Ракетный термоядерный двигатель: Через термояд к звёздам — Alpha Centauri

Британцы испытали ракетный двигатель на пластиковых отходах и собираются создать термоядерный космический двигатель

Ядерные двигатели в крылатых ракетах. Досье

19 июля 2018, 08:56

ТАСС-ДОСЬЕ. 19 июля 2018 года в Минобороны сообщили журналистам, что Россия готовится провести летные испытания опытных образцов усовершенствованной крылатой ракеты «Буревестник» с ядерным двигателем. В ведомстве указали, что малозаметная крылатая ракета с практически неограниченной дальностью, несущая ядерную боевую часть, является неуязвимой для всех существующих и перспективных систем как противоракетной, так и противовоздушной обороны.

Редакция ТАСС-ДОСЬЕ подготовила справочный материал о проектах использования ядерных двигателей в крылатых ракетах.

Ядерные двигатели

Идея использовать ядерные двигатели в авиации и космонавтике возникла в 1950-х годах вскоре после создания технологии управляемой атомной реакции. Плюсом такого двигателя является длительное время работы на практически не расходуемом в полете компактном источнике топлива, что означает неограниченную дальность полета. Минусами были большой вес и габариты атомных реакторов того времени, сложность их перезарядки, необходимость обеспечения биологической защиты обслуживающего персонала. С начала 1950-х годов ученые СССР и США независимо друг от друга изучали возможность создания разных типов атомных двигателей:

• ядерный прямоточный воздушно-реактивный двигатель (ЯПВРД): в нем поступающий через воздухозаборник воздух попадает в активную зону реактора, нагревается и выбрасывается через сопло, создавая нужную тягу;
• ядерный турбореактивный двигатель: действует по похожей схеме, но воздух перед попаданием в реактор сжимается компрессором;
• ядерный ракетный двигатель: тяга создается за счет нагрева реактором рабочего тела, водорода, аммиака, других газов или жидкостей, которые затем выбрасываются в сопло;
• ядерный импульсный двигатель: реактивную тягу создают поочередные ядерные взрывы малой мощности;
• электрореактивный двигатель: вырабатываемая реактором электроэнергия используется для нагрева рабочего тела до состояния плазмы.

Наиболее подходящими для крылатых ракет и самолетов являются прямоточный воздушно-реактивный или турбореактивный двигатель. В проектах крылатых ракет предпочтение традиционно отдавалось первому варианту.

Советские проекты

В СССР работами по созданию ядерного прямоточного воздушно-реактивного двигателя занималось ОКБ-670 под руководством Михаила Бондарюка. ЯПВРД был предназначен для модификации межконтинентальной крылатой ракеты «Буря» («изделие 375»), которую с 1954 года проектировало ОКБ-301 под руководством Семена Лавочкина. Стартовый вес ракеты достигал 95 т, дальность должна была составить 8 тыс. км. Однако в 1960 году через несколько месяцев после смерти Лавочкина проект «обычной» крылатой ракеты «Буря» был закрыт. Создание же ракеты с ЯПВРД так и не вышло за рамки предэскизного проектирования.

Впоследствии специалисты ОКБ-670 (переименованного в КБ «Красная Звезда») занялись созданием ядерных ракетных двигателей для космических и боевых баллистических ракет, однако ни один из проектов так и не дошел до стадии испытаний. После смерти Бондарюка работы над авиационными ядерными двигателями были фактически прекращены.

К ним вернулись лишь в 1978 году, когда при НИИ тепловых процессов было образовано конструкторское бюро из бывших специалистов «Красной Звезды», занимавшееся прямоточными воздушно-реактивными двигателями. Одной из их разработок стал ядерный прямоточный воздушно-реактивный двигатель для более компактной, по сравнению с «Бурей», крылатой ракеты (стартовой массой до 20 т). Как писали СМИ, «проведенные исследования показали принципиальную возможность реализации проекта». Однако о ее испытаниях не сообщалось.

Само КБ просуществовало под различными названиями (НПВО «Пламя», ОКБ «Пламя-М») до 2004 года, после чего закрыто.

Опыт США

С середины 1950-х годов ученые Радиационной лаборатории в Ливерморе (штат Калифорния) в рамках проекта Pluto разрабатывали ядерный прямоточный воздушно-реактивный двигатель для сверхзвуковой крылатой ракеты.

К началу 1960-х годов были созданы несколько прототипов ЯПВРД, первый из которых — Tory-IIA — был испытан в мае 1961 года.  В 1964 году начались испытания новой модификации двигателя — Tory-IIC, который смог проработать пять минут, показав тепловую мощность около 500 МВт и тягу в 16 т.

Однако вскоре проект был закрыт. Традиционно считают, что причиной этого как в США, так и в СССР стало успешное создание межконтинентальных баллистических ракет, способных доставить ядерные боезаряды на территорию противника. В этой ситуации межконтинентальные крылатые ракеты не выдержали конкуренции.

В России

1 марта 2018 года, выступая с посланием Федеральному собранию РФ, президент России Владимир Путин сообщил, что в конце 2017 года на Центральном полигоне Российской Федерации была успешно испытана новейшая крылатая ракета с ядерной энергоустановкой, дальность полета которой «является практически неограниченной». Ее разработка была начата после выхода США в декабре 2001 года из Договора об ограничении систем противоракетной обороны 1972 года. Название «Буревестник» ракета получила 22 марта 2018 года по итогам открытого голосования на сайте Минобороны.  

Теги:

Путин, Владимир ВладимировичРоссия

Полеты на Fusion Power — как будет работать Fusion Propulsion

Реакции термоядерного синтеза высвобождают огромное количество энергии, поэтому исследователи разрабатывают способы использования этой энергии в двигательной установке. Космический корабль с термоядерным двигателем может ускорить график пилотируемой миссии НАСА на Марс. Этот тип космического корабля может сократить время полета к Марсу более чем на 50 процентов, тем самым уменьшив вредное воздействие радиации и невесомости.

Создание космического корабля на термоядерном топливе было бы эквивалентно разработке автомобиля на Земле, который может двигаться в два раза быстрее, чем любой другой автомобиль, с эффективностью использования топлива 7000 миль на галлон. В ракетостроении топливная экономичность ракетного двигателя измеряется его удельный импульс . Удельный импульс относится к единицам тяги на единицу топлива, израсходованного с течением времени.

Реклама

Термоядерный двигатель может иметь удельный импульс примерно в 300 раз больше, чем обычные химические ракетные двигатели. Типичный химический ракетный двигатель имеет удельный импульс около 450 секунд, что означает, что двигатель может производить 1 фунт тяги из 1 фунта топлива в течение 450 секунд. Термоядерная ракета может иметь расчетный удельный импульс 130 000 секунд. Кроме того, ракеты с термоядерным двигателем будут использовать водород в качестве топлива, что означает, что он сможет пополнять себя во время путешествия в космосе. Водород присутствует в атмосфере многих планет, поэтому все, что нужно сделать космическому кораблю, — это опуститься в атмосферу и всосать немного водорода для дозаправки.

Ракеты с термоядерным двигателем также могут обеспечить большую тягу, чем химические ракеты, которые быстро сжигают свое топливо. Считается, что термоядерный двигатель позволит быстро перемещаться в любую точку нашей Солнечной системы, а также сможет совершить кругосветное путешествие с Земли на Юпитер всего за два года. Давайте взглянем на два проекта НАСА по созданию термоядерных двигателей.

Магнитоплазменная ракета с переменным удельным импульсом

VASIMR на самом деле представляет собой плазменную ракету, которая является предшественником термоядерного двигателя. Но поскольку ракета с термоядерным двигателем будет использовать плазму, исследователи многому научатся на этом типе ракет. Двигатель VASIMR уникален тем, что он создает плазму в чрезвычайно жарких условиях, а затем выбрасывает эту плазму для обеспечения тяги. В движке VASIMR есть три основные ячейки.

• Переадресация ячейки — Газ-вытеснитель, обычно водород, впрыскивается в эту ячейку и ионизируется для создания плазмы.
• Центральная ячейка . Эта ячейка действует как усилитель для дальнейшего нагрева плазмы с помощью электромагнитной энергии. Радиоволны используются для добавления энергии в плазму, подобно тому, как работает микроволновая печь.
• Кормовая камера — Магнитное сопло преобразует энергию плазмы в скорость выхлопа струи. Магнитное поле, которое используется для выброса плазмы, также защищает космический корабль, поскольку не дает плазме соприкасаться с оболочкой космического корабля. Плазма, скорее всего, уничтожит любой материал, с которым соприкоснется. Температура плазмы, выходящей из сопла, достигает 180 миллионов градусов по Фаренгейту (100 миллионов градусов по Цельсию). Это в 25 000 раз горячее, чем газы, выбрасываемые космическим кораблем.

Во время миссии на Марс двигатель VASIMR непрерывно ускорялся в течение первой половины пути, затем менял направление и замедлялся во второй половине. Плазменная ракета с изменяемым выхлопом также может использоваться для позиционирования спутников на околоземной орбите.

Газодинамическое зеркало Fusion Propulsion

Одновременно с VASIMR разрабатывается газодинамическое зеркало ( GDM ) Fusion Propulsion. В этом двигателе длинная тонкая катушка с током, действующая как магнит, окружает вакуумную камеру, содержащую плазму. Плазма захватывается магнитными полями, создаваемыми в центральной части системы. На каждом конце двигателя расположены зеркальные магниты, которые предотвращают слишком быстрый выход плазмы из концов двигателя. Конечно, вы хотите, чтобы часть плазмы просочилась, чтобы обеспечить тягу.

Как правило, плазма нестабильна и ее нелегко удерживать, что затрудняло ранние эксперименты с машинами для зеркального синтеза. Газодинамическое зеркало способно избежать проблем с нестабильностью, поскольку оно имеет длинную и тонкую конструкцию, поэтому силовые линии магнитного поля во всей системе прямые. Нестабильность также контролируется за счет утечки определенного количества плазмы через узкую часть зеркала.

В 1998 году в ходе эксперимента НАСА по ядерному движению GDM была получена плазма во время испытаний системы инжектора плазмы, которая работает аналогично передней ячейке VASIMR. Он впрыскивает газ в ГДМ и нагревает его с Электронный циклотронный резонансный нагрев (ECRH), индуцированный микроволновой антенной, работающей на частоте 2,45 ГГц. В настоящее время эксперимент предназначен для подтверждения осуществимости концепции GDM. Исследователи также работают над многими эксплуатационными характеристиками полноразмерного двигателя.

В то время как до реализации многих передовых концепций НАСА в области двигателей еще несколько десятков лет, фундамент термоядерных двигателей уже заложен. Когда появятся другие технологии, делающие возможной миссию на Марс, это может быть космический корабль с термоядерным двигателем, который доставит нас туда. К середине 21 века полеты на Марс могут стать такими же обыденными, как полеты на Международную космическую станцию.

Для получения дополнительной информации о термоядерных двигателях и других передовых концепциях двигателей перейдите по ссылкам ниже.

Статьи по теме HowStuffWorks

Другие полезные ссылки

• NASA Breakthrough Propulsion Physics Program
• Advanced Propulsion Concepts
• NASA Breakthrough Propulsion Physics (BPP) Technology Project
• Gas Dynamic Mirror Mars New Rocket Cut002 Experiment 9 Engine Propulsion Engine 9 Время в пути
• Открытие границы Солнечной системы: термоядерный двигатель
• Термоядерный синтез
• Производство энергии на Солнце

​

Процитируйте это!

Пожалуйста, скопируйте/вставьте следующий текст, чтобы правильно цитировать эту статью HowStuffWorks. com:

Кевин Бонсор
«Как будет работать Fusion Propulsion»
12 марта 2001 г.
HowStuffWorks.com.
3 ноября 2022 г.

Космический двигатель | Есть сплав, будем путешествовать

ИНФОРМАЦИОННАЯ ЛИНИЯ ИТЭР
—

Космический двигатель

Р.А.

В идее запуска ракет и космических кораблей с помощью энергии атома нет ничего нового: Манхэттенский проект в середине 1940-х годов, а также бесчисленные попытки НАСА в последующие десятилетия исследовали возможность использования реакций деления для обеспечивают отрывную тягу. Сегодня прогресс, достигнутый в области управляемого ядерного синтеза, открыл новый мир возможностей.

В настоящее время термоядерные реакторы рассматриваются как источник тепла, который может доводить ракетное топливо до чрезвычайно высокой температуры (и, следовательно, выхлоп с высокой скоростью) или выбрасывать сверхгорячую плазму для обеспечения тяги.

Fusion, целью которого является «принесение силы звезд на Землю», также может в недалеком будущем помочь людям добраться до звезд с Земли.

В космических агентствах по всему миру, в университетских лабораториях и в стартап-компаниях на повестке дня стоит ядерный синтез. В Соединенных Штатах Конгресс утвердил в мае финансирование в размере 125 миллионов долларов США для разработки ракет с ядерной силовой установкой и призвал НАСА «разработать многолетний план, который позволит продемонстрировать ядерную тепловую двигательную установку» как на основе деления, так и синтеза. Российское космическое агентство «Роскосмос» работает над «плазменным ракетным двигателем» в сотрудничестве с Курчатовским институтом — проект «стал возможным благодаря успехам, достигнутым в изучении процессов синтеза плазмы». Группа перспективных концепций Европейского космического агентства (ЕКА), в сотрудничестве с европейскими университетами проводит исследование о возможности реализации термоядерных двигателей с открытым магнитным удержанием, а Китай намерен к середине 2040-х годов разработать целый «флот» ядерных ракет-носителей (без уточнения, будут ли они ядерными или термоядерными). самоходный)

Ракеты взлетают со стартовой площадки, а корабли устремляются в дальний космос благодаря простому принципу действия и противодействия: нагретый выхлопной газ выбрасывается с высокой скоростью через сопло, и в ответ на корабль действует сила тяги.

Обычные ракеты приводятся в движение химическим сгоранием, для которого требуется значительное количество топлива — жидкого водорода и жидкого кислорода или керосиноподобного топлива, — которое воспламеняется на разных этапах подъема в космос.

Академия и технологические компании объединяются для разработки инновационных термоядерных двигателей. Здесь, в Принстонской лаборатории физики плазмы, PFRC-2 — модернизация оригинальной реверсивной конфигурации Принстонского поля, разработанная в начале 2000-х годов, которую можно экстраполировать на двигатель с прямым термоядерным приводом для исследования космоса.

Выброс горячего газа — не единственный способ обеспечить тягу: отец современной ракетной техники Роберт Годдард (в честь которого был назван Космический центр Годдарда НАСА) предложил в 19В 2000-х годах ракеты могли использовать электричество для выбрасывания электронов или заряженных ионов со скоростью порядка 10 километров в секунду, что в два раза превышает скорость обычных выхлопных газов.

В какой-то момент предполагалось запускать ракеты с помощью атомных бомб, взрываемых через очень короткие промежутки времени в задней части ракеты. С 1958 по 1963 год проект «Орион», финансируемый Агентством перспективных исследовательских проектов США (ARPA, сегодня DARPA), ВВС США, Комиссией по атомной энергии и, в меньшей степени, НАСА, был направлен именно на это.

Запрет на ядерные испытания в атмосфере в 1963 году положил конец проекту. Однако пять лет спустя в статье Physics Today под названием «Межзвездный транспорт» главный научный сотрудник проекта «Орион» Фриман Дайсон предположил, что «взрывы синтеза дейтерия» придадут ракете и космическому кораблю с бомбовым двигателем еще большую тягу и скорость.

Пятьдесят лет спустя термоядерный синтез по-прежнему остается серьезным претендентом на космическое движение, хотя и не в его «взрывных» применениях. Термоядерные реакторы в настоящее время рассматриваются как источник тепла, который доводит топливо до чрезвычайно высокой температуры (и, следовательно, выхлоп с высокой скоростью) или выбрасывает сверхгорячую плазму для обеспечения тяги.

В зависимости от концепции скорость истечения ракеты с термоядерным двигателем будет находиться в диапазоне 150-350 километров в секунду. До планеты Марс можно добраться за 90 дней или даже меньше, по сравнению с восемью месяцами с обычной двигательной установкой. Интригующие спутники Юпитера и Сатурна будут доступны в разумные сроки, и путь к экзопланетам откроется для исследования.

Использование энергии ядерного синтеза для разгона ракет до скоростей, недостижимых в противном случае, и, следовательно, резкое сокращение продолжительности космических путешествий, может звучать как научная фантастика. И буквально: в блокбастере 2014 года Interstellar , космический корабль, который перевозит пассажиров в поисках обитаемых планет, питается от «компактных токамаков», которые также обеспечивают судно электричеством.

Факультет аэронавтики и астронавтики Вашингтонского университета имеет давнюю программу, посвященную исследованиям в области термоядерных двигателей. Здесь: испытательная камера ракеты с термоядерным двигателем в Лаборатории плазменной динамики Департамента.

Одна из проблем заключается в том, что токамаки, наиболее перспективные из термоядерных устройств на современном уровне термоядерных технологий, почти компактны: при массе 23 000 тонн (не считая массы систем станции) ИТЭР будет трудно вывести на орбиту. .

Однако термоядерный реактор не обязательно является токамаком.

Совместное предприятие Вашингтонского университета в Сиэтле, финансируемое НАСА, и небольшой компании MSNW LLC, специализирующейся на разработке передовых космических двигательных установок, разработало небольшое импульсное термоядерное устройство с обращенным полем  (похожее на концепцию spheromak ). 1980-1990-х годов) экстраполировать на «двигатель термоядерного двигателя». Сторонники проекта говорят, что они работают над созданием компонентов «ракеты с термоядерным двигателем, призванной устранить многие препятствия, мешающие путешествиям в дальний космос, включая длительное время в пути, непомерные затраты и риски для здоровья».

Аналогичным образом, Принстонская лаборатория физики плазмы (PPPL) начала сотрудничество с компанией Princeton Satellite Systems для работы над двигателем с прямым термоядерным двигателем для исследования космоса. Два года назад НАСА предоставило предприятию грант в полмиллиона долларов, которое также было отмечено премией Консорциума федеральных лабораторий США в октябре прошлого года.

В проектируемом двигателе с прямым термоядерным двигателем термоядерная энергия не будет производиться за счет реакций дейтерия и трития (DT) ИТЭР или будущих электростанций. Хотя DT-реакция является наиболее доступной при современном уровне техники, она имеет два существенных недостатка, особенно для пилотируемых космических исследований. Тритий является радиоактивным элементом, и реакции синтеза производят поток высокоэнергетических нейтронов, от которых люди и электронное оборудование должны быть надежно защищены.

Реакция дейтерия/гелия-3, запланированная для двигателя с прямым синтезом, не имеет ни одного из этих ограничений: оба элемента стабильны, как и продукты реакции, водород и гелий. Поскольку реакция является «анейтронной», для защиты не требуется мощного экранирования.

Есть, однако, одна большая загвоздка: температура, необходимая для синтеза ядер дейтерия и гелия-3, примерно в десять раз выше, чем необходимая для DT-синтеза, и ни одно устройство еще не достигло такого уровня энергии. (Настоящий рекорд принадлежит японскому токамаку JT-60U, достигшему температуры ионов в полмиллиарда градусов.)

Разработчики двигателя прямого синтеза утверждают, что их двигатель может быть запущен уже в 2028 году, что может показаться слишком оптимистичным прогнозом. Могут пройти десятилетия, прежде чем термоядерный двигатель покинет область научной фантастики и войдет в реальность космических путешествий.

Но среди космических держав в настоящее время существует консенсус, который четко сформулировал факультет аэронавтики и астронавтики Вашингтонского университета, одного из ведущих аэрокосмических учебных заведений Соединенных Штатов: «Энергия синтеза, в принципе, является единственной возможный источник энергии для быстрых и эффективных космических полетов на ракетах к Марсу, внешним планетам и ближайшим звездам».