Flytende rakettmotorer har gjort det mulig for mennesker å gå ut i verdensrommet – i baner nær jorden. Men hastigheten på jetstrømmen i en rakettmotor med flytende drivstoff overstiger ikke 4,5 km/s, og for flyreiser til andre planeter trengs titalls kilometer i sekundet. En mulig løsning er å bruke energien fra kjernefysiske reaksjoner.

Den praktiske etableringen av kjernefysiske rakettmotorer (NRE) ble bare utført av USSR og USA. I 1955 begynte USA å implementere Rover-programmet for å utvikle en kjernefysisk rakettmotor for romfartøy. Tre år senere, i 1958, ble NASA involvert i prosjektet, som satte en spesifikk oppgave for skip med kjernefysiske fremdriftsmotorer - en flytur til Månen og Mars. Fra den tiden begynte programmet å bli kalt NERVA, som står for "atommotor for installasjon på raketter."

På midten av 70-tallet, innenfor rammen av dette programmet, var det planlagt å designe en kjernefysisk rakettmotor med en skyvekraft på rundt 30 tonn (til sammenligning var den typiske skyvekraften for flytende rakettmotorer på den tiden omtrent 700 tonn), men med en gasseksoshastighet på 8,1 km/s. Imidlertid ble programmet stengt i 1973 på grunn av et skifte i amerikanske interesser mot romfergen.

I USSR ble utformingen av de første atomdrevne motorene utført i andre halvdel av 50-tallet. Samtidig begynte sovjetiske designere, i stedet for å lage en fullskalamodell, å lage separate deler av kjernefysisk fremdriftssystemet. Og så ble disse utviklingene testet i samspill med en spesialutviklet pulserende grafittreaktor (IGR).

På 70-80-tallet av forrige århundre skapte Salyut Design Bureau, Khimavtomatiki Design Bureau og Luch NPO prosjekter med romatomfremdriftsmotorer RD-0411 og RD-0410 med en skyvekraft på henholdsvis 40 og 3,6 tonn. Under designprosessen ble en reaktor, en kald motor og en benkprototype produsert for testing.

I juli 1961 kunngjorde den sovjetiske akademikeren Andrei Sakharov atomeksplosjonsprosjektet på et møte med ledende atomforskere i Kreml. Blasteren hadde konvensjonelle flytende rakettmotorer for start, men i verdensrommet skulle den detonere små atomladninger. Fisjonsproduktene som ble generert under eksplosjonen, overførte momentumet til skipet, og fikk det til å fly. Den 5. august 1963 ble imidlertid en testforbudsavtale undertegnet i Moskva atomvåpen i atmosfæren, verdensrommet og under vann. Dette var årsaken til nedleggelsen av atomeksplosjonsprogrammet.

Det er mulig at utviklingen av atomdrevne motorer var forut for sin tid. De var imidlertid ikke for tidlig ute. Tross alt varer forberedelsene til en bemannet flytur til andre planeter flere tiår, og fremdriftssystemer for det må forberedes på forhånd.

Design av kjernefysisk rakettmotor

En kjernefysisk rakettmotor (NRE) er en jetmotor der energien som genereres under en kjernefysisk henfall eller fusjonsreaksjon varmer opp arbeidsvæsken (oftest hydrogen eller ammoniakk).

Det er tre typer kjernefysiske fremdriftsmotorer avhengig av typen drivstoff for reaktoren:

• fast fase;
• flytende fase;
• gassfase.

Den mest komplette er fast fase motoralternativ. Figuren viser et diagram over den enkleste atomdrevne motoren med en fast kjernebrenselreaktor. Arbeidsvæsken er plassert i en ekstern tank. Ved hjelp av en pumpe tilføres den til motorkammeret. I kammeret sprøytes arbeidsvæsken ved hjelp av dyser og kommer i kontakt med det drivstoffgenererende kjernebrenselet. Når den varmes opp, utvider den seg og flyr ut av kammeret gjennom dysen med stor hastighet.

Flytende fase — kjernebrensel i reaktorkjernen til en slik motor er i flytende form. Trekkparametrene til slike motorer er høyere enn for fastfasemotorer på grunn av den høyere temperaturen i reaktoren.

I gassfase NRE-drivstoff (for eksempel uran) og arbeidsvæsken er i gassform (i form av plasma) og holdes i arbeidsområdet av et elektromagnetisk felt. Uranplasma oppvarmet til titusenvis av grader overfører varme til arbeidsvæsken (for eksempel hydrogen), som igjen blir oppvarmet til høye temperaturer danner en jetstrøm.

Basert på typen kjernefysisk reaksjon skilles det mellom en radioisotoprakettmotor, en termonukleær rakettmotor og selve kjernefysisk motor (energien fra kjernefysisk fisjon brukes).

Et interessant alternativ er også en pulserende kjernefysisk rakettmotor - det foreslås å bruke en atomladning som energikilde (drivstoff). Slike installasjoner kan være av innvendig og utvendig type.

De viktigste fordelene med atomdrevne motorer er:

• høy spesifikk impuls;
• betydelige energireserver;
• kompaktheten til fremdriftssystemet;
• muligheten for å oppnå svært høy skyvekraft - titalls, hundrevis og tusenvis av tonn i et vakuum.

Den største ulempen er den høye strålingsfaren til fremdriftssystemet:

• flukser av penetrerende stråling (gammastråling, nøytroner) under kjernefysiske reaksjoner;
• fjerning av høyradioaktive forbindelser av uran og dets legeringer;
• utstrømning av radioaktive gasser med arbeidsvæsken.

Start derfor kjernefysisk motor uakseptabelt for oppskytinger fra jordoverflaten på grunn av risikoen for radioaktiv forurensning.

En sikker metode for å bruke atomenergi i verdensrommet ble oppfunnet i USSR, og det jobbes nå med å lage en atominstallasjon basert på den, sa statens generaldirektør. vitenskapelig senter Russlands føderasjon "Research Center oppkalt etter Keldysh", akademiker Anatoly Koroteev.

"Nå jobber instituttet aktivt i denne retningen i et stort samarbeid mellom Roscosmos og Rosatom-bedrifter. Og jeg håper at vi i god tid vil få en positiv effekt her, sa A. Koroteev på den årlige «Royal Readings» ved Bauman Moscow State Technical University tirsdag.

Ifølge ham har Keldysh-senteret funnet opp en ordning for sikker bruk av atomenergi i verdensrommet, som gjør det mulig å klare seg uten utslipp og opererer i en lukket krets, som gjør installasjonen trygg selv om den svikter og faller til jorden. .

"Denne ordningen reduserer risikoen for å bruke kjernekraft betydelig, spesielt med tanke på at et av de grunnleggende punktene er driften av dette systemet i baner over 800-1000 km. Så, i tilfelle feil, er den "blinkende" tiden slik at den gjør det trygt for disse elementene å returnere til jorden etter en lang periode,» avklarte forskeren.

A. Koroteev sa at tidligere hadde USSR allerede brukt romfartøy drevet av atomenergi, men de var potensielt farlige for Jorden, og måtte deretter forlates. "USSR brukte atomenergi i verdensrommet. Det var 34 romfartøyer med atomenergi i verdensrommet, hvorav 32 var sovjetiske og to amerikanske», husket akademikeren.

Ifølge ham vil atominstallasjonen som utvikles i Russland gjøres lettere ved bruk av et rammeløst kjølesystem, der kjernefysisk reaktorkjølevæske vil sirkulere direkte i verdensrommet uten et rørledningssystem.

Men tilbake på begynnelsen av 1960-tallet betraktet designere kjernefysiske rakettmotorer som det eneste reelle alternativet for å reise til andre planeter i solsystemet. La oss finne ut historien til dette problemet.

Konkurransen mellom USSR og USA, inkludert i verdensrommet, pågikk på den tiden full sving, ingeniører og forskere deltok i kappløpet om å lage en kjernefysisk fremdriftsmotor, og militæret støttet også opprinnelig kjernefysisk rakettmotorprosjekt. Til å begynne med virket oppgaven veldig enkel - du trenger bare å lage en reaktor designet for å avkjøles med hydrogen i stedet for vann, feste en dyse til den, og - videre til Mars! Amerikanerne skulle til Mars ti år etter Månen og kunne ikke engang forestille seg at astronauter noen gang ville nå den uten atommotorer.

Amerikanerne bygde veldig raskt den første prototypereaktoren og testet den allerede i juli 1959 (de ble kalt KIWI-A). Disse testene viste bare at reaktoren kunne brukes til å varme hydrogen. Reaktordesignet - med ubeskyttet uranoksidbrensel - var ikke egnet for høye temperaturer, og hydrogenet ble bare varmet opp til halvannet tusen grader.

Etter hvert som man høstet erfaringer ble utformingen av reaktorer for kjernefysiske rakettmotorer - NRE - mer kompleks. Uranoksidet ble erstattet med et mer varmebestandig karbid, i tillegg ble det belagt med niobkarbid, men da man forsøkte å nå designtemperaturen begynte reaktoren å kollapse. Dessuten, selv i fravær av makroskopisk ødeleggelse, skjedde diffusjon av uranbrensel til kjølende hydrogen, og massetapet nådde 20 % innen fem timer etter reaktordrift. Et materiale som er i stand til å operere ved 2700-3000 0 C og motstå ødeleggelse av varmt hydrogen har aldri blitt funnet.

Derfor bestemte amerikanerne seg for å ofre effektivitet og inkluderte spesifikke impulser i flymotordesignen (skyvekraft i kilogram kraft oppnådd med frigjøring av ett kilo arbeidsvæskemasse hvert sekund; måleenheten er et sekund). 860 sekunder. Dette var det dobbelte av tilsvarende tall for oksygen-hydrogen-motorer på den tiden. Men da amerikanerne begynte å lykkes, hadde interessen for bemannede flyreiser allerede falt, Apollo-programmet ble innskrenket, og i 1973 ble NERVA-prosjektet (det var navnet på motoren for en bemannet ekspedisjon til Mars) endelig stengt. Etter å ha vunnet måneløpet, ønsket ikke amerikanerne å organisere et marsløp.

Men lærdommen fra et dusin reaktorer bygget og flere dusin tester utført var at amerikanske ingeniører ble for revet med av fullskala kjernefysiske tester, heller enn å utarbeide nøkkelelementer uten å involvere kjernefysisk teknologi der dette kan unngås. Og der det ikke er mulig, bruk mindre stativ. Amerikanerne kjørte nesten alle reaktorene på full effekt, men klarte ikke å nå designtemperaturen til hydrogen - reaktoren begynte å kollapse tidligere. Totalt, fra 1955 til 1972, ble 1,4 milliarder dollar brukt på programmet for kjernefysiske rakettmotorer - omtrent 5% av kostnadene for måneprogrammet.

Også i USA ble Orion-prosjektet oppfunnet, som kombinerte begge versjonene av kjernefysisk fremdriftssystem (jet og puls). Dette ble gjort på følgende måte: små atomladninger med en kapasitet på ca. 100 tonn TNT ble kastet ut fra skipets hale. Metallskiver ble avfyrt etter dem. På avstand fra skipet ble ladningen detonert, skiven fordampet og stoffet spredt i forskjellige retninger. En del av den falt ned i den forsterkede haledelen av skipet og flyttet den fremover. En liten økning i skyvekraften burde vært gitt ved at fordampningen av platen tok slagene. Enhetskostnaden for en slik flytur skulle da kun vært 150,- dollar per kilogram nyttelast.

Det gikk til og med så langt som testing: erfaring viste at bevegelse ved hjelp av påfølgende impulser er mulig, og det samme er å lage en hekkplate med tilstrekkelig styrke. Men Orion-prosjektet ble stengt i 1965 som lite lovende. Imidlertid er dette så langt det eneste eksisterende konseptet som kan tillate ekspedisjoner i det minste på tvers av solsystemet.

I første halvdel av 1960-tallet så sovjetiske ingeniører på ekspedisjonen til Mars som en logisk fortsettelse av det da utviklede programmet for bemannet flyging til månen. I kjølvannet av entusiasmen forårsaket av USSRs prioritering i verdensrommet, ble selv slike ekstremt komplekse problemer vurdert med økt optimisme.

Et av de viktigste problemene var (og er fortsatt den dag i dag) problemet med strømforsyning. Det var klart at rakettmotorer med flytende drivstoff, til og med lovende oksygen-hydrogenmotorer, i prinsippet kunne gi en bemannet flytur til Mars, da bare med enorme utskytningsmasser av det interplanetære komplekset, med et stort antall dokkinger av individuelle blokker i sammenstillingen lav-jordbane.

Ser etter optimale løsninger Forskere og ingeniører vendte seg til atomenergi, og tok gradvis en nærmere titt på dette problemet.

I USSR begynte forskning på problemene med å bruke atomenergi i rakett- og romteknologi i andre halvdel av 50-tallet, selv før oppskytingen av de første satellittene. Små grupper av entusiaster dukket opp i flere forskningsinstitutter med mål om å lage rakett- og romatommotorer og kraftverk.

Designerne av OKB-11 S.P. Korolev, sammen med spesialister fra NII-12 under ledelse av V.Ya Likhushin, vurderte flere alternativer for rom- og kampraketter utstyrt med kjernefysiske rakettmotorer (NRE). Vann og flytende gasser - hydrogen, ammoniakk og metan - ble evaluert som arbeidsvæske.

Utsiktene var lovende; gradvis fant arbeidet forståelse og økonomisk støtte i USSR-regjeringen.

Allerede den aller første analysen viste at blant de mange mulige ordningene med fremdriftssystemer for romkraft (NPS), har tre de største utsiktene:

• med en fastfase atomreaktor;
• med en gassfase atomreaktor;
• elektroniske rakettfremdriftssystemer.

Ordningene var fundamentalt forskjellige; For hver av dem ble det skissert flere alternativer for utvikling av teoretisk og eksperimentelt arbeid.

Nærmest implementering så ut til å være en fastfase kjernefysisk fremdriftsmotor. Drivkraften for utviklingen av arbeidet i denne retningen ble gitt av lignende utviklinger utført i USA siden 1955 under ROVER-programmet, samt utsiktene (slik det så ut da) for å lage et innenlandsk interkontinentalt bemannet bombefly med kjernefysisk fremdrift system.

En fastfase kjernefysisk fremdriftsmotor fungerer som en direktestrømsmotor. Flytende hydrogen kommer inn i dysedelen, avkjøler reaktorbeholderen, brenselsammensetninger (FA), moderator, og snur seg deretter og kommer inn i FA, hvor den varmes opp til 3000 K og kastes inn i dysen, og akselererer til høye hastigheter.

Driftsprinsippene til atommotoren var ikke i tvil. Imidlertid var dens design (og egenskaper) i stor grad avhengig av motorens "hjerte" - atomreaktoren, og ble først og fremst bestemt av "fyllingen" - kjernen.

Utviklerne av de første amerikanske (og sovjetiske) atommotorene sto for en homogen reaktor med en grafittkjerne. Arbeidet til søkegruppen på nye typer høytemperaturdrivstoff, opprettet i 1958 i laboratorium nr. 21 (ledet av G.A. Meerson) i NII-93 (direktør A.A. Bochvar), foregikk noe separat. Påvirket av det pågående arbeidet med en flyreaktor (en honningkake laget av berylliumoksid) på den tiden, gjorde gruppen forsøk (igjen utforskende) for å skaffe materialer basert på silisium og zirkoniumkarbid som var motstandsdyktige mot oksidasjon.

I følge memoarene til R.B. Kotelnikov, en ansatt i NII-9, våren 1958, hadde lederen av laboratorie nr. 21 et møte med en representant for NII-1, V.N. Han sa at som hovedmaterialet for brenselelementene (drivstoffstaver) til reaktoren i deres institutt (forresten, på den tiden det ledende innen rakettindustrien; leder av instituttet V.Ya. Likhushin, vitenskapelig direktør M.V. Keldysh, leder av laboratoriet V.M. Ievlev) bruker grafitt. Spesielt har de allerede lært hvordan man legger belegg på prøver for å beskytte dem mot hydrogen. NII-9 foreslo å vurdere muligheten for å bruke UC-ZrC-karbider som grunnlag for brenselelementer.

Seinere en kort tid En annen kunde for drivstoffstenger dukket opp - Design Bureau of M.M. Bondaryuk, som ideologisk konkurrerte med NII-1. Hvis sistnevnte sto for en flerkanals all-block-design, satte Design Bureau of M.M Bondaryuk kursen mot en sammenleggbar plateversjon, med fokus på enkel bearbeiding av grafitt og ikke flau av kompleksiteten til delene - millimetertykke. plater med samme ribbe. Karbider er mye vanskeligere å behandle; på den tiden var det umulig å lage deler som flerkanalblokker og plater av dem. Det ble klart at det var nødvendig å lage et annet design som ville samsvare med karbidenes spesifikasjoner.

På slutten av 1959 - begynnelsen av 1960 ble den avgjørende betingelsen for NRE drivstoffstaver funnet - en kjerne av stangtype som tilfredsstiller kundene - Likhushin Research Institute og Bondaryuk Design Bureau. Utformingen av en heterogen reaktor på termiske nøytroner ble begrunnet som den viktigste for dem; dens viktigste fordeler (sammenlignet med den alternative homogene grafittreaktoren) er:

• det er mulig å bruke en lavtemperatur-hydrogenholdig moderator, som gjør det mulig å lage kjernefysiske fremdriftsmotorer med høy masseperfeksjon;
• det er mulig å utvikle en liten prototype av en kjernefysisk fremdriftsmotor med en skyvekraft på omtrent 30...50 kN med høy grad av kontinuitet for motorer og kjernefysiske fremdriftssystemer av neste generasjon;
• det er mulig å bruke ildfaste karbider i brenselstaver og andre deler av reaktorstrukturen, noe som gjør det mulig å maksimere oppvarmingstemperaturen til arbeidsfluidet og gi en økt spesifikk impuls;
• det er mulig å autonomt teste, element for element, hovedkomponentene og systemene til kjernefysisk fremdriftssystem (NPP), som drivstoffelementer, moderator, reflektor, turbopumpeenhet (TPU), kontrollsystem, dyse, etc.; dette gjør det mulig å utføre testing parallelt, noe som reduserer mengden kostbar kompleks testing av kraftverket som helhet.

Rundt 1962–1963 Arbeidet med kjernefysisk fremdriftsproblemet ble ledet av NII-1, som har en kraftig eksperimentell base og utmerket personell. De manglet bare uranteknologi, så vel som atomforskere. Med involvering av NII-9, og deretter IPPE, ble det dannet et samarbeid, som tok som sin ideologi etableringen av en minimum skyvekraft (ca. 3,6 tf), men "ekte" sommermotor med en "rett-gjennom" reaktor IR- 100 (test eller forskning, 100 MW, sjefdesigner - Yu.A. Treskin). Støttet av offentlige forskrifter, bygde NII-1 elektriske lysbuestativer som alltid overrasket fantasien - dusinvis av 6-8 m høye sylindre, enorme horisontale kammer med en effekt på over 80 kW, pansret glass i bokser. Møtedeltakerne ble inspirert av fargerike plakater med flyplaner til Månen, Mars osv. Det ble antatt at i prosessen med å lage og teste den kjernefysiske fremdriftsmotoren, ville design, teknologiske og fysiske problemer bli løst.

Ifølge R. Kotelnikov ble saken dessverre komplisert av rakettforskernes lite klare posisjon. Departementet for generell ingeniørvitenskap (MOM) hadde store vanskeligheter med å finansiere testprogrammet og byggingen av testbenkbasen. Det så ut til at IOM ikke hadde ønsket eller kapasiteten til å fremme NRD-programmet.

På slutten av 1960-tallet var støtten til NII-1s konkurrenter - IAE, PNITI og NII-8 - mye mer alvorlig. Departementet for mellomteknikk ("atomforskere") støttet aktivt deres utvikling; IVG "løkke"-reaktoren (med en kjerne og stang-type sentrale kanalsammenstillinger utviklet av NII-9) kom til slutt i forgrunnen på begynnelsen av 70-tallet; testing av drivstoffelementer begynte der.

Nå, 30 år senere, ser det ut til at IAE-linjen var mer korrekt: først - en pålitelig "jordisk" sløyfe - testing av drivstoffstaver og -montasjer, og deretter opprettelsen av en flygende kjernefysisk fremdriftsmotor med nødvendig kraft. Men så virket det som om det veldig raskt var mulig å lage en ekte motor, om enn en liten... Men siden livet har vist at det ikke var noe objektivt (eller til og med subjektivt) behov for en slik motor (til dette kan vi også legge til at alvoret i de negative sidene ved denne retningen, for eksempel internasjonale avtaler om kjernefysiske enheter i verdensrommet, ble først sterkt undervurdert), så viste det grunnleggende programmet, hvis mål ikke var snevre og spesifikke, å være tilsvarende mer korrekt og produktivt.

1. juli 1965 ble den foreløpige utformingen av IR-20-100-reaktoren gjennomgått. Kulminasjonen var utgivelsen av den tekniske utformingen av IR-100 drivstoffelementer (1967), bestående av 100 stenger (UC-ZrC-NbC og UC-ZrC-C for innløpsseksjonene og UC-ZrC-NbC for utløpet) . NII-9 var klar til å produsere et stort parti med kjerneelementer for den fremtidige IR-100-kjernen. Prosjektet var veldig progressivt: etter omtrent 10 år, praktisk talt uten vesentlige endringer, ble det brukt i området til ​11B91-apparatet, og selv nå er alle hovedløsningene bevart i sammenstillinger av lignende reaktorer for andre formål, med en helt annen grad av beregning og eksperimentell begrunnelse.

"Rakett" delen av den første innenlandske kjernefysiske RD-0410 ble utviklet ved Voronezh Design Bureau of Chemical Automation (KBHA), "reaktoren" delen (nøytronreaktor og strålingssikkerhetsspørsmål) - av Institute of Physics and Energy (Obninsk) ) og Kurchatov Institute of Atomic Energy.

KBHA er kjent for sitt arbeid innen flytende drivstoffmotorer for ballistiske missiler, romfartøyer og utskytningskjøretøyer. Her ble det utviklet rundt 60 prøver, hvorav 30 ble brakt til masseproduksjon. I 1986 hadde KBHA skapt landets kraftigste oksygen-hydrogenmotor med ett kammer RD-0120 med en skyvekraft på 200 tf, som ble brukt som fremdriftsmotor i andre trinn av Energia-Buran-komplekset. Den kjernefysiske RD-0410 ble opprettet sammen med mange forsvarsbedrifter, designbyråer og forskningsinstitutter.

I henhold til det aksepterte konseptet ble flytende hydrogen og heksan (et hemmende tilsetningsstoff som reduserer hydrogeneringen av karbider og øker levetiden til brenselelementer) tilført ved hjelp av en TNA inn i en heterogen termisk nøytronreaktor med brenselsammensetninger omgitt av en zirkoniumhydridmoderator. Skjellene deres ble avkjølt med hydrogen. Reflektoren hadde drev for å rotere absorpsjonselementene (borkarbidsylindere). Pumpen inkluderte en tre-trinns sentrifugalpumpe og en ett-trinns aksialturbin.

På fem år, fra 1966 til 1971, ble grunnlaget for reaktor-motorteknologi skapt, og noen år senere ble en kraftig eksperimentell base kalt "ekspedisjon nr. 10" satt i drift, deretter den eksperimentelle ekspedisjonen til NPO "Luch" kl. teststedet Semipalatinsk .
Spesielle vanskeligheter ble møtt under testingen. Det var umulig å bruke konvensjonelle stativer for å skyte opp en fullskala kjernefysisk rakettmotor på grunn av stråling. Det ble besluttet å teste reaktoren på atomprøvestedet i Semipalatinsk, og "rakettdelen" ved NIIkhimmash (Zagorsk, nå Sergiev Posad).

For å studere intrakammerprosesser ble det utført mer enn 250 tester på 30 "kalde motorer" (uten reaktor). Som modell varmeelement Forbrenningskammeret til oksygen-hydrogen flytende drivstoff rakettmotor 11D56 utviklet av KBkhimmash (sjefdesigner - A.M. Isaev) ble brukt. Maksimal tid driftstiden var 13 tusen sekunder med en deklarert ressurs på 3600 sekunder.

For å teste reaktoren på teststedet Semipalatinsk ble det bygget to spesielle sjakter med underjordiske servicelokaler. En av sjaktene var koblet til et underjordisk reservoar for komprimert hydrogengass. Bruken av flytende hydrogen ble forlatt av økonomiske årsaker.

I 1976 ble den første kraftoppstarten av IVG-1-reaktoren utført. Samtidig ble det opprettet et stativ ved OE for å teste "fremdrift"-versjonen av IR-100-reaktoren, og noen år senere ble den testet med forskjellige styrker (en av IR-100-ene ble deretter omgjort til en lav -kraftmaterialevitenskapelig forskningsreaktor, som fortsatt er i drift i dag).

Før den eksperimentelle lanseringen ble reaktoren senket ned i sjakten ved hjelp av en overflatemontert portalkran. Etter å ha startet reaktoren kom hydrogen inn i "kjelen" nedenfra, varmet opp til 3000 K og brøt ut av sjakten i en brennende strøm. Til tross for ubetydelig radioaktivitet til gassene som slapp ut, var det ikke tillatt å være ute innenfor en radius på halvannen kilometer fra prøvestedet på dagtid. Det var umulig å nærme seg selve gruven i en måned. En halvannen kilometer underjordisk tunnel førte fra sikker sone først til en bunker, og derfra til en annen, som ligger i nærheten av gruvene. Spesialistene beveget seg langs disse unike «korridorene».

Ievlev Vitaly Mikhailovich

Resultatene av eksperimenter utført med reaktoren i 1978–1981 bekreftet riktigheten av designløsningene. I prinsippet ble YARD opprettet. Det gjensto bare å koble sammen de to delene og gjennomføre omfattende tester.

Rundt 1985 kunne RD-0410 (i henhold til et annet betegnelsessystem 11B91) ha foretatt sin første romflukt. Men for dette var det nødvendig å utvikle akselererende blokk basert på det. Dessverre ble ikke dette arbeidet bestilt til noe romdesignbyrå, og det er mange grunner til dette. Den viktigste er den såkalte Perestroikaen. Utslettede skritt førte til det faktum at hele romindustrien øyeblikkelig befant seg "i vanære", og i 1988 ble arbeidet med kjernefysisk fremdrift i USSR (da USSR fortsatt eksisterte) stoppet. Dette skjedde ikke på grunn av tekniske problemer, men av midlertidige ideologiske årsaker. Og i 1990 døde han ideologisk inspirator kjernefysiske fremdriftsprogrammer i USSR Vitaly Mikhailovich Ievlev...

Hvilke store suksesser har utviklerne oppnådd med å lage "A" kjernekraftfremdriftssystemet?

Mer enn halvannet dusin fullskala-tester ble utført på IVG-1-reaktoren, og følgende resultater ble oppnådd: maksimal hydrogentemperatur - 3100 K, spesifikk impuls - 925 sek, spesifikk varmeavgivelse opp til 10 MW/l , total ressurs mer enn 4000 sek med påfølgende 10 reaktorstarter. Disse resultatene overgår betydelig amerikanske prestasjoner i grafittsoner.

Det skal bemerkes at i løpet av hele testperioden for kjernefysisk fremdriftsmotor, til tross for den åpne eksosen, oversteg ikke utbyttet av radioaktive fisjonsfragmenter akseptable standarder verken på prøvestedet eller utenfor det og var ikke registrert på territoriet til nabostatene.

Det viktigste resultatet av arbeidet var etableringen av innenlandsk teknologi for slike reaktorer, produksjon av nye ildfaste materialer, og det faktum å lage en reaktormotor ga opphav til en rekke nye prosjekter og ideer.

Selv om videre utvikling slike atomdrevne motorer ble suspendert, oppnådde prestasjoner er unike ikke bare i vårt land, men også i verden. Dette har gjentatte ganger blitt bekreftet de siste årene på internasjonale symposier om romenergi, så vel som på møter med nasjonale og amerikanske spesialister (ved sistnevnte ble det anerkjent at IVG-reaktorstativet er det eneste operative testapparatet i verden i dag, som kan spiller en viktig rolle i eksperimentell utvikling av FA og kjernekraftverk).

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

Den originale artikkelen er på nettsiden InfoGlaz.rf Link til artikkelen som denne kopien ble laget fra -

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

Vitenskapelig konsulent: , visedirektør for det ideelle partnerskapet for vitenskapelige og innovative aktiviteter "Tomsk Atomic Center"

Leder: , fysikklærer, Kommunal utdanningsinstitusjon “Secondary School No. 84” CATO Seversk

Introduksjon

Fremdriftssystemer om bord i et romfartøy er designet for å skape skyvekraft eller fart. Avhengig av hvilken type skyvekraft som brukes, er fremdriftssystemet delt inn i kjemisk (CHRD) og ikke-kjemisk (NCRD). CRD-er er delt inn i flytende drivstoffmotorer (LPRE), rakettmotorer med fast drivstoff (solid propellant-motorer) og kombinerte rakettmotorer (RCR). I sin tur er ikke-kjemiske fremdriftssystemer delt inn i kjernefysiske (NRE) og elektriske (EP). Den store vitenskapsmannen Konstantin Eduardovich Tsiolkovsky for et århundre siden skapte den første modellen av et fremdriftssystem som fungerte på solide og flytende drivstoff. Etterpå, i andre halvdel av 1900-tallet, ble tusenvis av flyvninger utført ved bruk av hovedsakelig flytende drivstoffmotorer og rakettmotorer med fast drivstoff.

Men for tiden, for flyreiser til andre planeter, for ikke å nevne stjernene, blir bruken av rakettmotorer med flytende drivstoff og rakettmotorer med fast drivstoff stadig mer ulønnsomt, selv om mange rakettmotorer har blitt utviklet. Mest sannsynlig har evnene til rakettmotorer med flytende drivstoff og rakettmotorer med fast drivstoff helt utmattet seg selv. Årsaken her er at den spesifikke impulsen til alle kjemiske thrustere er lav og ikke overstiger 5000 m/s, noe som krever langvarig drift av thrusteren for å utvikle tilstrekkelig høye hastigheter og følgelig store reserver av drivstoff eller, som vanlig. i astronautikk, det nødvendige store verdier Tsiolkovsky-tallet, dvs. forholdet mellom massen til en rakett med drivstoff til massen til en tom. Dermed har Energia-raketten, som sender ut 100 tonn nyttelast i lav bane, en utskytningsmasse på rundt 3000 tonn, noe som gir Tsiolkovsky-tallet en verdi innenfor 30.

For en flytur til Mars, for eksempel, bør Tsiolkovsky-tallet være enda høyere og nå verdier fra 30 til 50. Det er lett å anslå det med en nyttelast på rundt 1000 tonn, og det er innenfor disse grensene at minimumsmassen nødvendig for å sørge for alt som er nødvendig for mannskapet som starter til Mars, varierer. Tatt i betraktning drivstofftilførselen for returflyvningen til Jorden, må den opprinnelige massen til romfartøyet være minst 30 000 tonn, noe som klart er utenfor utviklingsnivået til moderne astronautikk, basert på bruk av flytende drivstoffmotorer og rakettmotorer med fast drivstoff.

For at bemannede mannskaper skal nå selv de nærmeste planetene, er det derfor nødvendig å utvikle bæreraketter på motorer som opererer etter andre prinsipper enn kjemisk fremdrift. De mest lovende i denne forbindelse er elektriske jetmotorer (EPE), termokjemiske rakettmotorer og kjernefysiske jetmotorer (NRE).

1.Grunnleggende konsepter

En rakettmotor er en jetmotor som ikke bruker miljøet (luft, vann) til drift. Kjemiske rakettmotorer er de mest brukte. Andre typer rakettmotorer utvikles og testes – elektriske, kjernefysiske og andre. På romstasjoner De enkleste rakettmotorene som kjører på komprimerte gasser er også mye brukt i enheter. Vanligvis bruker de nitrogen som arbeidsvæske. /1/

Klassifisering av fremdriftssystemer

2. Formål med rakettmotorer

I henhold til deres formål er rakettmotorer delt inn i flere hovedtyper: akselerasjon (start), bremsing, fremdrift, kontroll og andre. Rakettmotorer brukes først og fremst på raketter (derav navnet). I tillegg brukes rakettmotorer noen ganger i luftfart. Rakettmotorer er hovedmotorene innen astronautikk.

Militære (kamp) missiler har vanligvis solide drivstoffmotorer. Dette skyldes det faktum at en slik motor fylles på fabrikken og ikke krever vedlikehold i hele lagringen og levetiden til selve raketten. Motorer med fast drivstoff brukes ofte som boostere for romraketter. De brukes spesielt mye i denne egenskapen i USA, Frankrike, Japan og Kina.

Flytende rakettmotorer har høyere skyvekraft enn solide rakettmotorer. Derfor brukes de til å skyte opp romraketter i bane rundt jorden og til interplanetære flyvninger. De viktigste flytende drivmidlene for raketter er parafin, heptan (dimetylhydrazin) og flytende hydrogen. For slike typer drivstoff kreves et oksidasjonsmiddel (oksygen). Salpetersyre og flytende oksygen brukes som oksidasjonsmidler i slike motorer. Salpetersyre er dårligere enn flytende oksygen i oksiderende egenskaper, men krever ikke å opprettholde et spesielt temperaturregime under lagring, tanking og bruk av missiler

Motorer for romflyvninger skiller seg fra de på jorden ved at de må produsere mest mulig kraft med minst mulig masse og volum. I tillegg er de underlagt krav som eksepsjonelt høy effektivitet og pålitelighet, og betydelig driftstid. Basert på typen energi som brukes, er romfartøyets fremdriftssystemer delt inn i fire typer: termokjemisk, kjernefysisk, elektrisk, sol-seil. Hver av de listede typene har sine egne fordeler og ulemper og kan brukes under visse forhold.

For tiden skytes romskip, orbitalstasjoner og ubemannede jordsatellitter ut i verdensrommet av raketter utstyrt med kraftige termokjemiske motorer. Det finnes også miniatyrmotorer med lav skyvekraft. Dette er en mindre kopi av kraftige motorer. Noen av dem kan passe i håndflaten din. Skyvekraften til slike motorer er veldig liten, men det er nok til å kontrollere skipets posisjon i rommet

3. Termokjemiske rakettmotorer.

Det er kjent at i en forbrenningsmotor, ovnen til en dampkjele - uansett hvor forbrenning oppstår, tar atmosfærisk oksygen den mest aktive delen. Det er ingen luft i det ytre rom, og for at rakettmotorer skal operere i verdensrommet, er det nødvendig å ha to komponenter - drivstoff og oksidasjonsmiddel.

Flytende termokjemiske rakettmotorer bruker alkohol, parafin, bensin, anilin, hydrazin, dimetylhydrazin og flytende hydrogen som drivstoff. Flytende oksygen, hydrogenperoksid og salpetersyre brukes som oksidasjonsmiddel. Kanskje i fremtiden vil flytende fluor bli brukt som et oksidasjonsmiddel når metoder for lagring og bruk av et så aktivt kjemikalie blir oppfunnet

Drivstoff og oksidasjonsmiddel for flytende jetmotorer lagres separat i spesielle tanker og tilføres forbrenningskammeret ved hjelp av pumper. Når de kombineres i brennkammeret, når temperaturene 3000 – 4500 °C.

Forbrenningsprodukter, som ekspanderer, oppnår hastigheter fra 2500 til 4500 m/s. Når de skyver av fra motorhuset, skaper de jetkraft. Samtidig, jo større massen og hastigheten på gassstrømmen er, desto større er drivkraften til motoren.

Den spesifikke skyvekraften til motorer estimeres vanligvis av mengden skyvekraft som skapes per masseenhet drivstoff som er brent på ett sekund. Denne mengden kalles den spesifikke impulsen til en rakettmotor og måles i sekunder (kg skyvekraft / kg brent drivstoff per sekund). De beste rakettmotorene med fast drivstoff har en spesifikk impuls på opptil 190 s, det vil si at 1 kg drivstoff som brenner på ett sekund skaper en skyvekraft på 190 kg. En hydrogen-oksygen rakettmotor har en spesifikk impuls på 350 s. Teoretisk sett kan en hydrogen-fluormotor utvikle en spesifikk impuls på mer enn 400 s.

Den ofte brukte flytende rakettmotorkretsen fungerer som følger. Komprimert gass skaper det nødvendige trykket i tanker med kryogent drivstoff for å forhindre forekomst av gassbobler i rørledninger. Pumper leverer drivstoff til rakettmotorer. Drivstoff sprøytes inn i forbrenningskammeret gjennom et stort antall injektorer. Et oksidasjonsmiddel sprøytes også inn i forbrenningskammeret gjennom dysene.

I enhver bil, når drivstoff brenner, dannes det store varmestrømmer som varmer opp motorveggene. Hvis du ikke avkjøler veggene i kammeret, vil det raskt brenne ut, uansett hvilket materiale det er laget av. En flytende jetmotor kjøles vanligvis av en av drivstoffkomponentene. For dette formålet er kammeret laget av to vegger. Den kalde komponenten av drivstoffet strømmer i gapet mellom veggene.

Aluminium" href="/text/category/alyuminij/" rel="bookmark">aluminium, etc. Spesielt som tilsetning til konvensjonelle drivstoff, som hydrogen-oksygen. Slike "ternære sammensetninger" kan gi høyest mulig hastighet for kjemiske drivstoff utmattelse - opptil 5 km/s Men dette er praktisk talt grensen for kjemiens ressurser Selv om flytende rakettmotorer fortsatt dominerer i den foreslåtte beskrivelsen, må det sies at den første termokjemiske rakettmotoren som bruker fast brensel, ble skapt i menneskehetens historie. . Fast brensel rakettmotor - for eksempel spesialkrutt - er plassert direkte i forbrenningskammeret med en jetdyse - det er hele utformingen av det faste drivstoffet rakettmotoren med solid drivmiddel (oppskyting, opprettholdelse eller kombinert militære anliggender) er preget av tilstedeværelsen av utskytnings- og fremdriftsmotorer. launcher og dens første akselerasjon. Sustainer-rakettmotoren med solid drivmiddel er designet for å opprettholde en konstant flyhastighet for raketten på hoveddelen (fremdrifts-) av flybanen. Forskjellene mellom dem ligger hovedsakelig i utformingen av forbrenningskammeret og profilen til forbrenningsflaten til drivstoffladningen, som bestemmer hastigheten på drivstoffforbrenningen som driftstiden og motorkraften avhenger av. I motsetning til slike raketter, romfartøyer for oppskyting av jordsatellitter, orbitale stasjoner og romfartøyer, så vel som interplanetære stasjoner, opererer bare i startmodus fra rakettens oppskyting til objektet skytes opp i bane rundt jorden eller inn på en interplanetarisk bane. Generelt har solide rakettmotorer ikke mange fordeler fremfor flytende drivstoffmotorer: de er enkle å produsere, lang tid kan lagres, alltid klar til handling, relativt eksplosjonssikker. Men når det gjelder spesifikk skyvekraft, er fastbrenselmotorer 10-30% dårligere enn flytende motorer.

4. Elektriske rakettmotorer

Nesten alle rakettmotorene som er diskutert ovenfor, utvikler enorm skyvekraft og er designet for å sende romfartøyer i bane rundt jorden og akselerere dem til kosmiske hastigheter for interplanetære flyreiser. En helt annen sak er fremdriftssystemer for romfartøyer som allerede er lansert i bane eller på en interplanetarisk bane. Her trenger du som regel laveffektsmotorer (flere kilowatt eller til og med watt) som kan fungere i hundrevis og tusenvis av timer og slås av og på gjentatte ganger. De lar deg opprettholde flyturen i bane eller langs en gitt bane, og kompenserer for flymotstanden som skapes topplag atmosfære og solvind. I elektriske rakettmotorer akselereres arbeidsvæsken til en viss hastighet ved å varme den opp med elektrisk energi. Elektrisitet kommer fra solcellepaneler eller et atomkraftverk. Metoder for oppvarming av arbeidsvæsken er forskjellige, men i virkeligheten brukes hovedsakelig elektrisk lysbue. Den har vist seg å være svært pålitelig og tåler et stort antall starter. Hydrogen brukes som arbeidsvæske i elektriske lysbuemotorer. Ved hjelp av en elektrisk lysbue varmes hydrogen opp til svært høy temperatur og det blir til plasma - en elektrisk nøytral blanding av positive ioner og elektroner. Hastigheten på plasmautstrømningen fra motoren når 20 km/s. Når forskere løser problemet med magnetisk isolasjon av plasma fra veggene i motorkammeret, vil det være mulig å øke plasmatemperaturen betydelig og øke eksoshastigheten til 100 km/s. Den første elektriske rakettmotoren ble utviklet i Sovjetunionen i årene. under ledelse (senere ble han skaperen av motorer for sovjetiske romraketter og en akademiker) ved det berømte Gas Dynamics Laboratory (GDL)./10/

5. Andre typer motorer

Det er også mer eksotiske design for kjernefysiske rakettmotorer, der det spaltbare materialet er i væske-, gass- eller til og med plasmatilstand, men implementeringen av slike design er vanskelig. moderne nivå teknologi og teknologi er urealistisk. Følgende rakettmotorprosjekter eksisterer, fortsatt på teoretisk eller laboratoriestadiet:

Pulserende kjernefysiske rakettmotorer som bruker energien fra eksplosjoner av små kjernefysiske ladninger;

Termonukleære rakettmotorer, som kan bruke en hydrogenisotop som drivstoff. Energiproduktiviteten til hydrogen i en slik reaksjon er 6,8 * 1011 KJ/kg, det vil si omtrent to størrelsesordener høyere enn produktiviteten til kjernefysiske fisjonsreaksjoner;

Solseilmotorer - som bruker trykket fra sollys (solvind), hvis eksistens ble empirisk bevist av en russisk fysiker tilbake i 1899. Ved beregning har forskere fastslått at en enhet som veier 1 tonn, utstyrt med et seil med en diameter på 500 m, kan fly fra Jorden til Mars på omtrent 300 dager. Effektiviteten til et solseil avtar imidlertid raskt med avstanden fra solen.

6. Nukleære rakettmotorer

En av de største ulempene med rakettmotorer som kjører på flytende drivstoff er forbundet med den begrensede strømningshastigheten til gasser. I kjernefysiske rakettmotorer ser det ut til å være mulig å bruke den kolossale energien som frigjøres under dekomponeringen av kjernefysisk "brensel" for å varme opp arbeidsstoffet. Driftsprinsippet til kjernefysiske rakettmotorer er nesten ikke forskjellig fra driftsprinsippet til termokjemiske motorer. Forskjellen er at arbeidsvæsken oppvarmes ikke på grunn av sin egen kjemiske energi, men på grunn av "fremmed" energi som frigjøres under en intranukleær reaksjon. Arbeidsvæsken føres gjennom en atomreaktor, der fisjonsreaksjonen til atomkjerner (for eksempel uran) skjer, og varmes opp. Kjernefysiske rakettmotorer eliminerer behovet for et oksidasjonsmiddel og kan derfor bare bruke én væske. Som arbeidsvæske er det tilrådelig å bruke stoffer som gjør at motoren kan utvikle større trekkraft. Denne tilstanden tilfredsstilles mest av hydrogen, etterfulgt av ammoniakk, hydrazin og vann. Prosessene der kjernekraft frigjøres er delt inn i radioaktive transformasjoner, fisjonsreaksjoner av tunge kjerner, fusjonsreaksjon av lette kjerner. Radioisotoptransformasjoner realiseres i såkalte isotopenergikilder. Den spesifikke masseenergien (energien som et stoff som veier 1 kg kan frigjøre) til kunstige radioaktive isotoper er betydelig høyere enn for kjemisk brensel. For 210Po er det altså lik 5*10 8 KJ/kg, mens for det mest energieffektive kjemiske drivstoffet (beryllium med oksygen) overstiger ikke denne verdien 3*10 4 KJ/kg. Dessverre er det ennå ikke rasjonelt å bruke slike motorer på romfartøyer. Årsaken til dette er de høye kostnadene for det isotopiske stoffet og driftsvansker. Tross alt frigjør isotopen konstant energi, selv når den transporteres i en spesiell container og når raketten er parkert ved oppskytningsstedet. Atomreaktorer bruker mer energieffektivt drivstoff. Dermed er den spesifikke masseenergien til 235U (den spaltbare isotopen av uran) lik 6,75 * 10 9 KJ/kg, det vil si omtrent en størrelsesorden høyere enn for 210Po-isotopen. Disse motorene kan "slå på" og "slå av" kjernebrensel (233U, 235U, 238U, 239Pu) er mye billigere enn isotopdrivstoff. I slike motorer kan ikke bare vann brukes som arbeidsvæske, men også mer effektive arbeidsstoffer - alkohol, ammoniakk, flytende hydrogen. Den spesifikke skyvekraften til en motor med flytende hydrogen er 900 s. I den enkleste utformingen av en kjernefysisk rakettmotor med en reaktor som kjører på fast kjernebrensel, plasseres arbeidsvæsken i en tank. Pumpen leverer den til motorkammeret. Sprøytet ved hjelp av dyser kommer arbeidsvæsken i kontakt med det drivstoffgenererende kjernebrenselet, varmes opp, utvider seg og kastes ut i høy hastighet gjennom dysen. Kjernebrensel er overlegen i energireserver til enhver annen type brensel. Da oppstår et logisk spørsmål: hvorfor har installasjoner som bruker dette drivstoffet fortsatt relativt lav spesifikk skyvekraft og stor masse? Faktum er at den spesifikke skyvekraften til en fastfase kjernefysisk rakettmotor er begrenset av temperaturen til det spaltbare materialet, og kraftverket under drift avgir sterk ioniserende stråling, som har en skadelig effekt på levende organismer. Biologisk beskyttelse mot slik stråling er svært viktig og er ikke anvendelig i verdensrommet. fly. Den praktiske utviklingen av kjernefysiske rakettmotorer ved bruk av fast kjernebrensel begynte på midten av 50-tallet av 1900-tallet i Sovjetunionen og USA, nesten samtidig med byggingen av de første kjernekraftverkene. Arbeidet ble utført i en atmosfære av økt hemmelighold, men det er kjent at slike rakettmotorer ennå ikke har fått reell bruk i astronautikk. Alt har så langt vært begrenset til bruk av isotopkilder til elektrisitet med relativt lav effekt på ubemannede kunstige jordsatellitter, interplanetariske romfartøyer og den verdensberømte sovjetiske "måne-roveren".

7. Nukleære jetmotorer, driftsprinsipper, metoder for å oppnå impuls i en kjernefysisk fremdriftsmotor.

Kjernefysiske rakettmotorer har fått navnet sitt på grunn av at de skaper skyvekraft ved bruk av kjernekraft, det vil si energien som frigjøres som følge av kjernefysiske reaksjoner. I en generell forstand betyr disse reaksjonene enhver endring i energitilstanden til atomkjerner, så vel som transformasjoner av noen kjerner til andre, assosiert med en restrukturering av strukturen til kjernene eller en endring i antall elementære partikler som finnes i dem - nukleoner. Videre kan kjernereaksjoner, som kjent, oppstå enten spontant (dvs. spontant) eller forårsaket kunstig, for eksempel når noen kjerner bombarderes av andre (eller elementærpartikler). Kjernefysisk fisjon og fusjonsreaksjoner overskrider i energistørrelse kjemiske reaksjoner henholdsvis millioner og titalls millioner ganger. Dette forklares med at energien kjemisk forbindelse atomer i molekyler er mange ganger mindre enn kjernebindingsenergien til nukleoner i kjernen. Kjernekraft i rakettmotorer kan brukes på to måter:

1. Den frigjorte energien brukes til å varme opp arbeidsvæsken, som deretter utvider seg i dysen, akkurat som i en konvensjonell rakettmotor.

2. Kjernekraft omdannes til elektrisk energi og brukes deretter til å ionisere og akselerere partikler av arbeidsvæsken.

3. Til slutt skapes impulsen av selve fisjonsproduktene, dannet i prosessen (for eksempel brukes ildfaste metaller - wolfram, molybden) for å gi spaltbare stoffer spesielle egenskaper.

Drivstoffelementene til en fastfasereaktor penetreres av kanaler som arbeidsvæsken til kjernefysisk fremdriftsmotor strømmer gjennom, og varmes gradvis opp. Kanalene har en diameter på ca. 1-3 mm, og deres totale areal er 20-30% av tverrsnittet til den aktive sonen. Kjernen er hengt opp av et spesielt gitter inne i kraftkaret slik at den kan utvide seg når reaktoren varmes opp (ellers ville den kollapse på grunn av termiske påkjenninger).

Kjernen opplever høye mekaniske belastninger forbundet med betydelige hydrauliske trykkfall (opptil flere titalls atmosfærer) fra den flytende arbeidsvæsken, termiske påkjenninger og vibrasjoner. Økningen i størrelsen på den aktive sonen når reaktoren varmes opp når flere centimeter. Den aktive sonen og reflektoren er plassert inne i et slitesterkt krafthus som absorberer trykket fra arbeidsvæsken og skyvekraften som skapes av jetdysen. Kassen lukkes med et slitesterkt lokk. Den inneholder pneumatiske, fjærende eller elektriske mekanismer for å drive reguleringsorganene, festepunkter for kjernefysisk fremdriftsmotor til romfartøyet, og flenser for tilkobling av kjernefysisk fremdriftsmotor til forsyningsrørledningene til arbeidsvæsken. En turbopumpeenhet kan også plasseres på dekselet.

8 - Munnstykke,

9 - Ekspanderende dysedyse,

10 - Valg av arbeidsstoff for turbinen,

11 - Power Corps,

12 - Kontrolltromme,

13 - Turbineksos (brukes til å kontrollere holdning og øke skyvekraften),

14 - Drivring for kontrolltromler)

I begynnelsen av 1957 ble den endelige arbeidsretningen ved Los Alamos-laboratoriet bestemt, og det ble tatt en beslutning om å bygge en grafittatomreaktor med uranbrensel spredt i grafitt. Kiwi-A-reaktoren, opprettet i denne retningen, ble testet i 1959 1. juli.

Amerikansk fastfase kjernefysisk jetmotor XE Prime på en testbenk (1968)

I tillegg til byggingen av reaktoren, var Los Alamos-laboratoriet i full gang med byggingen av en spesiell testplass i Nevada, og utførte også en rekke spesialordre fra US Air Force i relaterte områder (utvikling av individuelle TURE-enheter). På vegne av Los Alamos Laboratory ble alle spesialbestillinger for produksjon av individuelle komponenter utført av følgende selskaper: Aerojet General, Rocketdyne-divisjonen i North American Aviation. Sommeren 1958 ble all kontroll over Rover-programmet overført fra United States Air Force til den nylig organiserte National Aeronautics and Space Administration (NASA). Som et resultat av en spesiell avtale mellom AEC og NASA i midten av sommeren 1960, ble Space Nuclear Propulsion Office dannet under ledelse av G. Finger, som senere ledet Rover-programmet.

Resultatene som ble oppnådd fra seks «varmetester» av kjernefysiske jetmotorer var svært oppmuntrende, og tidlig i 1961 ble det utarbeidet en rapport om reaktorflygingstesting (RJFT). Så, i midten av 1961, ble Nerva-prosjektet (bruken av en atommotor for romraketter) lansert. Aerojet General ble valgt som totalentreprenør, og Westinghouse ble valgt som underleverandør med ansvar for byggingen av reaktoren.

10.2 Arbeid med TURE i Russland

Amerikanske" href="/text/category/amerikanetc/" rel="bookmark">Amerikanere, russiske forskere brukte de mest økonomiske og effektive testene av individuelle brenselelementer i forskningsreaktorer. Hele spekteret av arbeid utført på 70-80-tallet tillot designbyrået "Salyut", Design Bureau of Chemical Automatics, IAE, NIKIET og NPO "Luch" (PNITI) å utvikle ulike prosjekter av rom kjernefysiske fremdriftsmotorer og hybrid kjernekraftverk i Design Bureau of Chemical Automatics under vitenskapelig ledelse av NIITP (FEI, IAE, NIKIET, NIITVEL, NPO var ansvarlige for reaktorelementene, Luch), MAI). YARD RD 0411 og atommotor av minimumsstørrelse RD 0410 skyvekraft henholdsvis 40 og 3,6 tonn.

Som et resultat ble en reaktor, en "kald" motor og en benkprototype produsert for testing på hydrogengass. I motsetning til den amerikanske, med en spesifikk impuls på ikke mer enn 8250 m/s, hadde den sovjetiske TNRE, på grunn av bruken av mer varmebestandige og avanserte drivstoffelementer og høy temperatur i kjernen, dette tallet lik 9100 m /s og høyere. Benkebasen for å teste TURE til den felles ekspedisjonen til NPO "Luch" var lokalisert 50 km sørvest for byen Semipalatinsk-21. Hun begynte å jobbe i 1962. I På teststedet ble fullskala brenselelementer av atomdrevne rakettmotorprototyper testet. I dette tilfellet kom avgassen inn i det lukkede eksossystemet. Testbenkkomplekset for fullstørrelsestesting av kjernefysiske motorer "Baikal-1" ligger 65 km sør for Semipalatinsk-21. Fra 1970 til 1988 ble det utført rundt 30 "varmstarter" av reaktorer. Samtidig oversteg ikke effekten 230 MW med et hydrogenforbruk på opptil 16,5 kg/sek og dens temperatur ved reaktorutløpet på 3100 K. Alle oppskytinger var vellykkede, problemfrie og etter planen.

Sovjetiske TNRD RD-0410 er den eneste fungerende og pålitelige industrielle kjernefysiske rakettmotoren i verden

Foreløpig er slikt arbeid på stedet stanset, selv om utstyret holdes i relativt fungerende stand. Testbenkbasen til NPO Luch er det eneste eksperimentelle komplekset i verden hvor det er mulig å teste elementer av kjernefysiske fremdriftsreaktorer uten betydelige økonomiske og tidsmessige kostnader. Det er mulig at gjenopptakelsen i USA av arbeidet med kjernefysiske fremdriftsmotorer for flygninger til Månen og Mars innenfor rammen av Space Research Initiative-programmet med planlagt deltakelse av spesialister fra Russland og Kasakhstan vil føre til gjenopptakelse av aktiviteten kl. Semipalatinsk-basen og gjennomføringen av en "Mars"-ekspedisjon på 2020-tallet.

Hovedtrekk

Spesifikk impuls på hydrogen: 910 - 980 sek(teoretisk opp til 1000 sek).

· Utstrømningshastighet for arbeidsfluidet (hydrogen): 9100 - 9800 m/sek.

· Oppnåelig skyvekraft: opptil hundrevis og tusenvis av tonn.

· Maksimal driftstemperatur: 3000°С - 3700°С (kortvarig innkobling).

· Driftstid: opptil flere tusen timer (periodisk aktivering). /5/

11.Enhet

Utformingen av den sovjetiske solid-fase kjernefysiske rakettmotoren RD-0410

1 - ledning fra arbeidsvæsketanken

2 - turbopumpeenhet

3 - kontroller trommeldrift

4 - strålevern

5 - reguleringstrommel

6 - retarder

7 - drivstoffsamling

8 - reaktorfartøy

9 - brannbunn

10 - dyse kjølelinje

11- dysekammer

12 - munnstykke

12. Driftsprinsipp

I henhold til driftsprinsippet er en TNRE en reaktor-varmeveksler med høy temperatur hvor en arbeidsfluid (flytende hydrogen) innføres under trykk, og når den varmes opp til høye temperaturer (over 3000°C) skytes den ut gjennom en avkjølt munnstykke. Varmeregenerering i dysen er svært fordelaktig, da den gjør at hydrogen kan varmes opp mye raskere og ved å utnytte en betydelig mengde termisk energi kan den spesifikke impulsen økes til 1000 sek (9100-9800 m/s).

Kjernefysisk rakettmotorreaktor

MsoNormalTable">

Arbeidsvæske

Tetthet, g/cm3

Spesifikk skyvekraft (ved spesifiserte temperaturer i varmekammeret, °K), sek

0,071 (væske)

0,682 (flytende)

1000 (flytende)

Nei. Dann

Nei. Dann

Nei. Dann

(Merk: Trykket i varmekammeret er 45,7 atm, ekspansjon til et trykk på 1 atm ved en konstant kjemisk oppbygning arbeidsvæske) /6/

15.Fordeler

Den største fordelen med TNRE-er fremfor kjemiske rakettmotorer er oppnåelsen av en høyere spesifikk impuls, betydelige energireserver, kompakthet av systemet og evnen til å oppnå svært høy skyvekraft (ti, hundre og tusenvis av tonn i et vakuum. spesifikk impuls oppnådd i et vakuum er større enn for et brukt tokomponentkjemikalie rakettdrivstoff(parafin-oksygen, hydrogen-oksygen) med 3-4 ganger, og ved drift på høyeste varmeintensitet med 4-5 ganger. For tiden er det i USA og Russland betydelig erfaring med utvikling og konstruksjon av slike motorer, og om nødvendig (spesielle romutforskningsprogrammer), kan slike motorer produseres på kort tid og vil ha en rimelig kostnad. Ved bruk av TURE for å akselerere romfartøy i rommet, og underlagt tilleggsbruk av forstyrrelsesmanøvrer ved bruk av gravitasjonsfeltet store planeter(Jupiter, Uranus, Saturn, Neptun) de oppnåelige grensene for å studere solsystemet utvides betydelig, og tiden som kreves for å nå fjerne planeter er betydelig redusert. I tillegg kan TNRE-er med hell brukes til enheter som opererer i lave baner av gigantiske planeter ved å bruke deres forsjeldne atmosfære som arbeidsvæske, eller for å operere i atmosfæren deres. /8/

16.Ulemper

Den største ulempen med TNRE er tilstedeværelsen av en kraftig strøm av penetrerende stråling (gammastråling, nøytroner), samt fjerning av høyradioaktive uranforbindelser, ildfaste forbindelser med indusert stråling og radioaktive gasser med arbeidsvæsken. I denne forbindelse er TURE uakseptabelt for bakkeoppskytinger for å unngå forverring av miljøsituasjonen på oppskytningsstedet og i atmosfæren. /14/

17.Forbedre egenskapene til TURD. Hybrid turbopropmotorer

Som enhver rakett eller en hvilken som helst motor generelt, har en fastfase kjernefysisk jetmotor betydelige begrensninger på de viktigste egenskapene som kan oppnås. Disse begrensningene representerer enhetens (TJRE) manglende evne til å operere i temperaturområdet som overstiger området for maksimale driftstemperaturer for motorens strukturelle materialer. For å utvide egenskapene og betydelig øke hovedoperasjonsparameterne til TNRE, kan forskjellige hybridordninger brukes der TNRE spiller rollen som en kilde til varme og energi og ytterligere fysiske metoder for å akselerere arbeidsvæskene brukes. Den mest pålitelige, praktisk gjennomførbare og med høye spesifikke impuls- og skyveegenskaper er et hybridskjema med en ekstra MHD-krets (magnetohydrodynamisk krets) for å akselerere den ioniserte arbeidsvæsken (hydrogen og spesielle tilsetningsstoffer). /1. 3/

18. Strålingsfare fra kjernefysiske fremdriftsmotorer.

En fungerende atommotor er en kraftig kilde til stråling - gamma- og nøytronstråling. Uten å ta spesielle tiltak kan stråling forårsake uakseptabel oppvarming av arbeidsvæsken og strukturen i et romfartøy, skjørhet av metallkonstruksjonsmaterialer, ødeleggelse av plast og aldring av gummideler, skade på isolasjonen av elektriske kabler og feil på elektronisk utstyr. Stråling kan forårsake indusert (kunstig) radioaktivitet av materialer - deres aktivering.

Foreløpig problemet strålevern romfartøy med kjernefysiske fremdriftsmotorer anses i prinsippet som løst. Grunnleggende spørsmål knyttet til vedlikehold av kjernefysiske fremdriftsmotorer på prøvestander og utskytningssteder er også løst. Selv om en fungerende kjernefysisk motor utgjør en fare for driftspersonell, er det allerede én dag etter avsluttet atommotordrift mulig uten noen midler personlig beskyttelse være innen noen få titalls minutter i en avstand på 50 m fra atomkraftverket og til og med nærme seg det. De enkleste beskyttelsesmidlene lar vedlikeholdspersonell gå inn i arbeidsområdet til kjernefysisk fremdriftsmotor kort tid etter testing.

Nivået av forurensning av oppskytningskomplekser og miljøet vil tilsynelatende ikke være et hinder for bruk av kjernefysiske fremdriftsmotorer på de nedre trinnene av romraketter. Problemet med strålingsfare for miljø og driftspersonell reduseres i stor grad av det faktum at hydrogen, brukt som arbeidsfluid, praktisk talt ikke aktiveres når det passerer gjennom reaktoren. Derfor er ikke jetstrømmen til en atomdrevet motor farligere enn strålen til en rakettmotor med flytende drivstoff./4/

Konklusjon

Når man vurderer utsiktene for utvikling og bruk av kjernefysiske fremdriftsmotorer i astronautikk, bør man gå ut fra de oppnådde og forventede egenskapene til ulike typer kjernefysiske fremdriftsmotorer, fra hva deres anvendelse kan gi til astronautikk, og til slutt fra den nære sammenhengen av problemet med kjernefysiske fremdriftsmotorer med problemet med energiforsyning i verdensrommet og med spørsmål om energiutvikling i det hele tatt.

Som nevnt ovenfor, av alle mulige typer kjernefysiske fremdriftsmotorer, er de mest utviklet den termiske radioisotopmotoren og motoren med en fastfase fisjonsreaktor. Men hvis egenskapene til radioisotope kjernefysiske fremdriftsmotorer ikke tillater oss å håpe på deres utbredte bruk i astronautikk (i det minste i nær fremtid), åpner etableringen av fastfase kjernefysiske fremdriftsmotorer store muligheter for astronautikk.

For eksempel er det foreslått en enhet med en innledende masse på 40 000 tonn (dvs. omtrent 10 ganger større enn den for de største moderne bærerakettene), med 1/10 av denne massen som står for nyttelasten, og 2/3 for kjernefysisk kraft. kostnader . Hvis du detonerer en ladning hvert tredje sekund, vil forsyningen deres være nok til 10 dager med kontinuerlig drift av kjernefysiske fremdriftssystemet. I løpet av denne tiden vil enheten akselerere til en hastighet på 10 000 km/s og i fremtiden, etter 130 år, kan den nå stjernen Alpha Centauri.

Kjernekraftverk har unike egenskaper, som inkluderer praktisk talt ubegrenset energiintensitet, uavhengighet av drift fra omgivelsene og immunitet mot ytre påvirkninger ( kosmisk stråling, meteorittskader, høye og lave temperaturer, etc.). Imidlertid er den maksimale effekten til kjernefysiske radioisotopinstallasjoner begrenset til en verdi i størrelsesorden flere hundre watt. Denne begrensningen eksisterer ikke for atomreaktorkraftverk, som bestemmer lønnsomheten av bruken deres under langsiktige flyvninger av tunge romfartøyer i verdensrommet nær jorden, under flyvninger til fjerne planeter i solsystemet og i andre tilfeller.

Fordelene med fastfase- og andre kjernefysiske fremdriftsmotorer med fisjonsreaktorer avsløres mest i studiet av så komplekse romprogrammer som bemannede flyreiser til planetene i solsystemet (for eksempel under en ekspedisjon til Mars). I dette tilfellet gjør en økning i den spesifikke impulsen til thrusteren det mulig å løse kvalitativt nye problemer. Alle disse problemene lindres i stor grad ved bruk av en fastfase kjernefysisk rakettmotor med en spesifikk impuls dobbelt så høy som for moderne rakettmotorer med flytende drivstoff. I dette tilfellet blir det også mulig å redusere flytidene betydelig.

Det er mest sannsynlig at fastfase kjernefysiske fremdriftsmotorer i nær fremtid vil bli en av de vanligste rakettmotorene. Fastfase kjernefysiske fremdriftsmotorer kan brukes som enheter for langdistanseflyvninger, for eksempel til slike planeter som Neptun, Pluto, og til og med for å fly utenfor solsystemet. For flyreiser til stjernene er imidlertid en atomdrevet motor basert på fisjonsprinsipper ikke egnet. I dette tilfellet er lovende kjernefysiske motorer eller mer presist termonukleære jetmotorer (TRE), som opererer etter prinsippet om fusjonsreaksjoner, og fotoniske jetmotorer (PRE), kilden til momentum der er utslettelsesreaksjonen av materie og antimaterie . Imidlertid vil mest sannsynlig menneskeheten bruke en annen transportmetode for å reise i interstellart rom, forskjellig fra jet.

Avslutningsvis vil jeg gi en parafrase av Einsteins berømte setning - for å reise til stjernene, må menneskeheten finne på noe som kan sammenlignes i kompleksitet og oppfatning 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 "Kampen om stjernene" - M: kunnskap, 1998.
4. L. Gilberg "Conquest of the sky" - M: Znanie, 1994.
5. http://epizodsspace. *****/bibl/molodtsov
6. "Motor", "Atommotorer for romfartøy", nr. 5 1999

7. "Motor", "Gassfase kjernefysiske motorer for romfartøy",

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.: Kunnskap, 1983.

11. , Chekalin romutforskning - M.:

Kunnskap, 1988.

12. Gubanov B. "Energi - Buran" - et skritt inn i fremtiden // Vitenskap og liv.-

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

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

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

16. På vei til verdensrommet // Energi. - 1985. - Nr. 6.

APPLIKASJON

Hovedkarakteristika for fastfase kjernefysiske jetmotorer

Produsentland	Motor	Skyv i vakuum, kN	Spesifikk impuls, sek		Prosjektarbeid, år
	NERVA/Lox blandet syklus

Alexander Losev

Den raske utviklingen av rakett- og romteknologi på 1900-tallet ble bestemt av de militærstrategiske, politiske og til en viss grad ideologiske målene og interessene til de to supermaktene - USSR og USA, og alle statlige romprogram var en videreføring av deres militære prosjekter, hvor hovedoppgaven var behovet for å sikre forsvarsevne og strategisk paritet med en potensiell fiende. Kostnadene ved å lage utstyr og driftskostnader var ikke av grunnleggende betydning da. Enorme ressurser ble bevilget til å lage bæreraketter og romfartøyer, og den 108 minutter lange flyturen til Yuri Gagarin i 1961 og TV-sendingen til Neil Armstrong og Buzz Aldrin fra månens overflate i 1969 var ikke bare triumfer av vitenskapelig og teknisk trodde, ble de også betraktet som strategiske seire i kampene under den kalde krigen.

Men etter at Sovjetunionen kollapset og falt ut av kappløpet om verdenslederskap, trengte dets geopolitiske motstandere, først og fremst USA, ikke lenger å gjennomføre prestisjetunge, men ekstremt kostbare romprosjekter for å bevise for hele verden overlegenheten til den vestlige økonomiske system og ideologiske konsepter.
På 90-tallet mistet de viktigste politiske oppgavene fra tidligere år relevans, blokkkonfrontasjon ga plass til globalisering, pragmatisme rådde i verden, så de fleste romprogrammer ble innskrenket eller utsatt bare ISS som en arv fra storskalaprosjektene til fortiden. I tillegg har vestlig demokrati gjort alle kostbare regjeringsprogrammer avhengig av valgsykluser.
Velgerstøtte, nødvendig for å få eller opprettholde makt, tvinger politikere, parlamenter og regjeringer til å lene seg mot populisme og løse kortsiktige problemer, slik at utgiftene til romutforskning reduseres år etter år.
De fleste av de grunnleggende funnene ble gjort i første halvdel av det tjuende århundre, og i dag har vitenskap og teknologi nådd visse grenser, dessuten har populariteten til vitenskapelig kunnskap redusert over hele verden, og kvaliteten på undervisning i matematikk, fysikk og andre naturlige vitenskapene har blitt dårligere. Dette har blitt årsaken til stagnasjonen, også i romsektoren, de siste to tiårene.
Men nå blir det åpenbart at verden nærmer seg slutten av en annen teknologisk syklus basert på oppdagelsene fra forrige århundre. Derfor vil enhver makt som vil ha grunnleggende nye lovende teknologier på tidspunktet for endring i den globale teknologiske strukturen automatisk sikre verdenslederskap i minst de neste femti årene.

Grunnleggende design av en kjernefysisk fremdriftsmotor med hydrogen som arbeidsvæske

Dette realiseres både i USA, som har satt kursen for gjenoppliving av amerikansk storhet på alle aktivitetssfærer, og i Kina, som utfordrer amerikansk hegemoni, og i EU, som prøver med all kraft å opprettholde sin tyngde i den globale økonomien.
Det er en industripolitikk der og de er seriøst engasjert i utviklingen av sitt eget vitenskapelige, tekniske og produksjonspotensiale, og romsfæren kan bli den beste testplassen for å teste ny teknologi og for å bevise eller tilbakevise vitenskapelige hypoteser som kan legge grunnlaget for å skape en fundamentalt annerledes, mer avansert teknologi for fremtiden.
Og det er ganske naturlig å forvente at USA vil være det første landet hvor dype romutforskningsprosjekter vil bli gjenopptatt for å skape unike innovative teknologier innen våpen, transport og strukturelle materialer, så vel som innen biomedisin og telekommunikasjon
Det er sant at ikke engang USA er garantert suksess i å skape revolusjonerende teknologier. Spise høy risiko finn deg selv i en blindvei når du forbedrer et halvt århundre gamle rakettmotorer basert på kjemisk drivstoff, slik Elon Musks SpaceX gjør, eller lager livsstøttesystemer for lange flyvninger som ligner på de som allerede er implementert på ISS.
Kan Russland, hvis stagnasjon i romsektoren blir mer merkbar for hvert år, ta et sprang i kappløpet om fremtidig teknologisk lederskap for å forbli i supermaktsklubben i stedet for på listen over utviklingsland?
Ja, selvfølgelig kan Russland, og dessuten er det allerede tatt et merkbart skritt fremover innen kjernekraft og kjernefysiske rakettmotorteknologier, til tross for den kroniske underfinansieringen av romindustrien.
Astronautikkens fremtid er bruken av kjernekraft. For å forstå hvordan kjernefysisk teknologi og rom henger sammen, er det nødvendig å vurdere de grunnleggende prinsippene for jetfremdrift.
Så, hovedtypene av moderne rommotorer skapt etter prinsippene for kjemisk energi. Dette er fast brenselakseleratorer og flytende rakettmotorer, i deres forbrenningskamre går drivstoffkomponentene (drivstoff og oksidasjonsmiddel) inn i en eksoterm fysisk og kjemisk forbrenningsreaksjon, og danner en jetstrøm som sender ut tonnevis av stoff fra motordysen hvert sekund. Den kinetiske energien til strålens arbeidsfluid omdannes til en reaktiv kraft som er tilstrekkelig til å drive raketten. Den spesifikke impulsen (forholdet mellom skyvekraften som genereres og massen av drivstoffet som brukes) til slike kjemiske motorer avhenger av drivstoffkomponentene, trykket og temperaturen i forbrenningskammeret, samt molekylvekten til gassblandingen som kastes ut gjennom motordyse.
Og jo høyere temperatur på stoffet og trykket inne i forbrenningskammeret, og jo lavere molekylmassen til gassen er, jo høyere er den spesifikke impulsen, og derfor motorens effektivitet. Spesifikk impuls er en mengde bevegelse og måles vanligvis i meter per sekund, akkurat som hastighet.
I kjemiske motorer gis den høyeste spesifikke impulsen av oksygen-hydrogen og fluor-hydrogen brenselblandinger (4500–4700 m/s), men de mest populære (og praktiske å betjene) har blitt rakettmotorer som kjører på parafin og oksygen, f. eksempel Soyuz og Musks Falcon-raketter, samt motorer som bruker usymmetrisk dimetylhydrazin (UDMH) med et oksidasjonsmiddel i form av en blanding av nitrogentetroksid og salpetersyre (sovjetisk og russisk Proton, fransk Ariane, amerikansk Titan). Effektiviteten deres er 1,5 ganger lavere enn for hydrogendrivstoffmotorer, men en impuls på 3000 m/s og kraft er nok til å gjøre det økonomisk lønnsomt å sende tonnevis med nyttelast inn i baner nær jorden.
Men flyreiser til andre planeter krever mye større størrelse romskip enn alle som har blitt skapt av menneskeheten tidligere, inkludert den modulære ISS. I disse skipene er det nødvendig å sikre langsiktighet autonom tilværelse mannskaper, og en viss tilførsel av drivstoff og levetid for vedlikeholdsmotorer og motorer for manøvrer og banekorreksjon, sørger for levering av astronauter i en spesiell landingsmodul til overflaten av en annen planet, og deres retur til hovedtransportskipet, og deretter returen av ekspedisjonen til jorden.
Den akkumulerte ingeniørkunnskapen og kjemiske energien til motorer gjør det mulig å returnere til Månen og nå Mars, så det er stor sannsynlighet for at menneskeheten vil besøke den røde planeten i løpet av det neste tiåret.
Hvis vi bare stoler på eksisterende romteknologi, vil minimumsmassen til den beboelige modulen for en bemannet flytur til Mars eller til satellittene til Jupiter og Saturn være omtrent 90 tonn, som er 3 ganger mer enn måneskipene på begynnelsen av 1970-tallet , som betyr at bæreraketter for deres oppskyting i referansebaner for videre flyging til Mars vil være mye bedre enn Saturn 5 (utskytningsvekt 2965 tonn) til Apollo-måneprosjektet eller det sovjetiske luftfartsselskapet Energia (utskytningsvekt 2400 tonn). Det vil være nødvendig å lage et interplanetarisk kompleks i bane som veier opptil 500 tonn. En flytur på et interplanetarisk skip med kjemiske rakettmotorer vil kreve fra 8 måneder til 1 år kun i én retning, fordi du må gjøre gravitasjonsmanøvrer, bruke gravitasjonskraften til planetene og en kolossal tilførsel av drivstoff for å akselerere skipet i tillegg .
Men ved å bruke den kjemiske energien til rakettmotorer, vil ikke menneskeheten fly lenger enn til Mars eller Venus. Vi trenger forskjellige flyhastigheter for romfartøy og annen kraftigere bevegelsesenergi.

Moderne design av en kjernefysisk rakettmotor Princeton Satellite Systems

For å utforske dypt rom er det nødvendig å øke skyvekraft-til-vekt-forholdet og effektiviteten til en rakettmotor betydelig, og derfor øke dens spesifikke impuls og levetid. Og for å gjøre dette er det nødvendig å varme opp en gass eller arbeidsvæske med lav atommasse inne i motorkammeret til temperaturer flere ganger høyere enn den kjemiske forbrenningstemperaturen til tradisjonelle drivstoffblandinger, og dette kan gjøres ved hjelp av en kjernefysisk reaksjon.
Hvis du, i stedet for et konvensjonelt forbrenningskammer, plasserer inne i en rakettmotor kjernereaktor, inn i den aktive sonen som et stoff i flytende eller gassform vil bli tilført, da vil det, som varmes opp under høyt trykk opp til flere tusen grader, begynne å bli kastet ut gjennom dysekanalen, og skaper jettrykk. Den spesifikke impulsen til en slik kjernefysisk jetmotor vil være flere ganger større enn den til en konvensjonell med kjemiske komponenter, noe som betyr at effektiviteten til både selve motoren og bæreraketten som helhet vil øke mange ganger. I dette tilfellet vil det ikke være nødvendig med et oksidasjonsmiddel for forbrenning av drivstoff, og lett hydrogengass kan brukes som et stoff som skaper jet-skyvekraft redusere massen av raketten med bedre ytelse motorkraft.
En atommotor vil være bedre enn en konvensjonell, siden den lette gassen i reaktorsonen kan varmes opp til temperaturer over 9 tusen grader Kelvin, og en stråle av slik overopphetet gass vil gi en mye høyere spesifikk impuls enn konvensjonelle kjemiske motorer kan gi . Men dette er i teorien.
Faren er ikke engang at når en utskytningsfartøy med en slik atominstallasjon skytes opp, kan det oppstå radioaktiv forurensning av atmosfæren og rommet rundt utskytningsrampen, hovedproblemet er at når høye temperaturer Selve motoren kan smelte sammen med romfartøyet. Designere og ingeniører forstår dette og har forsøkt å finne passende løsninger i flere tiår.
Kjernefysiske rakettmotorer (NRE) har allerede sin egen historie med skapelse og operasjon i verdensrommet. Den første utviklingen av kjernefysiske motorer begynte på midten av 1950-tallet, det vil si allerede før menneskelig flukt ut i verdensrommet, og nesten samtidig i både USSR og USA, og selve ideen om å bruke atomreaktorer for å varme opp arbeidet stoffet i en rakettmotor ble født sammen med de første rektorene på midten av 40-tallet, det vil si for mer enn 70 år siden.
I vårt land var initiativtakeren til opprettelsen av kjernefysisk fremdrift den termiske fysikeren Vitaly Mikhailovich Ievlev. I 1947 presenterte han et prosjekt som ble støttet av S. P. Korolev, I. V. Kurchatov og M. V. Keldysh. Opprinnelig var det planlagt å bruke slike motorer for kryssermissiler, og deretter installere dem på ballistiske missiler. Utviklingen ble utført av de ledende forsvarsdesignbyråene i Sovjetunionen, samt forskningsinstitutter NIITP, CIAM, IAE, VNIINM.
Den sovjetiske atommotoren RD-0410 ble satt sammen på midten av 60-tallet ved Voronezh Chemical Automatics Design Bureau, hvor de fleste flytende rakettmotorer for romteknologi ble laget.
Hydrogen ble brukt som arbeidsvæske i RD-0410, som i flytende form passerte gjennom en "kjølekappe", som fjernet overflødig varme fra dyseveggene og hindret den i å smelte, og deretter kom inn i reaktorkjernen, hvor den ble varmet opp. til 3000K og frigjøres gjennom kanaldysene, og konverterer dermed termisk energi til kinetisk energi og skaper en spesifikk impuls på 9100 m/s.
I USA ble atomfremdriftsprosjektet lansert i 1952, og den første driftsmotoren ble opprettet i 1966 og fikk navnet NERVA (Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application). På 60- og 70-tallet prøvde Sovjetunionen og USA å ikke gi etter for hverandre.
Riktignok var både vår RD-0410 og den amerikanske NERVA fastfase atommotorer (atombrensel basert på urankarbider var i reaktoren i fast tilstand), og deres arbeidstemperatur var i området 2300–3100K.
For å øke temperaturen på kjernen uten risiko for eksplosjon eller smelting av reaktorveggene, er det nødvendig å skape slike kjernefysiske reaksjonsforhold der brenselet (uran) blir til en gassform eller blir til plasma og holdes inne i reaktoren. av et sterkt magnetfelt, uten å berøre veggene. Og deretter "flyter" hydrogenet som kommer inn i reaktorkjernen rundt uranet i gassfasen, og blir til plasma, kastes ut med en veldig høy hastighet gjennom dysekanalen.
Denne typen motor kalles en gassfase kjernefysisk fremdriftsmotor. Temperaturene til gassformig uranbrensel i slike kjernefysiske motorer kan variere fra 10 tusen til 20 tusen grader Kelvin, og den spesifikke impulsen kan nå 50 000 m/s, som er 11 ganger høyere enn for de mest effektive kjemiske rakettmotorene.
Opprettelsen og bruken av gassfase kjernefysiske fremdriftsmotorer av åpne og lukkede typer innen romteknologi er den mest lovende retningen i utviklingen av romrakettmotorer og nøyaktig hva menneskeheten trenger for å utforske planetene i solsystemet og deres satellitter.
Den første forskningen på gassfase kjernefysisk fremdriftsprosjekt startet i USSR i 1957 ved Research Institute of Thermal Processes (National Research Center oppkalt etter M. V. Keldysh), og beslutningen om å utvikle kjernefysiske romkraftverk basert på gassfase atomreaktorer ble laget i 1963 av akademiker V. P. Glushko (NPO Energomash), og deretter godkjent av en resolusjon fra CPSU sentralkomité og Ministerrådet i USSR.
Utviklingen av gassfase kjernefysiske fremdriftsmotorer ble utført i Sovjetunionen i to tiår, men ble dessverre aldri fullført på grunn av utilstrekkelig finansiering og behovet for ytterligere grunnleggende forskning innen termodynamikk av kjernebrensel og hydrogenplasma, nøytronfysikk og magnetohydrodynamikk.
Sovjetiske kjernefysiske forskere og designingeniører sto overfor en rekke problemer, for eksempel å oppnå kritikalitet og sikre stabiliteten i driften av en gassfase-atomreaktor, redusere tapet av smeltet uran under frigjøring av hydrogen oppvarmet til flere tusen grader, termisk beskyttelse av dysen og magnetfeltgeneratoren, og akkumulering av uran fisjonsprodukter, valg av kjemisk motstandsdyktige byggematerialer, etc.
Og når for sovjetisk program"Mars-94" av den første bemannede flyturen til Mars, Energia-raketten begynte å bli opprettet, atommotorprosjektet ble utsatt på ubestemt tid. Sovjetunionen hadde ikke nok tid, og viktigst av alt, politisk vilje og økonomisk effektivitet, til å lande våre kosmonauter på planeten Mars i 1994. Dette ville være en ubestridelig prestasjon og bevis på vårt lederskap innen høyteknologi i løpet av de neste tiårene. Men verdensrommet, som mange andre ting, ble forrådt av den siste ledelsen i Sovjetunionen. Historien kan ikke endres, avdøde forskere og ingeniører kan ikke bringes tilbake, og tapt kunnskap kan ikke gjenopprettes. Mye vil måtte skapes på nytt.
Men romatomkraft er ikke bare begrenset til sfæren til fast- og gassfase kjernefysiske fremdriftsmotorer. Elektrisk energi kan brukes til å skape en oppvarmet strøm av materie i en jetmotor. Denne ideen ble først uttrykt av Konstantin Eduardovich Tsiolkovsky tilbake i 1903 i hans arbeid "Utforskning av verdensrom ved bruk av jetinstrumenter."
Og den første elektrotermiske rakettmotoren i USSR ble opprettet på 1930-tallet av Valentin Petrovich Glushko, en fremtidig akademiker ved USSR Academy of Sciences og leder av NPO Energia.
Driftsprinsippene til elektriske rakettmotorer kan være forskjellige. De er vanligvis delt inn i fire typer:

• elektrotermisk (oppvarming eller lysbue). I dem varmes gassen opp til temperaturer på 1000–5000K og kastes ut av dysen på samme måte som i en kjernefysisk rakettmotor.
• elektrostatiske motorer (kolloidale og ioniske), der arbeidsstoffet først ioniseres, og deretter positive ioner (atomer uten elektroner) akselereres i et elektrostatisk felt og blir også kastet ut gjennom dysekanalen, og skaper jettrykk. Elektrostatiske motorer inkluderer også stasjonære plasmamotorer.
• magnetoplasma og magnetodynamiske rakettmotorer. Der akselereres gassplasmaet på grunn av at Ampere-kraften i de magnetiske og elektriske feltene krysser hverandre vinkelrett.
• pulsrakettmotorer, som bruker energien til gasser som følge av fordampning av en arbeidsvæske i en elektrisk utladning.

Fordelen med disse elektriske rakettmotorene er det lave forbruket av arbeidsvæsken, effektiviteten opp til 60% og høy partikkelstrømhastighet, noe som kan redusere romfartøyets masse betydelig, men det er også en ulempe - lav skyvetetthet, og derfor lav effekt, så vel som de høye kostnadene for arbeidsvæsken (inerte gasser eller damper alkalimetaller) for å lage plasma.
Alle de listede typene elektriske motorer har blitt implementert i praksis og har blitt brukt gjentatte ganger i verdensrommet på både sovjetiske og amerikanske romfartøy siden midten av 60-tallet, men på grunn av deres lave effekt ble de hovedsakelig brukt som banekorreksjonsmotorer.
Fra 1968 til 1988 lanserte USSR en hel serie Cosmos-satellitter med atominstallasjoner om bord. Reaktortypene ble navngitt: "Buk", "Topaz" og "Yenisei".
Reaktoren til Yenisei-prosjektet hadde en termisk effekt på opptil 135 kW og elektrisk strøm ca 5 kW. Kjølevæsken var en natrium-kalium-smelte. Dette prosjektet ble avsluttet i 1996.
En ekte fremdriftsrakettmotor krever en veldig kraftig energikilde. Og den beste energikilden for slike rommotorer er en atomreaktor.
Atomenergi er en av de høyteknologiske næringene hvor landet vårt opprettholder en ledende posisjon. Og en fundamentalt ny rakettmotor er allerede i ferd med å lages i Russland, og dette prosjektet er nær en vellykket fullføring i 2018. Flytester er planlagt til 2020.
Og hvis gassfase kjernefysisk fremdrift er et tema for fremtidige tiår som vi må gå tilbake til etter grunnleggende forskning, så er dagens alternativ et megawatt-klasse kjernekraftfremdriftssystem (NPPU), og det er allerede opprettet av Rosatom og Roscosmos-bedrifter siden 2009.
NPO Krasnaya Zvezda, som for tiden er verdens eneste utvikler og produsent av romatomkraftverk, samt forskningssenteret oppkalt etter A. M. V. Keldysh, NIKIET im. N. A. Dollezhala, Forskningsinstituttet NPO “Luch”, “Kurchatov Institute”, IRM, IPPE, RIAR og NPO Mashinostroeniya.
Kjernekraftfremdriftssystemet inkluderer en høytemperatur gasskjølt rask nøytronkjernereaktor med et turbomaskinsystem for å konvertere termisk energi til elektrisk energi, et system av kjøleemittere for å fjerne overflødig varme ut i rommet, et instrumentrom, en støtteblokk plasma- eller ionelektriske motorer, og en beholder for plassering av nyttelasten.
I et kraftfremdriftssystem tjener en atomreaktor som en kilde til elektrisitet for drift av elektriske plasmamotorer, mens gasskjølevæsken til reaktoren som passerer gjennom kjernen går inn i turbinen til den elektriske generatoren og kompressoren og går tilbake til reaktoren i en lukket sløyfe, og blir ikke kastet ut i verdensrommet som i en kjernefysisk fremdriftsmotor, noe som gjør designet mer pålitelig og trygt, og derfor egnet for bemannet romflukt.
Det er planlagt at atomkraftverket skal brukes til en gjenbrukbar romslepebåt for å sikre levering av last under utforskningen av månen eller opprettelsen av flerbruks orbitalkomplekser. Fordelen vil ikke bare være gjenbrukbar bruk av elementer i transportsystemet (som Elon Musk prøver å oppnå i sine SpaceX-romprosjekter), men også muligheten til å levere tre ganger mer last enn på raketter med kjemikalie. jetmotorer sammenlignbar kraft ved å redusere startmassen til transportsystemet. Den spesielle utformingen av installasjonen gjør den trygg for mennesker og miljøet på jorden.
I 2014 ble det første standarddesignede brenselelementet (fuel element) for dette kjernefysiske elektriske fremdriftssystemet satt sammen ved JSC Mashinostroitelny Zavod i Elektrostal, og i 2016 ble det utført tester av en reaktorkjernekurvsimulator.
Nå (i 2017) arbeides det med produksjon av strukturelle elementer for installasjon og testing av komponenter og sammenstillinger på mock-ups, samt autonom testing av turbomaskin-energikonverteringssystemer og prototypekraftenheter. Fullføring av arbeidet er planlagt til slutten av neste 2018, men siden 2015 begynte etterslepet av tidsplanen å samle seg.
Så snart denne installasjonen er opprettet, vil Russland bli det første landet i verden som har kjernefysiske romteknologier, som vil danne grunnlaget ikke bare for fremtidige prosjekter for utforskning av solsystemet, men også for terrestrisk og utenomjordisk energi . Romatomkraftverk kan brukes til å lage systemer for fjernoverføring av elektrisitet til jorden eller til rommoduler ved bruk av elektromagnetisk stråling. Og dette vil også bli en avansert teknologi for fremtiden, hvor landet vårt vil ha en ledende posisjon.
Basert på de elektriske plasmamotorene som utvikles, vil det bli laget kraftige fremdriftssystemer for langdistanseflyvninger ut i verdensrommet og først og fremst for utforskning av Mars, hvis bane kan nås på bare 1,5 måneder, og ikke i mer enn ett år, som ved bruk av konvensjonelle kjemiske jetmotorer .
Og fremtiden begynner alltid med en revolusjon innen energi. Og ingenting annet. Energi er primært og det er mengden energiforbruk som påvirker teknisk fremgang, forsvarsevne og livskvaliteten til mennesker.

NASA eksperimentell plasmarakettmotor

Den sovjetiske astrofysikeren Nikolai Kardashev foreslo en skala for utvikling av sivilisasjoner tilbake i 1964. I henhold til denne skalaen avhenger nivået av teknologisk utvikling av sivilisasjoner av mengden energi som planetens befolkning bruker til sine behov. Dermed bruker type I-sivilisasjonen alle tilgjengelige ressurser tilgjengelig på planeten; Type II sivilisasjon - mottar energien til stjernen sin i hvis system den befinner seg; og en type III-sivilisasjon bruker den tilgjengelige energien til sin galakse. Menneskeheten har ennå ikke modnet til type I-sivilisasjon på denne skalaen. Vi bruker bare 0,16% av den totale potensielle energireserven til planeten Jorden. Dette betyr at Russland og hele verden har plass til å vokse, og disse kjernefysiske teknologiene vil åpne veien for landet vårt ikke bare til verdensrommet, men også for fremtidig økonomisk velstand.
Og kanskje det eneste alternativet for Russland på det vitenskapelige og tekniske området er å nå gjøre et revolusjonerende gjennombrudd innen kjernefysisk romteknologi for å overvinne det mangeårige etterslepet bak lederne i ett "sprang" og være rett ved opprinnelsen til en ny teknologisk revolusjon i den neste utviklingssyklusen av menneskelig sivilisasjon. En slik unik sjanse faller til et bestemt land bare én gang hvert par århundrer.
Dessverre risikerer Russland, som ikke har viet nok oppmerksomhet til grunnleggende vitenskaper og kvaliteten på høyere og videregående opplæring de siste 25 årene, å miste denne sjansen for alltid hvis programmet begrenses og en ny generasjon forskere ikke erstatter dagens forskere og ingeniører. De geopolitiske og teknologiske utfordringene Russland vil møte om 10–12 år vil være svært alvorlige, sammenlignbare med truslene på midten av det tjuende århundre. For å bevare Russlands suverenitet og integritet i fremtiden, er det nå presserende nødvendig å begynne å trene spesialister som er i stand til å svare på disse utfordringene og skape noe fundamentalt nytt.
Det er bare rundt 10 år på å forvandle Russland til et globalt intellektuelt og teknologisk senter, og dette kan ikke gjøres uten en alvorlig endring i kvaliteten på utdanningen. For et vitenskapelig og teknologisk gjennombrudd er det nødvendig å gå tilbake til utdanningssystemet (både skole og universitet) systematiske syn på verdensbildet, vitenskapelig fundamentalitet og ideologisk integritet.
Når det gjelder den nåværende stagnasjonen i romfartsindustrien, er ikke dette skummelt. Fysiske prinsipper, som moderne romteknologi er basert på, vil være etterspurt i lang tid i den konvensjonelle satellitttjenestesektoren. La oss huske at menneskeheten brukte seilet i 5,5 tusen år, og epoken med damp varte i nesten 200 år, og først i det tjuende århundre begynte verden å endre seg raskt, fordi en annen vitenskapelig og teknologisk revolusjon fant sted, som lanserte en bølge av innovasjon og en endring i teknologiske strukturer, som til slutt endret og verdensøkonomien og politikk. Det viktigste er å være ved opprinnelsen til disse endringene.

Puls YARD ble utviklet i samsvar med prinsippet som ble foreslått i 1945 av Dr. S. Ulam fra Los Alamos Research Laboratory, ifølge hvilket det er foreslått å bruke en atomladning som energikilde (drivstoff) til en svært effektiv romrakettkaster.

I de dager, som i mange år som fulgte, var atom- og termonukleære ladninger de kraftigste og mest kompakte energikildene sammenlignet med alle andre. Som du vet, er vi for tiden på randen av å finne måter å kontrollere en enda mer konsentrert energikilde på, siden vi allerede er ganske avanserte i utviklingen av den første enheten som bruker antimaterie. Hvis vi bare går ut fra mengden tilgjengelig energi, gir kjernefysiske ladninger en spesifikk skyvekraft på mer enn 200 000 sekunder, og termonukleære ladninger - opptil 400 000 sekunder. Disse spesifikke skyveverdiene er uoverkommelig høye for de fleste flyvninger i solsystemet. Dessuten, når man bruker kjernebrensel i sin "rene" form, oppstår det mange problemer som, selv på det nåværende tidspunkt, ennå ikke er fullstendig løst. Så energien som frigjøres under eksplosjonen må overføres til arbeidsvæsken, som varmes opp og deretter strømmer ut av motoren og skaper skyvekraft. I samsvar med konvensjonelle metoder for å løse et slikt problem, plasseres en kjernefysisk ladning i et "forbrenningskammer" fylt med en arbeidsvæske (for eksempel vann eller annet flytende stoff), som fordamper og deretter ekspanderer med en større eller mindre grad av diabatisitet i dysen.

Et slikt system, som vi kaller en intern pulsert kjernefysisk fremdriftsmotor, er veldig effektivt, siden alle eksplosjonens produkter og hele massen av arbeidsvæsken brukes til å skape skyvekraft. En ustabil driftssyklus gjør at et slikt system kan utvikle høyere trykk og temperaturer i forbrenningskammeret, og som et resultat en høyere spesifikk skyvekraft sammenlignet med en kontinuerlig driftssyklus. Selve det faktum at eksplosjoner oppstår inne i et visst volum pålegger imidlertid betydelige begrensninger på trykket og temperaturen i kammeret, og følgelig på den oppnåelige verdien av spesifikk skyvekraft. I lys av dette, til tross for de mange fordelene med en intern pulset NRE, viste en ekstern pulset NRE seg å være enklere og mer effektiv på grunn av bruken av den gigantiske mengden energi som frigjøres under atomeksplosjoner.

I en kjernefysisk fremdriftsmotor med ytre virkning er ikke hele massen av drivstoffet og arbeidsvæsken med på å skape jetkraft. Men her selv med lavere effektivitet. Mer energi brukes, noe som resulterer i mer effektiv systemytelse. Et eksternt pulsert NPP (heretter bare referert til som et pulset NPP) bruker energien fra eksplosjonen av et stort antall små atomladninger om bord på raketten. Disse kjernefysiske ladningene blir sekvensielt kastet ut fra raketten og detonert bak den i en viss avstand ( tegning nedenfor). Ved hver eksplosjon kolliderer noen av de ekspanderende gassformede fisjonsfragmentene i form av plasma med høy tetthet og hastighet med rakettens bunn - skyveplattformen. Momentumet til plasmaet overføres til skyveplattformen, som beveger seg fremover med stor akselerasjon. Akselerasjonen reduseres av en dempeanordning til flere g i neserommet på raketten, som ikke overskrider utholdenhetsgrensene til menneskekroppen. Etter kompresjonssyklusen returnerer dempingsanordningen skyveplattformen til utgangsposisjonen, hvoretter den er klar til å motta neste impuls.

Den totale hastighetsøkningen oppnådd av romfartøyet ( tegning, lånt fra jobben ), avhenger av antall eksplosjoner og bestemmes derfor av antall atomladninger brukt under en gitt manøver. Systematisk utvikling av et slikt kjernekraftfremdriftsprosjekt ble startet av 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, hvoretter arbeidet i denne retningen ble midlertidig stoppet for å kunne gjenopptas igjen i fremtiden, siden denne typen fremdriftssystem ble valgt som en av de to viktigste fremdriftsmotorene til romfartøyer som flyr i solsystemet.

Driftsprinsipp for en pulsert ytre kjernefysisk fremdriftsmotor

En tidlig versjon av installasjonen, utviklet av NASA i 1964-1965, var sammenlignbar (i diameter) med Saturn 5-raketten og ga en spesifikk skyvekraft på 2500 sek og en effektiv skyvekraft på 350 g; den "tørre" vekten (uten drivstoff) til hovedmotorrommet var 90,8 tonn Den opprinnelige versjonen av den pulserende kjernefysiske rakettmotoren brukte de tidligere nevnte atomladningene, og det ble antatt at den ville operere i lave jordbaner og i strålingen. beltesonen på grunn av faren for radioaktiv forurensning i atmosfæren av råteprodukter som frigjøres under eksplosjoner. Deretter ble den spesifikke skyvekraften til pulserende atomdrevne motorer økt til 10 000 sekunder, og de potensielle egenskapene til disse motorene gjorde det mulig å doble dette tallet i fremtiden.

Et pulsert kjernefysisk fremdriftssystem kan ha blitt utviklet allerede på 70-tallet, med tanke på å gjennomføre den første bemannede romflukten til planetene tidlig på 80-tallet. Utviklingen av dette prosjektet ble imidlertid ikke utført i full kraft på grunn av godkjenningen av programmet for opprettelse av en fastfase kjernefysisk fremdriftsmotor. I tillegg var utviklingen av en pulserende kjernefysisk rakettmotor forbundet med et politisk problem, siden den brukte atomladninger.

Erica K.A. (Krafft A. Ehricke)