Nukleare motorer. Nuklear rummotor

Den første fase er benægtelse

Den tyske raketekspert Robert Schmucker anså V. Putins udtalelser for fuldstændig usandsynlige. "Jeg kan ikke forestille mig, at russerne kan skabe en lille flyvende reaktor," sagde eksperten i et interview med Deutsche Welle.

Det kan de, hr. Schmucker. Bare forestil dig.

Den første indenlandske satellit med et atomkraftværk ("Cosmos-367") blev opsendt fra Baikonur tilbage i 1970. 37 brændselselementer af den lille BES-5 Buk-reaktor, indeholdende 30 kg uran, ved en temperatur i det primære kredsløb på 700 ° C og en varmeafgivelse på 100 kW, gav en elektrisk effekt til installationen på 3 kW. Vægten af reaktoren er mindre end et ton, den anslåede driftstid er 120-130 dage.

Eksperter vil udtrykke tvivl: kraften i dette nukleare "batteri" er for lav... Men! Se på datoen: det var et halvt århundrede siden.

Lav effektivitet er en konsekvens af termionomdannelse. Med andre former for energitransmission er indikatorerne meget højere, for eksempel for atomkraftværker ligger effektivitetsværdien i intervallet 32-38%. I denne forstand er den termiske kraft af en "rum"-reaktor af særlig interesse. 100 kW er et seriøst bud på sejren.

Det er værd at bemærke, at BES-5 "Buk" ikke tilhører familien af RTG'er. Radioisotop termoelektriske generatorer omdanner energien fra det naturlige henfald af atomer af radioaktive elementer og har ubetydelig effekt. Samtidig er Buk en rigtig reaktor med en kontrolleret kædereaktion.

Den næste generation af sovjetiske små reaktorer, som dukkede op i slutningen af 1980'erne, blev kendetegnet ved endnu mindre dimensioner og højere energifrigivelse. Dette var den unikke Topaz: Sammenlignet med Buk blev mængden af uran i reaktoren reduceret tre gange (til 11,5 kg). Termisk effekt steg med 50% og udgjorde 150 kW, den kontinuerlige driftstid nåede 11 måneder (en reaktor af denne type blev installeret ombord på Cosmos-1867 rekognosceringssatellitten).

Nukleare rumreaktorer er en udenjordisk form for død. Hvis kontrollen gik tabt, opfyldte "stjerneskudet" ikke ønsker, men kunne tilgive de "heldige" deres synder.

I 1992 blev de to resterende kopier af små reaktorer af Topaz-serien solgt i USA for 13 millioner dollars.

Hovedspørgsmålet er: har sådanne installationer nok strøm til at blive brugt som raketmotorer? Ved at føre arbejdsfluidet (luft) gennem reaktorens varme kerne og opnå tryk ved udgangen i henhold til loven om bevarelse af momentum.

Svar: nej. "Buk" og "Topaz" er kompakte atomkraftværker. For at skabe en atomreaktor er der brug for andre midler. Men den generelle tendens er synlig med det blotte øje. Kompakte atomkraftværker er længe blevet skabt og eksisterer i praksis.

Hvilken kraft skal et atomkraftværk have for at blive brugt som fremdriftsmotor til et krydsermissil, der i størrelse svarer til X-101?

Kan du ikke finde et job? Gang tid med magt!
(Samling af universelle tips.)

Det er heller ikke svært at finde magt. N=F×V.

Ifølge officielle data er Kha-101 krydsermissilerne, ligesom Kalibr-familien af missiler, udstyret med en turbofanmotor-50 med kort levetid, der udvikler et tryk på 450 kgf (≈ 4400 N). Krydsermissilets marchhastighed er 0,8M eller 270 m/s. Den ideelle beregnede effektivitet for en turbojet-bypass-motor er 30 %.

I dette tilfælde er den krævede krydsermissilmotoreffekt kun 25 gange højere end den termiske effekt af Topaz-seriens reaktoren.

På trods af den tyske eksperts tvivl er skabelsen af en nuklear turbojet (eller ramjet) raketmotor en realistisk opgave, der opfylder vor tids krav.

Raket fra helvede

"Det hele er en overraskelse - et atomdrevet krydsermissil," sagde Douglas Barry, en senior fellow ved International Institute for Strategic Studies i London. - Den her idé er ikke ny, de talte om den i 60'erne, men den stod over for et stort antal forhindringer."

De talte ikke kun om det. Under test i 1964 udviklede Tori-IIC atomramjetmotoren en fremdrift på 16 tons med en reaktor termisk effekt på 513 MW. Ved at simulere supersonisk flyvning forbrugte installationen 450 tons trykluft på fem minutter. Reaktoren var designet til at være meget "varm" - driftstemperaturen i kernen nåede 1600°C. Designet havde meget snævre tolerancer: i en række områder var den tilladte temperatur kun 150-200 ° C under den temperatur, hvor raketelementerne smeltede og kollapsede.

Var disse indikatorer tilstrækkelige til at bruge atomdrevne jetmotorer som motor i praksis? Svaret er indlysende.

Den nukleare ramjet udviklede mere (!) fremdrift end turbo-ramjet-motoren i "tre-mach" rekognosceringsflyet SR-71 "Black Bird".

"Polygon-401", nukleare ramjet-forsøg

Eksperimentelle installationer "Tori-IIA" og "-IIC" er prototyper af SLAM-krydsermissilets nukleare motor.

En djævelsk opfindelse, der ifølge beregninger er i stand til at gennembore 160.000 km plads i minimumshøjde med en hastighed på 3M. Bogstaveligt talt at "slå ned" alle, der mødtes på hendes sorgfulde vej, chokbølge og et tordenskrald på 162 dB (dødelig værdi for mennesker).

Kampflyets reaktoren havde ingen biologisk beskyttelse. De sprængte trommehinder efter SLAM forbiflyvningen ville virke ubetydelig sammenlignet med de radioaktive emissioner fra raketdysen. Det flyvende monster efterlod et spor mere end en kilometer bredt med en stråledosis på 200-300 rad. Det anslås, at SLAM forurenede 1.800 kvadratkilometer med dødelig stråling på en times flyvning.

Ifølge beregninger kunne flyets længde nå op på 26 meter. Lanceringsvægt - 27 tons. Kampbelastningen var termonukleare ladninger, som måtte droppes sekventielt på flere sovjetiske byer langs missilets flyverute. Efter at have fuldført hovedopgaven skulle SLAM cirkle over USSR's territorium i flere dage og forurene alt omkring med radioaktive emissioner.

Måske det dødeligste af alt det mennesket har forsøgt at skabe. Heldigvis kom det ikke til rigtige lanceringer.

Projektet, med kodenavnet "Pluto", blev aflyst den 1. juli 1964. På samme tid, ifølge en af udviklerne af SLAM, J. Craven, fortrød ingen af det amerikanske militær og politiske ledelse beslutningen.

Årsagen til at opgive det "lavtflyvende atommissil" var udviklingen af interkontinentale ballistiske missiler. I stand til at forårsage den nødvendige skade på kortere tid med uforlignelige risici for militæret selv. Som forfatterne af publikationen i magasinet Air&Space med rette bemærkede: ICBM'er dræbte i det mindste ikke alle, der var i nærheden af løfteraketten.

Det er stadig uvist, hvem, hvor og hvordan, der planlagde at teste djævelen. Og hvem ville være ansvarlig, hvis SLAM gik ud af kurs og fløj over Los Angeles. Et af de skøre forslag foreslog at binde en raket til et kabel og køre den i en cirkel over øde områder af staten. Nevada. Et andet spørgsmål opstod dog straks: hvad skal man gøre med raketten, når de sidste rester af brændstof brænder ud i reaktoren? Det sted, hvor SLAM "lander" vil ikke blive nærmet i århundreder.

Liv eller død. Endeligt valg

I modsætning til den mystiske "Pluto" oprindeligt fra 1950'erne, foreslår projektet med en moderne atomraket, udtrykt af V. Putin, skabelsen effektive midler at bryde igennem det amerikanske missilforsvarssystem. Gensidigt sikret ødelæggelse er det vigtigste kriterium for nuklear afskrækkelse.

Transformation af den klassiske "nukleare triade" til et djævelsk "pentagram" - med inklusion af en ny generation af leveringskøretøjer (nukleare krydsermissiler med ubegrænset rækkevidde og strategiske atomtorpedoer"status-6"), kombineret med moderniseringen af ICBM-sprænghoveder (manøvrerende "Avangard"), er et rimeligt svar på fremkomsten af nye trusler. Washingtons missilforsvarspolitik efterlader intet andet valg til Moskva.

"I udvikler jeres anti-missilsystemer. Rækkevidden af anti-missiler er stigende, nøjagtigheden øges, disse våben bliver forbedret. Derfor er vi nødt til at reagere tilstrækkeligt på dette, så vi kan overvinde systemet ikke kun i dag, men også i morgen, når du har nye våben."

V. Putin i et interview med NBC.

De afklassificerede detaljer om eksperimenterne under SLAM/Pluto-programmet beviser overbevisende, at skabelsen af et nukleart krydsermissil var muligt (teknisk gennemførligt) for seks årtier siden. Moderne teknologier giver dig mulighed for at tage din idé til et nyt teknisk niveau.

Sværdet ruster af løfter

På trods af massen af åbenlyse fakta, der forklarer årsagerne til udseendet af det "præsidentielle supervåben" og fjerner enhver tvivl om "umuligheden" af at skabe sådanne systemer, er der stadig mange skeptikere i Rusland såvel som i udlandet. "Alle de anførte våben er kun et middel til informationskrigsførelse." Og så - en række forslag.

Sandsynligvis skal man ikke tage karikerede "eksperter" som I. Moiseev alvorligt. Lederen af Space Policy Institute (?), som fortalte onlinepublikationen The Insider: "Du kan ikke sætte den på et krydsermissil nuklear motor. Og der er ingen sådanne motorer."

Forsøg på at "afsløre" præsidentens udtalelser bliver også lavet på et mere seriøst analytisk niveau. Sådanne "undersøgelser" vinder straks popularitet blandt den liberalt indstillede offentlighed. Skeptikere giver følgende argumenter.

Alle de annoncerede systemer vedrører strategiske tophemmelige våben, hvis eksistens ikke er mulig at verificere eller afkræfte. (Beskeden til selve forbundsforsamlingen viste computergrafik og optagelser af opsendelser, der ikke kan skelnes fra test af andre typer krydsermissiler.) Samtidig taler ingen f.eks. om at skabe en tung angrebsdrone eller en destroyer- klasses krigsskib. Et våben, der snart skulle demonstreres tydeligt for hele verden.

Ifølge nogle "whistleblowere" kan den meget strategiske, "hemmelige" kontekst af beskederne indikere deres usandsynlige karakter. Tja, hvis dette er hovedargumentet, hvad handler argumentet med disse mennesker så om?

Der er også et andet synspunkt. Chokerende udtalelser om nukleare missiler og ubemandede 100-knobs ubåde fremsættes på baggrund af åbenlyse problemer i det militærindustrielle kompleks, der stødes på i implementeringen af enklere projekter med "traditionelle" våben. Udsagn om missiler, der på én gang overgår alle eksisterende våben, står i skarp kontrast til den velkendte situation med raketvidenskab. Skeptikere nævner eksemplet med massive fejl under Bulava-opsendelser eller udviklingen af Angara-raketvognen, som trak ud i to årtier. Sama begyndte i 1995; I en tale i november 2017 lovede vicepremierminister D. Rogozin først at genoptage Angara-opsendelser fra Vostochny-kosmodromet i... 2021.

Og forresten, hvorfor blev Zircon, den største flådesensation fra det foregående år, efterladt uden opmærksomhed? Hypersonisk missil, i stand til at slette alle eksisterende koncepter for søkamp.

Nyhederne om ankomsten af lasersystemer til tropperne tiltrak sig opmærksomhed fra producenter af lasersystemer. Eksisterende rettede energivåben blev skabt på et omfattende grundlag af forskning og udvikling af højteknologisk udstyr til det civile marked. For eksempel er den amerikanske skibsbårne installation AN/SEQ-3 LaWS en "pakke" med seks svejslasere med en samlet effekt på 33 kW.

Annonceringen af skabelsen af en supermægtig kamplaser står i kontrast til baggrunden for en meget svag laserindustri: Rusland er ikke en af verdens største producenter af laserudstyr (Coherent, IPG Photonics eller det kinesiske Han "Laser Technology). Derfor er Rusland ikke en af verdens største producenter af laserudstyr. , vækker den pludselige fremkomst af kraftige laservåben ægte interesse blandt specialister.

Der er altid flere spørgsmål end svar. Djævelen er i detaljerne, men officielle kilder giver meget lidt indsigt i de nyeste våben. Det er ofte ikke engang klart, om systemet allerede er klar til vedtagelse, eller om dets udvikling er på et bestemt stadium. Velkendte præcedenser forbundet med oprettelsen af sådanne våben i fortiden indikerer, at de problemer, der opstår, ikke kan løses med et fingerknips. Fans af tekniske innovationer er bekymrede over valget af placering til afprøvning af atomdrevne missilkastere. Eller metoder til kommunikation med undervandsdronen "Status-6" (et grundlæggende problem: radiokommunikation fungerer ikke under vand; under kommunikationssessioner tvinges ubåde til at stige til overfladen). Det ville være interessant at høre en forklaring på anvendelsesmetoderne: sammenlignet med traditionelle ICBM'er og SLBM'er, der er i stand til at starte og afslutte en krig inden for en time, vil Status-6 tage flere dage at nå den amerikanske kyst. Når der ikke vil være nogen der mere!

Den sidste kamp er forbi.
Er der nogen i live?
Som svar - kun vindens hylen...

Brug af materialer:
Air&Space Magazine (april-maj 1990)
The Silent War af John Craven

Alexander Losev

Hurtig udvikling af raket- og rumteknologi i det 20. århundrede var bestemt af de militærstrategiske, politiske og til en vis grad ideologiske mål og interesser for de to supermagter - USSR og USA, og alle statslige rumprogrammer var en fortsættelse af deres militære projekter, hvor hovedopgaven var behov for at sikre forsvarskapacitet og strategisk paritet med sandsynlig fjende. Udgifterne til at skabe udstyr og driftsomkostninger var ikke af grundlæggende betydning dengang. Enorme ressourcer blev afsat til skabelsen af løfteraketter og rumfartøjer, og Yuri Gagarins 108 minutter lange flyvning i 1961 og tv-udsendelsen af Neil Armstrong og Buzz Aldrin fra Månens overflade i 1969 var ikke kun triumfer for videnskabelige og tekniske tænkte, blev de også set som strategiske sejre i kampe under den kolde krig.

Men efter Sovjetunionen kollapsede og faldt ud af kapløbet om verdenslederskab, behøvede dets geopolitiske modstandere, primært USA, ikke længere at implementere prestigefyldte, men ekstremt kostbare rumprojekter for at bevise over for hele verden den vestlige overlegenhed økonomiske system og ideologiske begreber.
I 90'erne mistede de tidligere års vigtigste politiske opgaver relevans, blokkonfrontation blev erstattet af globalisering, pragmatisme herskede i verden, så de fleste rumprogrammer blev indskrænket eller udskudt som en arv fra de store projekter fra; fortiden. Derudover har det vestlige demokrati gjort alle dyre regeringsprogrammer afhængige af valgcyklusser.
Vælgerstøtte, der er nødvendig for at opnå eller bevare magten, tvinger politikere, parlamenter og regeringer til at læne sig op ad populisme og løse kortsigtede problemer, så udgifterne til rumudforskning reduceres år efter år.
De fleste af de grundlæggende opdagelser blev gjort i første halvdel af det tyvende århundrede, og i dag har videnskab og teknologi nået visse grænser, desuden er populariteten af videnskabelig viden faldet over hele verden, og kvaliteten af undervisning i matematik, fysik og andre naturlige videnskaben er blevet dårligere. Dette er blevet årsagen til de sidste to årtiers stagnation, også i rumsektoren.
Men nu bliver det tydeligt, at verden nærmer sig slutningen af endnu en teknologisk cyklus baseret på opdagelserne fra det sidste århundrede. Derfor vil enhver magt, der vil besidde fundamentalt nye lovende teknologier på tidspunktet for ændringer i den globale teknologiske struktur, automatisk sikre verdenslederskab i mindst de næste halvtreds år.

Grundlæggende design af en nuklear fremdrivningsmotor med brint som arbejdsvæske

Dette realiseres både i USA, som har sat kursen mod genoplivning af amerikansk storhed på alle aktivitetssfærer, og i Kina, som udfordrer det amerikanske hegemoni, og i EU, som med al sin magt forsøger at fastholde sin vægt i den globale økonomi.
De har en industripolitik og er seriøst engageret i udviklingen af deres eget videnskabelige, tekniske og produktionsmæssige potentiale, og rumsfæren kan blive den bedste prøveplads til at teste nye teknologier og til at bevise eller tilbagevise videnskabelige hypoteser, der kan lægge grundlaget for skabelse af fundamentalt anderledes, mere avanceret fremtidens teknologi.
Og det er helt naturligt at forvente, at USA bliver det første land, der genoptager forskningsprojekter dybe rum med det formål at skabe unikke innovative teknologier både inden for våben, transport og strukturelle materialer samt inden for biomedicin og telekommunikation
Sandt nok er ikke engang USA garanteret succes med at skabe revolutionerende teknologier. Spise høj risiko befinde dig i en blindgyde, mens du forbedrer dig raketmotorer for et halvt århundrede siden, baseret på kemisk brændstof, som Elon Musks SpaceX-selskab gør, eller ved at skabe livsstøttesystemer til en lang flyvning, der ligner dem, der allerede er implementeret på ISS.
Kan Rusland, hvis stagnation i rumsektoren bliver mere mærkbar hvert år, tage et spring i kapløbet om fremtidens teknologiske lederskab om at forblive i supermagternes klub frem for på listen over udviklingslande?
Ja, selvfølgelig kan Rusland, og desuden er der allerede taget et mærkbart skridt fremad inden for atomenergi og inden for nukleare raketmotorteknologier, på trods af rumindustriens kroniske underfinansiering.
Astronautikkens fremtid er brugen af atomenergi. For at forstå, hvordan nuklear teknologi og rum er forbundet, er det nødvendigt at overveje de grundlæggende principper for jetfremdrift.
Så hovedtyperne af moderne rummotorer er skabt efter principperne om kemisk energi. Disse er fastbrændselsacceleratorer og flydende raketmotorer, i deres forbrændingskamre indgår brændstofkomponenterne (brændstof og oxidationsmiddel) i en eksoterm fysisk og kemisk forbrændingsreaktion, der danner en jetstrøm, der hvert sekund udstøder tonsvis af stof fra motordysen. Den kinetiske energi af jetflyets arbejdsvæske omdannes til en reaktiv kraft, der er tilstrækkelig til at drive raketten frem. Den specifikke impuls (forholdet mellem det frembragte tryk og massen af det anvendte brændstof) af sådanne kemiske motorer afhænger af brændstofkomponenterne, trykket og temperaturen i forbrændingskammeret samt molekylvægten af den gasformige blanding, der udstødes gennem motormundstykke.
Og jo højere stoffets temperatur og trykket inde i forbrændingskammeret er, og jo lavere gassens molekylmasse er, jo højere er den specifikke impuls og derfor motorens effektivitet. Specifik impuls er en mængde bevægelse og måles normalt i meter per sekund, ligesom hastighed.
I kemiske motorer gives den højeste specifikke impuls af ilt-brint og fluor-brint brændstofblandinger (4500-4700 m/s), men de mest populære (og bekvemme at betjene) er blevet raketmotorer, der kører på petroleum og ilt, f. for eksempel Soyuz og Musks Falcon missiler, samt motorer, der anvender usymmetrisk dimethylhydrazin (UDMH) med et oxidationsmiddel i form af en blanding af nitrogentetroxid og salpetersyre(Sovjetisk og russisk proton, fransk Ariane, amerikansk titan). Deres effektivitet er 1,5 gange lavere end for brintbrændstofmotorer, men en impuls på 3000 m/s og effekt er ganske nok til at gøre det økonomisk rentabelt at producere tons nyttelast til kredsløb nær Jorden.
Men flyvninger til andre planeter kræver meget større størrelse rumskibe end alt det, der er blevet skabt af menneskeheden tidligere, inklusive den modulære ISS. I disse skibe er det nødvendigt at sikre langsigtet autonom eksistens besætninger, og en vis forsyning af brændstof og driftslevetid for sustainer-motorer og motorer til manøvrer og kredsløbskorrektion, sørger for levering af astronauter i et særligt landingsmodul til overfladen af en anden planet, og deres tilbagevenden til hovedtransportskibet, og derefter vender ekspeditionen tilbage til Jorden.
Den akkumulerede ingeniørviden og kemiske energi fra motorer gør det muligt at vende tilbage til Månen og nå Mars, så der er stor sandsynlighed for, at menneskeheden vil besøge den røde planet i det næste årti.
Hvis vi kun stoler på eksisterende rumteknologier, vil minimumsmassen af det beboelige modul for en bemandet flyvning til Mars eller til Jupiters og Saturns satellitter være cirka 90 tons, hvilket er 3 gange mere end måneskibene i begyndelsen af 1970'erne , hvilket betyder, at løfteraketter til deres opsendelse i referencebaner for yderligere flyvning til Mars vil være meget bedre end Saturn 5 (opsendelsesvægt 2965 tons) af Apollo-måneprojektet eller det sovjetiske luftfartsselskab Energia (opsendelsesvægt 2400 tons). Det vil være nødvendigt at skabe et interplanetarisk kompleks i kredsløb, der vejer op til 500 tons. En flyvning på et interplanetarisk skib med kemiske raketmotorer vil kun kræve fra 8 måneder til 1 år i én retning, fordi det vil være nødvendigt at udføre tyngdekraftsmanøvrer ved at bruge planeternes gravitationskraft og en kolossal forsyning af brændstof til yderligere at accelerere skib.
Men ved at bruge den kemiske energi fra raketmotorer vil menneskeheden ikke flyve længere end Mars eller Venus' kredsløb. Vi har brug for forskellige flyvehastigheder for rumfartøjer og anden kraftigere bevægelsesenergi.

Moderne design af en nuklear raketmotor Princeton Satellite Systems

For at udforske dybt rum er det nødvendigt at øge raketmotorens tryk-til-vægt-forhold og effektivitet betydeligt og derfor øge dens specifikke impuls og levetid. Og for dette er det nødvendigt at opvarme gas- eller arbejdsvæskestoffet inde i motorkammeret med lav atommasse til temperaturer flere gange højere end den kemiske forbrændingstemperatur for traditionelle brændselsblandinger, og det kan gøres ved hjælp af en kernereaktion.
Hvis der i stedet for et konventionelt forbrændingskammer placeres en atomreaktor inde i en raketmotor, i den aktive zone, hvoraf et stof i flydende eller gasform tilføres, så vil den, opvarmet under højt tryk op til flere tusinde grader, begynde at blive udstødt gennem dysekanalen, hvilket skaber stråletryk. Den specifikke impuls af en sådan nuklear jetmotor vil være flere gange større end den for en konventionel med kemiske komponenter, hvilket betyder, at effektiviteten af både selve motoren og løfteraketten som helhed vil stige mange gange. I dette tilfælde vil et oxidationsmiddel til brændstofforbrænding ikke være påkrævet, og let brintgas kan bruges som et stof, der skaber jettryk reducere massen af raketten med bedre ydeevne motorkraft.
En atommotor vil være bedre end en konventionel, da den lette gas i reaktorzonen kan opvarmes til temperaturer, der overstiger 9 tusinde grader Kelvin, og strålen af en sådan overophedet gas vil give en meget højere specifik impuls, end konventionelle kemiske motorer kan give . Men dette er i teorien.
Faren er ikke engang, at når et løftefartøj med en sådan nuklear installation opsendes, kan der opstå radioaktiv forurening af atmosfæren og rummet omkring affyringsrampen, hovedproblemet er, at når høje temperaturer Selve motoren kan smelte sammen med rumfartøjet. Designere og ingeniører forstår dette og har i flere årtier forsøgt at finde passende løsninger.
Nukleare raketmotorer (NRE) har allerede deres egen historie om skabelse og drift i rummet. Den første udvikling af atommotorer begyndte i midten af 1950'erne, det vil sige allerede før menneskelig flugt ud i rummet, og næsten samtidigt i både USSR og USA, og selve ideen om at bruge atomreaktorer til at opvarme arbejdet stof i en raketmotor blev født sammen med de første rektorer i midten af 40'erne, det vil sige for mere end 70 år siden.
I vores land var initiativtageren til skabelsen af nuklear fremdrift den termiske fysiker Vitaly Mikhailovich Ievlev. I 1947 præsenterede han et projekt, der blev støttet af S. P. Korolev, I. V. Kurchatov og M. V. Keldysh. Oprindeligt var det planlagt at bruge sådanne motorer til krydsermissiler og derefter installere dem på ballistiske missiler. Udviklingen blev udført af de førende forsvarsdesignbureauer i Sovjetunionen samt forskningsinstitutter NIITP, CIAM, IAE, VNIINM.
Den sovjetiske atommotor RD-0410 blev samlet i midten af 60'erne på Voronezh Chemical Automatics Design Bureau, hvor de fleste flydende raketmotorer til rumteknologi blev skabt.
Brint blev brugt som arbejdsvæske i RD-0410, som i flydende form passerede gennem en "kølekappe", der fjernede overskydende varme fra dysens vægge og forhindrede den i at smelte, og kom derefter ind i reaktorkernen, hvor den blev opvarmet til 3000K og frigives gennem kanaldyserne, hvorved termisk energi omdannes til kinetisk energi og skabes en specifik impuls på 9100 m/s.
I USA blev atomfremdrivningsmotorprojektet igangsat i 1952, og den første driftsmotor blev skabt i 1966 og fik navnet NERVA (Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application). I 60'erne og 70'erne forsøgte Sovjetunionen og USA ikke at give efter for hinanden.
Det er rigtigt, at både vores RD-0410 og den amerikanske NERVA var fastfasede nukleare fremdrivningsmotorer, ( nukleart brændsel baseret på urancarbider var i reaktoren i fast tilstand), og deres driftstemperatur var i området 2300-3100K.
For at øge temperaturen af kernen uden risiko for eksplosion eller smeltning af reaktorvæggene er det nødvendigt at skabe sådanne nukleare reaktionsbetingelser, hvorunder brændstoffet (uran) bliver til en gasformig tilstand eller bliver til plasma og holdes inde i reaktoren ved et stærkt magnetfelt, uden at røre væggene. Og så "strømmer" brinten, der kommer ind i reaktorkernen, rundt om uran i gasfasen og bliver til plasma, udstødes med meget høj hastighed gennem dysekanalen.
Denne type motor kaldes en gasfase nuklear fremdriftsmotor. Temperaturerne på det gasformige uranbrændstof i sådanne nukleare motorer kan variere fra 10 tusind til 20 tusinde grader Kelvin, og den specifikke impuls kan nå 50.000 m/s, hvilket er 11 gange højere end for de mest effektive kemiske raketmotorer.
Skabelsen og brugen af gasfase-atomfremdrivningsmotorer af åbne og lukkede typer inden for rumteknologi er den mest lovende retning i udviklingen af rumraketmotorer og præcis, hvad menneskeheden har brug for for at udforske planeterne solsystemet og deres ledsagere.
Den første forskning i gasfase nuklear fremdriftsprojekt begyndte i USSR i 1957 ved Research Institute of Thermal Processes (National Research Center opkaldt efter M. V. Keldysh), og beslutningen om at udvikle nukleare rumkraftværker baseret på gasfase atomreaktorer blev lavet i 1963 af akademiker V. P. Glushko (NPO Energomash), og derefter godkendt af en resolution fra CPSU's centralkomité og USSR's ministerråd.
Udviklingen af gasfase nukleare fremdrivningsmotorer blev udført i Sovjetunionen i to årtier, men blev desværre aldrig afsluttet på grund af utilstrækkelig finansiering og behovet for yderligere grundlæggende forskning inden for termodynamik af nukleart brændsel og brintplasma, neutronfysik og magnetohydrodynamik.
Sovjetiske atomforskere og designingeniører stod over for en række problemer, såsom at opnå kritikalitet og sikre stabiliteten af driften af en gasfase-atomreaktor, reducere tabet af smeltet uran under frigivelsen af brint opvarmet til flere tusinde grader, termisk beskyttelse af dysen og magnetfeltgeneratoren, og akkumulering af uranfissionsprodukter, valg af kemisk resistente byggematerialer mv.
Og da Energia løfteraket begyndte at blive skabt til det sovjetiske Mars-94-program for den første bemandede flyvning til Mars, blev atommotorprojektet udskudt på ubestemt tid. Sovjetunionen havde ikke tid nok, og vigtigst af alt, politisk vilje og økonomisk effektivitet, til at lande vores kosmonauter på planeten Mars i 1994. Dette ville være en ubestridelig præstation og et bevis på vores lederskab inden for højteknologi i løbet af de næste par årtier. Men rummet, som mange andre ting, blev forrådt af den sidste ledelse af USSR. Historien kan ikke ændres, afdøde videnskabsmænd og ingeniører kan ikke bringes tilbage, og tabt viden kan ikke genoprettes. Meget skal skabes på ny.
Men atomkraft i rummet er ikke kun begrænset til sfæren af fast- og gasfasede nukleare fremdrivningsmotorer. For at skabe en opvarmet strøm af stof i en jetmotor, kan du bruge elektrisk energi. Denne idé blev først udtrykt af Konstantin Eduardovich Tsiolkovsky tilbage i 1903 i hans værk "Udforskning af verdensrum ved hjælp af jetinstrumenter."
Og den første elektrotermiske raketmotor i USSR blev skabt i 1930'erne af Valentin Petrovich Glushko, en fremtidig akademiker fra USSR Academy of Sciences og leder af NPO Energia.
Driftsprincipperne for elektriske raketmotorer kan være forskellige. De er normalt opdelt i fire typer:

elektrotermisk (opvarmning eller lysbue). I dem opvarmes gassen til temperaturer på 1000-5000K og udstødes fra dysen på samme måde som i en nuklear raketmotor.
elektrostatiske motorer (kolloide og ioniske), hvori det arbejdende stof først ioniseres, og derefter positive ioner (atomer uden elektroner) accelereres i et elektrostatisk felt og udstødes også gennem dysekanalen, hvilket skaber jet thrust. Elektrostatiske motorer omfatter også stationære plasmamotorer.
magnetoplasma og magnetodynamiske raketmotorer. Der accelereres gasplasmaet på grund af Ampere-kraften i de magnetiske og elektriske felter, der krydser hinanden vinkelret.
pulsraketmotorer, som bruger energien fra gasser, der stammer fra fordampningen af en arbejdsvæske i en elektrisk udladning.

Fordelen ved disse elektriske raketmotorer er deres lave forbrug af arbejdsvæske, effektivitet op til 60% og høj hastighed partikelstrøm, hvilket kan reducere rumfartøjets masse betydeligt, men der er også et minus - lav tryktæthed og derfor lav effekt samt de høje omkostninger ved arbejdsvæsken (inerte gasser eller dampe) alkalimetaller) for at skabe plasma.
Alle de anførte typer af elektriske motorer er blevet implementeret i praksis og er gentagne gange blevet brugt i rummet på både sovjetiske og amerikanske rumfartøjer siden midten af 60'erne, men på grund af deres lave effekt blev de hovedsageligt brugt som kredsløbskorrektionsmotorer.
Fra 1968 til 1988 opsendte USSR en hel række Cosmos-satellitter med nukleare installationer om bord. Typerne af reaktorer blev navngivet: "Buk", "Topaz" og "Yenisei".
Yenisei-projektreaktoren havde en termisk effekt på op til 135 kW og en elektrisk effekt på omkring 5 kW. Kølevæsken var en natrium-kalium-smelte. Dette projekt blev afsluttet i 1996.
En rigtig fremdriftsraketmotor kræver en meget kraftig energikilde. Og den bedste energikilde til sådanne rummotorer er en atomreaktor.
Atomenergi er en af de højteknologiske industrier, hvor vores land fastholder en førende position. Og en fundamentalt ny raketmotor er allerede ved at blive skabt i Rusland, og dette projekt er tæt på en vellykket afslutning i 2018. Flyveprøver er planlagt til 2020.
Og hvis gasfase nuklear fremdrift er et emne for fremtidige årtier, som skal vendes tilbage til efter grundforskning, så er dets nutidige alternativ et megawatt-klasse nuklear power propulsion system (NPPU), og det er allerede blevet skabt af Rosatom og Roscosmos-virksomheder siden 2009.
NPO Krasnaya Zvezda, som i øjeblikket er verdens eneste udvikler og producent af rumatomkraftværker, samt forskningscentret opkaldt efter A. M. V. Keldysh, NIKIET im. N. A. Dollezhala, Research Institute NPO "Luch", "Kurchatov Institute", IRM, IPPE, RIAR og NPO Mashinostroeniya.
Atomkraftfremdrivningssystemet omfatter en højtemperatur gaskølet hurtig neutron atomreaktor med et turbomaskinesystem til at konvertere termisk energi til elektrisk energi, et system af køleskabe-emittere til at fjerne overskydende varme ud i rummet, et instrumentrum, en blok af sustainer plasma- eller ionelektriske motorer og en beholder til at optage nyttelasten.
I et kraftfremdrivningssystem tjener en atomreaktor som en kilde til elektricitet til driften af elektriske plasmamotorer, mens gaskølevæsken fra reaktoren, der passerer gennem kernen, kommer ind i turbinen på den elektriske generator og kompressor og vender tilbage til reaktoren i et lukket kredsløb, og bliver ikke kastet ud i rummet som i en nuklear fremdriftsmotor, hvilket gør designet mere pålideligt og sikkert, og derfor velegnet til bemandet rumflyvning.
Det er planen, at atomkraftværket skal bruges til en genanvendelig rumslæbebåd for at sikre levering af last under udforskningen af Månen eller skabelsen af multi-purpose orbital komplekser. Fordelen vil ikke kun være den genanvendelige brug af elementer i transportsystemet (som Elon Musk forsøger at opnå i sine SpaceX-rumprojekter), men også evnen til at levere tre gange mere last end på raketter med kemiske jetmotorer af sammenlignelig kraft ved at reducere transportsystemets affyringsmasse . Installationens specielle design gør den sikker for mennesker og miljøet på Jorden.
I 2014 blev det første standarddesignede brændselselement (brændstofelement) til dette nukleare elektriske fremdriftssystem samlet på JSC Mashinostroitelny Zavod i Elektrostal, og i 2016 blev der udført test af en reaktorkernekurvsimulator.
Nu (i 2017) arbejdes der på fremstilling af strukturelle elementer til installation og test af komponenter og samlinger på mock-ups, samt autonom test af turbomaskine energikonverteringssystemer og prototype kraftenheder. Afslutningen af arbejdet er planlagt til slutningen af næste 2018, men siden 2015 begyndte efterslæbet af tidsplanen at akkumulere.
Så snart denne installation er oprettet, vil Rusland blive det første land i verden til at besidde nukleare rumteknologier, som vil danne grundlag ikke kun for fremtidige projekter til udforskning af solsystemet, men også for jord- og udenjordisk energi . Rumatomkraftværker kan bruges til at skabe systemer til fjerntransmission af elektricitet til Jorden eller til rummoduler ved hjælp af elektromagnetisk stråling. Og dette vil også blive en avanceret teknologi for fremtiden, hvor vores land vil have en førende position.
Baseret på de plasmaelektriske motorer, der udvikles, vil der blive skabt kraftige fremdriftssystemer til menneskelige flyvninger på lang afstand ud i rummet og først og fremmest til udforskningen af Mars, hvis kredsløb kan nås på kun 1,5 måned, og ikke i mere end et år, som ved brug af konventionelle kemiske jetmotorer .
Og fremtiden begynder altid med en revolution inden for energi. Og intet andet. Energi er primært, og det er mængden af energiforbrug, der påvirker tekniske fremskridt, forsvarsevne og menneskers livskvalitet.

NASA eksperimentel plasmaraketmotor

Den sovjetiske astrofysiker Nikolai Kardashev foreslog en skala for udvikling af civilisationer tilbage i 1964. Ifølge denne skala afhænger civilisationernes teknologiske udviklingsniveau af mængden af energi, som planetens befolkning bruger til sine behov. Således bruger type I civilisation alle tilgængelige ressourcer på planeten; Type II civilisation - modtager energien fra sin stjerne, i hvis system den er placeret; og en type III civilisation bruger den tilgængelige energi fra sin galakse. Menneskeheden er endnu ikke modnet til type I civilisation på denne skala. Vi bruger kun 0,16% af den samlede potentielle energireserve på planeten Jorden. Det betyder, at Rusland og hele verden har plads til at vokse, og disse nukleare teknologier vil åbne vejen for vores land ikke kun til rummet, men også for fremtidig økonomisk velstand.
Og måske er den eneste mulighed for Rusland på det videnskabelige og tekniske område nu at lave et revolutionært gennembrud inden for nukleare rumteknologier for at overvinde det mangeårige halt bag lederne i ét "spring" og være lige ved begyndelsen af en ny teknologisk revolution i den næste udviklingscyklus af den menneskelige civilisation. Sådan en enestående chance tilfalder et bestemt land kun én gang hvert par århundreder.
Desværre risikerer Rusland, som ikke har været tilstrækkelig opmærksom på grundlæggende videnskaber og kvaliteten af videregående og sekundær uddannelse gennem de sidste 25 år, at miste denne chance for altid, hvis programmet indskrænkes, og en ny generation af forskere ikke erstatter de nuværende videnskabsmænd og ingeniører. De geopolitiske og teknologiske udfordringer, som Rusland vil stå over for om 10-12 år, vil være meget alvorlige, sammenlignelige med truslerne fra midten af det tyvende århundrede. For at bevare Ruslands suverænitet og integritet i fremtiden er det nu presserende nødvendigt at begynde at uddanne specialister, der er i stand til at reagere på disse udfordringer og skabe noget grundlæggende nyt.
Der er kun omkring 10 år til at omdanne Rusland til et globalt intellektuelt og teknologisk center, og det kan ikke lade sig gøre uden en alvorlig ændring i uddannelseskvaliteten. For et videnskabeligt og teknologisk gennembrud er det nødvendigt at vende tilbage til uddannelsessystemet (både skole og universitet) systematiske syn på verdensbilledet, videnskabelig fundamentalitet og ideologisk integritet.
Hvad angår den nuværende stagnation i rumindustrien, er dette ikke skræmmende. De fysiske principper, som moderne rumteknologi er baseret på, vil være efterspurgt i lang tid i den konventionelle satellittjenestesektor. Lad os huske, at menneskeheden brugte sejlet i 5,5 tusinde år, og dampens æra varede næsten 200 år, og først i det tyvende århundrede begyndte verden at ændre sig hurtigt, fordi en anden videnskabelig og teknologisk revolution fandt sted, som lancerede en bølge af innovation og en ændring i teknologiske strukturer, som i sidste ende ændrede sig og verdensøkonomien og politik. Det vigtigste er at være ved oprindelsen af disse ændringer.

Rusland var og er fortsat førende inden for nuklear rumenergi. Organisationer som RSC Energia og Roscosmos har erfaring med design, konstruktion, opsendelse og drift af rumfartøjer udstyret med en atomkraftkilde. En nuklear motor gør det muligt at betjene fly i mange år, hvilket i høj grad øger deres praktiske egnethed.

Historisk kronik

Samtidig kræver det at levere et forskningskøretøj ind i kredsløbene om de fjerne planeter i Solsystemet at øge ressourcen for en sådan nuklear installation til 5-7 år. Det er blevet bevist, at et kompleks med et nukleart fremdriftssystem med en effekt på omkring 1 MW som en del af et forskningsrumfartøj vil give mulighed for accelereret levering i 5-7 år af kunstige satellitter af de fjerneste planeter, planetariske rovere til overfladen af disse planeters naturlige satellitter og levering til Jorden af jord fra kometer, asteroider, Merkur og Jupiters og Saturns satellitter.

Genanvendelig slæbebåd (MB)

En af de vigtigste måder at øge effektiviteten af transportoperationer i rummet er genanvendelig brug af elementer i transportsystemet. En nuklear motor til rumfartøjer med en effekt på mindst 500 kW gør det muligt at skabe en genanvendelig slæbebåd og derved øge effektiviteten af et multi-link rumtransportsystem markant. Et sådant system er især nyttigt i et program til at tilvejebringe store årlige laststrømme. Et eksempel ville være måneudforskningsprogrammet med skabelse og vedligeholdelse af en konstant ekspanderende beboelig base og eksperimentelle teknologiske og produktionskomplekser.

Fragtomsætningsberegning

Ifølge designundersøgelser af RSC Energia, under konstruktionen af basen, skal moduler, der vejer omkring 10 tons, leveres til månens overflade, og op til 30 tons til månens kredsløb. Den samlede laststrøm fra Jorden under konstruktionen af en beboelig månebase og en besøgt månebase orbital station er anslået til 700-800 tons, og den årlige fragtstrøm, der skal sikre basens funktion og udvikling, er 400-500 tons.

Atommotorens driftsprincip tillader imidlertid ikke transportøren at accelerere hurtigt nok. På grund af den lange transporttid og dermed den betydelige tid, nyttelasten bruger i jordens strålingsbælter, kan ikke al last leveres med atomdrevne slæbebåde. Derfor anslås den laststrøm, der kan tilvejebringes på basis af atomdrevne fremdrivningssystemer, til kun 100-300 tons/år.

Økonomisk effektivitet

Som et kriterium for den økonomiske effektivitet af et interorbitalt transportsystem, er det tilrådeligt at bruge værdien af de specifikke omkostninger ved at transportere en masseenhed af nyttelast (PG) fra jordens overflade til målbanen. RSC Energia har udviklet en økonomisk og matematisk model, der tager højde for hovedkomponenterne af omkostningerne i transportsystemet:

at skabe og starte slæbebådsmoduler i kredsløb;
til køb af et fungerende nukleart anlæg;
driftsomkostninger, samt R&D-omkostninger og eventuelle kapitalomkostninger.

Omkostningsindikatorer afhænger af de optimale parametre for MB. Ved hjælp af denne model, sammenlignende økonomisk effektivitet anvendelsen af en genanvendelig slæbebåd baseret på et nukleart fremdriftssystem med en effekt på ca. 1 MW og en engangsslæbebåd baseret på avancerede væskefremdrivningssystemer i programmet for at sikre levering af en nyttelast med en samlet masse på 100 tons/år fra kl. Jorden til månens kredsløb i en højde af 100 km. Ved brug af samme løfteraket med en nyttelastkapacitet svarende til nyttelastkapaciteten af Proton-M løftefartøjet og en to-lanceringsordning til konstruktion af et transportsystem, de specifikke omkostninger ved at levere en nyttelastmasseenhed ved hjælp af en atomdrevet slæbebåd vil være tre gange lavere end ved brug af engangsslæbebåde baseret på raketter med flydende motorer af typen DM-3.

Konklusion

Effektiv nuklear fremdrift til rummet bidrager til løsningen miljøproblemer Jorden, menneskelig flyvning til Mars, skabelsen af et system til trådløs energitransmission i rummet, implementeringen med øget sikkerhed ved begravelse i rummet af særligt farligt radioaktivt affald af jordbaseret atomkraft, skabelsen af en beboelig månebase og begyndelsen af industriel udvikling af Månen, der sikrer beskyttelse af Jorden mod fare for asteroide-kometer.

Skeptikere hævder, at skabelsen af en nuklear motor ikke er et væsentligt fremskridt inden for videnskab og teknologi, men kun en "modernisering af en dampkedel", hvor uran i stedet for kul og brænde fungerer som brændstof, og brint fungerer som en arbejdsvæske. Er NRE (atomjetmotor) så håbløs? Lad os prøve at finde ud af det.

De første raketter

Alle menneskehedens fortjenester i udforskningen af nær-Jorden det ydre rum kan sikkert henføres til kemiske jetmotorer. Driften af sådanne kraftenheder er baseret på energiomdannelse kemisk reaktion afbrænding af brændstof i et oxidationsmiddel til jetstrømmens kinetiske energi og dermed raketten. Det anvendte brændstof er petroleum, flydende brint, heptan (til raketmotorer med flydende drivstof (LPRE)) og en polymeriseret blanding af ammoniumperklorat, aluminium og jernoxid (til raketmotorer med fast drivstof (SRRE)).

Det er almindelig kendt, at de første raketter, der blev brugt til fyrværkeri, dukkede op i Kina i det andet århundrede f.Kr. De steg op i himlen takket være energien fra pulvergasser. Den teoretiske forskning udført af den tyske våbensmed Konrad Haas (1556), den polske general Kazimir Semenovich (1650) og den russiske generalløjtnant Alexander Zasyadko ydede et væsentligt bidrag til udviklingen af raketteknologi.

Den amerikanske videnskabsmand Robert Goddard modtog patent på opfindelsen af den første flydende drivmiddelraket. Hans apparat, der vejede 5 kg og omkring 3 m langt, kørte på benzin og flydende ilt, tog 2,5 s i 1926. fløj 56 meter.

Jagter hastighed

Seriøst eksperimentelt arbejde med at skabe serielle kemiske jetmotorer startede i 30'erne af forrige århundrede. I Sovjetunionen betragtes V. P. Glushko og F. A. Tsander med rette som pionererne inden for raketmotorkonstruktion. Med deres deltagelse blev kraftenhederne RD-107 og RD-108 udviklet, som sikrede USSR's forrang inden for rumudforskning og lagde grundlaget for Ruslands fremtidige lederskab inden for bemandet rumudforskning.

Under moderniseringen af væsketurbinemotoren blev det klart, at den teoretiske maksimale hastighed for jetstrømmen ikke kunne overstige 5 km/s. Dette kan være nok til at studere jordens nærhed, men flyvninger til andre planeter, og endnu mere til stjernerne, vil forblive en drøm for menneskeheden. Som et resultat begyndte der allerede i midten af forrige århundrede at dukke projekter for alternative (ikke-kemiske) raketmotorer op. De mest populære og lovende installationer var dem, der brugte energien fra nukleare reaktioner. De første eksperimentelle prøver af nukleare rummotorer (NRE) i Sovjetunionen og USA bestod testprøver tilbage i 1970. Men efter Tjernobyl-katastrofen, under offentligt pres, blev arbejdet i dette område suspenderet (i USSR i 1988, i USA - siden 1994).

Driften af atomkraftværker er baseret på de samme principper som termokemiske. Den eneste forskel er, at opvarmningen af arbejdsvæsken udføres af energien fra henfald eller fusion af nukleart brændsel. Energieffektiviteten af sådanne motorer overstiger væsentligt de kemiske. For eksempel er den energi, der kan frigives af 1 kg af det bedste brændstof (en blanding af beryllium med oxygen) 3 × 107 J, mens denne værdi for poloniumisotoper Po210 er 5 × 1011 J.

Den frigivne energi i en atommotor kan bruges på forskellige måder:

opvarmning af arbejdsvæsken, der udsendes gennem dyserne, som i en traditionel flydende raketmotor, efter omdannelse til elektricitet, ioniserende og accelererende partikler af arbejdsvæsken, hvilket skaber en impuls direkte ved fission eller fusionsprodukter almindeligt vand, men brugen af alkohol, ammoniak eller flydende brint vil være meget mere effektiv. Afhængig af aggregeringstilstand reaktorbrændstof er nukleare raketmotorer opdelt i fast-, væske- og gasfase. Den mest udviklede nukleare fremdrivningsmotor er med en fastfase fissionsreaktor, der bruger brændselsstave (brændselselementer), der anvendes i atomkraftværker som brændsel. Den første sådan motor indenfor amerikansk projekt Nerva gennemgik jordforsøg i 1966, og opererede i omkring to timer.

Designfunktioner

I hjertet af enhver nuklear rummotor er en reaktor bestående af en kerne og en berylliumreflektor anbragt i et krafthus. Spaltningen af atomer af et brændbart stof, normalt uran U238, beriget med U235 isotoper, sker i kernen. For at give visse egenskaber til nedbrydningsprocessen af kerner er moderatorer også placeret her - ildfast wolfram eller molybdæn. Hvis moderatoren indgår i brændselsstavene, kaldes reaktoren homogen, og hvis den placeres separat, kaldes den heterogen. Den nukleare motor omfatter også en arbejdsvæskeforsyningsenhed, styringer, skyggestrålingsbeskyttelse og en dyse. Strukturelle elementer og komponenter i reaktoren, som oplever høje termiske belastninger, afkøles af arbejdsvæsken, som derefter pumpes ind i brændstofsamlingerne af en turbopumpeenhed. Her opvarmes det til næsten 3.000˚C. Strømmen gennem dysen skaber arbejdsvæsken stråletryk.

Typiske reaktorstyringer er kontrolstænger og drejeskiver lavet af et neutronabsorberende stof (bor eller cadmium). Stængerne placeres direkte i kernen eller i specielle reflektornicher, og de roterende tromler placeres i reaktorens periferi. Ved at flytte stængerne eller dreje tromlerne ændres antallet af fissile kerner pr. tidsenhed, hvilket regulerer niveauet for energifrigivelse af reaktoren og dermed dens termiske effekt.

For at reducere intensiteten af neutron- og gammastråling, som er farlig for alle levende ting, placeres primære reaktorbeskyttelseselementer i kraftbygningen.

Øget effektivitet

En flydende atommotor ligner i driftsprincip og design til fastfasemotorer, men brændstoffets flydende tilstand gør det muligt at øge reaktionstemperaturen og følgelig kraftenhedens fremdrift. Så hvis for kemiske enheder (flydende turbojetmotorer og raketmotorer med fast drivmiddel) den maksimale specifikke impuls (jetstrømningshastighed) er 5.420 m/s, for fastfase-atommotorer og 10.000 m/s er langt fra grænsen, så er gennemsnitsværdien af denne indikator for gasfase-atomdrivstofmotorer ligger i området 30.000 - 50.000 m/s.

Der er to typer gasfase nukleare motorprojekter:

Åben cyklus, hvori nuklear reaktion strømmer inde i en plasmasky fra en arbejdsvæske, der holdes af et elektromagnetisk felt og absorberer al den genererede varme. Temperaturerne kan nå flere titusinder af grader. I dette tilfælde er det aktive område omgivet af et varmebestandigt stof (for eksempel kvarts) - en nuklear lampe, der frit transmitterer udsendt energi I installationer af den anden type vil reaktionstemperaturen være begrænset af smeltepunktet af kolbematerialet. Samtidig er energieffektiviteten af en nuklear rummotor en smule reduceret (specifik impuls op til 15.000 m/s), men effektiviteten og strålingssikkerheden øges.

Praktiske resultater

Formelt en opfinder kraftværk Den amerikanske videnskabsmand og fysiker Richard Feynman anses for at være pioneren inden for atomenergi. Starten på storstilet arbejde med udvikling og skabelse af nukleare motorer til rumfartøjer som en del af Rover-programmet blev givet på Los Alamos Research Center (USA) i 1955. Amerikanske opfindere foretrak installationer med en homogen atomreaktor. Den første eksperimentelle prøve af "Kiwi-A" blev samlet på et anlæg ved atomcentret i Albuquerque (New Mexico, USA) og testet i 1959. Reaktoren blev placeret lodret på stativet med dysen opad. Under testene blev en opvarmet strøm af brugt brint frigivet direkte til atmosfæren. Og selvom rektor kun arbejdede ved lav effekt i omkring 5 minutter, inspirerede succesen udviklerne.

I Sovjetunionen blev en stærk impuls til sådan forskning givet af mødet mellem de "tre store C'er", der fandt sted i 1959 på Institut for Atomenergi - skaberen atombombe I.V. Kurchatov, chefteoretikeren for russisk kosmonautik M.V. I modsætning til den amerikanske model havde den sovjetiske RD-0410-motor, udviklet på designbureauet for Khimavtomatika-foreningen (Voronezh), en heterogen reaktor. Brandprøver fandt sted på en træningsbane nær Semipalatinsk i 1978.

Det er værd at bemærke, at der blev skabt en del teoretiske projekter, men sagen kom aldrig til praktisk gennemførelse. Årsagerne til dette var tilstedeværelsen af et stort antal problemer inden for materialevidenskab og mangel på menneskelige og økonomiske ressourcer.

Bemærk: en vigtig praktisk bedrift var flyvetestningen af atomdrevne fly. I USSR var den mest lovende den eksperimentelle strategiske bombefly Tu-95LAL, i USA - B-36.

Projekt "Orion" eller pulserende nukleare raketmotorer

Til flyvninger i rummet blev en pulserende atommotor først foreslået brugt i 1945 af en amerikansk matematiker af polsk oprindelse, Stanislaw Ulam. I det næste årti blev ideen udviklet og forfinet af T. Taylor og F. Dyson. Den nederste linje er, at energien fra små nukleare ladninger, detoneret i en vis afstand fra skubbeplatformen på bunden af raketten, giver den stor acceleration.

Under Orion-projektet, der blev opsendt i 1958, var det planlagt at udstyre en raket med netop sådan en motor, der var i stand til at levere mennesker til overfladen af Mars eller Jupiters kredsløb. Besætningen, placeret i stævnrummet, ville blive beskyttet mod de ødelæggende virkninger af gigantiske accelerationer af en dæmpningsanordning. Resultatet af detaljeret ingeniørarbejde var marchtest af en storstilet mock-up af skibet for at studere flyvestabilitet (almindelige sprængstoffer blev brugt i stedet for nukleare ladninger). På grund af de høje omkostninger blev projektet lukket i 1965.

Lignende ideer til at skabe et "eksplosivt fly" blev udtrykt af den sovjetiske akademiker A. Sakharov i juli 1961. For at sende skibet i kredsløb foreslog forskeren at bruge konventionelle raketmotorer med flydende drivmiddel.

Alternative projekter

Et stort antal projekter gik aldrig ud over teoretisk forskning. Blandt dem var der mange originale og meget lovende. Ideen om et atomkraftværk baseret på fissile fragmenter bekræftes. Designfunktioner og designet af denne motor gør det muligt at undvære en arbejdsvæske overhovedet. Jetstrømmen, som giver de nødvendige trykegenskaber, er dannet af brugt nukleart materiale. Reaktoren er baseret på roterende skiver med subkritisk nuklear masse (atomisk fissionskoefficient mindre end enhed). Når den roterer i den sektor af skiven, der er placeret i kernen, startes en kædereaktion, og henfaldende højenergiatomer ledes ind i motordysen og danner en jetstrøm. De bevarede intakte atomer vil deltage i reaktionen ved de næste omdrejninger af brændstofskiven.

Atommotorprojekter til skibe, der udfører visse opgaver i nær-jordens rum, baseret på RTG'er (radioisotop termoelektriske generatorer), men sådanne installationer er ikke lovende for interplanetariske og endnu mere interstellare flyvninger.

Nukleare fusionsmotorer har et enormt potentiale. Allerede på det nuværende udviklingstrin for videnskab og teknologi er en pulserende installation ganske mulig, hvor termonukleare ladninger ligesom Orion-projektet vil blive detoneret under bunden af raketten. Mange eksperter anser imidlertid implementeringen af kontrolleret nuklear fusion for at være et spørgsmål om den nærmeste fremtid.

Fordele og ulemper ved atomdrevne motorer

De uomtvistelige fordele ved at bruge atommotorer som kraftenheder til rumfartøjer inkluderer deres høje energieffektivitet, der giver høj specifik impuls og god trykydelse (op til tusind tons i luftløst rum) og imponerende energireserver under autonom drift. Det nuværende niveau af videnskabelig og teknologisk udvikling gør det muligt at sikre en sådan installations komparative kompaktitet.

Den største ulempe ved nukleare fremdrivningsmotorer, som forårsagede indskrænkning af design- og forskningsarbejde, er den høje strålingsfare. Dette gælder især ved udførelse af jordbaserede brandforsøg, som resulterer i, at radioaktive gasser, uranforbindelser og dets isotoper og de destruktive virkninger af gennemtrængende stråling kan trænge ind i atmosfæren sammen med arbejdsvæsken. Af samme grunde er det uacceptabelt at opsende et rumfartøj udstyret med en atommotor direkte fra Jordens overflade.

Nutid og fremtid

Ifølge forsikringer fra akademiker fra det russiske videnskabsakademi, generaldirektør for Keldysh-centret Anatoly Koroteev, vil en grundlæggende ny type atommotor blive skabt i Rusland i den nærmeste fremtid. Essensen af tilgangen er, at rumreaktorens energi ikke vil blive rettet mod direkte at opvarme arbejdsvæsken og danne en jetstrøm, men til at producere elektricitet. Rollen af fremdrift i installationen er tildelt en plasmamotor, hvis specifikke drivkraft er 20 gange højere end drivkraften fra kemiske jetanordninger, der eksisterer i dag. Projektets hovedvirksomhed er en afdeling af statsselskabet Rosatom, JSC NIKIET (Moskva).

Fuldskala prototypetest blev gennemført med succes tilbage i 2015 på basis af NPO Mashinostroeniya (Reutov). Datoen for starten af flyvetests af atomkraftværket er november i år. De vigtigste elementer og systemer skal testes, også om bord på ISS.

Den nye russiske atommotor fungerer i en lukket cyklus, som fuldstændig eliminerer frigivelsen af radioaktive stoffer til det omgivende rum. Masse- og dimensionsegenskaberne for kraftværkets hovedelementer sikrer, at det kan bruges sammen med eksisterende proton- og Angara-lanceringsfartøjer til hjemmebrug.

Pas på der er mange bogstaver.

En flyprototype af et rumfartøj med et nukleart fremdriftssystem (NPP) er planlagt til at blive skabt i Rusland i 2025. Det tilsvarende arbejde er inkluderet i udkastet til føderalt rumprogram for 2016-2025 (FKP-25), sendt af Roscosmos til godkendelse til ministerierne.

Atomkraftsystemer betragtes som de vigtigste lovende energikilder i rummet, når man planlægger interplanetariske ekspeditioner i stor skala. I fremtiden vil atomkraftværket, som i øjeblikket skabes af Rosatom-virksomheder, være i stand til at levere megawatt strøm i rummet.

Alt arbejde med etableringen af et atomkraftværk forløber i overensstemmelse med de planlagte tidsfrister. Vi kan med en høj grad af tillid sige, at arbejdet vil blive afsluttet til tiden, forudsat af målprogrammet,” siger Andrey Ivanov, projektleder for kommunikationsafdelingen i Rosatom statsselskab.

For nylig har projektet afsluttet to vigtige faser: Der er skabt et unikt design af brændselselementet, der sikrer drift under forhold med høje temperaturer, store temperaturgradienter og højdosis stråling. Teknologiske test af reaktorbeholderen til den fremtidige rumkraftenhed er også blevet gennemført med succes. Som en del af disse tests blev kroppen udsat for overtryk og udførte 3D-målinger i områderne af basismetallet, ring svejset samling og konisk overgang.

Driftsprincip. Skabelsens historie.

MED atomreaktor Der er ingen grundlæggende vanskeligheder for rumapplikationer. I perioden fra 1962 til 1993 akkumulerede vores land et væld af erfaringer med produktion af lignende installationer. Lignende arbejde blev udført i USA. Siden begyndelsen af 1960'erne er flere typer elektriske fremdriftsmotorer blevet udviklet i verden: ion, stationær plasma, anodelagsmotor, pulseret plasmamotor, magnetoplasma, magnetoplasmodynamisk.

Arbejdet med at skabe nukleare motorer til rumfartøjer blev aktivt udført i USSR og USA i det sidste århundrede: Amerikanerne lukkede projektet i 1994, USSR - i 1988. Lukningen af arbejdet blev i vid udstrækning lettet af Tjernobyl-katastrofen, som påvirkede negativt den offentlige mening om brugen af atomenergi. Derudover forløb test af nukleare installationer i rummet ikke altid som planlagt: i 1978 kom den sovjetiske satellit Kosmos-954 ind i atmosfæren og gik i opløsning og spredte tusindvis af radioaktive fragmenter over et område på 100 tusinde kvadratmeter. km i det nordvestlige Canada. Sovjetunionen betalte Canada monetær kompensation på mere end 10 millioner dollars.

I maj 1988 oprettede to organisationer - Federation of American Scientists og Committee of Soviet Scientists for Peace against nuklear trussel- fremsatte et fælles forslag om at forbyde brugen af atomenergi i rummet. Det forslag fik ingen formelle konsekvenser, men siden har intet land opsendt rumfartøjer med atomkraftværker om bord.

De store fordele ved projektet er praktisk vigtige driftsegenskaber - en lang levetid (10 års drift), et betydeligt eftersynsinterval og en lang driftstid på én kontakt.

I 2010 blev der formuleret tekniske forslag til projektet. Designet begyndte i år.

Atomkraftværket indeholder tre hovedenheder: 1) en reaktorinstallation med en arbejdsvæske og hjælpeanordninger (varmeveksler-recuperator og turbogenerator-kompressor); 2) elektrisk raketfremdriftssystem; 3) køleskab-emitter.

Reaktor.

MED fysisk punkt Dette er en kompakt gaskølet hurtig neutronreaktor.
Det anvendte brændsel er en forbindelse (dioxid eller carbonitrid) af uran, men da designet skal være meget kompakt, har uranen en højere berigelse i 235 isotopen end i brændselsstave i konventionelle (civile) atomkraftværker, måske over 20%. Og deres skal er en monokrystallinsk legering af ildfaste metaller baseret på molybdæn.

Dette brændstof skal fungere ved meget høje temperaturer. Derfor var det nødvendigt at vælge materialer, der kunne indeholde negative faktorer, forbundet med temperatur, og samtidig tillade brændstoffet at udføre sin hovedfunktion - at opvarme gaskølevæsken, ved hjælp af hvilken elektricitet vil blive produceret.

Køleskab.

Køling af gas under driften af en nuklear installation er absolut nødvendig. Sådan dumpes varme ind det ydre rum? Den eneste mulighed er afkøling ved stråling. Den opvarmede overflade i hulrummet afkøles og udsender elektromagnetiske bølger i et bredt område, inklusive synligt lys. Det unikke ved projektet er brugen af et specielt kølemiddel - en helium-xenon-blanding. Installationen sikrer en høj effektivitet.

Motor.

Driftsprincippet for ionmotoren er som følger. I gasudladningskammeret skabes et forsælnet plasma ved hjælp af anoder og en katodeblok placeret i et magnetfelt. Fra det "trækkes" ionerne af arbejdsvæsken (xenon eller andet stof) af emissionselektroden og accelereres i mellemrummet mellem den og accelerationselektroden.

For at implementere planen blev der lovet 17 milliarder rubler mellem 2010 og 2018. Af disse midler var 7,245 milliarder rubler beregnet til Rosatom statsselskab til at skabe selve reaktoren. Yderligere 3,955 milliarder - FSUE "Keldysh Center" til oprettelse af et atomkraftfremdrivningsanlæg. Yderligere 5,8 milliarder rubler vil gå til RSC Energia, hvor inden for samme tidsramme skal hele transport- og energimodulets fungerende udseende dannes.

Efter planerne vil der ved udgangen af 2017 være klargjort et atomkraftfremdrivningssystem for at færdiggøre transport- og energimodulet (interplanetært overførselsmodul). Ved udgangen af 2018 vil atomkraftværket være forberedt til flyveforsøg. Projektet er finansieret over det føderale budget.

Det er ingen hemmelighed, at arbejdet med at skabe nukleare raketmotorer begyndte i USA og USSR tilbage i 60'erne af forrige århundrede. Hvor langt er de nået? Og hvilke problemer stødte du på undervejs?

Anatoly Koroteev: Faktisk blev arbejdet med brugen af atomenergi i rummet startet og aktivt udført her og i USA i 1960-70'erne.

I første omgang var opgaven sat til at skabe raketmotorer, der i stedet for den kemiske energi ved forbrænding af brændstof og oxidationsmiddel ville bruge opvarmning af brint til en temperatur på omkring 3000 grader. Men det viste sig, at en sådan direkte vej stadig var ineffektiv. Vi får høj fremdrift i kort tid, men udsender samtidig en stråle, som ved unormal drift af reaktoren kan vise sig at være radioaktivt forurenet.

Nogle erfaringer blev akkumuleret, men hverken vi eller amerikanerne var i stand til at skabe pålidelige motorer. De virkede, men ikke nok, for brinten blev opvarmet til 3000 grader ind atomreaktor- en seriøs opgave. Derudover opstod miljøproblemer under jordprøver af sådanne motorer, da radioaktive jetfly blev frigivet til atmosfæren. Det er ikke længere en hemmelighed, at et sådant arbejde blev udført på en specielt forberedt atomprøvesprængninger Semipalatinsk teststed, som forblev i Kasakhstan.

Det vil sige, at to parametre viste sig at være kritiske - ekstreme temperaturer og strålingsemissioner?

Anatoly Koroteev: Generelt, ja. På grund af disse og nogle andre årsager blev arbejdet i vores land og i USA stoppet eller suspenderet - dette kan vurderes på forskellige måder. Og det forekom os urimeligt at genoptage dem på sådan en, vil jeg sige, frontal måde, for at lave en atommotor med alle de allerede nævnte mangler. Vi foreslog en helt anden tilgang. Den adskiller sig fra den gamle på samme måde, som en hybridbil adskiller sig fra en almindelig. I en almindelig bil drejer motoren hjulene, men i hybridbiler genereres elektricitet fra motoren, og denne elektricitet drejer hjulene. Det vil sige, at der bliver skabt en form for mellemkraftværk.

Så vi foreslog en ordning, hvor rumreaktoren ikke opvarmer strålen, der kastes ud fra den, men genererer elektricitet. Varm gas fra reaktoren drejer turbinen, turbinen drejer den elektriske generator og kompressoren, som cirkulerer arbejdsvæsken i et lukket kredsløb. Generatoren producerer elektricitet til plasmamotoren med et specifikt tryk, der er 20 gange højere end kemiske analogers.

Vanskelig ordning. I det væsentlige er dette et mini-atomkraftværk i rummet. Og hvad er dens fordele i forhold til en ramjet-atommotor?

Anatoly Koroteev: Det vigtigste er, at den jet, der kommer ud af den nye motor, ikke vil være radioaktiv, da en helt anden arbejdsvæske passerer gennem reaktoren, som er indeholdt i et lukket kredsløb.

Derudover behøver vi med denne ordning ikke at opvarme brint til uoverkommelige værdier: en inert arbejdsvæske cirkulerer i reaktoren, som varmer op til 1500 grader. Vi gør tingene virkelig nemme for os selv. Og som et resultat vil vi øge det specifikke tryk ikke to gange, men med 20 gange sammenlignet med kemiske motorer.

En anden ting er også vigtig: der er ikke behov for komplekse fuldskala-tests, som kræver infrastrukturen på det tidligere Semipalatinsk-teststed, især testbænkbasen, der forbliver i byen Kurchatov.

I vores tilfælde kan alle nødvendige test udføres på russisk territorium, uden at blive trukket ind i lange internationale forhandlinger om brugen af atomenergi uden for ens egen stats grænser.

Er lignende arbejde i gang i andre lande?

Anatoly Koroteev: Jeg havde et møde med vicechefen for NASA, vi diskuterede spørgsmål i forbindelse med at vende tilbage til arbejdet med atomenergi i rummet, og han sagde, at amerikanerne viser stor interesse for dette.

Det er meget muligt, at Kina kan reagere med aktive handlinger fra sin side, så vi skal arbejde hurtigt. Og ikke kun for at være et halvt skridt foran nogen.

Vi skal først og fremmest arbejde hurtigt, så vi ser anstændige ud i det nye internationale samarbejde, og det er de facto ved at blive dannet.

Jeg udelukker ikke, at der i den nærmeste fremtid kan igangsættes et internationalt program for et nukleart rumkraftværk i lighed med det kontrollerede termonuklear fusionsprogram, der i øjeblikket gennemføres.