 ° K la o putere a reactorului de ~ 170 MW.

Rachete nucleare cu rază redusă

Până acum, am vorbit despre rachete cu o forță care depășește greutatea lor, care ar putea fi lansate de pe suprafața Pământului. În astfel de sisteme, o creștere a debitului face posibilă reducerea stocului de fluid de lucru, creșterea sarcinii utile și abandonarea sistemului cu mai multe etape. Cu toate acestea, există modalități de a obține debite practic nelimitate, de exemplu, accelerarea materiei prin câmpuri electromagnetice. Lucrez în acest domeniu în strânsă legătură cu Igor Bondarenko de aproape 15 ani.

Accelerația unei rachete cu un motor cu reacție electric (ERE) este determinată de raportul dintre puterea specifică a centralei nucleare spațiale (KNPP) instalată pe acestea și debitul de ieșire. În viitorul previzibil, capacitățile specifice ale KNPP, aparent, nu vor depăși 1 kW / kg. În acest caz, este posibil să se creeze rachete cu tracțiune scăzută, de zeci și sute de ori mai mică decât greutatea rachetei și cu un consum foarte mic de fluid de lucru. O astfel de rachetă nu poate porni decât de pe orbita unui satelit artificial Pământului și, accelerând încet, poate atinge viteze mari.

Pentru zborurile în cadrul sistemului solar sunt necesare rachete cu o viteză de ieșire de 50-500 km/s, iar pentru zborurile către stele, „rachete fotonice” care depășesc imaginația noastră cu o viteză de ieșire, viteză egală Sveta. Pentru a efectua un zbor spațial pe distanță lungă, care este cumva rezonabil în timp, este necesară o putere specifică de neimaginat a centralelor electrice. Deși este imposibil să ne imaginăm pe ce procese fizice se pot baza.

Calculele au arătat că, în timpul Marii Confruntări, când Pământul și Marte sunt cel mai aproape unul de celălalt, este posibil să zbori cu o navă spațială nucleară cu un echipaj pe Marte într-un an și să o readuci pe orbita unui satelit artificial de pe Pământ. Greutatea totală a unei astfel de nave este de aproximativ 5 tone (inclusiv stocul de fluid de lucru - cesiu, egal cu 1,6 tone). Este determinată în principal de masa KNPP de 5 MW, iar tracțiunea jetului este determinată de un fascicul de ioni de cesiu de doi megawați cu o energie de 7 keV *. Nava spațială pleacă de pe orbita unui satelit artificial al Pământului, intră pe orbita satelitului lui Marte și va trebui să coboare la suprafața sa pe un dispozitiv cu un motor chimic pe hidrogen, similar celui lunar american.

Această direcție se bazează pe solutii tehnice, posibil deja astăzi, a fost dedicat unui ciclu mare de lucrări IPPE.

Motoarele ionice

În acei ani, s-au discutat modalitățile de creare a diverselor dispozitive de propulsie cu electrojet pentru nave spațiale, precum „tunuri cu plasmă”, acceleratoare electrostatice de „praf” sau picături de lichid. Cu toate acestea, niciuna dintre idei nu avea o bază fizică clară. Descoperirea a fost ionizarea la suprafață a cesiului.

În anii 1920, fizicianul american Irving Langmuir a descoperit ionizarea suprafeței metalelor alcaline. Când un atom de cesiu se evaporă de pe suprafața unui metal (în cazul nostru, wolfram), pentru care funcția de lucru a electronilor este mai mare decât potențialul de ionizare al cesiului, pierde un electron slab legat în aproape 100% din cazuri și se dovedește că a fi un ion încărcat individual. Astfel, ionizarea la suprafață a cesiului pe wolfram este procesul fizic care face posibilă crearea unui dispozitiv de propulsie ionică cu utilizarea aproape 100% a fluidului de lucru și cu o eficiență energetică apropiată de unitate.

Colegul nostru Stal Yakovlevich Lebedev a jucat un rol important în crearea modelelor unui dispozitiv de propulsie ionică a unei astfel de scheme. Cu tenacitatea și perseverența sa de fier, a depășit toate obstacolele. Ca rezultat, a fost posibil să se reproducă în metal o schemă plată cu trei electrozi a dispozitivului de propulsie ionică. Primul electrod este o placă de wolfram cu dimensiunea de aproximativ 10 × 10 cm cu un potențial de +7 kV, al doilea este o rețea de wolfram cu un potențial de -3 kV, iar al treilea este o rețea de tungsten toriat cu potențial zero. „Pistolul molecular” a produs un fascicul de vapori de cesiu, care a căzut prin toate grilele pe suprafața plăcii de wolfram. O placă de metal echilibrată și calibrată, așa-numita balanță, a fost folosită pentru a măsura „forța”, adică împingerea fasciculului de ioni.

Tensiunea de accelerare la prima grilă accelerează ionii de cesiu la 10.000 eV, tensiunea de decelerare la a doua îi încetinește la 7000 eV. Aceasta este energia cu care ionii trebuie să părăsească dispozitivul de propulsie, ceea ce corespunde unei viteze de ieșire de 100 km/s. Dar fasciculul de ioni, limitat de sarcina spațială, nu poate „ieși în spațiul cosmic”. Sarcina de volum a ionilor trebuie compensată de electroni pentru a forma o plasmă cvasi-neutră, care se răspândește liber în spațiu și creează o forță reactivă. A treia grilă (catod) încălzită de curent servește ca sursă de electroni pentru a compensa încărcarea spațială a fasciculului de ioni. A doua rețea, „de blocare”, împiedică electronii să treacă de la catod la placa de tungsten.

Prima experiență cu modelul de propulsie ionică a marcat începutul a peste zece ani de muncă. Unul dintre cele mai recente modele - cu un emițător de wolfram poros, creat în 1965, a dat o „împingere” de aproximativ 20 g la un curent al fasciculului ionic de 20 A, a avut un coeficient de utilizare a energiei de aproximativ 90% și a materiei - 95% .

Conversie directă căldură nuclearăîn electricitate

Modalități de conversie directă a energiei de fisiune nucleară în energie electrică nu au fost încă găsite. Încă nu ne putem lipsi de o legătură intermediară - un motor termic. Deoarece eficiența sa este întotdeauna mai mică decât unitatea, căldura „deșeată” trebuie eliminată undeva. Pe uscat, în apă și în aer, aceasta nu este o problemă. În spațiu, există o singură cale - Radiație termala... Astfel, KNPP nu se poate lipsi de un „radiator-răcitor”. Densitatea radiației este proporțională cu puterea a patra a temperaturii absolute, prin urmare temperatura radiatorului-frigider ar trebui să fie cât mai mare posibil. Apoi, va fi posibil să se reducă suprafața emițătoare și, în consecință, masa centralei electrice. Am avut o idee să folosim conversia „directă” a căldurii nucleare în energie electrică, fără turbină și generator, care părea mai fiabilă în timpul funcționării pe termen lung la temperaturi ridicate.

Din literatură, știam despre lucrările lui A.F. Joffe - fondatorul scoala sovietica fizica tehnică, un pionier în studiul semiconductorilor în URSS. Puțini oameni își amintesc acum despre sursele actuale dezvoltate de el, care au fost folosite în timpul Marelui Război Patriotic. Apoi, mai mult de un detașament de partizani au avut legătură cu continentul datorită TEG-urilor „kerosen” – generatoarele termoelectrice ale lui Ioffe. O „coroană” de TEG (era un set de elemente semiconductoare) a fost pusă pe o lampă cu kerosen, iar firele acesteia au fost conectate la echipamente radio. Capetele „fierbinți” ale elementelor au fost încălzite de flacăra unei lămpi cu kerosen, iar capetele „reci” au fost răcite în aer. Fluxul de căldură, care trece prin semiconductor, a generat o forță electromotoare, care a fost suficientă pentru o sesiune de comunicare, iar în intervalele dintre ele, TEG-ul a încărcat bateria. Când, la zece ani după Victorie, am vizitat fabrica de TEG din Moscova, s-a dovedit că încă mai găseau vânzări. La acea vreme, mulți dintre săteni aveau radio-uri Rodina eficiente energetic, cu lămpi cu incandescență directă și funcționând cu baterii. TEG-urile au fost adesea folosite în schimb.

Problema cu kerosenul TEG este eficiența sa scăzută (doar aproximativ 3,5%) și temperatura de limitare scăzută (350 ° K). Dar simplitatea și fiabilitatea acestor dispozitive au atras dezvoltatorii. Astfel, convertoarele semiconductoare dezvoltate de grupul I.G. Gverdtsitels de la Institutul de Fizică și Tehnologie Sukhumi, au găsit aplicații în instalațiile spațiale de tip Buk.

La un moment dat A.F. Ioffe a propus un alt convertor termoionic - o diodă în vid. Principiul funcționării sale este următorul: un catod încălzit emite electroni, unii dintre ei, depășind potențialul anodului, funcționează. Eficiența semnificativ mai mare (20-25%) era de așteptat de la acest dispozitiv la Temperatura de Operare peste 1000 ° K. În plus, spre deosebire de un semiconductor, o diodă în vid nu se teme de radiația neutronică și poate fi combinată cu reactor nuclear... Cu toate acestea, s-a dovedit că este imposibil să implementați ideea unui convertor Ioffe „în vid”. La fel ca într-un dispozitiv de propulsie ionică, într-un convertor de vid, trebuie să scapi de încărcătura spațială, dar de data aceasta nu ioni, ci electroni. A.F. Ioffe a propus să folosească spații de microni între catod și anod într-un convertor de vid, ceea ce este practic imposibil în condiții de temperaturi ridicate și deformații termice. Aici a fost util cesiul: un ion de cesiu, obținut datorită ionizării suprafeței la catod, compensează încărcătura de volum de aproximativ 500 de electroni! În esență, un convertor de cesiu este un dispozitiv de propulsie ionică „inversată”. Procesele fizice din ele sunt similare.

„Girlande” de V.A. Malykha

Unul dintre rezultatele muncii IPPE privind convertoarele termoionice a fost crearea V.A. Producție mică și în serie în departamentul său de elemente de combustibil din convertoare termoionice conectate în serie - „ghirlande” pentru reactorul Topaz. Au dat până la 30 V - de o sută de ori mai mult decât convertoarele cu un singur element create de „organizații concurente” - grupul MB Leningrad Barabash și mai târziu - de către Institutul de Energie Atomică. Acest lucru a făcut posibilă „eliminarea” din reactor de zeci și sute de ori mai multă putere. Cu toate acestea, fiabilitatea sistemului, înghesuit cu mii de elemente termoionice, a stârnit îngrijorări. În același timp, instalațiile cu turbine cu abur și gaz au funcționat fără întreruperi, așa că am acordat atenție conversiei „mașinii” a căldurii nucleare în energie electrică.

Întreaga dificultate a fost în resursă, deoarece în zborurile în spațiu adânc, generatoarele cu turbină ar trebui să funcționeze timp de un an, doi sau chiar câțiva ani. Pentru a reduce uzura, „revoluțiile” (turația turbinei) ar trebui făcute cât mai scăzute posibil. Pe de altă parte, o turbină funcționează eficient dacă viteza moleculelor de gaz sau vapori este apropiată de viteza palelor sale. Prin urmare, mai întâi am luat în considerare utilizarea celor mai grei - vapori de mercur. Dar ne-a speriat coroziunea intensă stimulată de radiații a fierului și a oțelului inoxidabil, care a avut loc într-un reactor nuclear răcit cu mercur. În două săptămâni, coroziunea a „mâncat” elementele de combustibil ale reactorului rapid experimental Clementine din Laboratorul Argonne (SUA, 1949) și ale reactorului BR-2 de la IPPE (URSS, Obninsk, 1956).

Vaporii de potasiu s-au dovedit a fi tentanți. Un reactor cu potasiu care fierbe în el a stat la baza centralei unei nave spațiale cu tracțiune joasă pe care o dezvoltam - aburul de potasiu a rotit un turbogenerator. Această metodă „mașină” de transformare a căldurii în energie electrică a permis să mizeze pe o eficiență de până la 40%, în timp ce instalațiile termoionice reale au dat un randament de doar aproximativ 7%. Cu toate acestea, KNPP cu conversie „mașină” a căldurii nucleare în electricitate nu au fost dezvoltate. Cazul s-a încheiat cu publicarea unui raport detaliat, de fapt - o „notă fizică” la proiectul tehnic al unei nave spațiale cu tracțiune joasă pentru un zbor cu echipajul către Marte. Proiectul în sine nu a fost niciodată dezvoltat.

În viitor, cred că, interesul pentru zborurile spațiale folosind motoare cu rachete nucleare a dispărut pur și simplu. După moartea lui Serghei Pavlovici Korolev, sprijinul pentru lucrările IPPE privind sistemele de propulsie ionică și centralele nucleare „mașini” s-a slăbit vizibil. OKB-1 era condus de Valentin Petrovici Glushko, care nu avea niciun interes să îndrăznească proiecte promițătoare. OKB Energia, pe care a creat-o, a construit rachete chimice puternice și nava spațială Buran care se va întoarce pe Pământ.

„Buk” și „Topaz” pe sateliții din seria „Cosmos”.

Lucrările la crearea unui KNPP cu conversia directă a căldurii în energie electrică, acum ca surse de energie pentru sateliți radiotehnici puternici (stații radar spațiale și radiodifuzori TV), au continuat până la începutul restructurării. Din 1970 până în 1988, aproximativ 30 de sateliți radar cu centrale nucleare Buk cu convertoare semiconductoare și doi cu termoemisii Topaz au fost lansați în spațiu. „Buk”, de fapt, era un TEG - un convertor semiconductor Ioffe, doar că în loc de o lampă cu kerosen folosea un reactor nuclear. Era un reactor rapid cu o putere de până la 100 kW. Încărcătura completă de uraniu foarte îmbogățit a fost de aproximativ 30 kg. Căldura din miez a fost transferată de metal lichid - un aliaj eutectic de sodiu și potasiu către bateriile semiconductoare. Puterea electrică a ajuns la 5 kW.

Instalarea „Buk” sub supravegherea științifică a IPPE a fost dezvoltată de experți de la OKB-670 MM. Bondaryuk, mai târziu - NPO Krasnaya Zvezda (designer șef - GM Gryaznov). Biroul de proiectare Dnepropetrovsk Yuzhmash (designer șef - MK Yangel) a fost instruit să creeze un vehicul de lansare pentru lansarea satelitului pe orbită.

Program de lucru "Buk" - 1-3 luni. Dacă instalarea a eșuat, satelitul a fost transferat pe o orbită pe termen lung cu o altitudine de 1000 km. De aproape 20 de ani de lansări, au fost înregistrate trei cazuri de cădere a unui satelit pe Pământ: două - în ocean și unul - pe uscat, în Canada, în vecinătatea Marelui Lac al Sclavilor. Space-954, lansat pe 24 ianuarie 1978, a căzut acolo. A lucrat 3,5 luni. Elementele de uraniu ale satelitului au fost complet arse în atmosferă. La sol au fost găsite doar rămășițele unui reflector de beriliu și baterii semiconductoare. (Toate aceste date sunt date în raportul comun al comisiilor atomice americane și canadiane privind operațiunea Morning Light.)

Un reactor termic cu o putere de până la 150 kW a fost utilizat în centrala nucleară cu emisie termică Topaz. Sarcina completă de uraniu a fost de aproximativ 12 kg - semnificativ mai mică decât cea a Buk. Miezul reactorului era elemente de combustibil - „ghirlande”, dezvoltate și fabricate de grupul lui Malykh. Erau un lanț de termoelemente: catodul era un „degetar” din wolfram sau molibden umplut cu oxid de uraniu, iar anodul era un tub de niobiu cu pereți subțiri răcit cu sodiu-potasiu lichid. Temperatura catodului a atins 1650 ° C. Puterea electrică a instalației a ajuns la 10 kW.

Primul prototip de zbor, satelitul Kosmos-1818 cu instalația Topaz, a intrat pe orbita pe 2 februarie 1987 și a funcționat fără eșec timp de șase luni, până la epuizarea rezervelor de cesiu. Al doilea satelit, Cosmos-1876, a fost lansat un an mai târziu. A lucrat pe orbită aproape de două ori mai mult. Dezvoltatorul principal al „Topaz” a fost OKB MMZ „Soyuz”, condus de S.K. Tumansky (fostul birou de proiectare al designerului de motoare de aeronave A.A.Mikulin).

Asta a fost la sfârșitul anilor 1950, când lucram la sistemul de propulsie ionică, iar el lucra la cel de-al treilea motor, destinat unei rachete care urma să zboare în jurul Lunii și să aterizeze pe ea. Amintirile din laboratorul Melnikov sunt proaspete până astăzi. A fost situat în Podlipki (acum orașul Korolev), pe locul nr. 3 al OKB-1. Un atelier imens cu o suprafață de aproximativ 3000 m2, căptușit cu zeci de birouri cu osciloscoape în buclă care înregistrează pe rolă de hârtie de 100 mm (aceasta era încă o epocă apuse, astăzi un computer personal ar fi suficient). La peretele frontal al atelierului se afla un stand unde este montata camera de ardere a motorului racheta "lunar". Osciloscoapele sunt conectate la mii de fire de la senzori de viteză a gazului, presiune, temperatură și alți parametri. Ziua incepe la ora 9.00 cu aprinderea motorului. Funcționează câteva minute, apoi imediat după oprire o echipă de mecanici din primul schimb îl demontează, examinează cu atenție și măsoară camera de ardere. În același timp, sunt analizate benzile de osciloscop și se fac recomandări pentru modificări de design. A doua tură - proiectanții și lucrătorii atelierului fac modificările recomandate. În schimbul al treilea, la stand sunt instalate o nouă cameră de ardere și un sistem de diagnosticare. O zi mai târziu, exact la ora 9.00, va avea loc următoarea sesiune. Și așa fără zile libere de săptămâni, luni. Peste 300 de opțiuni de motorizare pe an!

Așa au fost create motoarele rachetelor chimice, care trebuiau să funcționeze doar 20-30 de minute. Ce putem spune despre testele și modificările centralelor nucleare - calculul a fost că ar trebui să funcționeze mai mult de un an. Acest lucru a necesitat un efort cu adevărat uriaș.

Sergeev Aleksey, 9 clasa "A" MOU "Școala secundară nr. 84"

Consultant științific: director adjunct al parteneriatului non-profit pentru activități științifice și inovatoare „Tomsk Atomic Center”

Șef:, profesor de fizică, MOU „Școala Gimnazială Nr. 84” ZATO Seversk

Introducere

Sistemele de propulsie de la bordul navei spațiale sunt proiectate pentru a genera forță sau moment unghiular. În funcție de tipul de tracțiune utilizat, sistemul de propulsie este împărțit în chimic (CRD) și non-chimic (NHRD). HRM sunt împărțite în lichid (LPRE), propulsor solid (motoare de rachetă cu propulsor solid) și combinat (KRD). La rândul lor, sistemele de propulsie nechimică sunt împărțite în nucleare (NRE) și electrice (ERE). Grozav savantul Konstantin Eduardovici Ciolkovski a creat în urmă cu un secol primul model de sistem de propulsie care a funcționat pe combustibili solizi și lichizi. După ce, în a doua jumătate a secolului al XX-lea, au fost efectuate mii de zboruri folosind în principal motoare cu combustibil lichid și combustibil solid.

Cu toate acestea, în prezent, pentru zborurile către alte planete, ca să nu mai vorbim de stele, utilizarea motoarelor de rachete cu propulsie lichidă și a propulsoarelor solide devine din ce în ce mai nerentabilă, deși au fost dezvoltate multe RD-uri. Cel mai probabil, capacitățile motoarelor rachete cu propulsie lichidă și propulsoare solide s-au epuizat complet. Motivul aici este că impulsul specific al tuturor căilor de rulare chimice este scăzut și nu depășește 5000 m / s, ceea ce necesită o funcționare de propulsie pe termen lung și, în consecință, rezerve mari de combustibil, așa cum este obișnuit în astronautică, pentru a dezvolta viteze suficient de mari. valori mari numărul Tsiolkovsky, adică raportul dintre masa rachetei alimentată și masa celei goale. Deci LV Energia, care injectează 100 de tone de sarcină utilă pe o orbită joasă, are o masă de lansare de aproximativ 3000 de tone, ceea ce oferă o valoare pentru numărul Tsiolkovsky în 30.

Pentru un zbor spre Marte, de exemplu, numărul Tsiolkovsky ar trebui să fie și mai mare, ajungând la valori de la 30 la 50. Nu este greu de estimat că, cu o sarcină utilă de aproximativ 1.000 de tone, și anume în astfel de limite, masa minimă necesară pentru a oferi tot echipajul necesar pornind de la Marte fluctuează Ținând cont de aprovizionarea cu combustibil pentru zborul de întoarcere pe Pământ, masa inițială a navei spațiale ar trebui să fie de cel puțin 30.000 de tone, ceea ce este în mod clar în afara nivelului de dezvoltare al cosmonauticii moderne bazate pe utilizarea motoarelor rachete cu propulsie lichidă și a propulsoarelor solide.

Astfel, pentru a ajunge chiar și pe cele mai apropiate planete de către echipaje cu echipaje, este necesară dezvoltarea vehiculelor de lansare pe motoare care funcționează pe principii diferite de sistemele de propulsie chimică. Cele mai promițătoare în acest sens sunt motoarele electrice cu reacție (ERE), motoarele cu rachete termochimice și motoarele cu reacție nucleare (NRE).

1 concepte de bază

Un motor rachetă este un motor cu reacție care nu folosește mediul (aer, apă) pentru funcționare. Cele mai utilizate sunt motoarele cu rachete chimice. Alte tipuri de motoare rachete sunt dezvoltate și testate - electrice, nucleare și altele. Cele mai simple motoare de rachetă care funcționează cu gaze comprimate sunt, de asemenea, utilizate pe scară largă în stațiile spațiale și nave spațiale. De obicei, azotul este folosit ca fluid de lucru în ele. /unu/

Clasificarea sistemelor de propulsie

2. Scopul motoarelor rachete

În funcție de scopul lor, motoarele de rachetă sunt împărțite în mai multe tipuri principale: accelerare (pornire), frânare, croazieră, control și altele. Motoarele de rachetă sunt utilizate în principal pe rachete (de unde și numele). În plus, motoarele cu rachete sunt uneori folosite în aviație. Motoarele rachete sunt principalele motoare în explorarea spațiului.

Rachetele militare (de luptă) sunt de obicei cu propulsie solidă. Acest lucru se datorează faptului că un astfel de motor este alimentat din fabrică și nu necesită întreținere pe toată durata de depozitare și de viață a rachetei în sine. Motoarele cu propulsie solidă sunt adesea folosite ca propulsoare pentru rachetele spațiale. Mai ales pe scară largă, în această calitate, sunt utilizate în SUA, Franța, Japonia și China.

Motoarele rachete cu propulsie lichidă au caracteristici de tracțiune mai mari decât cele cu propulsie solidă. Prin urmare, sunt folosite pentru a lansa rachete spațiale pe orbită în jurul Pământului și pentru zboruri interplanetare. Principalii combustibili lichizi pentru rachete sunt kerosenul, heptanul (dimetilhidrazina) și hidrogenul lichid. Pentru aceste tipuri de combustibil este necesar un agent oxidant (oxigen). Acidul azotic și oxigenul lichefiat sunt utilizați ca agenți de oxidare în astfel de motoare. Acidul azotic este inferior oxigenului lichefiat în ceea ce privește proprietățile oxidante, dar nu necesită menținerea unui regim special de temperatură în timpul depozitării, realimentării și utilizării rachetelor.

Motoarele de zbor spațial sunt diferite de subiecte pământești ca acestea, cu cea mai mică masă și volum posibil, să genereze cât mai multă putere. În plus, acestea sunt supuse unor cerințe precum eficiență și fiabilitate extrem de ridicate, timp de funcționare semnificativ. În funcție de tipul de energie utilizată, sistemele de propulsie ale navelor spațiale sunt împărțite în patru tipuri: termochimice, nucleare, electrice, solare - navigație. Fiecare dintre aceste tipuri are propriile avantaje și dezavantaje și poate fi utilizat în anumite condiții.

În prezent, navele spațiale, stațiile orbitale și sateliții Pământului fără pilot sunt lansate în spațiu de rachete echipate cu motoare termochimice puternice. Există și motoare miniaturale cu tracțiune joasă. Aceasta este o copie în miniatură a motoarelor puternice. Unele dintre ele pot încăpea în palma mâinii tale. Forța unor astfel de motoare este foarte mică, dar este suficientă pentru a controla poziția navei în spațiu.

3. Motoare de rachete termochimice.

Se știe că în motor combustie interna, cuptorul unui cazan cu abur - oriunde are loc arderea, oxigenul atmosferic are un rol activ. Nu există aer în spațiul cosmic, iar pentru ca motoarele de rachete să funcționeze în spațiul cosmic, este necesar să existe două componente - un combustibil și un oxidant.

În motoarele de rachete termochimice lichide, alcoolul, kerosenul, benzina, anilina, hidrazina, dimetilhidrazina și hidrogenul lichid sunt folosite drept combustibil. Oxigenul lichid, peroxidul de hidrogen și acidul azotic sunt utilizați ca agenți de oxidare. Poate că, în viitor, fluorul lichid va fi folosit ca agent de oxidare atunci când sunt inventate metode de depozitare și utilizare a unei astfel de substanțe chimice active.

Combustibilul și oxidantul pentru motoarele cu reacție lichidă sunt depozitate separat, în rezervoare speciale și pompate în camera de ardere cu ajutorul pompelor. Când sunt combinate în camera de ardere, se dezvoltă o temperatură de până la 3000 - 4500 ° C.

Produsele de ardere, în expansiune, capătă o viteză de 2500 până la 4500 m/s. Împingându-se din corpul motorului, ele creează tracțiunea jetului. Mai mult, cu cât masa și viteza fluxului de gaz sunt mai mari, cu atât este mai mare forța de împingere a motorului.

Se obișnuiește să se estimeze forța specifică a motoarelor în funcție de cantitatea de forță creată de o unitate de masă a combustibilului ars pe secundă. Această valoare se numește impuls specific al motorului rachetei și se măsoară în secunde (kg de forță / kg de combustibil ars pe secundă). Cele mai bune motoare de rachetă cu propulsie solidă au un impuls specific de până la 190 s, adică 1 kg de combustibil care arde într-o secundă creează o forță de 190 kg. Motorul rachetă cu hidrogen-oxigen are un impuls specific de 350 s. În teorie, un motor cu hidrogen-fluor poate dezvolta un impuls specific de peste 400 de secunde.

Schema utilizată în mod obișnuit a unui motor de rachetă cu combustibil lichid funcționează după cum urmează. Gazul comprimat creează presiunea necesară în rezervoarele de combustibil criogenic pentru a preveni formarea de bule de gaz în conducte. Pompele furnizează combustibil motoarelor rachete. Combustibilul este injectat în camera de ardere prin un numar mare de duze. Un oxidant este de asemenea injectat în camera de ardere prin duze.

În orice mașină, în timpul arderii combustibilului, se formează fluxuri mari de căldură, încălzind pereții motorului. Dacă nu răciți pereții camerei, atunci se va arde rapid, indiferent de materialul din care este făcută. Un motor cu reacție cu combustibil lichid este de obicei răcit de una dintre componentele propulsorului. Pentru aceasta, camera este realizată cu doi pereți. Componenta de combustibil rece curge în golul dintre pereți.

Aluminiu "href =" / text / categorie / alyuminij / "rel =" bookmark "> aluminiu, etc. Mai ales ca aditiv la combustibilul convențional, cum ar fi hidrogen-oxigen. Astfel de "compoziții triple" sunt capabile să ofere cea mai mare viteză posibilă pentru ieșirea combustibililor chimici - până la 5 km / s. Dar aceasta este practic limita resurselor chimiei.Practic nu poate face mai mult.Deși motoarele de rachete cu propulsie lichidă prevalează încă în descrierea propusă, trebuie spus că un termochimic motorul de rachetă cu combustibil solid a fost creat pentru prima dată în istoria omenirii - Propulsor solid. Combustibilul - de exemplu praful de pușcă special - este situat direct în camera de ardere. Camera de ardere cu o duză cu jet, umplută cu combustibil solid - acesta este întreaga structură. combustibil solid depinde de scopul rachetei cu combustibil solid (pornire, marș sau combinat). Pentru rachetele cu propulsie solidă utilizate în afaceri militare, prezența unei lansări și a motoarelor de susținere este caracteristică. Motorul cu combustibil solid de pornire dezvoltă o tracțiune mare pentru o perioadă foarte scurtă de timp, ceea ce este necesar pentru ca racheta să părăsească lansator și accelerația sa inițială. Propulsorul solid de susținere este proiectat pentru a menține o viteză constantă de zbor a rachetelor în secțiunea principală (de susținere) a traiectoriei de zbor. Diferențele dintre ele sunt în principal în proiectarea camerei de ardere și în profilul suprafeței de ardere a încărcăturii de combustibil, care determină viteza de ardere a combustibilului de care depind timpul de funcționare și forța motorului. Spre deosebire de astfel de rachete, vehiculele de lansare spațială pentru lansarea sateliților Pământului, a stațiilor orbitale și a navelor spațiale, precum și a stațiilor interplanetare, funcționează numai în modul de pornire de la lansarea rachetei până la lansarea obiectului pe orbită în jurul Pământului sau până la o traiectorie interplanetară. În general, motoarele de rachetă cu propulsie solidă nu au multe avantaje față de motoarele cu combustibil lichid: sunt ușor de fabricat, pot fi depozitate pentru o perioadă lungă de timp, sunt întotdeauna gata de acțiune și sunt relativ rezistente la explozie. Dar în ceea ce privește forța specifică, motoarele cu combustibil solid sunt cu 10-30% inferioare celor lichide.

4 motoare rachete electrice

Aproape toate motoarele de rachete discutate mai sus dezvoltă o forță de împingere uriașă și sunt concepute pentru a lansa nave spațiale pe orbită în jurul Pământului și pentru a le accelera la viteze spațiale pentru zboruri interplanetare. Este cu totul altă problemă - sistemele de propulsie pentru nave spațiale deja lansate pe orbită sau în traiectoria interplanetară. Aici, de regulă, sunt necesare motoare de putere redusă (mai mulți kilowați sau chiar wați) care pot funcționa sute și mii de ore și pot porni și opri în mod repetat. Acestea vă permit să mențineți zborul pe orbită sau de-a lungul unei traiectorii date, compensând rezistența de zbor creată de atmosfera superioară și vântul solar. În motoarele electrice cu rachete, un fluid de lucru este accelerat la o anumită viteză prin încălzirea acestuia cu energie electrică. Electricitatea provine din panouri solare sau o centrală nucleară. Metodele de încălzire a fluidului de lucru sunt diferite, dar în realitate este folosit în principal prin arc electric. S-a dovedit a fi foarte fiabil și rezistă la un număr mare de incluziuni. Hidrogenul este utilizat ca mediu de lucru în motoarele cu arc electric. Un arc electric încălzește hidrogenul la o temperatură foarte ridicată și îl transformă în plasmă, un amestec neutru din punct de vedere electric de ioni pozitivi și electroni. Viteza de ieșire a plasmei din motor ajunge la 20 km/s. Când oamenii de știință rezolvă problema izolării magnetice a plasmei de pereții camerei motorului, atunci va fi posibilă creșterea semnificativă a temperaturii plasmei și aducerea vitezei de curgere la 100 km / s. Primul motor electric de rachetă a fost dezvoltat în Uniunea Sovietică de-a lungul anilor. sub conducere (mai târziu a devenit creatorul de motoare pentru rachete spațiale sovietice și un academician) în celebrul laborator de dinamică a gazelor (GDL). / 10 /

5.Alte tipuri de motoare

Există, de asemenea, proiecte mai exotice de motoare de rachete nucleare, în care substanța fisionabilă este în stare lichidă, gazoasă sau chiar plasmă, cu toate acestea, implementarea unor astfel de structuri la nivel modern tehnica și tehnologia sunt nerealiste. Există, în stadiul teoretic sau de laborator, următoarele proiecte de motoare de rachetă

Motoare de rachete nucleare cu impulsuri care folosesc energia exploziilor de mici sarcini nucleare;

Motoare de rachete termonucleare care pot folosi un izotop de hidrogen ca combustibil. Productivitatea energetică a hidrogenului într-o astfel de reacție este de 6,8 * 1011 KJ / kg, adică cu aproximativ două ordine de mărime mai mare decât productivitatea reacțiilor de fisiune nucleară;

Motoare solare - în care se folosește presiunea luminii solare (vânt solar), a căror existență a fost dovedită experimental de un fizician rus în 1899. Prin calcule, oamenii de știință au stabilit că un aparat cu masa de 1 tonă, echipat cu o velă cu diametrul de 500 m, poate zbura de pe Pământ pe Marte în aproximativ 300 de zile. Cu toate acestea, eficiența unei vele solare scade rapid odată cu distanța de la Soare.

6 motoare rachete nucleare

Unul dintre principalele dezavantaje ale motoarelor rachete cu combustibil lichid este asociat cu debitul limitat al gazelor. În motoarele de rachete nucleare, se pare că este posibil să se folosească energia colosală eliberată în timpul descompunerii „combustibilului” nuclear pentru a încălzi substanța de lucru. Principiul de funcționare al motoarelor de rachete nucleare este aproape același cu principiul de funcționare al motoarelor termochimice. Diferența constă în faptul că fluidul de lucru este încălzit nu datorită energiei chimice proprii, ci datorită energiei „străine” eliberate în timpul reacției intranucleare. Fluidul de lucru este trecut printr-un reactor nuclear, în care are loc reacția de fisiune a nucleelor ​​atomice (de exemplu, uraniu) și în același timp se încălzește. Motoarele de rachete nucleare elimină necesitatea unui oxidant și, prin urmare, poate fi folosit un singur lichid. Ca fluid de lucru, este recomandabil să folosiți substanțe care permit motorului să dezvolte o forță mare de împingere. Această condiție este satisfăcută cel mai pe deplin de hidrogen, urmat de amoniac, hidrazină și apă. Procesele în care se eliberează energia nucleară sunt împărțite în transformări radioactive, reacții de fisiune ale nucleelor ​​grele și reacția de fuziune a nucleelor ​​ușoare. Transformările radioizotopilor sunt realizate în așa-numitele surse de energie izotopică. Energia de masă specifică (energia pe care o poate elibera o substanță cu greutatea de 1 kg) a izotopilor radioactivi artificiali este mult mai mare decât cea a combustibililor chimici. Deci, pentru 210Ро este egal cu 5 * 10 8 KJ / kg, în timp ce pentru cel mai energetic combustibil chimic (beriliu cu oxigen) această valoare nu depășește 3 * 10 4 KJ / kg. Din păcate, se folosesc astfel de motoare vehicule de lansare spațialăîncă nu rațional. Motivul pentru aceasta este costul ridicat al substanței izotopice și dificultatea de funcționare. La urma urmei, izotopul eliberează energie în mod constant, chiar și atunci când este transportat într-un container special și când racheta este parcată la pornire. Combustibil mai eficient din punct de vedere energetic este folosit în reactoarele nucleare. Astfel, energia de masă specifică a 235U (izotopul fisionabil al uraniului) este de 6,75 * 10 9 kJ / kg, adică aproximativ cu un ordin de mărime mai mare decât cel al izotopului 210Ро. Aceste motoare pot fi pornite și oprite, combustibilul nuclear (233U, 235U, 238U, 239Pu) este mult mai ieftin decât combustibilul izotopic. În astfel de motoare, nu numai apa poate fi folosită ca fluid de lucru, ci și substanțe de lucru mai eficiente - alcool, amoniac, hidrogen lichid. Forța specifică a unui motor cu hidrogen lichid este de 900 s. În cea mai simplă schemă a unui motor de rachetă nucleară cu un reactor care funcționează cu combustibil nuclear solid, fluidul de lucru este situat în rezervor. Pompa îl livrează în camera motorului. Pulverizarea cu ajutorul duzelor, fluidul de lucru intră în contact cu combustibilul nuclear generator de căldură, se încălzește, se dilată și cu viteză mare este aruncat prin duză. Combustibilul nuclear depășește orice alt tip de combustibil în stocarea energiei. Atunci apare o întrebare firească - de ce instalațiile pe acest combustibil au încă o forță specifică relativ mică și o masă mare? Faptul este că forța specifică a unui motor de rachetă nuclear în fază solidă este limitată de temperatura materialului fisionabil și centrală electrică atunci când lucrează, emite radiații ionizante puternice, care au un efect dăunător asupra organismelor vii. Protecția biologică împotriva unor astfel de radiații este de mare importanță și nu este aplicabilă spațiului aeronave... Dezvoltarea practică a motoarelor de rachete nucleare cu combustibil nuclear solid a început la mijlocul anilor 50 ai secolului XX în Uniunea Sovietică și Statele Unite, aproape simultan cu construirea primului centrale nucleare... Lucrarea s-a desfășurat într-o atmosferă de secretizare sporită, dar se știe că astfel de motoare de rachete nu au primit încă o utilizare reală în astronautică. Până acum, totul s-a limitat la utilizarea surselor izotopice de energie electrică de putere relativ scăzută fără pilot sateliți artificiali Pământul, navele spațiale interplanetare și faimosul „rover lunar” sovietic.

7. Motoare nucleare cu reacție, principiul de funcționare, metode de obținere a impulsului în NRE.

NRE și-a primit numele datorită faptului că creează impuls prin utilizarea energiei nucleare, adică a energiei care este eliberată ca urmare a reacțiilor nucleare. În sens general, aceste reacții înseamnă orice modificări ale stării energetice a nucleelor ​​atomice, precum și transformarea unor nuclee în altele, asociate cu o rearanjare a structurii nucleelor ​​sau o modificare a numărului de particule elementare conținute în acestea. - nucleoni. Mai mult, reacțiile nucleare, după cum se știe, pot avea loc fie spontan (adică spontan), fie pot fi induse artificial, de exemplu, atunci când unele nuclee sunt bombardate cu alte particule (sau particule elementare). Reacțiile nucleare de fisiune și fuziune în termeni de energie depășesc reacții chimice de milioane și, respectiv, de zeci de milioane de ori. Acest lucru se datorează faptului că energia legătură chimică atomii din molecule sunt de multe ori mai mici decât energia legăturii nucleare a nucleonilor din nucleu. Energia nucleară din motoarele de rachetă poate fi utilizată în două moduri:

1. Energia eliberată este folosită pentru a încălzi fluidul de lucru, care apoi se extinde în duză, la fel ca într-un motor de rachetă convențional.

2. Energia nucleară este convertită în energie electrică și apoi folosită pentru a ioniza și accelera particulele fluidului de lucru.

3. În cele din urmă, impulsul este creat de produsele de fisiune înșiși, formate în proces, de exemplu, metale refractare- wolfram, molibden) sunt folosite pentru a conferi proprietăți speciale substanțelor fisionabile.

Elementele combustibile ale reactorului în fază solidă sunt străpunse de canale prin care curge fluidul de lucru NRE, încălzindu-se treptat. Canalele au un diametru de ordinul 1-3 mm, iar aria lor totală este de 20-30% din secțiunea transversală a miezului. Miezul este suspendat prin intermediul unui grătar special în interiorul carcasei de alimentare, astfel încât să se poată extinde atunci când reactorul este încălzit (altfel s-ar prăbuși din cauza solicitărilor termice).

Miezul suferă sarcini mecanice mari asociate cu acțiunea căderilor de presiune hidraulice semnificative (până la câteva zeci de atmosfere) de la curgerea fluidului de lucru, tensiuni termice și vibrații. Creșterea dimensiunii miezului în timpul încălzirii reactorului ajunge la câțiva centimetri. Zona activă și reflectorul sunt plasate în interiorul unui corp de forță robust care percepe presiunea fluidului de lucru și forța generată de duza cu jet. Corpul este închis cu un capac rezistent. Acesta găzduiește mecanisme pneumatice, arc sau electric de antrenare a corpurilor de reglare, noduri pentru atașarea NRE la navă spațială, flanșe pentru conectarea NRE la conductele de alimentare cu fluid de lucru. Pe capac poate fi amplasată și o unitate de pompare turbo.

8 - Duza,

9 - atașament pentru duză de expansiune,

10 - Alegerea substanței de lucru pentru turbină,

11 - corp de putere,

12 - tambur de control,

13 - evacuare turbina (folosită pentru a controla orientarea și a crește forța),

14 - Inel de antrenare a tamburilor de control)

La începutul anului 1957, s-a stabilit direcția finală a lucrării Laboratorului Los Alamos și s-a luat decizia de a construi un reactor nuclear de grafit cu combustibil uraniu dispersat în grafit. Reactorul Kiwi-A creat în această direcție a fost testat în 1959 la 1 iulie.

Motor american cu reacție nuclear în stare solidă XE Prime pe un banc de testare (1968)

Pe lângă construcția reactorului, Laboratorul Los Alamos era în plină desfășurare în construcția unui loc de testare special în Nevada și, de asemenea, a executat o serie de comenzi speciale ale Forțelor Aeriene ale SUA în domenii conexe (dezvoltarea TNRD individuale unități). În numele Laboratorului Los Alamos, toate comenzile speciale pentru fabricarea unităților individuale au fost efectuate de următoarele companii: Aerojet General, o divizie Rocketdyne a Aviației Nord-Americane. În vara anului 1958, tot controlul asupra implementării programului Rover a fost transferat de la Forțele Aeriene ale SUA către nou organizată Administrație Națională pentru Aeronautică și Spațiu (NASA). Ca urmare a unui acord special între CAE și NASA, la mijlocul verii anului 1960, s-a format Office of Space Nuclear Engines sub conducerea lui G. Finger, care a condus ulterior programul Rover.

Rezultatele a șase „teste fierbinți” ale motoarelor cu reacție nucleare au fost foarte încurajatoare, iar la începutul anului 1961 a fost pregătit un raport de testare a reactorului în zbor (RJFT). Apoi, la mijlocul anului 1961, a fost lansat proiectul Nerva (folosirea unui motor nuclear pentru rachete spațiale). Aerojet General a fost selectat ca antreprenor general și Westinghouse ca subcontractant responsabil pentru construcția reactorului.

10.2 Lucrări la TNRE în Rusia

American "href =" / text / category / amerikanetc / "rel =" bookmark "> Americanii, oamenii de știință ruși au folosit cele mai economice și eficiente teste ale elementelor de combustibil individuale în reactoare de cercetare. Salyut ", KB Khimavtomatiki, IAE, NIKIET și NPO Luch (PNITI) să dezvolte diverse proiecte de propulsoare nucleare spațiale și unități hibride de propulsie nucleară.În KB Khimavtomatiki sub conducerea științifică a NIITP (elementele reactorului au fost responsabile pentru FEI, IAE, NIKIET, NIITVEL, NPO "Luch", MAI) au fost creată CORTE RD 0411și un motor nuclear de dimensiune minimă RD 0410 cu o tracțiune de 40 și respectiv 3,6 tone.

Ca urmare, au fost fabricate un reactor, un motor „rece” și un prototip de banc pentru testarea hidrogenului gazos. Spre deosebire de cel american, cu un impuls specific de cel mult 8250 m/s, TNRE sovietic, datorită utilizării unor elemente de combustibil mai rezistente la căldură și mai avansate și a unei temperaturi ridicate în miez, a avut acest indicator egal cu 9100 m / s și mai mare. Baza de bancă pentru testarea TNRM a expediției comune a NPO „Luch” a fost situată la 50 km sud-vest de orașul Semipalatinsk-21. A început să lucreze în 1962. Peste ani. elementele de combustibil la scară maximă ale prototipurilor motorului rachetei nucleare au fost testate la locul de testare. În acest caz, gazul rezidual a intrat în sistemul închis de evacuare. Complexul de bancuri Baikal-1 pentru teste de dimensiuni mari ale motoarelor nucleare este situat la 65 km sud de orașul Semipalatinsk-21. Din 1970 până în 1988, au fost efectuate aproximativ 30 de „porniri la cald” ale reactoarelor. Totodată, puterea nu a depășit 230 MW cu un debit de hidrogen de până la 16,5 kg/sec și temperatura acestuia la ieșirea din reactor de 3100 K. Toate lansările au avut succes, fără accident, și conform planului.

Sovietic TYRD RD-0410 - singurul motor de rachetă nuclear industrial de încredere și funcțional din lume

În prezent, astfel de lucrări la groapa de gunoi au fost întrerupte, deși echipamentul este menținut într-o stare relativ eficientă. Baza de bancă a NPO Luch este singurul complex experimental din lume în care este posibil să se efectueze teste ale elementelor reactoarelor NRD fără costuri financiare și de timp semnificative. Este posibil ca reluarea în Statele Unite ale Americii a lucrărilor la TNRE pentru zborurile către Lună și Marte în cadrul programului Space Research Initiative cu participarea planificată a specialiștilor din Rusia și Kazahstan să ducă la reluarea bazei de la Semipalatinsk și implementarea expediției „marțiane” în anii 2020. ...

Principalele caracteristici

Impulsul specific asupra hidrogenului: 910 - 980 sec(teorie până la 1000 sec).

· Viteza de scurgere a fluidului de lucru (hidrogen): 9100 - 9800 m / sec.

· Putere realizabilă: până la sute și mii de tone.

· Temperaturi maxime de funcționare: 3000°C - 3700°C (activare pe termen scurt).

· Durată de viață: până la câteva mii de ore (activare periodică). /5/

11.Dispozitiv

Dispozitiv al motorului sovietic de rachetă nucleară în fază solidă RD-0410

1 - conducta din rezervorul de lichid de lucru

2 - unitate turbo pompa

3 - reglarea antrenării tamburului

4 - protectie impotriva radiatiilor

5 - tambur reglator

6 - retarder

7 - ansamblu combustibil

8 - vasul reactorului

9 - fund de foc

10 - linia de racire a duzei

11- camera duzei

12 - duza

12.Principiul muncii

TNRP, conform principiului său de funcționare, este un reactor-schimbător de căldură de înaltă temperatură, în care se introduce sub presiune un fluid de lucru (hidrogen lichid) și, pe măsură ce se încălzește la temperaturi ridicate (peste 3000 ° C), este ejectat printr-o duză răcită. Regenerarea căldurii în duză este foarte benefică, deoarece permite încălzirea mult mai rapidă a hidrogenului și, prin utilizarea unei cantități semnificative de energie termică, creșterea impulsului specific până la 1000 sec (9100-9800 m/s) .

Reactor cu motor de rachetă nucleară

MsoNormalTable „>

Corpul de lucru

Densitatea, g/cm3

Impingerea specifică (la temperaturile indicate în camera de încălzire, ° K), sec

0,071 (lichid)

0,682 (lichid)

1.000 (lichid)

Nu. nu

Nu. nu

Nu. nu

(Notă: presiunea în camera de încălzire este de 45,7 atm, expansiune la o presiune de 1 atm cu o compoziție chimică constantă a fluidului de lucru) /6/

15.Avantaje

Principalul avantaj al TNRE față de motoarele cu rachete chimice este obținerea unui impuls specific mai mare, stocarea semnificativă a energiei, compactitatea sistemului și posibilitatea de a obține o tracțiune foarte mare (zeci, sute și mii de tone în vid. În general, impulsul specific atins în vid este mai mare decât cel al unui combustibil chimic uzat pentru rachetă bicomponent (kerosen-oxigen, hidrogen-oxigen) de 3-4 ori și atunci când funcționează la cea mai mare intensitate a căldurii de 4-5 ori. SUA și Rusia există o experiență considerabilă în dezvoltarea și construcția unor astfel de motoare și, dacă este necesar, explorarea spațiului), astfel de motoare pot fi produse într-un timp scurt și vor avea un cost rezonabil. utilizare suplimentară manevrele de perturbare folosind câmpul gravitațional al planetelor mari (Jupiter, Uranus, Saturn, Neptun), limitele realizabile ale studierii sistemului solar se extind semnificativ, iar timpul necesar pentru a ajunge la planete îndepărtate este semnificativ redus. În plus, TNRE poate fi folosit cu succes pentru nave spațiale care operează pe orbite joase ale planetelor gigantice folosind atmosfera lor rarefiată ca mediu de lucru sau pentru lucrul în atmosfera lor. /opt/

16.Dezavantaje

Principalul dezavantaj al TNRE este prezența unui flux puternic de radiații penetrante (radiații gamma, neutroni), precum și îndepărtarea compușilor de uraniu foarte radioactivi, a compușilor refractari cu radiații induse și a gazelor radioactive cu un fluid de lucru. În acest sens, TNRE este inacceptabilă pentru lansările la sol pentru a evita deteriorarea situatie ecologica la locul de lansare și în atmosferă. /14/

17. Îmbunătățirea caracteristicilor motorului cu turbină. TYRD hibrid

Ca orice motor de rachetă sau orice motor în general, un motor cu reacție nuclear în fază solidă are limitări semnificative în ceea ce privește realizarea caracteristici critice... Aceste restricții reprezintă incapacitatea dispozitivului (TNRD) de a funcționa în intervalul de temperatură care depășește intervalul de temperaturi maxime de funcționare. materiale de construcție motor. Pentru a extinde capacitățile și a crește semnificativ principalii parametri de funcționare ai TNRE, pot fi aplicate diverse scheme hibride în care TNRE joacă rolul de sursă de căldură și energie și sunt utilizate metode fizice suplimentare de accelerare a corpurilor de lucru. Cea mai fiabilă, practic fezabilă și având caracteristici ridicate în ceea ce privește impulsul și forța specifică este o schemă hibridă cu un circuit MHD suplimentar (circuit magnetohidrodinamic) pentru accelerarea unui fluid de lucru ionizat (hidrogen și aditivi speciali). /treisprezece/

18.Pericol de radiații din NRE.

Un NRE funcțional este o sursă puternică de radiații - radiații gamma și neutroni. Fără măsuri speciale, radiațiile pot provoca încălzirea inacceptabilă a fluidului de lucru și a structurii din navele spațiale, fragilizarea materialelor structurale metalice, distrugerea plasticului și îmbătrânirea pieselor din cauciuc, încălcarea izolației cablurilor electrice și distrugerea echipamentelor electronice. Radiațiile pot provoca radioactivitate indusă (artificială) a materialelor - activarea lor.

În prezent, problema protecției împotriva radiațiilor a navelor spațiale cu motoare cu propulsie nucleară este considerată, în principiu, rezolvată. De asemenea, problemele fundamentale și rezolvate legate de întreținerea NRE la bancurile de testare și locurile de lansare. Deși NRE în exploatare reprezintă un pericol pentru personalul de service, „deja la o zi după încheierea operațiunii NRE, puteți, fără echipament individual de protecție, să vă aflați câteva zeci de minute la o distanță de 50 m de NRE și chiar abordeaza-l.Cele mai simple mijloace de protectie permit personalului de service sa patrunda in zona de lucru.CURTEA la scurt timp dupa testare.

Nivelul de contaminare a complexelor de lansare și a mediului, aparent, nu va fi un obstacol în calea utilizării NRE la etapele inferioare ale rachetelor spațiale. Problema pericolului de radiații pentru mediu și personalul de întreținere este în mare măsură atenuată de faptul că hidrogenul utilizat ca mediu de lucru practic nu este activat la trecerea prin reactor. Prin urmare, curentul cu jet al NRE nu este mai periculos decât jetul motorului cu propulsie lichidă. / 4 /

Concluzie

Atunci când se analizează perspectivele de dezvoltare și utilizare a NRE în cosmonautică, ar trebui să se pornească de la caracteristicile realizate și așteptate ale diferitelor tipuri de NRE, de la ceea ce acestea pot oferi cosmonauticii, aplicarea lor și, în final, de la prezența unei legătura dintre problema MNR cu problema aprovizionării cu energie în spaţiu şi cu problemele dezvoltării energetice.în general.

După cum sa menționat mai sus, dintre toate tipurile posibile de NRE, cele mai dezvoltate sunt motorul radioizotop termic și motorul cu un reactor de fisiune în fază solidă. Dar dacă caracteristicile radioizotopului NRE nu ne permit să sperăm la utilizarea lor pe scară largă în astronautică (cel puțin în viitorul apropiat), atunci crearea NRE în fază solidă deschide perspective mari pentru astronautică.

De exemplu, a fost propus un aparat cu o masă inițială de 40.000 de tone (adică de aproximativ 10 ori mai mare decât cea a celor mai mari vehicule de lansare moderne), cu 1/10 din această masă fiind sarcina utilă și 2/3 prin nucleară. taxe... Dacă detonați o încărcare la fiecare 3 s, atunci furnizarea lor va fi suficientă pentru 10 zile de funcționare continuă a NRM. În acest timp, dispozitivul va accelera până la o viteză de 10.000 km/s iar în viitor, în 130 de ani, poate ajunge la steaua Alpha Centauri.

Centralele nucleare au caracteristici unice, care includ consumul de energie practic nelimitat, independența de funcționare față de mediu, nesusceptibilitatea la influențe externe (radiația spațială, deteriorarea meteoriților, mare și temperaturi scăzute etc.). Cu toate acestea, puterea maximă a instalațiilor de radioizotopi nucleari este limitată la ordinul a câteva sute de wați. Această limitare nu există pentru centralele cu reactoare nucleare, ceea ce predetermina profitabilitatea utilizării lor în timpul zborurilor pe termen lung ale navelor spațiale grele în spațiul apropiat de Pământ, în timpul zborurilor către planete îndepărtate ale sistemului solar și în alte cazuri.

Avantajele reactoarelor în fază solidă și ale altor NRE cu reactoare de fisiune sunt dezvăluite cel mai pe deplin în studiul unor programe spațiale complexe precum zborurile cu echipaj uman către planetele sistemului solar (de exemplu, în timpul unei expediții pe Marte). În acest caz, o creștere a impulsului specific al RD face posibilă rezolvarea unor probleme calitativ noi. Toate aceste probleme sunt atenuate în mare măsură prin utilizarea unui NRE în fază solidă cu un impuls specific de două ori mai mare decât al motoarelor rachete moderne cu propulsie lichidă. În acest caz, devine posibilă și reducerea semnificativă a timpilor de zbor.

Cel mai probabil, în viitorul apropiat NRE în fază solidă va deveni unul dintre cele mai răspândite RD. NRM în fază solidă poate fi folosit ca vehicule pentru zboruri pe distanțe lungi, de exemplu, către planete precum Neptun, Pluto și chiar zboară din Sistemul Solar. Cu toate acestea, pentru zborurile către stele, NRM bazat pe principiile fisiunii nu este potrivit. În acest caz, promițătoare sunt NRE sau, mai precis, motoarele cu reacție termonucleare (TJE) care funcționează pe principiul reacțiilor de fuziune și motoarele cu reacție fotonice (FRD), în care sursele de impuls sunt reacția de anihilare a materiei și antimateriei. Cu toate acestea, cel mai probabil, omenirea va folosi o metodă diferită, diferită de jet, de călătorie pentru a călători în spațiul interstelar.

În concluzie, voi da o parafrazare a celebrei fraze a lui Einstein - pentru a călători spre stele, omenirea trebuie să vină cu ceva care să fie comparabil ca complexitate și percepție cu un reactor nuclear pentru un Neanderthal!

LITERATURĂ

Surse:

1. "Rachete și oameni. Cartea a 4-a cursă lunară" -M: Knowledge, 1999.
2.http: // www. lpre. de / energomash / index. htm
3. Pervushin "Bătălia pentru stele. Confruntare cosmică" -M: cunoaștere, 1998.
4. L. Gilberg „Cucerirea cerului” - M: Knowledge, 1994.
5.http: // epizodsspace. ***** / bibl / molodtsov
6. „Motor”, „Motoare nucleare pentru nave spațiale”, nr. 5 1999

7. „Motor”, „Motoare nucleare în fază gazoasă pentru nave spațiale”,

Nr. 6, 1999
7.http: // www. ***** / continut / numere / 263 / 03.shtml
8.http: // www. lpre. de / energomash / index. htm
9.http: // www. ***** / continut / numere / 219 / 37.shtml
10., Transportul Chekalin al viitorului.

M .: Knowledge, 1983.

11., Chekalin al explorării spațiului .- M .:

Cunoașterea, 1988.

12. Gubanov B. „Energie – Buran” - un pas în viitor // Știință și viață.-

(13) Getland K. Space Engineering .- Moscova: Mir, 1986.

14., Sergheiuk și comerțul. - M .: APN, 1989.

15. URSS în spațiu. 2005.-M .: APN, 1989.

16. În drum spre spațiul adânc // Energie. - 1985. - Nr. 6.

APENDICE

Principalele caracteristici ale motoarelor nucleare cu reacție în fază solidă

Țara producătorului	Motor	Împingere în vid, kN	impuls specific, sec		Lucru de proiect, an
	NERVA / Lox Ciclu Mixt