Flydende raketmotorer har gjort det muligt for mennesker at gå ud i rummet – i kredsløb nær Jorden. Men hastigheden af ​​jetstrømmen i en raketmotor med flydende drivmiddel overstiger ikke 4,5 km/s, og til flyvninger til andre planeter er der brug for titusvis af kilometer i sekundet. En mulig løsning er at bruge energien fra nukleare reaktioner.

Den praktiske oprettelse af nukleare raketmotorer (NRE) blev kun udført af USSR og USA. I 1955 begyndte USA at implementere Rover-programmet for at udvikle en nuklear raketmotor til rumfartøjer. Tre år senere, i 1958, blev NASA involveret i projektet, som satte en specifik opgave for skibe med nukleare fremdrivningsmotorer - en flyvning til Månen og Mars. Fra det tidspunkt begyndte programmet at blive kaldt NERVA, som står for "atommotor til installation på raketter."

I midten af ​​70'erne, inden for rammerne af dette program, var det planlagt at designe en nuklear raketmotor med en fremdrift på omkring 30 tons (til sammenligning var den typiske drivkraft for flydende raketmotorer på den tid ca. 700 tons), men med en gasudstødningshastighed på 8,1 km/s. I 1973 blev programmet imidlertid lukket på grund af et skift i amerikanske interesser i retning af rumfærgen.

I USSR blev designet af de første atomdrevne motorer udført i anden halvdel af 50'erne. Samtidig begyndte sovjetiske designere, i stedet for at skabe en model i fuld skala, at lave separate dele af den nukleare fremdrivningsmotor. Og så blev disse udviklinger testet i samspil med en specialudviklet pulseret grafitreaktor (IGR).

I 70-80'erne af det sidste århundrede skabte Salyut Design Bureau, Khimavtomatiki Design Bureau og Luch NPO projekter af rum-nukleare fremdrivningsmotorer RD-0411 og RD-0410 med en trykkraft på henholdsvis 40 og 3,6 tons. Under designprocessen blev en reaktor, en kold motor og en bænkprototype fremstillet til test.

I juli 1961 annoncerede den sovjetiske akademiker Andrei Sakharov atomeksplosionsprojektet på et møde mellem førende atomforskere i Kreml. Sprængeren havde konventionelle flydende raketmotorer til start, men i rummet skulle den detonere små nukleare ladninger. De fissionsprodukter, der blev genereret under eksplosionen, overførte deres momentum til skibet, hvilket fik det til at flyve. Den 5. august 1963 blev der dog underskrevet en testforbudsaftale i Moskva atomvåben i atmosfæren, det ydre rum og under vand. Dette var årsagen til lukningen af ​​det nukleare eksplosionsprogram.

Det er muligt, at udviklingen af ​​atomdrevne motorer var forud for sin tid. De var dog ikke for tidlige. Forberedelsen til en bemandet flyvning til andre planeter varer trods alt flere årtier, og fremdriftssystemer til det skal forberedes på forhånd.

Nuklear raketmotor design

En nuklear raketmotor (NRE) er en jetmotor, hvor energien, der genereres af et nuklear henfald eller fusionsreaktion, opvarmer arbejdsvæsken (oftest brint eller ammoniak).

Der er tre typer nukleare fremdrivningsmotorer afhængigt af typen af ​​brændstof til reaktoren:

• fast fase;
• flydende fase;
• gasfase.

Den mest komplette er fast fase motor mulighed. Figuren viser et diagram over den enkleste atomdrevne motor med en fast atombrændselsreaktor. Arbejdsvæsken er placeret i en ekstern tank. Ved hjælp af en pumpe tilføres den til motorkammeret. I kammeret sprøjtes arbejdsvæsken ved hjælp af dyser og kommer i kontakt med det brændstofgenererende nukleare brændsel. Når den opvarmes, udvider den sig og flyver ud af kammeret gennem dysen med stor hastighed.

Flydende fase — nukleart brændsel i reaktorkernen af ​​en sådan motor er i flydende form. Trækparametrene for sådanne motorer er højere end dem for fastfasemotorer på grund af reaktorens højere temperatur.

I gasfase NRE-brændstof (for eksempel uran) og arbejdsvæsken er i gasform (i form af plasma) og holdes i arbejdsområdet af et elektromagnetisk felt. Uranplasma opvarmet til titusindvis af grader overfører varme til arbejdsvæsken (for eksempel brint), som igen bliver opvarmet til høje temperaturer danner en jetstrøm.

Baseret på typen af ​​kernereaktion skelnes der mellem en radioisotopraketmotor, en termonuklear raketmotor og selve atommotoren (energien fra nuklear fission bruges).

En interessant mulighed er også en pulserende nuklear raketmotor - det foreslås at bruge en nuklear ladning som energikilde (brændstof). Sådanne installationer kan være af interne og eksterne typer.

De vigtigste fordele ved atomdrevne motorer er:

• høj specifik impuls;
• betydelige energireserver;
• kompakthed af fremdrivningssystemet;
• muligheden for at opnå meget høj fremdrift - titusinder, hundreder og tusinder af tons i et vakuum.

Den største ulempe er den høje strålingsfare ved fremdriftssystemet:

• strømninger af gennemtrængende stråling (gammastråling, neutroner) under nukleare reaktioner;
• fjernelse af højradioaktive forbindelser af uran og dets legeringer;
• udstrømning af radioaktive gasser med arbejdsvæsken.

Derfor lancere nuklear motor uacceptabelt for opsendelser fra jordens overflade på grund af risikoen for radioaktiv forurening.

En sikker måde at bruge atomenergi i rummet blev opfundet i USSR, og der arbejdes nu på at skabe et atomanlæg baseret på det, sagde statens generaldirektør videnskabeligt center Russisk Føderation "Forskningscenter opkaldt efter Keldysh", akademiker Anatoly Koroteev.

"Nu arbejder instituttet aktivt i denne retning i et stort samarbejde mellem Roscosmos og Rosatom virksomheder. Og jeg håber, at vi med tiden vil få en positiv effekt her,” sagde A. Koroteev ved de årlige “Royal Readings” på Bauman Moscow State Technical University tirsdag.

Ifølge ham har Keldysh Centret opfundet en ordning for sikker brug af atomenergi i det ydre rum, som gør det muligt at undvære emissioner og fungerer i et lukket kredsløb, som gør installationen sikker, selvom den svigter og falder til Jorden .

"Denne ordning reducerer i høj grad risikoen ved at bruge atomenergi, især i betragtning af, at et af de grundlæggende punkter er driften af ​​dette system i kredsløb over 800-1000 km. Så, i tilfælde af fejl, er den "blinkende" tid sådan, at den gør det sikkert for disse elementer at vende tilbage til Jorden efter en lang periode," præciserede videnskabsmanden.

A. Koroteev sagde, at tidligere havde USSR allerede brugt rumfartøjer drevet af atomenergi, men de var potentielt farlige for Jorden og måtte efterfølgende opgives. "USSR brugte atomenergi i rummet. Der var 34 rumfartøjer med atomenergi i rummet, hvoraf 32 var sovjetiske og to amerikanske,” huskede akademikeren.

Ifølge ham vil den nukleare installation, der udvikles i Rusland, blive gjort lettere ved at bruge et rammeløst kølesystem, hvor atomreaktorkølevæsken vil cirkulere direkte i det ydre rum uden et rørledningssystem.

Men tilbage i begyndelsen af ​​1960'erne betragtede designere nukleare raketmotorer som det eneste rigtige alternativ til at rejse til andre planeter i solsystemet. Lad os finde ud af historien om dette problem.

Konkurrencen mellem USSR og USA, også i rummet, foregik på det tidspunkt i fuld gang, ingeniører og videnskabsmænd deltog i kapløbet om at skabe en nuklear fremdriftsmotor, og militæret støttede også i første omgang atomraketmotorprojektet. Til at begynde med virkede opgaven meget enkel - du skal bare lave en reaktor designet til at blive kølet med brint i stedet for vand, sætte en dyse på den, og - frem til Mars! Amerikanerne skulle til Mars ti år efter Månen og kunne ikke engang forestille sig, at astronauter nogensinde ville nå den uden atommotorer.

Amerikanerne byggede meget hurtigt den første prototypereaktor og testede den allerede i juli 1959 (de blev kaldt KIWI-A). Disse test viste blot, at reaktoren kunne bruges til at opvarme brint. Reaktordesignet - med ubeskyttet uranoxidbrændsel - var ikke egnet til høje temperaturer, og brinten blev kun opvarmet til halvandet tusinde grader.

Efterhånden som der blev høstet erfaringer, blev designet af reaktorer til nukleare raketmotorer - NRE - mere komplekst. Uranoxidet blev erstattet med et mere varmebestandigt carbid, derudover var det belagt med niobiumcarbid, men da man forsøgte at nå designtemperaturen, begyndte reaktoren at kollapse. Desuden skete der selv i fravær af makroskopisk ødelæggelse diffusion af uranbrændsel til kølebrint, og massetab nåede 20% inden for fem timer efter reaktordrift. Et materiale, der er i stand til at fungere ved 2700-3000 0 C og modstå ødelæggelse af varmt brint, er aldrig blevet fundet.

Derfor besluttede amerikanerne at ofre effektivitet og inkluderede specifik impuls i flyvemotordesignet (tryk i kilogram kraft opnået med frigivelse af et kilogram arbejdsvæskemasse hvert sekund; måleenheden er et sekund). 860 sekunder. Dette var det dobbelte af det tilsvarende tal for ilt-brint motorer på den tid. Men da amerikanerne begyndte at få succes, var interessen for bemandede flyvninger allerede faldet, Apollo-programmet blev indskrænket, og i 1973 blev NERVA-projektet (det var navnet på motoren til en bemandet ekspedition til Mars) endelig lukket. Efter at have vundet måneløbet ønskede amerikanerne ikke at organisere et Mars-løb.

Men erfaringerne fra et dusin reaktorer bygget og adskillige dusin test udført var, at amerikanske ingeniører blev for revet med af fuldskala atomprøvesprængninger, i stedet for at udarbejde nøgleelementer uden at involvere nuklear teknologi, hvor dette kan undgås. Og hvor det ikke er muligt, brug mindre standere. Amerikanerne kørte næsten alle reaktorer ved fuld effekt, men var ikke i stand til at nå designtemperaturen for brint - reaktoren begyndte at kollapse tidligere. I alt blev der fra 1955 til 1972 brugt 1,4 milliarder dollars på atomraketmotorprogrammet - cirka 5 % af omkostningerne ved måneprogrammet.

Også i USA blev Orion-projektet opfundet, som kombinerede begge versioner af det nukleare fremdriftssystem (jet og puls). Dette foregik på følgende måde: Små atomladninger med en kapacitet på omkring 100 tons TNT blev slynget ud af skibets hale. Der blev affyret metalskiver efter dem. På afstand fra skibet blev ladningen detoneret, skiven fordampet, og stoffet spredt i forskellige retninger. En del af den faldt ned i den forstærkede haledel af skibet og flyttede den fremad. En lille forøgelse af trykkraften skulle have været tilvejebragt ved at fordampningen af ​​pladen tog slagene. Enhedsprisen for en sådan flyvning skulle dengang kun have været 150 dollars per kilogram nyttelast.

Det nåede endda til testpunktet: Erfaring viste, at bevægelse ved hjælp af successive impulser er mulig, ligesom skabelsen af ​​en hækplade med tilstrækkelig styrke. Men Orion-projektet blev lukket i 1965 som lovende. Dette er dog indtil videre det eneste eksisterende koncept, der kan tillade ekspeditioner i det mindste på tværs af solsystemet.

I første halvdel af 1960'erne så sovjetiske ingeniører ekspeditionen til Mars som en logisk fortsættelse af det på det tidspunkt udviklede program for bemandet flyvning til Månen. I kølvandet på spændingen forårsaget af USSR's prioritering i rummet, blev selv sådanne ekstremt komplekse problemer vurderet med øget optimisme.

Et af de vigtigste problemer var (og er stadig den dag i dag) problemet med strømforsyningen. Det var klart, at raketmotorer med flydende drivstof, selv lovende ilt-brintmotorer, i princippet kunne levere en bemandet flyvning til Mars, da kun med enorme opsendelsesmasser af det interplanetariske kompleks, med et stort antal dokninger af individuelle blokke i samlingen lav-Jords kredsløb.

Leder efter optimale løsninger Forskere og ingeniører vendte sig mod atomenergi og kiggede gradvist nærmere på dette problem.

I USSR begyndte forskningen i problemerne med at bruge atomenergi i raket- og rumteknologi i anden halvdel af 50'erne, selv før opsendelsen af ​​de første satellitter. Små grupper af entusiaster opstod i flere forskningsinstitutter med det mål at skabe raket- og rumatommotorer og kraftværker.

Designerne af OKB-11 S.P. Korolev overvejede sammen med specialister fra NII-12 under ledelse af V.Ya Likhushin flere muligheder for rum- og kampraketter udstyret med nukleare raketmotorer (NRE). Vand og flydende gasser - brint, ammoniak og metan - blev vurderet som arbejdsvæske.

Udsigten var lovende; gradvist fandt arbejdet forståelse og økonomisk støtte i USSR-regeringen.

Allerede den allerførste analyse viste, at blandt de mange mulige ordninger for rumatomkraftfremdriftssystemer (NPS) har tre de største udsigter:

• med en fastfase atomreaktor;
• med en gasfase-atomreaktor;
• elektroniske raketfremdrivningssystemer.

Ordningerne var fundamentalt forskellige; For hver af dem blev der skitseret flere muligheder for udvikling af teoretisk og eksperimentelt arbejde.

Det tætteste på implementering syntes at være en fast-fase nuklear fremdriftsmotor. Drivkraften til udviklingen af ​​arbejdet i denne retning blev givet af lignende udviklinger udført i USA siden 1955 under ROVER-programmet, såvel som udsigterne (som det så ud dengang) til at skabe et indenlandsk interkontinentalt bemandet bombefly med en nuklear fremdrift system.

En fast-fase nuklear fremdriftsmotor fungerer som en direkte-flow motor. Flydende brint kommer ind i dysedelen, afkøler reaktorbeholderen, brændstofsamlinger (FA), moderator, og drejer derefter rundt og kommer ind i FA, hvor det varmes op til 3000 K og kastes ind i dysen og accelererer til høje hastigheder.

Driftsprincipperne for det nukleare fremdriftssystem var ikke i tvivl. Imidlertid afhang dens design (og karakteristika) i høj grad af motorens "hjerte" - atomreaktoren og blev først og fremmest bestemt af dens "fyldning" - kernen.

Udviklerne af de første amerikanske (og sovjetiske) nukleare fremdrivningsmotorer gik ind for en homogen reaktor med en grafitkerne. Arbejdet i søgegruppen om nye typer højtemperaturbrændstoffer, der blev oprettet i 1958 i laboratorium nr. 21 (ledet af G.A. Meerson) i NII-93 (direktør A.A. Bochvar), forløb noget separat. Påvirket af det igangværende arbejde på en flyreaktor (en honeycomb lavet af berylliumoxid) på det tidspunkt, gjorde gruppen forsøg (igen undersøgende) på at skaffe materialer baseret på silicium og zirconiumcarbid, der var modstandsdygtige over for oxidation.

Ifølge erindringerne fra R.B. Kotelnikov, ansat i NII-9, havde i foråret 1958 et møde med en repræsentant for NII-1 V.N. Han sagde, at som hovedmaterialet for brændselselementerne (brændstofstænger) i reaktoren i deres institut (i øvrigt på det tidspunkt hovedet i raketindustrien; leder af instituttet V.Ya. Likhushin, videnskabelig direktør M.V. Keldysh, leder af laboratoriet V.M .Ievlev) anvender grafit. Især har de allerede lært, hvordan man påfører belægninger på prøver for at beskytte dem mod brint. NII-9 foreslog at overveje muligheden for at anvende UC-ZrC-carbider som grundlag for brændselselementer.

Senere kort tid En anden kunde til brændstofstænger dukkede op - Design Bureau of M.M Bondaryuk, som ideologisk konkurrerede med NII-1. Hvis sidstnævnte stod for et flerkanals all-block design, så satte Design Bureau of M.M Bondaryuk kursen mod en sammenklappelig pladeversion, der fokuserede på let bearbejdning af grafit og ikke var flov over delenes kompleksitet - millimeter tyk. plader med samme ribben. Carbider er meget sværere at bearbejde; på det tidspunkt var det umuligt at lave dele som flerkanalblokke og plader af dem. Behovet for at skabe et andet design svarende til karbidernes specifikationer blev klart.

I slutningen af ​​1959 - begyndelsen af ​​1960 blev den afgørende betingelse for NRE brændstofstænger fundet - en stangtype kerne, der tilfredsstiller kunderne - Likhushin Research Institute og Bondaryuk Design Bureau. Designet af en heterogen reaktor på termiske neutroner blev begrundet som den vigtigste for dem; dens vigtigste fordele (sammenlignet med den alternative homogene grafitreaktor) er:

• det er muligt at bruge en lavtemperatur-brintholdig moderator, som gør det muligt at skabe nukleare fremdrivningsmotorer med høj masse-perfektion;
• det er muligt at udvikle en lille prototype af en nuklear fremdrivningsmotor med en fremdrift på omkring 30...50 kN med en høj grad af kontinuitet for motorer og nukleare fremdrivningssystemer af den næste generation;
• det er muligt i vid udstrækning at bruge ildfaste karbider i brændstofstave og andre dele af reaktorstrukturen, hvilket gør det muligt at maksimere opvarmningstemperaturen af ​​arbejdsfluidet og give en øget specifik impuls;
• det er muligt autonomt at teste, element for element, de vigtigste komponenter og systemer i det nukleare fremdrivningssystem (NPP), såsom brændstofsamlinger, moderator, reflektor, turbopumpeenhed (TPU), styresystem, dyse osv.; dette gør det muligt at udføre test parallelt, hvilket reducerer mængden af ​​dyre kompleks test af kraftværket som helhed.

Omkring 1962-1963 Arbejdet med det nukleare fremdrivningsproblem blev ledet af NII-1, som har en stærk eksperimentel base og fremragende personale. De manglede kun uranteknologi, såvel som atomforskere. Med involvering af NII-9, og derefter IPPE, blev der dannet et samarbejde, som tog som sin ideologi skabelsen af ​​et minimumstryk (ca. 3,6 tf), men "rigtig" sommermotor med en "lige-gennem" reaktor IR- 100 (test eller forskning, 100 MW, chefdesigner - Yu.A. Treskin). Understøttet af regeringsbestemmelser byggede NII-1 lysbuestativer, der uvægerligt overraskede fantasien - snesevis af 6-8 m høje cylindre, enorme vandrette kamre med en effekt på over 80 kW, pansret glas i kasser. Mødedeltagerne blev inspireret af farverige plakater med flyveplaner til Månen, Mars mv. Det blev antaget, at i processen med at skabe og teste den nukleare fremdrivningsmotor, ville design, teknologiske og fysiske problemer blive løst.

Ifølge R. Kotelnikov blev sagen desværre kompliceret af raketforskernes ikke særlig klare holdning. Ministeriet for Generel Teknik (MOM) havde store vanskeligheder med at finansiere testprogrammet og konstruktionen af ​​testbænkens base. Det så ud til, at IOM ikke havde ønsket eller kapaciteten til at fremme NRD-programmet.

I slutningen af ​​1960'erne var støtten til NII-1's konkurrenter - IAE, PNITI og NII-8 - meget mere seriøs. Ministeriet for Medium Engineering ("nuklear videnskabsmænd") støttede aktivt deres udvikling; IVG "loop"-reaktoren (med en kerne og stang-type central kanalsamlinger udviklet af NII-9) kom til sidst i forgrunden i begyndelsen af ​​70'erne; test af brændstofsamlinger begyndte der.

Nu, 30 år senere, ser det ud til, at IAE-linjen var mere korrekt: først - en pålidelig "jordisk" sløjfe - afprøvning af brændstofstænger og -samlinger og derefter oprettelsen af ​​en atomfremdrivningsmotor til fly med den nødvendige kraft. Men så så det ud til, at det var muligt meget hurtigt at lave en rigtig motor, omend en lille... Men da livet har vist, at der ikke var noget objektivt (eller endda subjektivt) behov for en sådan motor (hertil kan vi også tilføje, at alvoren af ​​de negative aspekter af denne retning, for eksempel internationale aftaler om nukleare anordninger i rummet, først var stærkt undervurderet), så viste det grundlæggende program, hvis mål ikke var snævre og specifikke, at være tilsvarende mere korrekt og produktivt.

Den 1. juli 1965 blev det foreløbige design af IR-20-100 reaktoren gennemgået. Kulminationen var frigivelsen af ​​det tekniske design af IR-100-brændstofsamlingerne (1967), bestående af 100 stænger (UC-ZrC-NbC og UC-ZrC-C til indløbssektionerne og UC-ZrC-NbC til udløbet) . NII-9 var klar til at producere et stort parti kerneelementer til den fremtidige IR-100 kerne. Projektet var meget progressivt: efter ca. 10 år, praktisk talt uden væsentlige ændringer, blev det brugt i området for ​11B91-apparatet, og selv nu er alle hovedløsningerne bevaret i samlinger af lignende reaktorer til andre formål, med en helt anden grad af beregning og eksperimentel begrundelse.

"Raket"-delen af ​​den første indenlandske nukleare RD-0410 blev udviklet ved Voronezh Design Bureau of Chemical Automation (KBHA), "reaktor"-delen (neutronreaktor og strålingssikkerhedsspørgsmål) - af Institut for Fysik og Energi (Obninsk) ) og Kurchatov Institute of Atomic Energy.

KBHA er kendt for sit arbejde inden for flydende drivstofmotorer til ballistiske missiler, rumfartøjer og løftefartøjer. Omkring 60 prøver blev udviklet her, hvoraf 30 blev bragt til masseproduktion. I 1986 havde KBHA skabt landets mest kraftfulde enkeltkammer oxygen-brintmotor RD-0120 med en fremdrift på 200 tf, som blev brugt som fremdriftsmotor i anden fase af Energia-Buran komplekset. Nuclear RD-0410 blev skabt i fællesskab med mange forsvarsvirksomheder, designbureauer og forskningsinstitutter.

Ifølge det accepterede koncept blev flydende brint og hexan (et hæmmende additiv, der reducerer hydrogeneringen af ​​carbider og øger levetiden af ​​brændselselementer) leveret ved hjælp af en TNA til en heterogen termisk neutronreaktor med brændstofsamlinger omgivet af en zirconiumhydridmoderator. Deres skaller blev afkølet med brint. Reflektoren havde drev til at rotere absorptionselementerne (borkarbidcylindre). Pumpen omfattede en tre-trins centrifugalpumpe og en et-trins aksial turbine.

På fem år, fra 1966 til 1971, blev grundlaget for reaktor-motorteknologi skabt, og få år senere blev en stærk forsøgsbase kaldet "ekspedition nr. 10" sat i drift, efterfølgende forsøgsekspeditionen af ​​NPO "Luch" kl. Semipalatinsk atomprøveanlæg.
Særlige vanskeligheder blev stødt på under testen. Det var umuligt at bruge konventionelle stativer til at affyre en fuldskala nuklear raketmotor på grund af stråling. Det blev besluttet at teste reaktoren på det nukleare teststed i Semipalatinsk og "raketdelen" ved NIIkhimmash (Zagorsk, nu Sergiev Posad).

For at studere intrakammerprocesser blev mere end 250 test udført på 30 "kolde motorer" (uden reaktor). Som model varmeelement forbrændingskammeret i raketmotoren 11D56 med ilt-brint flydende drivmiddel udviklet af KBkhimmash (chefdesigner - A.M. Isaev) blev brugt. Maksimal tid driftstiden var 13 tusind sekunder med en deklareret ressource på 3600 sekunder.

For at teste reaktoren på Semipalatinsk-teststedet blev der bygget to specielle aksler med underjordiske servicelokaler. En af skakterne var forbundet med et underjordisk reservoir til komprimeret brintgas. Brugen af ​​flydende brint blev opgivet af økonomiske årsager.

I 1976 blev den første kraftopstart af IVG-1-reaktoren udført. Samtidig oprettede OE et stativ til at teste "fremdrivnings"-versionen af ​​IR-100-reaktoren, og et par år senere blev den testet ved forskellige kræfter (en af ​​IR-100'erne blev efterfølgende omdannet til en lav-effekt materialevidenskabelige forskningsreaktor, som stadig er i drift).

Før den eksperimentelle opsendelse blev reaktoren sænket ned i skakten ved hjælp af en overflademonteret portalkran. Efter start af reaktoren kom brint ind i "kedlen" nedefra, opvarmet til 3000 K og brød ud af akslen i en brændende strøm. På trods af den ubetydelige radioaktivitet af de udstrømmende gasser var det ikke tilladt at være udenfor inden for en radius af halvanden kilometer fra teststedet i løbet af dagen. Det var umuligt at nærme sig selve minen i en måned. En halvanden kilometer underjordisk tunnel førte fra den sikre zone først til den ene bunker og derfra til en anden, beliggende nær minerne. Specialisterne bevægede sig langs disse unikke "korridorer".

Ievlev Vitaly Mikhailovich

Resultaterne af eksperimenter udført med reaktoren i 1978-1981 bekræftede rigtigheden af ​​designløsningerne. I princippet blev VÆRFTET oprettet. Tilbage var blot at forbinde de to dele og udføre omfattende tests.

Omkring 1985 kunne RD-0410 (ifølge et andet betegnelsessystem 11B91) have foretaget sin første rumflyvning. Men for dette var det nødvendigt at udvikle accelererende blok baseret på det. Desværre blev dette arbejde ikke bestilt til noget rumdesignbureau, og det er der mange grunde til. Den vigtigste er den såkaldte Perestrojka. Overilte skridt førte til, at hele rumindustrien øjeblikkeligt befandt sig "i vanære", og i 1988 blev arbejdet med nuklear fremdrift i USSR (dengang USSR stadig eksisterede) stoppet. Dette skete ikke på grund af tekniske problemer, men af ​​midlertidige ideologiske årsager. Og i 1990 døde han ideologisk inspirator nukleare fremdriftsprogrammer i USSR Vitaly Mikhailovich Ievlev...

Hvilke store succeser har udviklerne opnået med at skabe "A"-kernekraftfremdriftssystemet?

Mere end et halvt dusin fuldskalatest blev udført på IVG-1-reaktoren, og følgende resultater blev opnået: maksimal brinttemperatur - 3100 K, specifik impuls - 925 sek., specifik varmeafgivelse op til 10 MW/l , samlet ressource mere end 4000 sek. med på hinanden følgende 10 reaktorstarter. Disse resultater overstiger markant amerikanske resultater i grafitzoner.

Det skal bemærkes, at udbyttet af radioaktive fissionsfragmenter under hele testperioden for den nukleare fremdrivningsmotor, på trods af den åbne udstødning, ikke oversteg acceptable standarder hverken på teststedet eller uden for det og var ikke registreret på nabostaternes territorium.

Det vigtigste resultat af arbejdet var skabelsen af ​​indenlandsk teknologi til sådanne reaktorer, produktionen af ​​nye ildfaste materialer og det faktum at skabe en reaktormotor gav anledning til en række nye projekter og ideer.

Skønt videre udvikling sådanne atomdrevne motorer blev suspenderet, de opnåede resultater er unikke ikke kun i vores land, men også i verden. Dette er gentagne gange blevet bekræftet i de senere år på internationale symposier om rumenergi samt på møder mellem indenlandske og amerikanske specialister (ved sidstnævnte blev det erkendt, at IVG-reaktorstanden er det eneste operationelle testapparat i verden i dag, som kan spiller en vigtig rolle i eksperimentel udvikling af FA og atomkraftværker).

kilder
http://newsreaders.ru
http://marsiada.ru
http://vpk-news.ru/news/14241

Den originale artikel er på hjemmesiden InfoGlaz.rf Link til artiklen, hvorfra denne kopi er lavet -

Sergeev Alexey, 9 "A" klasse, kommunal uddannelsesinstitution "Secondary School No. 84"

Videnskabelig konsulent: , Vicedirektør for non-profit partnerskabet for videnskabelige og innovative aktiviteter "Tomsk Atomic Center"

Leder: , fysiklærer, Kommunal Uddannelsesinstitution “Secondary School No. 84” CATO Seversk

Indledning

Fremdriftssystemer om bord på et rumfartøj er designet til at skabe fremdrift eller momentum. Afhængigt af den anvendte trykkraft er fremdriftssystemet opdelt i kemisk (CHRD) og ikke-kemisk (NCRD). CRD'er er opdelt i flydende drivstofmotorer (LPRE), fastdrivende raketmotorer (fast drivstofmotorer) og kombinerede raketmotorer (RCR). Til gengæld er ikke-kemiske fremdriftssystemer opdelt i nukleare (NRE) og elektriske (EP). Den store videnskabsmand Konstantin Eduardovich Tsiolkovsky for et århundrede siden skabte den første model af et fremdriftssystem, der arbejdede på solide og flydende brændstof. Bagefter, i anden halvdel af det 20. århundrede, blev tusindvis af flyvninger udført ved hjælp af hovedsageligt flydende drivmiddelmotorer og raketmotorer med fast drivmiddel.

Men på nuværende tidspunkt, for flyvninger til andre planeter, for ikke at nævne stjernerne, bliver brugen af ​​raketmotorer med flydende drivstof og raketmotorer til faste drivmidler stadig mere urentable, selvom mange raketmotorer er blevet udviklet. Mest sandsynligt er kapaciteten af ​​raketmotorer med flydende drivstof og raketmotorer med fast drivmiddel fuldstændig udtømt. Årsagen her er, at den specifikke impuls for alle kemiske thrustere er lav og ikke overstiger 5000 m/s, hvilket kræver langvarig drift af thrusteren for at udvikle tilstrækkeligt høje hastigheder og dermed store brændstofreserver eller, som det er sædvanligt. i astronautik, det nødvendige store værdier Tsiolkovsky-tal, dvs. forholdet mellem massen af ​​en raket med brændstof til massen af ​​en tom. Således har Energia løfteraket, som sender 100 tons nyttelast i lav kredsløb, en affyringsmasse på omkring 3.000 tons, hvilket giver Tsiolkovsky-tallet en værdi inden for 30.

For en flyvning til Mars, for eksempel, bør Tsiolkovsky-tallet være endnu højere og nå værdier fra 30 til 50. Det er let at anslå, at med en nyttelast på omkring 1.000 tons, og det er inden for disse grænser, at minimumsmassen påkrævet for at levere alt, hvad der er nødvendigt for besætningen, der starter til Mars, varierer. Tager man hensyn til brændstofforsyningen til returflyvningen til Jorden, skal rumfartøjets begyndelsesmasse være mindst 30.000 tons, hvilket klart ligger uden for udviklingsniveauet for moderne astronautik, baseret på brugen af ​​flydende drivstofmotorer og fastdrivstof raketmotorer.

For at bemandede besætninger kan nå selv de nærmeste planeter, er det således nødvendigt at udvikle løfteraketter på motorer, der fungerer efter andre principper end kemisk fremdrift. De mest lovende i denne henseende er elektriske jetmotorer (EPE), termokemiske raketmotorer og nukleare jetmotorer (NRE).

1.Grundlæggende begreber

En raketmotor er en jetmotor, der ikke bruger miljøet (luft, vand) til drift. Kemiske raketmotorer er de mest udbredte. Andre typer raketmotorer udvikles og testes - elektriske, nukleare og andre. På rumstationer De enkleste raketmotorer, der kører på komprimerede gasser, er også meget brugt i enheder. Typisk bruger de nitrogen som arbejdsvæske. /1/

Klassificering af fremdriftssystemer

2. Formål med raketmotorer

Ifølge deres formål er raketmotorer opdelt i flere hovedtyper: acceleration (start), bremsning, fremdrift, kontrol og andre. Raketmotorer bruges primært på raketter (deraf navnet). Derudover bruges raketmotorer nogle gange i luftfarten. Raketmotorer er hovedmotorerne inden for astronautik.

Militære (kamp) missiler har normalt solide drivmiddelmotorer. Dette skyldes, at en sådan motor tankes på fabrikken og ikke kræver vedligeholdelse i hele rakettens lagring og levetid. Motorer med fast drivmiddel bruges ofte som boostere til rumraketter. De bruges særligt bredt i denne egenskab i USA, Frankrig, Japan og Kina.

Flydende raketmotorer har højere trykegenskaber end solide raketmotorer. Derfor bruges de til at sende rumraketter i kredsløb om Jorden og til interplanetariske flyvninger. De vigtigste flydende drivmidler til raketter er petroleum, heptan (dimethylhydrazin) og flydende brint. Til sådanne typer brændstof kræves et iltningsmiddel (ilt). Salpetersyre og flydende oxygen bruges som oxidationsmidler i sådanne motorer. Salpetersyre er ringere end flydende oxygen med hensyn til oxiderende egenskaber, men kræver ikke opretholdelse af et særligt temperaturregime under opbevaring, tankning og brug af missiler

Motorer til rumflyvninger adskiller sig fra dem på Jorden ved, at de skal producere så meget strøm som muligt med mindst mulig masse og volumen. Derudover er de underlagt krav som usædvanlig høj effektivitet og pålidelighed og betydelig driftstid. Baseret på den anvendte energitype er rumfartøjers fremdriftssystemer opdelt i fire typer: termokemiske, nukleare, elektriske, sol-sejl. Hver af de nævnte typer har sine egne fordele og ulemper og kan bruges under visse forhold.

I øjeblikket sendes rumskibe, orbitalstationer og ubemandede jordsatellitter ud i rummet af raketter udstyret med kraftige termokemiske motorer. Der findes også miniaturemotorer med lavt tryk. Dette er en mindre kopi af kraftige motorer. Nogle af dem kan passe i din håndflade. Trykkraften af ​​sådanne motorer er meget lille, men det er nok til at kontrollere skibets position i rummet

3.Termokemiske raketmotorer.

Det er kendt, at i en forbrændingsmotor, ovnen i en dampkedel - hvor der end sker forbrænding, tager atmosfærisk ilt den mest aktive del. Der er ingen luft i det ydre rum, og for at raketmotorer skal fungere i det ydre rum, er det nødvendigt at have to komponenter - brændstof og oxidationsmiddel.

Flydende termokemiske raketmotorer bruger alkohol, petroleum, benzin, anilin, hydrazin, dimethylhydrazin og flydende brint som brændstof. Flydende oxygen, hydrogenperoxid og salpetersyre bruges som oxidationsmiddel. Måske vil flydende fluor i fremtiden blive brugt som et oxidationsmiddel, når metoder til opbevaring og anvendelse af et sådant aktivt kemikalie opfindes

Brændstof og oxidationsmiddel til flydende jetmotorer opbevares separat i specielle tanke og leveres til forbrændingskammeret ved hjælp af pumper. Når de kombineres i forbrændingskammeret, når temperaturerne 3000 – 4500 °C.

Forbrændingsprodukter, der udvider sig, opnår hastigheder fra 2500 til 4500 m/s. Ved at skubbe af fra motorhuset skaber de jettryk. Samtidig, jo større massen og hastigheden af ​​gasstrømmen er, desto større kraft har motoren.

Den specifikke drivkraft af motorer estimeres normalt ved mængden af ​​tryk, der skabes pr. masseenhed brændstof, der forbrændes på et sekund. Denne mængde kaldes den specifikke impuls fra en raketmotor og måles i sekunder (kg trækkraft / kg brændt brændstof pr. sekund). De bedste raketmotorer med fast drivmiddel har en specifik impuls på op til 190 s, det vil sige, at 1 kg brændstof, der brænder på et sekund, skaber en fremdrift på 190 kg. En brint-ilt raketmotor har en specifik impuls på 350 s. Teoretisk set kan en brint-fluormotor udvikle en specifik impuls på mere end 400 s.

Det almindeligt anvendte flydende raketmotorkredsløb fungerer som følger. Komprimeret gas skaber det nødvendige tryk i tanke med kryogent brændstof for at forhindre forekomsten af ​​gasbobler i rørledninger. Pumper leverer brændstof til raketmotorer. Brændstof sprøjtes ind i forbrændingskammeret gennem et stort antal injektorer. Et oxidationsmiddel sprøjtes også ind i forbrændingskammeret gennem dyserne.

I enhver bil, når brændstof brænder, dannes der store varmestrømme, der opvarmer motorens vægge. Hvis du ikke køler kammerets vægge, vil det hurtigt brænde ud, uanset hvilket materiale det er lavet af. En flydende jetmotor køles typisk af en af ​​brændstofkomponenterne. Til dette formål er kammeret lavet af to vægge. Den kolde komponent af brændstoffet strømmer i mellemrummet mellem væggene.

Aluminium" href="/text/category/alyuminij/" rel="bookmark">aluminium osv. Især som et tilsætningsstof til konventionelle brændstoffer, såsom brint-ilt. Sådanne "ternære sammensætninger" kan give den højest mulige hastighed for kemikalier brændstof udmattelse - op til 5 km/s Men dette er praktisk talt grænsen for kemien Det kan praktisk talt ikke gøre mere. Selvom den foreslåede beskrivelse stadig er domineret af flydende raketmotorer af menneskeheden blev skabt en termokemisk raketmotor ved hjælp af fast brændstof - for eksempel speciel krudt - er placeret direkte i forbrændingskammeret med en jetdyse fyldt med fast brændstof - det er hele designet af det faste drivmiddel afhænger af formålet med den faste drivmiddelraketmotor (affyring, opretholdelse eller kombineret militære anliggender er kendetegnet ved tilstedeværelsen af ​​affyrings- og fremdriftsmotorer) Affyringsmotoren med fast drivmiddel udvikler høj trækkraft i meget kort tid, hvilket er nødvendigt for raketten at affyre. løfteraket og dens indledende acceleration. Sustainer-raketmotoren med fast drivmiddel er designet til at opretholde en konstant flyvehastighed for raketten på hovedsektionen (fremdrift) af flyvebanen. Forskellene mellem dem ligger hovedsageligt i udformningen af ​​forbrændingskammeret og profilen af ​​forbrændingsoverfladen af ​​brændstofladningen, som bestemmer brændstofforbrændingshastigheden, som driftstiden og motorkraften afhænger af. I modsætning til sådanne raketter, rumfartøjer til opsendelse af jordsatellitter, orbital stationer og rumfartøjer, såvel som interplanetariske stationer, fungerer kun i starttilstanden fra rakettens opsendelse, indtil objektet sendes i kredsløb om Jorden eller ind på en interplanetarisk bane. Generelt har solide raketmotorer ikke mange fordele i forhold til flydende brændstofmotorer: de er nemme at fremstille, lang tid kan opbevares, altid klar til handling, relativt eksplosionssikker. Men med hensyn til specifik drivkraft er fastbrændstofmotorer 10-30% ringere end flydende motorer.

4. Elektriske raketmotorer

Næsten alle de raketmotorer, der er diskuteret ovenfor, udvikler et enormt tryk og er designet til at sende rumfartøjer i kredsløb om Jorden og accelerere dem til kosmiske hastigheder for interplanetariske flyvninger. En helt anden sag er fremdriftssystemer til rumfartøjer, der allerede er sendt i kredsløb eller på en interplanetarisk bane. Her har vi som regel brug for laveffektmotorer (adskillige kilowatt eller endda watt), der er i stand til at fungere i hundreder og tusinder af timer og tændes og slukkes gentagne gange. De giver dig mulighed for at opretholde flyvning i kredsløb eller langs en given bane, der kompenserer for den skabte flyvemodstand øverste lag atmosfære og solvind. I elektriske raketmotorer accelereres arbejdsvæsken til en vis hastighed ved at opvarme den med elektrisk energi. Elektriciteten kommer fra solpaneler eller et atomkraftværk. Metoder til opvarmning af arbejdsvæsken er forskellige, men i virkeligheden bruges elektrisk lysbue hovedsageligt. Den har vist sig at være meget driftsikker og tåler et stort antal starter. Brint bruges som arbejdsvæske i elektriske lysbuemotorer. Ved hjælp af en lysbue opvarmes brint til en meget høj temperatur, og det bliver til plasma - en elektrisk neutral blanding af positive ioner og elektroner. Hastigheden af ​​plasmaudstrømning fra motoren når 20 km/s. Når forskere løser problemet med magnetisk isolering af plasma fra væggene i motorkammeret, vil det være muligt at øge plasmatemperaturen betydeligt og øge udstødningshastigheden til 100 km/s. Den første elektriske raketmotor blev udviklet i Sovjetunionen i årene. under ledelse (senere blev han skaberen af ​​motorer til sovjetiske rumraketter og en akademiker) ved det berømte Gas Dynamics Laboratory (GDL)./10/

5.Andre typer motorer

Der er også mere eksotiske designs til nukleare raketmotorer, hvor det fissile materiale er i flydende, gasformig eller endda plasmatilstand, men implementeringen af ​​sådanne designs er vanskelig. moderne niveau teknologi og teknologi er urealistisk. Følgende raketmotorprojekter eksisterer stadig på det teoretiske eller laboratoriemæssige stadium:

Pulserende nukleare raketmotorer, der bruger energien fra eksplosioner af små nukleare ladninger;

Termonukleare raketmotorer, som kan bruge en brintisotop som brændstof. Energiproduktiviteten af ​​brint i en sådan reaktion er 6,8 * 1011 KJ/kg, det vil sige cirka to størrelsesordener højere end produktiviteten af ​​nukleare fissionsreaktioner;

Solar-sejlmotorer - som bruger trykket fra sollys (solvind), hvis eksistens blev empirisk bevist af en russisk fysiker tilbage i 1899. Ved beregning har forskere fastslået, at en enhed, der vejer 1 ton, udstyret med et sejl med en diameter på 500 m, kan flyve fra Jorden til Mars på omkring 300 dage. Effektiviteten af ​​et solsejl falder dog hurtigt med afstanden fra Solen.

6. Nukleare raketmotorer

En af de største ulemper ved raketmotorer, der kører på flydende brændstof, er forbundet med den begrænsede strømningshastighed af gasser. I nukleare raketmotorer synes det muligt at bruge den kolossale energi, der frigives under nedbrydningen af ​​nukleart "brændstof" til at opvarme arbejdsstoffet. Driftsprincippet for nukleare raketmotorer er næsten ikke forskelligt fra driftsprincippet for termokemiske motorer. Forskellen er, at arbejdsvæsken ikke opvarmes på grund af sin egen kemiske energi, men på grund af "fremmed" energi frigivet under en intranuklear reaktion. Arbejdsvæsken ledes gennem en atomreaktor, hvor fissionsreaktionen af ​​atomkerner (for eksempel uran) opstår, og opvarmes. Nukleare raketmotorer eliminerer behovet for et oxidationsmiddel og kan derfor kun bruge én væske. Som arbejdsvæske er det tilrådeligt at bruge stoffer, der gør det muligt for motoren at udvikle større trækkraft. Denne betingelse opfyldes mest fuldt ud af brint, efterfulgt af ammoniak, hydrazin og vand. De processer, hvori atomenergi frigives, er opdelt i radioaktive transformationer, fissionsreaktioner af tunge kerner, fusionsreaktion af lette kerner. Radioisotoptransformationer realiseres i såkaldte isotopenergikilder. Den specifikke masseenergi (den energi, som et stof, der vejer 1 kg, kan frigive) af kunstige radioaktive isotoper er væsentligt højere end for kemiske brændstoffer. For 210Po er det således lig med 5*10 8 KJ/kg, mens denne værdi for det mest energieffektive kemiske brændstof (beryllium med oxygen) ikke overstiger 3*10 4 KJ/kg. Desværre er det endnu ikke rationelt at bruge sådanne motorer på løfteraketter. Årsagen til dette er de høje omkostninger ved det isotopiske stof og operationelle vanskeligheder. Isotopen frigiver jo konstant energi, selv når den transporteres i en speciel container, og når raketten er parkeret ved opsendelsesstedet. Atomreaktorer bruger mere energieffektivt brændstof. Således er den specifikke masseenergi på 235U (den fissile isotop af uran) lig med 6,75 * 10 9 KJ/kg, det vil sige cirka en størrelsesorden højere end 210Po-isotopens. Disse motorer kan "tændes" og "slukkes" atombrændstof (233U, 235U, 238U, 239Pu) er meget billigere end isotopbrændstof. Sådanne motorer kan bruge ikke kun vand som arbejdsvæske, men også mere effektive arbejdsstoffer - alkohol, ammoniak, flydende brint. Den specifikke drivkraft for en motor med flydende brint er 900 s. I det enkleste design af en nuklear raketmotor med en reaktor, der kører på fast nukleart brændsel, placeres arbejdsvæsken i en tank. Pumpen forsyner det til motorkammeret. Sprøjtet ved hjælp af dyser kommer arbejdsvæsken i kontakt med det brændstofgenererende nukleare brændsel, opvarmes, udvider sig og kastes ud med høj hastighed gennem dysen. Kernebrændsel er overlegen i energireserver i forhold til enhver anden type brændsel. Så opstår et logisk spørgsmål: hvorfor har installationer, der bruger dette brændstof, stadig et relativt lavt specifikt tryk og en stor masse? Faktum er, at den specifikke fremdrift af en fastfase-atomraketmotor er begrænset af temperaturen af ​​det fissile materiale, og kraftværket under drift udsender stærk ioniserende stråling, som har en skadelig effekt på levende organismer. Biologisk beskyttelse mod sådan stråling er meget vigtig og er ikke anvendelig i rummet. fly. Den praktiske udvikling af nukleare raketmotorer ved hjælp af fast atombrændsel begyndte i midten af ​​50'erne af det 20. århundrede i Sovjetunionen og USA, næsten samtidig med opførelsen af ​​de første atomkraftværker. Arbejdet blev udført i en atmosfære af øget hemmeligholdelse, men det er kendt, at sådanne raketmotorer endnu ikke har fået reel brug i astronautik. Alt har hidtil været begrænset til brugen af ​​isotopkilder til elektricitet med relativt lav effekt på ubemandede kunstige jordsatellitter, interplanetariske rumfartøjer og den verdensberømte sovjetiske "måne-rover".

7. Nukleare jetmotorer, driftsprincipper, metoder til at opnå impuls i en nuklear fremdrivningsmotor.

Atomraketmotorer har fået deres navn på grund af, at de skaber fremdrift gennem brug af kerneenergi, det vil sige den energi, der frigives som følge af atomreaktioner. I en generel forstand betyder disse reaktioner enhver ændring i energitilstanden af ​​atomkerner, såvel som transformationer af nogle kerner til andre, forbundet med en omstrukturering af strukturen af ​​kerner eller en ændring i antallet af elementære partikler indeholdt i dem - nukleoner. Desuden kan nukleare reaktioner, som det er kendt, opstå enten spontant (dvs. spontant) eller forårsaget kunstigt, for eksempel når nogle kerner bombarderes af andre (eller elementarpartikler). Nuklear fission og fusionsreaktioner overstiger i energistørrelse kemiske reaktioner henholdsvis millioner og titusinder af gange. Dette forklares ved, at energien kemisk binding atomer i molekyler er mange gange mindre end kernebindingsenergien for nukleoner i kernen. Atomenergi i raketmotorer kan bruges på to måder:

1. Den frigivne energi bruges til at opvarme arbejdsvæsken, som derefter udvider sig i dysen, ligesom i en konventionel raketmotor.

2. Kerneenergi omdannes til elektrisk energi og bruges derefter til at ionisere og accelerere partikler af arbejdsvæsken.

3. Endelig skabes impulsen af ​​selve fissionsprodukterne, der dannes i processen (for eksempel bruges ildfaste metaller - wolfram, molybdæn) til at bibringe specielle egenskaber til fissile stoffer.

Brændselselementerne i en fastfasereaktor gennemtrænges af kanaler, hvorigennem atomfremdrivningsmotorens arbejdsvæske strømmer og gradvist opvarmes. Kanalerne har en diameter på omkring 1-3 mm, og deres samlede areal er 20-30% af tværsnittet af den aktive zone. Kernen er ophængt af et specielt gitter inde i kraftbeholderen, så den kan udvide sig, når reaktoren varmes op (ellers ville den kollapse på grund af termiske spændinger).

Kernen udsættes for høje mekaniske belastninger forbundet med betydelige hydrauliske trykfald (op til flere snese atmosfærer) fra den strømmende arbejdsvæske, termiske spændinger og vibrationer. Stigningen i størrelsen af ​​den aktive zone, når reaktoren varmes op, når flere centimeter. Den aktive zone og reflektoren er placeret inde i et holdbart krafthus, der absorberer trykket fra arbejdsvæsken og trykket, der skabes af jetdysen. Etuiet lukkes med et slidstærkt låg. Det rummer pneumatiske, fjeder- eller elektriske mekanismer til at drive reguleringsorganerne, fastgørelsespunkter for den nukleare fremdrivningsmotor til rumfartøjet og flanger til at forbinde den nukleare fremdrivningsmotor til forsyningsrørledningerne til arbejdsvæsken. En turbopumpeenhed kan også placeres på dækslet.

8 - Dyse,

9 - Ekspanderende dyse dyse,

10 - Valg af arbejdsstof til turbinen,

11 - Power Corps,

12 - Kontroltromle,

13 - Turbineudstødning (bruges til at kontrollere holdning og øge trækkraften),

14 - Drivring til kontroltromler)

I begyndelsen af ​​1957 blev den endelige arbejdsretning på Los Alamos-laboratoriet fastlagt, og der blev truffet beslutning om at bygge en grafitatomreaktor med uranbrændsel spredt i grafit. Kiwi-A-reaktoren, skabt i denne retning, blev testet i 1959 den 1. juli.

Amerikansk fastfase atomjetmotor XE Prime på en prøvebænk (1968)

Udover konstruktionen af ​​reaktoren var Los Alamos Laboratory i fuld gang med opførelsen af ​​en særlig testplads i Nevada, og udførte også en række specialordrer fra det amerikanske luftvåben på beslægtede områder (udvikling af individuelle TURE enheder). På vegne af Los Alamos Laboratory blev alle specialordrer til fremstilling af individuelle komponenter udført af følgende virksomheder: Aerojet General, Rocketdyne divisionen i North American Aviation. I sommeren 1958 blev al kontrol over Rover-programmet overført fra det amerikanske luftvåben til den nyligt organiserede National Aeronautics and Space Administration (NASA). Som et resultat af en særlig aftale mellem AEC og NASA i midten af ​​sommeren 1960 blev Space Nuclear Propulsion Office dannet under ledelse af G. Finger, som efterfølgende stod i spidsen for Rover-programmet.

Resultaterne opnået fra seks "varme tests" af atomjetmotorer var meget opmuntrende, og i begyndelsen af ​​1961 blev der udarbejdet en rapport om reaktorflyvningstest (RJFT). Så, i midten af ​​1961, blev Nerva-projektet (brugen af ​​en atommotor til rumraketter) lanceret. Aerojet General blev valgt som totalentreprenør, og Westinghouse blev valgt som underleverandør med ansvar for opførelsen af ​​reaktoren.

10.2 Arbejde på TURE i Rusland

Amerikanske" href="/text/category/amerikanetc/" rel="bookmark">Amerikanere, russiske videnskabsmænd brugte de mest økonomiske og effektive test af individuelle brændselselementer i forskningsreaktorer. Hele rækken af ​​arbejde udført i 70-80'erne tilladt designbureauet "Salyut", Design Bureau of Chemical Automatics, IAE, NIKIET og NPO "Luch" (PNITI) til at udvikle forskellige projekter af rum nukleare fremdriftsmotorer og hybrid atomkraftværker i Design Bureau of Chemical Automatics under den videnskabelige ledelse af NIITP (FEI, IAE, NIKIET, NIITVEL, NPO var ansvarlige for reaktorelementerne, Luch), MAI). YARD RD 0411 og atommotor af minimumsstørrelse RD 0410 tryk på henholdsvis 40 og 3,6 tons.

Som et resultat blev en reaktor, en "kold" motor og en bænkprototype fremstillet til test på brintgas. I modsætning til den amerikanske, med en specifik impuls på højst 8250 m/s, havde den sovjetiske TNRE, på grund af brugen af ​​mere varmebestandige og avancerede brændselselementer og høj temperatur i kernen, dette tal lig med 9100 m /s og højere. Bænkbasen til at teste TURE fra den fælles ekspedition af NPO "Luch" var placeret 50 km sydvest for byen Semipalatinsk-21. Hun begyndte at arbejde i 1962. I På teststedet blev fuldskala brændselselementer af atomdrevne raketmotorprototyper testet. I dette tilfælde kom udstødningsgassen ind i det lukkede udstødningssystem. Baikal-1 testbænkkomplekset til fuld størrelse nuklear motortest er placeret 65 km syd for Semipalatinsk-21. Fra 1970 til 1988 blev der udført omkring 30 "varmstarter" af reaktorer. Samtidig oversteg effekten ikke 230 MW med et brintforbrug på op til 16,5 kg/sek og dens temperatur ved reaktorudløbet på 3100 K. Alle opsendelser var vellykkede, problemfrie og planmæssigt.

Sovjetiske TNRD RD-0410 er den eneste fungerende og pålidelige industrielle nukleare raketmotor i verden

I øjeblikket er et sådant arbejde på stedet blevet stoppet, selvom udstyret holdes i relativt funktionsdygtig stand. Testbænkbasen af ​​NPO Luch er det eneste eksperimentelle kompleks i verden, hvor det er muligt at teste elementer af nukleare fremdrivningsreaktorer uden betydelige økonomiske og tidsmæssige omkostninger. Det er muligt, at genoptagelsen i USA af arbejdet med nukleare fremdriftsmotorer til flyvninger til Månen og Mars inden for rammerne af Space Research Initiative-programmet med planlagt deltagelse af specialister fra Rusland og Kasakhstan vil føre til genoptagelse af aktiviteten kl. Semipalatinsk-basen og gennemførelsen af ​​en "Mars"-ekspedition i 2020'erne.

Hovedtræk

Specifik impuls på brint: 910 - 980 sek(teoretisk op til 1000 sek).

· Udstrømningshastighed af arbejdsvæsken (brint): 9100 - 9800 m/sek.

· Opnåelig fremdrift: op til hundreder og tusinder af tons.

· Maksimale driftstemperaturer: 3000°С - 3700°С (kortvarig indkobling).

· Driftstid: op til flere tusinde timer (periodisk aktivering). /5/

11.Enhed

Designet af den sovjetiske fastfase nukleare raketmotor RD-0410

1 - ledning fra arbejdsvæsketanken

2 - turbopumpe enhed

3 - styre tromledrev

4 - strålebeskyttelse

5 - regulerende tromle

6 - retarder

7 - brændstofsamling

8 - reaktorbeholder

9 - ildbund

10 - dyse køleledning

11- dysekammer

12 - dyse

12. Driftsprincip

Ifølge driftsprincippet er en TNRE en højtemperatur reaktor-varmeveksler, hvori en arbejdsvæske (flydende brint) indføres under tryk, og når den opvarmes til høje temperaturer (over 3000°C), udstødes den gennem en afkølet dyse. Varmeregenerering i dysen er meget fordelagtig, da den gør det muligt at opvarme brint meget hurtigere, og ved at udnytte en betydelig mængde termisk energi kan den specifikke impuls øges til 1000 sek (9100-9800 m/s).

Atomraketmotorreaktor

MsoNormalTable">

Arbejdsvæske

Massefylde, g/cm3

Specifik tryk (ved specificerede temperaturer i varmekammeret, °K), sek

0,071 (væske)

0,682 (flydende)

1.000 (flydende)

Ingen. Dann

Ingen. Dann

Ingen. Dann

(Bemærk: Trykket i varmekammeret er 45,7 atm, ekspansion til et tryk på 1 atm ved en konstant kemisk sammensætning arbejdsvæske) /6/

15.Fordele

Den største fordel ved TNRE'er i forhold til kemiske raketmotorer er opnåelsen af ​​en højere specifik impuls, betydelige energireserver, systemets kompakthed og evnen til at opnå meget høj tryk (tiere, hundreder og tusinder af tons i et vakuum. specifik impuls opnået i et vakuum er større end den for et brugt to-komponent kemikalie raketbrændstof(petroleum-ilt, brint-ilt) med 3-4 gange, og ved drift ved højeste varmeintensitet med 4-5 gange. I øjeblikket er der i USA og Rusland betydelig erfaring med udvikling og konstruktion af sådanne motorer, og om nødvendigt (særlige rumudforskningsprogrammer) kan sådanne motorer produceres på kort tid og vil have en rimelig pris. I tilfælde af brug af TURE til at accelerere rumfartøjer i rummet og underlagt yderligere brug af forstyrrelsesmanøvrer ved hjælp af gravitationsfeltet store planeter(Jupiter, Uranus, Saturn, Neptun) de opnåelige grænser for at studere solsystemet udvides betydeligt, og den tid, der kræves for at nå fjerne planeter, reduceres betydeligt. Derudover kan TNRE'er med succes bruges til enheder, der opererer i lave kredsløb om gigantiske planeter, ved at bruge deres fordærvede atmosfære som en arbejdsvæske, eller til at operere i deres atmosfære. /8/

16.Ulempe

Den største ulempe ved TNRE er tilstedeværelsen af ​​en kraftig strøm af gennemtrængende stråling (gammastråling, neutroner) samt fjernelse af højradioaktive uranforbindelser, ildfaste forbindelser med induceret stråling og radioaktive gasser med arbejdsvæsken. I denne henseende er TURE uacceptabel til landopsendelser for at undgå forringelse af miljøsituationen på opsendelsesstedet og i atmosfæren. /14/

17.Forbedring af TURD's egenskaber. Hybrid turboprop motorer

Som enhver raket eller enhver motor i almindelighed har en fastfase atomjetmotor betydelige begrænsninger på de vigtigste egenskaber, der kan opnås. Disse begrænsninger repræsenterer enhedens (TJRE) manglende evne til at fungere i et temperaturområde, der overstiger området for maksimale driftstemperaturer for motorens strukturelle materialer. For at udvide mulighederne og væsentligt øge TNRE's vigtigste driftsparametre kan der bruges forskellige hybridordninger, hvor TNRE spiller rollen som en varme- og energikilde, og der anvendes yderligere fysiske metoder til at accelerere arbejdsvæskerne. Den mest pålidelige, praktisk gennemførlige og med høje specifikke impuls- og trykegenskaber er en hybridordning med et ekstra MHD-kredsløb (magnetohydrodynamisk kredsløb) til acceleration af den ioniserede arbejdsvæske (brint og specielle additiver). /13/

18. Strålingsfare fra nukleare fremdrivningsmotorer.

En fungerende atommotor er en kraftig kilde til stråling - gamma- og neutronstråling. Uden at træffe særlige foranstaltninger kan stråling forårsage uacceptabel opvarmning af arbejdsvæsken og strukturen i et rumfartøj, skørhed af metalkonstruktionsmaterialer, ødelæggelse af plastik og ældning af gummidele, beskadigelse af isoleringen af ​​elektriske kabler og svigt af elektronisk udstyr. Stråling kan forårsage induceret (kunstig) radioaktivitet af materialer - deres aktivering.

I øjeblikket problemet strålebeskyttelse rumfartøjer med nukleare fremdrivningsmotorer anses i princippet for løst. Grundlæggende spørgsmål i forbindelse med vedligeholdelse af nukleare fremdrivningsmotorer på teststande og opsendelsessteder er også blevet løst. Selvom en fungerende atommotor udgør en fare for driftspersonalet, er det allerede en dag efter afslutningen af ​​atommotordriften muligt uden midler personlig beskyttelse være inden for et par tiere minutter i en afstand af 50 m fra atomkraftværket og endda nærme sig det. De enkleste beskyttelsesmidler tillader vedligeholdelsespersonale at komme ind i arbejdsområdet for den nukleare fremdrivningsmotor kort efter testning.

Niveauet af forurening af opsendelseskomplekser og miljøet vil tilsyneladende ikke være en hindring for brugen af ​​nukleare fremdrivningsmotorer på de lavere stadier af rumraketter. Problemet med strålingsfare for miljøet og driftspersonale afbødes stort set af det faktum, at brint, der bruges som arbejdsvæske, praktisk talt ikke aktiveres, når det passerer gennem reaktoren. Derfor er jetstrømmen fra en atomdrevet motor ikke farligere end strålen fra en raketmotor med flydende drivstof./4/

Konklusion

Når man overvejer udsigterne for udvikling og anvendelse af nukleare fremdrivningsmotorer inden for astronautik, bør man tage udgangspunkt i de opnåede og forventede egenskaber ved forskellige typer af nukleare fremdrivningsmotorer, fra hvad deres anvendelse kan give til astronautikken, og endelig fra den tætte sammenhæng af problemet med nukleare fremdrivningsmotorer med problemet med energiforsyning i rummet og med spørgsmål om energiudvikling overhovedet.

Som nævnt ovenfor er de mest udviklede af alle mulige typer nukleare fremdrivningsmotorer den termiske radioisotopmotor og motoren med en fastfase fissionsreaktor. Men hvis egenskaberne ved radioisotop-atomfremdrivningsmotorer ikke tillader os at håbe på deres udbredte anvendelse inden for astronautik (i det mindste i den nærmeste fremtid), så åbner skabelsen af ​​fastfase-atomfremdrivningsmotorer store perspektiver for astronautik.

For eksempel er en enhed blevet foreslået med en initial masse på 40.000 tons (dvs. ca. 10 gange større end den for de største moderne løfteraketter), hvor 1/10 af denne masse tegner sig for nyttelasten og 2/3 for nuklear afgifter. Hvis du detonerer en ladning hvert 3. sekund, vil deres forsyning være nok til 10 dages kontinuerlig drift af det nukleare fremdriftssystem. I løbet af denne tid vil enheden accelerere til en hastighed på 10.000 km/s og i fremtiden, efter 130 år, kan den nå stjernen Alpha Centauri.

Atomkraftværker har unikke egenskaber, som omfatter praktisk talt ubegrænset energiintensitet, uafhængighed af drift fra miljøet og immunitet over for ydre påvirkninger ( kosmisk stråling, meteoritskader, høje og lave temperaturer osv.). Imidlertid er den maksimale effekt af nukleare radioisotopinstallationer begrænset til en værdi af størrelsesordenen flere hundrede watt. Denne begrænsning eksisterer ikke for atomreaktorkraftværker, som bestemmer rentabiliteten af ​​deres brug under langsigtede flyvninger af tunge rumfartøjer i rummet nær Jorden, under flyvninger til de fjerne planeter i solsystemet og i andre tilfælde.

Fordelene ved fastfase- og andre nukleare fremdrivningsmotorer med fissionsreaktorer afsløres mest fuldt ud i studiet af så komplekse rumprogrammer som bemandede flyvninger til solsystemets planeter (for eksempel under en ekspedition til Mars). I dette tilfælde gør en stigning i den specifikke impuls af thrusteren det muligt at løse kvalitativt nye problemer. Alle disse problemer afhjælpes i høj grad ved at bruge en fastfase atomdrivstofraketmotor med en specifik impuls dobbelt så stor som moderne flydende raketmotorer. I dette tilfælde bliver det også muligt at reducere flyvetiderne markant.

Det er højst sandsynligt, at solid-fase nukleare fremdrivningsmotorer i den nærmeste fremtid vil blive en af ​​de mest almindelige raketmotorer. Fastfase nukleare fremdrivningsmotorer kan bruges som enheder til langdistanceflyvninger, for eksempel til sådanne planeter som Neptun, Pluto og endda til at flyve ud over solsystemet. Men til flyvninger til stjernerne er en atomdrevet motor baseret på fissionsprincipper ikke egnet. I dette tilfælde er lovende atommotorer eller mere præcist termonukleare jetmotorer (TRE), der fungerer efter princippet om fusionsreaktioner, og fotoniske jetmotorer (PRE), hvor kilden til momentum er udslettelsesreaktionen af ​​stof og antistof. . Imidlertid vil menneskeheden højst sandsynligt bruge en anden transportmetode til at rejse i det interstellare rum, forskellig fra jet.

Afslutningsvis vil jeg give en parafrase af Einsteins berømte sætning - for at rejse til stjernerne skal menneskeheden finde på noget, der i kompleksitet og opfattelse kan sammenlignes med en atomreaktor for en neandertaler!

LITTERATUR

Kilder:

1. "Rockets and People. Book 4 Moon Race" - M: Znanie, 1999.
2. http://www. lpre. de/energomash/index. htm
3. Pervushin "Battle for the Stars" - M: viden, 1998.
4. L. Gilberg "Conquest of the sky" - M: Znanie, 1994.
5. http://epizodsspace. *****/bibl/molodtsov
6. "Motor", "Nuklearmotorer til rumfartøjer", nr. 5 1999

7. "Motor", "Gasfase-atommotorer til rumfartøjer",

nr. 6, 1999
7. http://www. *****/content/numbers/263/03.shtml
8. http://www. lpre. de/energomash/index. htm
9. http://www. *****/content/numbers/219/37.shtml
10., Fremtidens Chekalin-transport.

M.: Viden, 1983.

11. , Chekalin rumudforskning - M.:

Viden, 1988.

12. Gubanov B. "Energy - Buran" - et skridt ind i fremtiden // Videnskab og liv.-

13. Gatland K. Rumteknologi - M.: Mir, 1986.

14., Sergeyuk og handel - M.: APN, 1989.

15.USSR i rummet. 2005 - M.: APN, 1989.

16. På vej til det dybe rum // Energi. - 1985. - Nr. 6.

ANVENDELSE

Hovedkarakteristika for fastfase-atomjetmotorer

Oprindelsesland	Motor	Fremstød i vakuum, kN	Specifik impuls, sek		Projektarbejde, årg
	NERVA/Lox blandet cyklus

Alexander Losev

Den hurtige udvikling af raket- og rumteknologi i det 20. århundrede var bestemt af de to supermagters militærstrategiske, politiske og til en vis grad ideologiske mål og interesser - USSR og USA, og alle statslige rumprogrammer var en fortsættelse af deres militære projekter, hvor hovedopgaven var behovet for at sikre forsvarskapacitet og strategisk paritet med en potentiel 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 at Sovjetunionen kollapsede og faldt ud af kapløbet om verdenslederskab, behøvede dets geopolitiske modstandere, primært USA, ikke længere at gennemføre prestigefyldte, men ekstremt kostbare rumprojekter for at bevise over for hele verden den vestlige økonomiske overlegenhed. system og ideologiske begreber.
I 90'erne mistede de tidligere års vigtigste politiske opgaver relevans, blokkonfrontation gav plads til 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 er det ved at blive indlysende, at verden nærmer sig slutningen af ​​endnu en teknologisk cyklus baseret på opdagelserne fra forrige 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, hvor udforskning af dybt rum vil blive genoptaget for at skabe unikke innovative teknologier 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, når du forbedrer et halvt århundrede gamle raketmotorer baseret på kemisk brændstof, som Elon Musks SpaceX gør, eller skaber livsunderstøttende systemer til lange flyvninger svarende til 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 de vigtigste typer af moderne rummotorer 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-raketter, samt motorer, der bruger 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 brintbrændstofmotorer, men en impuls på 3000 m/s og effekt er ganske nok til at gøre det økonomisk rentabelt at sende tonsvis af nyttelast i 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 du bliver nødt til at udføre tyngdekraftsmanøvrer ved at bruge planeternes gravitationskraft og en kolossal forsyning af brændstof til yderligere at accelerere skibet .
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 at gøre dette er det nødvendigt at opvarme et gas- eller arbejdsvæskestof med lav atommasse inde i motorkammeret til temperaturer flere gange højere end den kemiske forbrændingstemperatur for traditionelle brændstofblandinger, og dette kan gøres ved hjælp af en nuklear reaktion.
Hvis du i stedet for et konventionelt forbrændingskammer placerer inde i en raketmotor atomreaktor, ind i den aktive zone, hvoraf et stof i flydende eller gasform vil blive tilført, så vil det, der opvarmes 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 foretaget 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.
Sandt nok var både vores RD-0410 og den amerikanske NERVA fastfase atommotorer (atombrændsel baseret på urancarbider var i reaktoren i fast tilstand), og deres driftstemperatur var i intervallet 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 i rumteknologi er den mest lovende retning i udviklingen af ​​rumraketmotorer og præcis, hvad menneskeheden har brug for for at udforske solsystemets planeter og deres satellitter.
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 hvornår for Sovjetisk program"Mars-94" af den første bemandede flyvning til Mars, Energia løfteraket begyndte at blive oprettet, atommotorprojektet blev udsat 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. Elektrisk energi kan bruges til at skabe en opvarmet strøm af stof i en jetmotor. 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 det lave forbrug af arbejdsvæsken, effektivitet op til 60% og høj partikelstrømningshastighed, hvilket kan reducere rumfartøjets masse betydeligt, men der er også en ulempe - lav tryktæthed og derfor lav effekt, såvel som 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 anlæg ombord. Typerne af reaktorer blev navngivet: "Buk", "Topaz" og "Yenisei".
Reaktoren i Yenisei-projektet havde en termisk effekt på op til 135 kW og elektrisk strøm 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 i fremtidige årtier, der skal vendes tilbage til efter grundforskning, så er dets nutidige alternativ et megawatt-klasse atomkraftfremdrivningssystem (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 opkaldt efter. 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 kemikalier jetmotorer sammenlignelig effekt ved at reducere startmassen af ​​transportsystemet. 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 produktion 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 ​​de videregående og sekundære uddannelser 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. Fysiske principper, som moderne rumteknologier 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.

Puls YARD blev udviklet i overensstemmelse med det princip, der blev foreslået i 1945 af Dr. S. Ulam fra Los Alamos Research Laboratory, ifølge hvilket det foreslås at bruge en nuklear ladning som energikilde (brændstof) til en højeffektiv rumraketkaster.

I de dage, som i de mange år, der fulgte, var nukleare og termonukleare ladninger de mest kraftfulde og kompakte energikilder sammenlignet med nogen anden. Som du ved, er vi i øjeblikket på nippet til at opdage måder at kontrollere en endnu mere koncentreret energikilde på, da vi allerede er ret fremme i udviklingen af ​​den første enhed, der bruger antistof. Hvis vi kun går ud fra mængden af ​​tilgængelig energi, giver nukleare ladninger et specifikt fremstød på mere end 200.000 sekunder, og termonukleare ladninger - op til 400.000 sekunder. Disse specifikke trykværdier er uoverkommeligt høje for de fleste flyvninger i solsystemet. Desuden, når man bruger nukleart brændsel i sin "rene" form, opstår der mange problemer, som selv på nuværende tidspunkt endnu ikke er fuldt løst. Så den energi, der frigives under eksplosionen, skal overføres til arbejdsvæsken, som opvarmes og derefter strømmer ud af motoren, hvilket skaber tryk. I overensstemmelse med konventionelle metoder til at løse et sådant problem placeres en nuklear ladning i et "forbrændingskammer" fyldt med en arbejdsvæske (f.eks. vand eller andet flydende stof), som fordamper og derefter udvider sig med en større eller mindre grad af diabaticitet i dysen.

Et sådant system, som vi kalder en intern pulseret nuklear fremdrivningsmotor, er meget effektivt, da alle eksplosionens produkter og hele massen af ​​arbejdsvæsken bruges til at skabe fremdrift. En ustabil driftscyklus gør det muligt for et sådant system at udvikle højere tryk og temperaturer i forbrændingskammeret og som et resultat et højere specifikt tryk sammenlignet med en kontinuerlig driftscyklus. Men selve det faktum, at eksplosioner forekommer inde i et bestemt volumen, pålægger betydelige begrænsninger for trykket og temperaturen i kammeret og følgelig på den opnåelige værdi af et specifikt tryk. I lyset af dette, på trods af de mange fordele ved en intern pulseret NRE, viste en ekstern pulseret NRE sig at være enklere og mere effektiv på grund af brugen af ​​den gigantiske mængde energi, der frigives under atomeksplosioner.

I en eksternt virksom nuklear fremdrivningsmotor er det ikke hele massen af ​​brændstoffet og arbejdsvæsken, der er med til at skabe jettryk. Dog her endda med lavere effektivitet. Der bruges mere energi, hvilket resulterer i en mere effektiv systemydelse. Et eksternt pulseret NPP (herefter blot benævnt et pulseret NPP) bruger energien fra eksplosionen af ​​et stort antal små nukleare ladninger om bord på raketten. Disse nukleare ladninger bliver sekventielt slynget ud af raketten og detoneret bag den i nogen afstand ( tegning nedenfor). Ved hver eksplosion kolliderer nogle af de ekspanderende gasformige fissionsfragmenter i form af plasma med høj tæthed og hastighed med rakettens base - pusher-platformen. Plasmaets momentum overføres til skubbeplatformen, som bevæger sig fremad med stor acceleration. Accelerationen reduceres af en dæmpningsanordning til flere g i rakettens næserum, som ikke overskrider menneskekroppens udholdenhedsgrænser. Efter kompressionscyklussen returnerer dæmpningsanordningen skubbeplatformen til dens udgangsposition, hvorefter den er klar til at modtage den næste impuls.

Den samlede hastighedsstigning erhvervet af rumfartøjet ( tegning, lånt fra arbejdet ), afhænger af antallet af eksplosioner og bestemmes derfor af antallet af nukleare ladninger brugt under en given manøvre. Systematisk udvikling af et sådant atomkraftfremdrivningsprojekt blev påbegyndt af Dr. T. B. Taylor (General Atomics Division of General Dynamics) og fortsatte med støtte fra Advanced Research Projects Agency (ARPA), US Air Force, NASA og General Dynamic" for ni år, hvorefter arbejdet i denne retning midlertidigt blev stoppet for at kunne genoptages i fremtiden, da denne type fremdriftssystem blev valgt som en af ​​de to vigtigste fremdrivningsmotorer for rumfartøjer, der flyver i solsystemet.

Funktionsprincip for en pulserende eksternt-virkende nuklear fremdrivningsmotor

En tidlig version af installationen, udviklet af NASA i 1964-1965, var sammenlignelig (i diameter) med Saturn 5-raketten og gav et specifikt tryk på 2500 sek. og et effektivt tryk på 350 g; den "tørre" vægt (uden brændstof) af hovedmotorrummet var 90,8 tons Den oprindelige version af den pulserende atomraketmotor brugte de tidligere nævnte atomladninger, og det blev antaget, at den ville fungere i lave jordbaner og i strålingen. bæltezone på grund af faren for radioaktiv forurening af atmosfæren ved henfaldsprodukter, der frigives under eksplosioner. Derefter blev den specifikke fremdrift af pulserende atomdrevne motorer øget til 10.000 sekunder, og disse motorers potentielle kapacitet gjorde det muligt at fordoble dette tal i fremtiden.

Et pulseret nukleart fremdriftssystem kan allerede være blevet udviklet i 70'erne, med henblik på at gennemføre den første bemandede rumflyvning til planeterne i begyndelsen af ​​80'erne. Udviklingen af ​​dette projekt blev imidlertid ikke gennemført i fuld kraft på grund af godkendelsen af ​​programmet for oprettelse af en fastfase nuklear fremdriftsmotor. Derudover var udviklingen af ​​en pulserende nuklear raketmotor forbundet med et politisk problem, da den brugte atomladninger.

Erica K.A. (Krafft A. Ehricke)