Ядерный ракетный двигатель: Ядерный ракетный двигатель строят для полетов на Марс. Чем он опасен?

Ядерные ракетные двигатели и ядерные ракетные электродвигательные установки / Хабр

Часто в общеобразовательных публикациях о космонавтике не различают разницу между ядерным ракетным двигателем (ЯРД) и ядерной ракетной электродвигательной установкой (ЯЭДУ). Однако под этими аббревиатурами скрывается не только разница в принципах преобразования ядерной энергии в силу тяги ракеты, но и весьма драматичная история развития космонавтики.

Драматизм истории состоит в том, что если бы остановленные главным образом по экономическим причинам исследования ЯДУ и ЯЭДУ как в СССР, так и в США продолжились, то полёты человека на марс давно бы уже стали обыденным делом.

Всё начиналось с атмосферных летательных аппаратов с прямоточным ядерным двигателем

Конструкторы в США и СССР рассматривали «дышащие» ядерные установки, способные втягивать забортный воздух и разогревать его до колоссальных температур. Вероятно, этот принцип образования тяги был заимствован от прямоточных воздушно-реактивных двигателей, только вместо ракетного топлива использовалась энергия деления атомных ядер диоксида урана 235.

В США такой двигатель разрабатывался в рамках проекта Pluto[1]. Американцы сумели создать два прототипа нового двигателя — Tory-IIA и Tory-IIC, на которых даже производились включения реакторов. Мощность установки должна была составить 600 мегаватт.

Двигатели, разработанные в рамках проекта Pluto, планировалось устанавливать на крылатые ракеты, которые в 1950-х годах создавались под обозначением SLAM (Supersonic Low Altitude Missile, сверхзвуковая маловысотная ракета).

В США планировали построить ракету длинной 26,8 метра, диаметром три метра, и массой в 28 тонн. В корпусе ракеты должен был располагаться ядерный боезаряд, а также ядерная двигательная установка, имеющая длину 1,6 метра и диаметр 1,5 метра. На фоне других размеров установка выглядела весьма компактной, что и объясняет её прямоточный принцип работы.

Разработчики полагали, что, благодаря ядерному двигателю, дальность полета ракеты SLAM составит, по меньшей мере, 182 тысячи километров.

В 1964 году министерство обороны США проект закрыло. Официальной причиной послужило то, что в полете крылатая ракета с ядерным двигателем слишком сильно загрязняет все вокруг. Но на самом деле причина состояла в значительных затратах на обслуживание таких ракет, тем более к тому времени бурно развивалось ракетостроение на основе жидкостных реактивных ракетных двигателей, обслуживание которых было значительно дешевле.

СССР оставалась верной идеи создания ЯРД прямоточной конструкции значительно дольше, чем США, закрыв проект только в 1985 году [2]. Но и результаты получились значительно весомее. Так, первый и единственный советский ядерный ракетный двигатель был разработан в конструкторском бюро «Химавтоматика», Воронеж. Это РД-0410 (Индекс ГРАУ — 11Б91, известен также как «Ирбит» и «ИР-100»).

В РД-0410 был применён гетерогенный реактор на тепловых нейтронах, замедлителем служил гидрид циркония, отражатели нейтронов — из бериллия, ядерное топливо — материал на основе карбидов урана и вольфрама, с обогащением по изотопу 235 около 80 %.

Конструкция включала в себя 37 тепловыделяющих сборок, покрытых теплоизоляцией, отделявшей их от замедлителя. Проектом предусматривалось, что поток водорода вначале проходил через отражатель и замедлитель, поддерживая их температуру на уровне комнатной, а затем поступал в активную зону, где охлаждал тепловыделяющие сборки, нагреваясь при этом до 3100 К. На стенде отражатель и замедлитель охлаждались отдельным потоком водорода.

Реактор прошёл значительную серию испытаний, но ни разу не испытывался на полную длительность работы. Однако, вне реакторные узлы были отработаны полностью.

Технические характеристики РД 0410

Тяга в пустоте: 3,59 тс (35,2 кН)

Тепловая мощность реактора: 196 МВт

Удельный импульс тяги в пустоте: 910 кгс·с/кг (8927 м/с)

Число включений: 10

Ресурс работы: 1 час

Компоненты топлива: рабочее тело — жидкий водород, вспомогательное вещество — гептан

Масса с радиационной защитой: 2 тонны

Габариты двигателя: высота 3,5 м, диаметр 1,6 м.

Относительно небольшие габаритные размеры и вес, высокая температура ядерного топлива (3100 K) при эффективной системе охлаждения потоком водорода свидетельствует от том, что РД0410 является почти идеальным прототипом ЯРД для современных крылатых ракет. А, учитывая современные технологии получения самоостанавливающегося ядерного топлива, увеличение ресурса с часа до нескольких часов является вполне реальной задачей.

Конструкции ядерных ракетных двигателей

Ядерный ракетный двигатель (ЯРД) — реактивный двигатель, в котором энергия, возникающая при ядерной реакции распада или синтеза, нагревает рабочее тело (чаще всего, водород или аммиак)[3].

Существует три типа ЯРД по виду топлива для реактора:

• твердофазный;
• жидкофазный;
• газофазный.

Наиболее законченным является твердофазный вариант двигателя. На рисунке изображена схема простейшего ЯРД с реактором на твердом ядерном горючем. Рабочее тело располагается во внешнем баке. С помощью насоса оно подается в камеру двигателя. В камере рабочее тело распыляется с помощью форсунок и вступает в контакт с тепловыделяющим ядерным топливом. Нагреваясь, оно расширяется и с огромной скоростью вылетает из камеры через сопло.

В газофазных ЯРД топливо (например, уран) и рабочее тело находится в газообразном состоянии (в виде плазмы) и удерживается в рабочей зоне электромагнитным полем. Нагретая до десятков тысяч градусов урановая плазма передает тепло рабочему телу (например, водороду), которое, в свою очередь, будучи нагретым до высоких температур и образует реактивную струю.

По типу ядерной реакции различают радиоизотопный ракетный двигатель, термоядерный ракетный двигатель и собственно ядерный двигатель (используется энергия деления ядер).

Интересным вариантом также является импульсный ЯРД — в качестве источника энергии (горючего) предлагается использовать ядерный заряд. Такие установки могут быть внутреннего и внешнего типов.

Основными преимуществами ЯРД являются:

• высокий удельный импульс;
• значительный энергозапас;
• компактность двигательной установки;
• возможность получения очень большой тяги — десятки, сотни и тысячи тонн в вакууме.

Основным недостатком является высокая радиационная опасность двигательной установки:

• потоки проникающей радиации (гамма-излучение, нейтроны) при ядерных реакциях;
• вынос высокорадиоактивных соединений урана и его сплавов;
• истечение радиоактивных газов с рабочим телом.

Ядерная энергодвигательная установка

Учитывая, что какую-либо достоверную информацию о ЯЭДУ по публикациям, в том числе и из научных статей, получить невозможно, принцип работы таких установок лучше всего рассматривать на примерах открытых патентных материалов, хотя и содержащих ноу-хау.

Так, например, выдающимся российским учёным Коротеевым Анатолием Сазоновичем, автором изобретения по патенту [4], приведено техническое решение по составу оборудования для современной ЯРДУ. Далее привожу часть указанного патентного документа дословно и без комментариев.

Сущность предлагаемого технического решения поясняется схемой, представленной на чертеже. ЯЭДУ, функционирующая в двигательно-энергетическом режиме, содержит электроракетную двигательную установку (ЭРДУ) (на схеме для примера представлено два электроракетных двигателя 1 и 2 с соответствующими системами подачи 3 и 4), реакторную установку 5, турбину 6, компрессор 7, генератор 8, теплообменник-рекуператор 9, вихревую трубку Ранка-Хильша 10, холодильник-излучатель 11. При этом турбина 6, компрессор 7 и генератор 8 объединены в единый агрегат — турбогенератор-компрессор. ЯЭДУ оснащена трубопроводами 12 рабочего тела и электрическими линиями 13, соединяющими генератор 8 и ЭРДУ. Теплообменник-рекуператор 9 имеет так называемые высокотемпературный 14 и низкотемпературный 15 входы рабочего тела, а также высокотемпературный 16 и низкотемпературный 17 выходы рабочего тела.

Выход реакторной установки 5 соединен со входом турбины 6, выход турбины 6 соединен с высокотемпературным входом 14 теплообменника-рекуператора 9. Низкотемпературный выход 15 теплообменника-рекуператора 9 соединен со входом в вихревую трубку Ранка-Хильша 10. Вихревая трубка Ранка-Хильша 10 имеет два выхода, один из которых (по «горячему» рабочему телу) соединен с холодильником-излучателем 11, а другой (по «холодному» рабочему телу) соединен со входом компрессора 7. Выход холодильника-излучателя 11 также соединен со входом в компрессор 7. Выход компрессора 7 соединен с низкотемпературным 15 входом в теплообменник-рекуператор 9. Высокотемпературный выход 16 теплообменника-рекуператора 9 соединен со входом в реакторную установку 5. Таким образом, основные элементы ЯЭДУ связаны между собой единым контуром рабочего тела.

ЯЭДУ работает следующим образом. Нагретое в реакторной установке 5 рабочее тело направляется на турбину 6, которая обеспечивает работу компрессора 7 и генератора 8 турбогенератора-компрессора. Генератор 8 производит генерацию электрической энергии, которая по электрическим линиям 13 направляется к электроракетным двигателям 1 и 2 и их системам подачи 3 и 4, обеспечивая их работу. После выхода из турбины 6 рабочее тело направляется через высокотемпературный вход 14 в теплообменник-рекуператор 9, где осуществляется частичное охлаждение рабочего тела.

Затем, из низкотемпературного выхода 17 теплообменника-рекуператора 9 рабочее тело направляется в вихревую трубку Ранка-Хильша 10, внутри которой происходит разделение потока рабочего тела на «горячую» и «холодную» составляющие. «Горячая» часть рабочего тела далее следует в холодильник-излучатель 11, где происходит эффективное охлаждение этой части рабочего тела. «Холодная» часть рабочего тела следует на вход в компрессор 7, туда же следует после охлаждения часть рабочего тела, выходящая из холодильника-излучателя 11.

Компрессор 7 производит подачу охлажденного рабочего тела в теплообменник-рекуператор 9 через низкотемпературный вход 15. Это охлажденное рабочее тело в теплообменнике-рекуператоре 9 обеспечивает частичное охлаждение встречного потока рабочего тела, поступающего в теплообменник-рекуператор 9 из турбины 6 через высокотемпературный вход 14. Далее, частично подогретое рабочее тело (за счет теплообмена с встречным потоком рабочего тела из турбины 6) из теплообменника-рекуператора 9 через высокотемпературный выход 16 вновь поступает к реакторной установке 5, цикл вновь повторяется.

Таким образом, находящееся в замкнутом контуре единое рабочее тело обеспечивает непрерывную работу ЯЭДУ, причем использование в составе ЯЭДУ вихревой трубки Ранка-Хильша в соответствии с заявляемым техническим решением обеспечивает улучшение массогабаритных характеристик ЯЭДУ, повышает надежность ее работы, упрощает ее конструктивную схему и дает возможность повысить эффективность ЯЭДУ в целом.

Ссылки:

1.Ракета, о которой никто не знал.

2.РД-0410.

3.Ядерные ракетные двигатели.

4. RU 2522971

В России успешно испытали ключевой элемент космического ядерного двигателя

https://ria.ru/20181029/1531649544.html

В России успешно испытали ключевой элемент космического ядерного двигателя

В России успешно испытали ключевой элемент космического ядерного двигателя — РИА Новости, 03. 03.2020

В России успешно испытали ключевой элемент космического ядерного двигателя

Система охлаждения создаваемой в России космической ядерной энергодвигательной установки (ЯЭДУ) мегаваттного класса оказалась соответствующей техзаданию.

2018-10-29T03:05

2018-10-29T03:05

2020-03-03T12:56

/html/head/meta[@name=’og:title’]/@content

/html/head/meta[@name=’og:description’]/@content

https://cdnn21.img.ria.ru/images/148473/70/1484737099_0:2:1000:565_1920x0_80_0_0_6fc9c935f5bce25c68d525c15e6d35e5.jpg

россия

РИА Новости

1

5

4.7

96

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

2018

РИА Новости

1

5

4.7

96

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

Новости

ru-RU

https://ria. ru/docs/about/copyright.html

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/

РИА Новости

1

5

4.7

96

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

1920

1080

true

1920

1440

true

https://cdnn21.img.ria.ru/images/148473/70/1484737099_200:0:1000:600_1920x0_80_0_0_ee83bc6beabe7ea610621759dd582cbd.jpg

1920

1920

true

РИА Новости

1

5

4.7

96

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

РИА Новости

1

5

4.7

96

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

роскосмос, россия

Наука, Роскосмос, Россия

МОСКВА, 29 окт — РИА Новости. В России завершились наземные испытания системы охлаждения космической ядерной энергодвигательной установки (ЯЭДУ) мегаваттного класса, сообщается на сайте госзакупок.

«Работы выполнены в полном объеме. Результаты соответствуют требованиям технического задания», — говорится в акте приемки работ.

Отмечается, что система охлаждения — один из самых важных элементов ЯЭДУ.

18 января 2016, 05:28

СМИ: РФ получит космический аппарат с ядерным двигателем к 2025 годуВ рамках проекта уже создана уникальная конструкция тепловыделяющего элемента, которая обеспечивает работоспособность в условиях высоких температур, больших градиентов температур, высокодозного облучения.

Как следует из материалов, испытания указали закономерности работы элементов и узлов систем отвода тепла в условиях, максимально приближенных к космическому пространству.

Кроме того, «изготовлены и испытаны экспериментальные образцы генератора капель и элементов заборного устройства, <…> выполнена программа экспериментальных исследований модели капельного холодильника-излучателя».

Заказчик работ — госкорпорация «Роскосмос», головной исполнитель — Государственный научный центр «Исследовательский центр имени Келдыша».

Ключевая проблема

Ядерные энергодвигательные установки, способные обеспечить полеты в космосе на дальние расстояния, сильно нагреваются, поэтому им требуется эффективная система охлаждения. При этом тепло от них нужно отводить во внешнее космическое пространство — и только в виде излучения.

28 октября 2018, 23:58

Рогозин рассказал о новой сверхтяжелой ракете

Традиционным способом решения этой задачи стали выносимые во внешнюю часть корабля панельные радиаторы, по трубам которых циркулирует жидкость-теплоноситель, «сбрасывающая» лишнее тепло в космос. Но такие радиаторы, как правило, имеют большой вес и размеры. Кроме того, они никак не защищены от попадания метеоритов.

Российские специалисты разработали новое решение в виде так называемого капельного холодильника-излучателя. Это установка, похожая на душ, в которой жидкость не циркулирует в трубах, а распыляется в виде капель прямо в открытое космическое пространство, там отдает тепло, а затем улавливается заборным устройством и проходит цикл заново.

Благодаря этому жидкость охлаждается гораздо быстрее (из-за большей площади поверхности капель), а конструкция становится значительно легче, вдобавок повышается ее живучесть: метеорит, пролетевший через жидкость, никак не повредит систему охлаждения.

Уникальный проект

10 августа 2018, 13:55

Центр Хруничева примет участие в разработке сверхтяжелой ракеты

Не имеющий аналогов в мире проект создания транспортно-энергетического модуля на основе ядерной энергодвигательной установки мегаваттного класса разрабатывается с 2010 года.

Цель — обеспечить лидирующие позиции России в проектировании высокоэффективных энергетических комплексов космического назначения, качественно повышающих их функциональные возможности.

Технические решения, заложенные в концепции модуля, позволят решать много задач, включая программы исследования Луны, исследовательские миссии к дальним планетам и создание на них автоматических баз.

28 июля 2017, 09:57Инфографика

Возьмут ли меня в космонавты?Пройдите тест на Ria.ru и узнайте, каковы ваши шансы стать космонавтом.

На ядерной тяге к Марсу

Еще с полвека назад стало ясно, что с помощью химических ракетных двигателей, увы, «далеко не улетишь». Максимум на что они оказались способны – доставить человека на Луну и вернуть его обратно. Даже экспедиция на Марс, о которой так мечтали пионеры практической космонавтики, оказалась для «химиков» малоперспективным мероприятием.

Единственно возможным способом организации «нормальных» (а не демонстрационных) межпланетных путешествий является использование на космических кораблях ядерных ракетных двигателей. Только с их помощью, существенно сократив время на перелет между планетами, мы сможем отправить человека в те миры, которыми пока грезят лишь фантасты. И вернуть его обратно.

В последнее время работы по созданию ядерных ракетных двигателей активизировались и, если верить специалистам, уже в 2017 году начнутся летные испытания российского межорбитального буксира, оснащенного таким двигателем, с помощью которого человечество наконец-то сможет сделать следующий шаг к новым мирам.

ЧТО ТАКОЕ ЯРД

Прежде чем рассказать о тех работах, которые уже более полувека ведутся в ряде стран мира, а также о перспективах «ядерной космонавтики», несколько слов о том, что же представляет собой ядерный ракетный двигатель, вокруг которого в последнее время ведется так много разговоров. Для тех читателей, кто впервые соприкоснулся с данной темой, это будет своеобразный ликбез. Для остальных, кто знаком с проблемой, просто напоминание истин, которые им известны. Думаю, что это напоминание вряд ли будет лишним.

Ядерный ракетный двигатель (ЯРД) – это разновидность ракетного двигателя, использующего при создании реактивной тяги энергию деления или синтеза ядер. Такие двигатели позволяют достичь значительно более высокого (по сравнению с химическими ракетными двигателями) значения удельного импульса благодаря большой скорости истечения рабочего тела.

ЯРД бывают реактивными, в которых нагрев рабочего тела (как правило, водорода) происходит в ядерном реакторе, а его вывод – через сопло, и импульсными, в которых через равные промежутки времени производятся ядерные взрывы малой мощности.

Реактивные ЯРД состоят из ядерного реактора, системы подачи рабочего тела и сопла. Рабочее тело, попадая в реактор, нагревается там до высоких температур, а затем выбрасывается через сопло, создавая реактивную тягу. В зависимости от агрегатного состояния ядерного топлива – а оно может быть твердым, расплавленным или в виде высокотемпературного газа (или плазмы) – ядерный двигатель может быть твердофазным, жидкофазным или газофазным. Но суть везде одна – нагреть рабочее тело и «выбросить» его через сопло. А как это происходит – уже детали, важные для специалистов, но не для тех, кто наблюдает за работами «со стороны».

Импульсные ЯРД предполагают осуществление серии ядерных взрывов небольшой, около килотонны или даже меньше, мощности. Возникающая при этом ударная волна – расширяющееся плазменное облако – должна приниматься мощным металлическим диском с теплозащитным покрытием («толкателем») и, отразившись от него, создавать реактивную тягу. Импульс, принятый «толкателем», через элементы конструкции будет передаваться кораблю. Предполагается, что на участке подъема ракеты частота взрывов будет составлять один взрыв в секунду, затем, когда высота и скорость вырастут, частота уменьшится. Все эти числа – величины расчетные. Как это будет в реальности, если будет вообще когда-нибудь, никто точно сказать не может.

ПЕРВЫЙ И ЕДИНСТВЕННЫЙ

Разработки ядерных ракетных двигателей начались в нашей стране и в США еще в конце 1950-х годов. Тогда практическая космонавтика только делала свои первые шаги. Но конструкторы уже работали над проектами космических кораблей, которые должны были доставить людей не только на Луну и на Марс.

По большому счету, именно экспедиция на Красную планету рассматривалась первопроходцами как первая цель покорения Вселенной. Луна должна была стать лишь «пробным шаром». А искусственные спутники Земли вообще должны были играть вспомогательную роль. В реальности же все вышло наоборот. И на Марс мы по-прежнему еще только собираемся лететь.

Я буду в этой статье рассказывать только о «космическом» применении ЯРД. Хотя в 1950-е годы их планировали использовать и на боевых ракетах. Если точнее, то сначала на боевых, и лишь потом на космических носителях. Недаром первое постановление правительства СССР по этому поводу, принятое в 1953 году, предусматривало создание «крылатых ракет с прямоточным двигателем с использованием атомной энергии».

В 1955 году в НИИ-1 была создана группа по разработке концепции ЯРД во главе с В.М. Иевлевым. В состав этой группы вошел, в частности, и А.С. Коротеев, который ныне возглавляет в России работы по созданию ядерного двигателя. Аналогичные работы велись и в ряде других конструкторских организаций, занимавшихся созданием ракетной и авиационной техники.

В 1956 году вышло новое постановление правительства по «созданию баллистической ракеты дальнего действия с атомным двигателем». Главным конструктором ракеты был назначен С.П. Королев, главным конструктором двигателя – В.П. Глушко, научным руководителем работ по созданию реактора – А.И. Лейпунский. В 1958 году на Семипалатинском ядерном полигоне началось строительство стенда с реактором и горячей лабораторией.

Как видим, работы по созданию ЯРД в конце 1950-х годов разворачивались достаточно масштабные. Однако вскоре стало ясно, что создание ядерного двигателя сопряжено с такими огромными трудностями, что быстро решить эту задачу не удастся. И если в самом начале работ предполагалось, что первые советские ЯРД появятся уже в начале 1960-х годов, то в 1961 году стали осторожно говорить о конце того десятилетия, в лучшем случае, или о середине 1970-х годов.

Изменилась и концепция применения ЯРД. От «повального» увлечения ядерной энергией не осталось и следа. Да и «химики», которых чуть было «не списали в архив», доказали свою эффективность за счет применения в ракетных двигателях новых видов топлива.

Тем не менее, работы по созданию ЯРД в нашей стране были продолжены и к концу 1970-х годов в Воронежском Конструкторском бюро химической автоматики (КБХА) с широким привлечением смежников был создан и активно проходил испытания на стендовой базе на Семипалатинском полигоне ядерный ракетный двигатель РД-0410 (11Б91). Основой этого двигателя с тягой 3,6 тонны стал ядерный реактор ИР-100 с топливными элементами из твердого раствора карбида урана и карбида циркония. Температура водорода достигала 3 тысяч градусов, мощность реактора – около 170 мегаватт. Результаты экспериментов, проведенных с реактором в 1978-1981 годах, подтвердили правильность конструктивных решений.

ЯРД был создан. Оставалось только «найти ему применение». Но на это денег уже не дали. В руководстве СССР посчитали, что организовать экспедицию на Марс (а только для нее ядерный двигатель и годился) нам не под силу, а тратить деньги на продолжение работы по «неперспективному направлению» нужды нет. Решили вернуться к этому вопросу в «лучшие времена».

Хотя дальнейшее развитие ядерных ракетных двигателей в нашей стране и было остановлено почти на два десятилетия, полученные достижения уникальны для всего мира. Это неоднократно подтверждено в последние годы на международных симпозиумах по космической энергетике, а также на встречах отечественных и американских специалистов. И такая оценка говорит о многом, так как в 1950-1960-е годы американцы также активно работали над созданием ЯРД.

«НЕРВА»

Американский проект по созданию ядерного ракетного двигателя являлся совместной программой, которую в 1960-е годы реализовывали Комиссия по атомной энергии США и Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА). Этот проект известен под аббревиатурой НЕРВА (NERVA, Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application – применение ядерной энергии в ракетах-носителях). В отличие от проекта «Орион», где предполагалось использование импульсного ядерного двигателя, в этом проекте должны были создать реактивный ядерный двигатель.

Работы по НЕРВА велись параллельно с «Орионом» и уже на первом этапе принесли неплохие результаты. Прогресс атомщиков был столь стремителен, что НАСА включило ядерные двигатели в свои ближайшие планы – первый полет ракеты со ступенью, оснащенной ядерным двигателем, был запланирован на 1964 год. Правда организационная неразбериха в рядах атомного и космического ведомств США не позволила это сделать. Но факт остается фактом – первый полет на ядерном ракетном двигателе мог бы состояться уже пятьдесят лет назад.

Самым важным достижением проекта НЕРВА стали испытания, которые были проведены на атомном полигоне в Неваде. Американцам удалось досконально проверить работу в различных режимах всех экспериментальных двигателей (а их было, как минимум, три), которые показали их эффективность и, самое главное, применимость на ракетах. Наиболее «совершенный» из созданных ЯРД считался пригодным для полета на Марс.

Планы НАСА, включающие НЕРВА, состояли в визите на Марс к 1978-му году и постоянную лунную базу к 1981 году. Ракеты с ЯРД предполагалось использовать как «буксиры» для снабжения нескольких космических станций на орбитах вокруг Земли и Луны и постоянной лунной базы.

Но это были первоначальные планы. Вместе с сокращением программы космических исследований в США уменьшались и размеры ракеты с ЯРД. Сначала «забыли» о лунных планах, потом об орбитальных станциях, а потом отложили до лучших времен и марсианский проект. Как и многое другое, НЕРВА ушла в историю. Окончательно проект был закрыт в 1972 году.

«ВЗРЫВОЛЕТ САХАРОВА»

И ЯРД РД-0410, и наработки по проекту НЕРВА – это реактивные ЯРД. Но, как уже упоминалось, ядерные двигатели могут быть и импульсными. Если сравнивать реактивные и импульсные, то вторые могут быть гораздо эффективнее первых. Правда, и гораздо опаснее, так как при этом происходят ядерные взрывы.

Но, тем не менее, проекты таких двигателей существовали и достаточно серьезно прорабатывались вопросы их использования для освоения космического пространства. Одним из первых таких проектов был «взрыволет Сахарова». Его предложил «отец советской водородной бомбы» на рубеже 1950-1960-х годов.

Андрей Дмитриевич и его коллеги собирались использовать ядерные взрывы небольшой мощности для вывода в космос полезной нагрузки значительной массы (более 1000 тонн). Это позволяло экипажу корабля длительное время находиться в космосе (все расчеты проводились с прицелом на полет к Марсу).

Конструктивно будущий атомолет должен был состоять из отсека управления, отсека экипажа, отсека для размещения ядерных зарядов, основной двигательной установки и жидкостных ракетных двигателей. Корабль также должен был иметь систему подачи ядерных зарядов и систему демпфирования для выравнивания ракеты после ядерных взрывов. Ну и, конечно, баки достаточной емкости для запасов топлива и окислителя – наряду с атомными двигателями на аппарате предполагалось установить и химические ракетные двигатели. В нижней части корабля должен был крепиться экран диаметром 15-25 метров, в фокусе которого должны были «греметь» ядерные взрывы.

Старт с Земли должен был происходить на жидкостных ракетных двигателях, размещенных на нижних опорах. Топливо и окислитель предполагалось подавать из внешних навесных топливных баков, которые после опорожнения можно было отделить. На жидкостных двигателях аппарат поднимался на высоту нескольких километров (или десятков километров), после чего включалась основная двигательная установка корабля, в которой использовалась энергия последовательных взрывов ядерных зарядов небольшой мощности. По предложению Сахарова при проработке конструкции рассматривался вопрос о размещении в жилом отсеке корабля плантаций с хлореллой в расчете на питание 10-20 человек.

В процессе работы над «взрыволетом» были рассмотрены и просчитаны несколько вариантов конструкции различных габаритов. Соответственно, менялись и стартовая масса, и масса полезной нагрузки, которую удавалось выводить на орбиту. Но, надо отметить, что. несмотря на значительные массы конструкции, она не отличалась большими размерами. Например, комплекс ПК-3000 со стартовой массой 3 тысячи тонн имел высоту около 60 метров, а комплекс ПК-5000 со стартовой массой 5 тысяч тонн – менее 75 метров. Полезная нагрузка, выводимая на орбиту, в этих вариантах составляла 800 и 1300 тонн соответственно.

Простой расчет показывает, что соотношение массы полезной нагрузки к стартовой массе превышало 25 процентов. А теперь сравните эту с цифру с современными ракетами, при запуске которых в космос удается выводить не больше 7-8 процентов стартовой массы.

В качестве стартовой площадки для «взрыволета» предполагалось выбрать один из районов на севере Советского Союза. Конструкторы не без основания полагали, что для старта нового космического корабля придется строить специальный космодром. Такое место запуска выбиралось из двух соображений. Во-первых, северные широты позволяли проложить трассу полета ракеты над труднодоступными малонаселенными районами. В случае аварии это позволяло избежать «лишних» жертв.

Во-вторых, «запуск» ядерного двигателя вдали от плоскости экватора вне зоны так называемой «геомагнитной ловушки» позволяло избежать появления искусственных радиационных поясов, с чем уже приходилось сталкиваться во время ядерных взрывов в космосе.

Конечно, «взрыволет» имел не только плюсы, но и минусы. Одним из них являлось загрязнение окружающей среды, которое должно было произойти при осуществлении ядерных взрывов в земной атмосфере. Но об этом думали «постольку поскольку». То есть, практически не принимали во внимание. Если бы работы велись сегодня, то вряд ли конструкторы ограничились бы высотой нескольких километров. Запуск ядерного двигателя происходил бы на высоте не менее 100 километров. А тогда бы новая ракета стала не столь эффективной, как приведенные выше расчеты.

Однако, «взрыволет Сахарова» так и «остался на бумаге». Так же, как и «атомные танки», «атомные самолеты» и многое другое «атомное», что пытались сконструировать полвека назад. Тем не менее, в результате проектных работ все же был сделан вывод о возможности создания двигательной системы, использующей энергию ядерных взрывов. Может быть, когда-нибудь такие аппараты и появятся. Но не нам с вами суждено их увидеть.

ПРОЕКТ «ОРИОН»

Аналогичный «взрыволету Сахарова» проект существовал и у американцев. Работы велись в США с 1958 по 1965 год специалистами компании «Дженерал Атомикс» по заказу Военно-воздушных Сил США. Впервые идею «Ориона» (под таким названием этот проект и вошел в историю) предложили специалисты Лос-Аламосской лаборатории Станислав Улам и Корнелиус Эверетт в 1955 году. Их концепция заключалась в следующем: взрывы водородных бомб, выбрасываемых из корабля, вызывали испарение дисков, выбрасываемых вслед за бомбами. Расширяющаяся плазма толкала корабль вперед.

По проекту «Орион» проводились не только расчёты, но и натурные испытания. Это были летные испытания моделей, движимых химическими взрывчатыми веществами. Модели называли «put-puts», или «hot rods». Несколько моделей было разрушено, но один 100-метровый полет в ноябре 1959 года, был успешен и показал, что импульсный полет мог быть устойчивым. Аппарат массой 133 килограмма имел форму пули. Во время испытания позади аппарата, за плитой, было произведено шесть взрывов зарядов тринитротолуола по 1,04 килограмма каждый. Для придания начальной скорости аппарат запускался из миномёта.

Для исследования прочности тяговой плиты были проведены испытания на атолле Эниветок в Тихом океане. Во время ядерных испытаний покрытые графитом стальные сферы были размещены в 9 метрах от эпицентра взрыва. Сферы были после взрыва найдены неповрежденными, тонкий слой графита испарился с их поверхностей.

Первоначально «Орион» предполагалось запускать с Земли, с атомного полигона в Неваде. Корабль устанавливался на восьми стартовых башнях высотой 75 метров для того, чтобы не быть повреждённым от ядерного взрыва у поверхности. При запуске каждую секунду должен был производиться один взрыв мощностью 0,1 килотонны. После выхода из атмосферы каждые десять секунд должна была взрываться одна 20-килотонная бомба.

Основной целью проекта «Орион» было создание корабля для исследования Солнечной системы. Но в рамках проекта разработчики проводили предварительные расчеты постройки на базе этой технологии звездолета, который мог бы играть роль «Ноева ковчега». Его масса должны была составить 40 миллионов тонн (!), а численность экипажа 20 тысяч человек. Один из уменьшенных вариантов звездолета массой 100 тысяч тонн мог бы за 130 лет полета достигнуть окрестностей звезды Альфа Центавра, разогнавшись до скорости 10 тысяч километров в секунду.

Дальнейшим развитием идей, положенных в основу «Ориона», можно считать межзвездный зонд «Дедал», который предполагалось направить к находящейся почти в шести световых годах от Солнца звезде Барнарда. Ее окрестностей зонд должен был достигнуть через 49 лет.

Как и проект советских инженеров, «Орион» остался в истории всего лишь «полетом мысли конструкторов», но не реальным аппаратом, который отправился в глубины Вселенной. После закрытия проекта, о нем пишут лишь историки да фантасты. Инженеры отложили свои идеи «в долгий ящик».

СОВРЕМЕННЫЕ ПРОЕКТЫ

Сегодня вновь говорят о ядерных ракетных двигателях. Сей вопрос стал актуальным после того, как межпланетные полеты перешел в весьма практическую плоскость и стал чуть ли не основной задачей космонавтики ближайших двух десятилетий.

В 2003 году в США под эгидой НАСА была начата программа «Прометей», предусматривавшая разработку ядерной двигательной установки для космических аппаратов. В первую очередь предполагалось использовать эту установку при полетах к дальним планетам Солнечной системы. Было даже израсходовано несколько сотен миллионов долларов, но затем программу закрыли из-за недостатка средств.

Иная ситуация сложилась в России. Мы приступили к работам по ЯРД на пять лет позже, чем американцы, но намерены развернуть их достаточно широко, с тем, чтобы до конца текущего десятилетия иметь в своем арсенале орбитальный буксир с ядерным двигателем.

Это будет силовая установка мегаваттного класса с удельным импульсом тяги от 900 до 5000 секунд и ресурсом 1,5-3 года. Выходная электрическая мощность модуля газотурбинного преобразователя на номинальном режиме должна составить 100-150 киловатт. Наземные испытания прототипа ЯРД планируется начать в 2014 году, а на 2017 год планируется начало летных испытаний в космосе. Спустя два года ЯРД в составе межорбитального буксира должен вступить в строй. Стоимость разработки российского ЯРД оценивается в 580 миллионов долларов.

Некоторые специалисты сомневаются, что ядерный двигатель удастся создать в эти сроки и за эти деньги. Они склонны предполагать, что работы растянутся до середины, если не до конца, 2020-х годов. А затраты на разработку ЯРД перевалят за три миллиарда долларов.

Поэтому говорить о полетах в точки либрации, к астероидам, к Марсу мы продолжаем говорить как о деле отдаленного и неопределенного будущего.

И все-таки придет то время, когда человечество «пересилит» себя и создаст космический корабль с ядерным двигателем. И обеспечит безопасность космонавтов, которым предстоит им управлять. И отправиться на нем к другим планетам. И воплотит в жизнь мечту пионеров практической космонавтики – покорит Марс.

Ядерный ракетный двигатель — Вики

Классификация ядерных ракетных двигателей^[1]

Я́дерный раке́тный дви́гатель (ЯРД) — разновидность ракетного двигателя, которая использует энергию деления или синтеза ядер для создания реактивной тяги.

ЯРД NERVA

Традиционный ЯРД в целом представляет собой конструкцию из нагревательной камеры с ядерным реактором как источником тепла, системы подачи рабочего тела и сопла. Рабочее тело (как правило — водород) подаётся из бака в активную зону реактора, где, проходя через нагретые реакцией ядерного распада каналы, разогревается до высоких температур и затем выбрасывается через сопло, создавая реактивную тягу. Существуют различные конструкции ЯРД: твердофазный, жидкофазный и газофазный — соответствующие агрегатному состоянию ядерного топлива в активной зоне реактора — твёрдое, расплав или высокотемпературный газ (либо даже плазма).

В СССР развёрнутое постановление правительства по проблеме создания ЯРД было подписано в 1958 году. Этим документом руководство работами в целом было возложено на академиков М. В. Келдыша, И. В. Курчатова и С. П. Королёва^[2][3]. К работам были подключены десятки исследовательских, проектных, конструкторских, строительных и монтажных организаций. ЯРД активно разрабатывались КБХА в Воронеже и испытывались в СССР (см. РД-0410) и США (см. NERVA) с середины 1950-х годов.

Содержание

• 1 Твердофазный ядерный ракетный двигатель
• 2 Жидкофазный и коллоидный ядерный ракетный двигатель
• 3 Газофазный ядерный ракетный двигатель
• 4 Ядерный импульсный двигатель
• 5 Другие разработки
• 6 Ядерная электродвигательная установка
• 7 Перспективы
• 8 См. также
• 9 Примечания
• 10 Литература
• 11 Ссылки

Твердофазный ядерный ракетный двигатель

В твердофазных ЯРД (ТфЯРД) делящееся вещество, как и в обычных ядерных реакторах, размещено в сборках-стержнях (ТВЭЛах) сложной формы с развитой поверхностью, что позволяет эффективно нагревать газообразное рабочее тело (обычно — водород, реже — аммиак), одновременно являющееся теплоносителем, охлаждающим элементы конструкции и сами сборки. Температура нагрева ограничена температурой плавления элементов конструкции (не более 3000 К). Удельный импульс твердофазного ЯРД, по современным оценкам, составит 850—900 с, что более чем вдвое превышает показатели наиболее совершенных химических ракетных двигателей^[4]. Наземные демонстраторы технологий ТфЯРД в XX веке были созданы и успешно испытаны на стендах (программа NERVA в США, РД-0410 в СССР).

Жидкофазный и коллоидный ядерный ракетный двигатель

Основная статья: Ядерный ракетный двигатель на гомогенном растворе солей ядерного топлива

Работы по жидкофазным и коллоидным ЯРД не получили большого развития, так как эти ЯРД по своей эффективности сравнительно мало превосходят твердофазные, а по технической сложности сравнимы с газофазными (проблемы организации запуска, регулирования и выключения для жидкофазных и коллоидных ЯРД являются столь же сложными).

— ^[1]

.

Газофазный ядерный ракетный двигатель

Основная статья: Газофазный ядерный реактивный двигатель

Газофазный ядерный реактивный двигатель (ГЯРД) — концептуальный тип реактивного двигателя, в котором реактивная сила создаётся за счёт выброса теплоносителя (рабочего тела) из ядерного реактора, топливо в котором находится в газообразной форме или в виде плазмы. Считается, что в подобных двигателях удельный импульс составит 30—50 тыс. м/с. Перенос тепла от топлива к теплоносителю достигается в основном за счёт излучения, большей частью в ультрафиолетовой области спектра (при температурах топлива около 25 000 °C).

Ядерный импульсный двигатель

Атомные заряды мощностью примерно в килотонну на этапе взлёта должны взрываться со скоростью один заряд в секунду. Ударная волна — расширяющееся плазменное облако — должна была приниматься «толкателем» — мощным металлическим диском с теплозащитным покрытием и потом, отразившись от него, создать реактивную тягу. Импульс, принятый плитой толкателя, через элементы конструкции должен передаваться кораблю. Затем, когда высота и скорость вырастут, частоту взрывов можно будет уменьшить. При взлёте корабль должен лететь строго вертикально, чтобы минимизировать площадь радиоактивного загрязнения атмосферы.

В США космические разработки с использованием импульсных ядерных ракетных двигателей осуществлялись с 1958 по 1965 год в рамках проекта «Орион» компанией «Дженерал Атомикс» по заказу ВВС США.

Космический корабль проекта «Орион», рисунок художника

По проекту «Орион» проводились не только расчёты, но и натурные испытания. Лётные испытания моделей летательного аппарата с импульсным приводом (для взрывов использовалась обычная химическая взрывчатка). Были получены положительные результаты о принципиальной возможности управляемого полёта аппарата с импульсным двигателем.
Также для исследования прочности тяговой плиты проведены испытания на атолле Эниветок. Во время ядерных испытаний на этом атолле покрытые графитом стальные сферы были размещены в 9 м от эпицентра взрыва. Сферы после взрыва найдены неповреждёнными, тонкий слой графита испарился (аблировал) с их поверхностей.

Программа развития проекта «Орион» была рассчитана на 12 лет, расчётная стоимость — 24 миллиарда долларов, что было сопоставимо с запланированными расходами на лунную программу «Аполлон» («Apollo»). Интересно, что разработчики проводили предварительные расчёты постройки на базе этой технологии корабля поколений с массой до 40 млн тонн и экипажем до 20 000 человек^[5]. Согласно их расчётам один из уменьшенных вариантов такого ядерно-импульсного звездолёта (массой 100 тыс. т) мог бы достичь Альфы Центавра за 130 лет, разогнавшись до скорости 10 000 км/с.^[6][7] Однако приоритеты изменились, и в 1965 году проект был закрыт.

В СССР аналогичный проект разрабатывался в 1950—70-х годах^[8]. Устройство содержало дополнительные химические реактивные двигатели, выводящие его на 30—40 км от поверхности Земли; затем предполагалось включать основной ядерно-импульсный двигатель. Основной проблемой была прочность экрана-толкателя, который не выдерживал огромных тепловых нагрузок от близких ядерных взрывов. Вместе с тем были предложены несколько технических решений, позволяющих разработать конструкцию плиты-толкателя с достаточным ресурсом. Проект не был завершён. Реальных испытаний импульсного ЯРД с подрывом ядерных устройств не проводилось.

Другие разработки

В 1960-х годах США были на пути к Луне. Менее известным является тот факт, что в Зоне 25 (рядом со знаменитой Зоной 51) на полигоне Невады учёные работали над одним амбициозным проектом — полётом на Марс на ядерных двигателях. Проект был назван NERVA. Работая на полную мощность, ядерный двигатель должен был нагреваться до температуры в 2000 °C. В январе 1965 года были произведены испытания ядерного ракетного двигателя под кодовым названием «КИВИ» (KIWI).

В ноябре 2017 года Китайская корпорация аэрокосмической науки и техники (China Aerospace Science and Technology Corporation, CASC) опубликовала дорожную карту развития космической программы КНР на период 2017—2045 годы. Она предусматривает, в частности, создание многоразового корабля, работающего на ядерном ракетном двигателе^[9].

В феврале 2018 года появились сообщения о том, что НАСА возобновляет научно-исследовательские работы по ядерному ракетному двигателю^[10][11][12].

Ядерная электродвигательная установка

Основная статья: Ядерная электродвигательная установка

Ядерная электродвигательная установка (ЯЭДУ) используется для выработки электроэнергии, которая, в свою очередь, используется для работы электрического ракетного двигателя.

Подобная программа в США (проект NERVA) была свёрнута в 1971 году, но в 2020 году американцы вновь вернулись к данной теме, заказав разработку ядерного теплового двигателя (Nuclear Thermal Propulsion, NTP) компании Gryphon Technologies, для военных космических рейдеров на атомных двигателях для патрулирования окололунного и околоземного пространства^[13], также с 2015 года идут работы по проекту Kilopower.

С 2010 года в России начались работы над проектом ядерной электродвигательной установки мегаваттного класса для космических транспортных систем (космический буксир «Нуклон»). На 2021 год ведётся отработка макета; к 2025 году планируется создать опытные образцы данной ядерной энергоустановки; заявлена плановая дата лётных испытаний космического тягача с ЯЭДУ — 2030 год^[14].

В 2021 году Космическое агентство Великобритании заключило соглашение с компанией Rolls-Royce, в рамках которого планируется создать ядерный силовой двигатель для космических аппаратов дальнего действия^[15].

Перспективы

По оценкам А. В. Багрова, М. А. Смирнова и С. А. Смирнова, ядерный ракетный двигатель может добраться до Плутона за 2 месяца^[16][17] и вернуться обратно за 4 месяца с затратой 75 тонн топлива, до Альфы Центавра за 12 лет, а до Эпсилона Эридана за 24,8 года^[18].

См. также

• Медиафайлы на Викискладе

• Ракетный двигатель
• РД-0410 — первый и единственный советский ядерный ракетный двигатель.
• Атомолёт
• Термоядерный ракетный двигатель
• Ядерный ракетный двигатель на гомогенном растворе солей ядерного топлива
• NERVA
• Supersonic Low-Altitude Missile

Примечания

1. ↑ ^{1 2} Паневин, Прищепа, 1978.
2. ↑ Центр Келдыша, 2003, с. 192.
3. ↑ Энергомаш, 2008, Очерк разработки ядерных ракетных двигателей в КБ Энергомаш.
4. ↑ Центр Келдыша, 2003, с. 195.
5. ↑ http://www.astronautix.com/lvs/oritsink.htm Orion Starship — Heat Sink, Encyclopedia Astronautica www.astronautix.com
6. ↑ http://www.astronautix.com/lvs/oriative.htm Orion Starship — Ablative, Encyclopedia Astronautica www.astronautix.com
7. ↑ Looking Back at Orion by Paul Gilster on September 23, 2006, Centauri Dreams (centauri-dreams.org)
8. ↑ Российские ядерные двигатели могут быть использованы при полёте на Марс
9. ↑ Andrew Jones //China sets out long-term space transportation roadmap including a nuclear space shuttle. gbtimes.com. 2017-11-16.
10. ↑ NASA Is Bringing Back Nuclear-Powered Rockets to Get to Mars//Fortune, новостной портал, по информации Bloomberg. 15 февраля 2018.
11. ↑ Даниил Ревадзе//NASA возвращается к идее ядерного двигателя для космических кораблей. Портал hightech.fm. 17 февраля 2018.
12. ↑ Loura Hall. «Nuclear Thermal Propulsion: Game Changing Technology for Deep Space Exploration». nasa.gov. 2018-05-25.
13. ↑ Космические силы США заказали разработку ядерного двигателя для лунных рейдеров // 3DNews, 1.10.2020
14. ↑ Карасёв С. «Российский космический буксир «Нуклон» на атомной тяге запустят в 2030 году». 3DNews Daily Digital Digest (3dnews.ru) – независимое российское онлайн-издание. 16 сентября 2020 года.
15. ↑ Великобритания хочет создать дальний космический флот на атомных двигателях Rolls-Royce // 3DNews, 16.01.2021
16. ↑ Багров А. В., Смирнов М. А., Смирнов С. А. Межзвездные корабли с магнитным зеркалом // Труды Двадцатых чтений К. Э. Циолковского. — Калуга, 1985.
17. ↑ Багров А. В., Смирнов М. А. Каравеллы для звездоплавателей // Наука и человечество. 1992—1994. — М.: Знание, 1994.
18. ↑ Багров А. В., Смирнов М. А. XXI век: строим звездолет // Международный ежегодник «Гипотезы, прогнозы, наука и фантастика». — 1991.

Литература

• Паневин И. Г., Прищепа В. И. Космические ядерные ракетные двигатели. — М.: Знание, 1978. — 64 с.
• Коротеев А. С., Конюхов Г. В., Демянко Ю.Г. Ядерные ракетные двигатели. — М.: Норма-Информ, 2001. — 415 с.
• Демянко Ю. Г., Конюхов Г. В., Коротеев А. С., Кузьмин Е. П., Павельев А. А. Ядерные ракетные двигатели. 2001.
• Акимов В. Н., Коротеев А. С., Гафаров А. А. и др. Ядерные ракетные двигатели: воспоминания о будущем // Исследовательский центр имени М. В. Келдыша. 1933-2003 : 70 лет на передовых рубежах ракетно-космической техники.  — М.: Машиностроение, 2003. — С. 190—209. — 439 с. — ISBN 5-217-03205-7.
• Коротеев А. С. Ракетные двигатели и энергетические установки на основе ядерного реактора.
• Письма и документы В. П. Глушко из архивов РКК «Энергия» им. С. П. Королёва (1944-1980 гг). Очерк разработки ядерных ракетных двигателей в КБ Энергомаш. 26.07.1973 г. // Избранные работы академика В. П. Глушко / В. С. Судаков. — Химки: НПО «Энергомаш», 2008. — Т. 1. — 419 с. — 250 экз.

Ссылки

• Космические двигатели третьего тысячелетия
• Звёздный ЯРД России
• РД-0410 (на английском языке)
• НАСА переосмысливает ядерные и солнечные направления космической энергетики
• Ядерный ракетный двигатель времен СССР

Газофазный ядерный реактор — ФАКИ

ЦЕЛЬ НИР и ОКР

Создание газофазного ядерного ракетного двигателя
(ГФЯРД) с большим удельным импульсом (J> 3000 c. ) для полетов на планеты
Солнечной системы

1957 г.
Начало работ по проекту по предложению
В.М.Иевлева и поддержанного И.В.Курчатовым, М.В.Келдышем и С.П.Королевым.

1953
Постановление Правительства по созданию «крылатых
ракет с прямоточным двигателем с использованием атомной энергии»

1955
Создание группы в НИИ-1 МАП по разработка концепции
ЯРД во главе с В.М.Иевлевым (К.И.Артамонов, А.С. Коротеев, и др.), с удельным
импульсом J=(850-900) сек «А» и до 2000 сек «В».

1956
Постановление Правительства по «созданию
баллистической ракеты дальнего действия с атомным двигателем» ГК ракеты –
С. П.Королев, ГК двигателя – В.П.Глушко, НР реактора – А.И.Лейпунский.
Организация подготовки специалистов в МАИ отв. инженер Н.Н.Пономарев-Степной.

1958
Постановление Правительства по созданию ЯРД ,
научное руководство поручить М.В.Келдышу, И.В.Курчатову и С.П.Королеву

1958
Начало строительства на полигоне №2 МО СССР
(ядерный полигон в Семипалатинске) стенда с реактором и горячей лабораторией

1964
Постановление ЦК КПСС и СМ о строительстве
стартового комплекса «Байкал» на Семипалатинском полигоне испытательной базы ЯРД

1966
Создание ЯРД 11Б91 («А») научное руководство- Центр
Келдыша (В.М.Иевлев), изготовление — КБХА (А.Б.Конопатов), ТВС ЯРД – ПНИТИ
(И.И.Федик)

1968
Разработка ГФЯР  двигателя РД-600 научное
рук-во  – Центр Келдыша, разработка НПО «Энергомаш», В.П.Глушко с тягой 6
МН, J=2000 сек

1968
Постановление Правительства о создании ГФЯР РД-600
и строительство стендовой базы «Байкал-2»

1970
НПО «Энергомаш», Центр Келдыша – эскизный проект
космической энергоустановки с ГФЯР ЭУ-610 W=3,3 ГВт

1972
Физический пуск реактора ИВГ на комплексе «Байкал»
(Н. Н.Пономарев-Степной)

1978
Энергетический пуск первого реактора ЯРД 11Б91

ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ ВАРИАНТ ГФЯРД (схема «В»)

РАБОТЫ по ГФЯР В США

1955
Начало работ по по программе Ровера по ЯРД типа «А»
(SCNR) в Лос-Аламосе

1960
Разработка концепции ЯРД типа «В» (GCNR )
Weinstein, Kerrebrock (MIT) и Лос-Аламос с удельным импульсом J=(600-2000) сек

1963
Создание ядерного двигателя для ракетныз приложений
(NERVA) – Вестинхауз и Лос-Алсмос

1962-68
Проведение экспериментов по гидродинамике,
устойчивости плазмы, теплофизики и излучения  урановой плазмы, оптических
свойств водорода, нейтронные расчеты критичности реактора.

1973
Прекращение работ по ЯРД

(СОГЛАШЕНИЕ СССР И США)

НОВЫЙ ЭТАП ЯРД

1985
Лос-Аламос и НАСА – исследование всех аспектов
лунной миссии. Вывод: необходимо возобновление работ по «В» (снижение в 2 раза
стоимости и времени полета). Оборудование и системы сохранены в Лос-Аламосе и
Неваде (ЦК и Семипалатинск)

1989
Президент Буш объявил программу SEI (Space
Exploration Initiative) – пилотируемый полет на Марс в 2018 (см. КП России). ЯРД
рассматривается базовой системой в НАСА и Лос-Аламосе. Создана команда DOE/NASA
для исследования и реализации ЯРД.

1991
Конференция по ГФЯР в Лос-Аламосе

1992
Исследования по устойчивости, нейтронам, смещению,
численному моделированию, МГД

2005
Китай и Казахстан объявили приоритетными работы по
ядерной энергии в космосе

Программа ГФЯР в США не была успешной по причине

«недостатка
экспериментальных данных по теплофизческим свойствам веществ и вычислительных
мощностей для моделирования высокотемпературной гидродинамики и
турбулентности »  (Из
отчета МИТ, R.Patrick, Kerrebrock). Эти проблемы были решены в СССР с участием
кафедры физической механики

Организация работ по крупному атомному Ракетному проекту
в космосе в СССР и США выполнялась триадой Научный Центр – Университет —
Исптытельный полигнон.

В США это Лос-Аламос – МИТ — Невада 

В СССР
это Центр Келдыша — МФТИ — Семипалатинск

Основные направления работ

Реализация рабочего процесса в газофазном ТВЭЛе .
Теплофизика ядерного горючего и
рабочего тела, вихревая и магнитная гидродинамика, лучистый и конвективный
тепло– и массообмен, теплозащита стенок и торцов рабочей камеры и выходного
канала, достижение критичности ГФЯР, обеспечение устойчивости работы ГФЯР
вследствие высокой подвижности ядерного горючего.

Параметры ГФЯР

·   давление – 1000 атм

·   температура ядерного горючего – 40-60 тыс.
К,  рабочего тела — 8.10 тыс К

·   расплавленный уран при температуре
1500…2300 К

·    водород высокого давления при
температуре до 2800 К,

·   жидкометаллические щелочные металлы 
до 2800 К дают образование агрессивных сред.

Литература

А.С.Коротеев, Э.Е.Сон.  Развитие работ по
газофазному ядерному реактору в России. AIAA-2007-0035, 45th AIAA Aerospace
Sciences Meeting and Exhibit, 2007, Reno, Nevada.

Почему ядерные ракетные двигатели не стали реальностью

Советские и американские ученые разрабатывали ракетные двигатели на ядерном топливе с середины XX века. Дальше прототипов и единичных испытаний эти разработки не продвинулись, но сейчас единственная ракетная двигательная установка, которая использует ядерную энергию, создается в России. «Реактор» изучил историю попыток внедрения ядерных ракетных двигателей.

Когда человечество только начало покорять космос, перед учеными встала задача энергообеспечения космических аппаратов. Исследователи обратили внимание на возможность использования ядерной энергии в космосе, создав концепцию ядерного ракетного двигателя. Такой двигатель должен был использовать энергию деления или синтеза ядер для создания реактивной тяги.

В СССР уже в 1947 году начались работы по созданию ядерного ракетного двигателя. В 1953 году советские специалисты отмечали, что «использование атомной энергии позволит получить практически неограниченные дальности и резко снизить полетный вес ракет» (цитата по изданию «Ядерные ракетные двигатели» под редакцией А.С. Коротеева, М, 2001). Тогда двигательные установки на ядерной энергии предназначались, в первую очередь, для оснащения баллистических ракет, поэтому интерес правительства к разработкам был большим. Президент США Джон Кеннеди в 1961 году назвал национальную программу по созданию ракеты с ядерным ракетным двигателем (Project Rover) одним из четырех приоритетных направлений в завоевании космоса.

Реактор KIWI, 1959 год. Фото: NASA.

В конце 1950-х американские ученые создали реакторы KIWI. Они много раз были испытаны, разработчики сделали большое количество модификаций. Часто при испытаниях происходили неудачи, например, однажды произошло разрушение активной зоны двигателя и обнаружилась большая утечка водорода.

В начале 1960-х как в США, так и в СССР были созданы предпосылки для реализации планов по созданию ядерных ракетных двигателей, но каждая страна шла своей дорогой. США создавали много конструкций твердофазных реакторов для таких двигателей и испытывали их на открытых стендах. СССР вел отработку тепловыделяющей сборки и других элементов двигателя, готовя производственную, испытательную, кадровую базу для более широкого «наступления».

Схема ЯРД NERVA. Иллюстрация: NASA.

В США уже в 1962 году президент Кеннеди заявил, что «ядерная ракета не будет применяться в первых полетах на Луну», поэтому стоит направлять средства, выделяемые на освоение космоса, на другие разработки. На рубеже 1960-1970-х были испытаны еще два реактора (PEWEE в 1968 году и NF-1 в 1972 году) в рамках программы NERVA. Но финансирование было сосредоточено на лунной программе, поэтому программа США по созданию ядерных двигателей сокращалась в объеме, и в 1972 году была закрыта.

Фильм NASA про ядерный реактивный двигатель NERVA.

В Советском Союзе разработки ядерных ракетных двигателей продолжались до 1970-х годов, а руководила ими известнейшая ныне триада отечественных ученых-академиков: Мстислав Келдыш, Игорь Курчатов и Сергей Королев. Они оценивали возможности создания и применения ракет с ядерными двигателями достаточно оптимистично. Казалось, что вот-вот, и СССР запустит такую ракету. Прошли огневые испытания на Семипалатинском полигоне — в 1978 году состоялся энергетический пуск первого реактора ядерного ракетного двигателя 11Б91 (или РД-0410), потом еще две серии испытаний — второго и третьего аппаратов 11Б91-ИР-100. Это были первые и последние советские ядерно-ракетные двигатели.

М.В. Келдыш и С.П. Королев в гостях у И.В. Курчатова, 1959 г. Источник: М.В. Келдыш. «Творческий портрет по воспоминаниям современников». М.: Наука, 2002.

Также в 1960-е и 1970-е советскими учеными велись разработки ядерных двигателей с газофазным реактором и двигателей и энергетических установок с преобразованием ядерной энергии в электрическую. Но такие двигатели не были созданы. Кроме того, ученые придумывали еще много разных видов двигателей на ядерном топливе, но реализовать это в связи с большим числом технических трудностей не удалось.

Но в начале 1980-х разработчикам двигателей и ученым, причастным к исследованиям использования ядерного топлива для ракет, стало окончательно ясно, что ядерные ракетные двигатели в качестве маршевого двигателя космических аппаратов найти применение в перспективе ближайших десятилетий не сможет. Первоначальную эйфорию вытесняло понимание того, что за достижение высоких показателей ядерных двигателей придется дорого заплатить. Нужны было найти решения многих проблем в материаловедении, металлургии, теплотехнике, прочности, радиационной и вибрационной стойкости материалов, испытательной и измерительной технике. Это требовало огромных человеческих, финансовых и временных ресурсов.

Фильм о советском ядерном реактивном двигателе.
К тому же, существенный прогресс в разработке высокоэффективных жидкостных ракетных двигателей на химическом топливе был очевиден — все необходимые в пределах околоземного пространства оборонные задачи решались без ядерной энергии. Это обстоятельство в значительной степени лишило военных и политиков интереса к ядерным двигателям, оставив для их применения лишь сферу научного исследования космоса, что само по себе, немало, но позиции нового направления ракетного двигателестроения существенно ослабляло. Ученые остались без поддержки «сверху».

Наконец, задачи по пилотируемым полетам к планетам Солнечной системы, крайне актуальные в 1960-1970-е, были перенесены на неопределенное время, а проблему с обеспечением нужного уровня радиационной безопасности при эксплуатации космических ядерных установок не удавалось решить. Последнее обстоятельство сыграло едва ли не главную роль в фактическом замораживании отечественных работ по ядерным ракетным двигателям.

Но попытки внедрения ядерной энергетики в космические двигательные установки на этом не закончилась. Ученые в разных лабораториях продолжали думать про ядерные ракетные двигатели и в 2009 году две российские госкорпорации, «Росатом» и «Роскосмос», начали разрабатывать ядерную энергодвигательную установку. Предполагается, что уже в 2018 году «Росатом» представит опытный образец ядерного реактора для нового космического двигателя.

Фото анонса: NASA

РЕАКТОР

Просмотров: 836

Ядерные ракеты — Исследовательский центр Гленна

Техники в вакуумной печи цеха изготовления Льюиса готовят сопло Kiwi B-1 к испытаниям на испытательном стенде B-1 (08.05.1964).

Ядерный двигатель для ракетных транспортных средств (NERVA) был совместным проектом НАСА и Комиссии по атомной энергии по разработке ракеты с ядерной установкой как для дальних полетов на Марс, так и в качестве возможной разгонной ступени для программы «Аполлон».

В Лос-Аламосе располагались основные испытательные полигоны в Неваде и Нью-Мексико, но Исследовательский центр Льюиса НАСА с самого начала участвовал как в разработке реактора двигателя, так и в разработке топливной системы на жидком водороде, особенно в турбонасосе, который перекачивал топливо из резервуары для хранения к двигателю и был основным инструментом для перезапуска двигателя в космосе.

Программы Project Rover и NERVA

После Второй мировой войны инженеры заинтересовались использованием огромной энергии атомного деления для двигателей самолетов и ракет. В 1945 году военные начали спонсировать усилия по разработке атомного самолета. Однако инженеры не смогли решить проблемы, связанные с необходимой защитой экипажа или боязнью радиации на местах крушения. В 1955 году военные объединились с Комиссией по атомной энергии (AEC) для разработки реакторов для ядерных ракет в рамках проекта Rover. Ядерная ракета будет разгонным блоком, который не запустится до выхода в космос, что уменьшит угрозу заражения Земли в результате аварии. Ядерная ракета будет использовать деление для нагрева жидкого водорода и выбрасывать его в виде тяги со скоростью, которая превзойдет скорость химических ракет.

В 1959 году НАСА заменило ВВС в этой роли, и миссия изменилась с ядерной ракеты на ядерную ракету для длительного космического полета. Программа Rover началась с исследований основных реакторов и топливных систем. За этим последовала серия реакторов Kiwi, построенных для проверки принципов ядерной ракеты в нелетающем ядерном двигателе. На следующем этапе, Ядерном двигателе для ракетных транспортных средств (NERVA), была предпринята попытка разработать летающий двигатель. Заключительный этап программы под названием Reactor-In-Flight-Test будет фактическим запуском.

Компания AEC работала над разработкой реактора для двигателя на своих объектах в Нью-Мексико и Неваде, а Льюис сосредоточил свои усилия на системе жидкого водорода транспортного средства. Зона ракетных систем предоставила ресурсы для проведения фундаментальных исследований систем ядерных двигателей и испытаний систем откачки водорода. Серия 300-мегаваттных реакторов Kiwi-A была испытана на полигоне в Неваде в 1959 и 1960 годах.61 и 1964.

Компания Aerojet одновременно использовала одну из конструкций реактора Kiwi-B в своем двигателе NERVA NRX (эксперимент с реактором NERVA). Первое испытание NERVA NRX было проведено в сентябре 1964 года в Неваде. В 1969 году AEC успешно испытала двигатель NERVA второго поколения XE десятки раз. Однако финансирование NERVA уменьшилось в конце 1960-х годов, и программа была отменена в 1973 году до того, как были проведены какие-либо летные испытания двигателя.

Документы

• На край Солнечной системы: История ядерной ракеты
• Программа ядерной ракеты NERVA (1965)
• Исторический взгляд на программу NERVA (1991)
• Обзор испытаний четырех двигателей вездехода (1991 г.)

В этой трехступенчатой ​​ядерной ракете экипаж должен был размещаться на верхней ступени с сильно экранированной переборкой, отделяющей их от двигателей (1964 г. ).

Подготовка реактора Киви-А к испытаниям в Лос-Аламосской национальной лаборатории (30.11.1959).

Чертеж ядерного ракетного двигателя NERVA (1970).

Установка атомного двигателя Kiwi B-1B в стенд B-1 для испытаний его систем подачи топлива и запуска (11.04.1963).

Охлаждение сопла

Ядерные ракетные двигатели предназначены для работы при экстремально высоких температурах для обеспечения максимальной эффективности. Система регенеративного охлаждения, которая пропускает холодный жидкий водород по трубам, окружающим сопло, является важным элементом конструкции. В отличие от химических ракет, в ядерных двигателях используется сопло, которое резко сужается перед расширением. Трудно было охладить зону сжатия. Чтобы решить эту проблему, исследователи Льюиса стремились лучше понять процесс теплопередачи в сопле. Они установили экспериментальные двигатели из меди и стали на испытательном стенде J-1 на станции Плам-Брук [сегодня это испытательный полигон Нила Армстронга]. Исследователи использовали результаты испытаний от многочисленных запусков двигателя, чтобы создать математическую формулу для прогнозирования передачи тепла от выхлопных газов к соплу. Затем они расширили исследование, запустив двигатель с различными видами топлива и формами форсунок. Исследования на J-1 показали, что конструкция форсунки должна соответствовать форме сопла.

Отчеты

• Исследование теплообмена со стороны горячего газа (1965)
• Теплообмен со стороны горячего газа в водородно-кислородной ракете (1971)
• Теплообмен со стороны горячего газа с/без пленочного охлаждения (1972)
• Скорость теплопередачи со стороны охлаждающей жидкости для ракет (1973 г.)

Техник осматривает экспериментальное медное сопло на испытательном стенде J-1 для изучения характеристик теплопередачи сопел ядерных ракет (11.06.1962).

Испытательный стенд J-1 мог запускать ракетные двигатели на газообразном водороде с тягой до 28 000 фунтов. Двигатели были запущены горизонтально из здания (1962).

Это медное сопло у J-1 по форме напоминало сопла атомных двигателей. Исследователи использовали его для изучения теплопередачи от стенки сопла к водородному теплоносителю (1971 г.).

Чертеж медного сопла, использовавшегося на стенде J-1 для изучения характеристик теплообмена ядерных ракет.

Охлаждение замедлителя

В конструкцию ядерных ракетных двигателей входил замедлитель, в котором для замедления быстрых нейтронов использовалась вода. Это повысило эффективность реактора деления. Теплообменник охлаждал замедлитель, передавая тепло от воды замедлителя криогенному жидкому водороду. Теплообменник представлял собой трубку в трубке. Горячая вода-замедлитель текла по внутренней трубе, а холодный водород — по внешней трубе. Образование льда на поверхности теплообменника представляло собой потенциальную проблему, особенно при низкой подаче топлива. Лед может ухудшить работу теплообменника и потенциально может заблокировать проточные каналы. В ответ Льюис предпринял многолетние усилия по измерению уровня льда и изучению условий, в которых образовался лед.

Исследователи установили треугольный 19-трубный теплообменник между двумя резервуарами для подачи водорода в Гидравлической лаборатории (зона F), чтобы определить, различается ли нарастание льда на каждой из труб. Они пропускали водород и воду через систему сначала в противоположных направлениях, а затем в одном направлении. Испытания подтвердили их прогнозы для условий без образования льда, но их оценки для условий, когда лед присутствовал, оказались значительно заниженными.

Документы

• Теплопередача теплообменника вода-водород (1969)

Площадка F использовалась для изучения течения через теплообменники ядерных ракетных двигателей (1961 г.).

Компоненты ядерного ракетного двигателя

Секции водоводородного теплообменника (1966 г.).

Интерьер F Site в 1960-е годы.

B-1 Испытание осевого насоса

Ядерные ракетные двигатели должны иметь возможность изменять свою скорость и перезапускать двигатель без внешней энергии для выполнения длительных миссий человека на другие планеты. Подобно химическим ракетам, таким как RL-10 Pratt & Whitney, ядерный двигатель будет выделять небольшое количество водорода для питания турбины турбонасоса. Турбина активирует весь насос, который будет подавать топливо в камеру сгорания. НАСА использовало испытательные стенды Исследовательского центра высокоэнергетических ракетных двигателей (B-1) и Центра динамики и управления ядерными ракетами (B-3) для изучения этого процесса для конструкций реакторов Kiwi.

В 1964 и 1965 годах Льюис проводил программу топливной системы на B-1 для изучения различных типов ядерных ракетных циклов в нетопливном реакторе Kiwi B-1B, оснащенном осевым турбонасосом Rocketdyne Mark IX. Топливо прокачивалось через ракетную систему, как при обычном запуске, но двигатель не запускался. Исследователи сначала протестировали систему в различных условиях потока, чтобы получить данные об управлении двигателем, нестабильности жидкости и теплопередаче во время периода запуска.

Прогоны B-1 показали, что турбина может достичь бутстрепного ускорения во время инициализации потока. Вскоре после этого AEC также успешно продемонстрировала свою работу в Лос-Аламосе. Дальнейшие исследования B-1 в начале 1965 года показали, что турбонасос Mark IX разгоняется по мере необходимости и не заедает. Отрыв потока от поверхности сопла приводил к вибрации сопла большой амплитуды.

Документы

• Оценка ядерной ракеты на B-1 Memo (1962)
• B-1 Описание аппарата NERVA (1964)
• Flow System Запуск полномасштабной ядерной ракеты (1965 г.)
• Имитатор ядерной ракеты, инициирование потока без турбинного газа (1964 г.)
• Испытания имитатора ядерной ракеты, инициирование потока (1964 г.)
• B1 NERVA Start Up Dynamics and Control (1966)
• Охлаждение регенеративного сопла ракетно-ядерной установки (1967 г.)

Прибытие ядерного двигателя Kiwi B–1B на станцию ​​Плам-Брук для серии пусковых испытаний на стенде B-1 (11.04.1963).

Установка ядерного двигателя Kiwi B-1B на испытательный стенд B-1 для изучения его характеристик на начальном этапе запуска (11. 04.1963).

Ядерный двигатель Kiwi B-1B установлен на испытательном стенде B-1. Эта платформа находилась на уровне 68 футов, где находился двигатель (25.05.1964).

Схема установки двигателя Kiwi B-1B на стенде B-1. Бак с жидким водородом находится над двигателем.

B-3 Испытание центробежного насоса

Затем Льюис попытался изучить запуск Kiwi B-1B с использованием центробежного турбонасоса Aerojet Mark III на стенде B-3. Испытания B-3, которые проходили с марта по 19 декабря.66, установил надлежащую процедуру запуска, которая включала расход жидкого водорода, временную задержку цикла мощности и питание турбины. Использование реалистичной системы подачи помогло определить общую производительность и механические характеристики центробежных турбонасосов. Исследователи обнаружили, что нормальные уравнения эффективности насоса не применимы при низких пусковых скоростях, но применимы характеристики потока топлива.

Во время испытаний на Б-3 была установлена ​​система подогревателя для быстрого возврата испытательного стенда к температуре окружающей среды после проведения криогенных испытаний. Было установлено, что подогреватель за 3000 долларов сократил расчетную продолжительность программы на три месяца и сэкономил топливо на 50 000 долларов.

Документы

• Подставка B-3 для NERVA (1967)
• Графики работы B-1 и B-3 (1962)
• Полномасштабная бестопливная ядерная ракета B-3 (1966 г.)
• Испытательный полигон для ядерных ракет B-3 (1969 г.)
• Низкоскоростная работа водородного центробежного турбонасоса (1969)

Исследователи анализируют двигатель Kiwi B-1 перед установкой на стенде B-3 в мае 1967 года.

Схема осевого турбонасоса Aerojet Mark IX, используемого на ядерных двигателях Kiwi B-1B.

Техники работают над турбонасосом Mark IX для Kiwi B-1B на стенде B-3 (10.05.1966).

Уровень земли испытательного стенда B-3, показывающий выхлопную линию установки. Слева железнодорожная цистерна (11.05.1963).

Ядерная и космическая: ядерная тепловая тяга — Х-энергия: HTGR

Ядерная и космическая

Ядерная тепловая тяга

Как построить лучшую марсианскую ракету

Ваш браузер не поддерживает тег видео HTML5.

Куда-то идете?

Химические ракеты возглавляют список самых быстрых объектов, когда-либо созданных. Но если мы хотим открыть Солнечную систему для исследования человеком, их скорости недостаточно.

Введите ядерную тепловую двигательную установку

Ядерный тепловой двигатель

Сегодня полет на Марс в один конец занимает минимум шесть месяцев. Для астронавта это долгий срок пребывания в космическом корабле размером с однокомнатную квартиру. Это также создает серьезные оперативные проблемы для миссии. Чем дольше астронавт находится в пути, тем больше он подвергается воздействию высоких доз опасного космического излучения и тем больше припасов ему нужно взять с собой для выполнения миссии.

За последние полвека инженеры выжали все до последней капли из обычных химических ракетных двигателей. Если мы действительно хотим совершать регулярные полеты на Марс, нам потребуется резкое изменение эффективности ракетных двигателей.

Если мы хотим открыть Солнечную систему для исследования людьми, их скорости недостаточно.

Как попасть на Марс?

Путешествие человека на Марс требует значительно более быстрой транспортировки. Ядерная тепловая двигательная установка позволяет космическим кораблям двигаться быстрее, сокращая время, в течение которого люди подвергаются воздействию радиации.

Более быстрый космический корабль

Как это работает

Ядерный реактор быстро нагревает топливо, такое как жидкий водород, который расширяется через сопло ракеты и обеспечивает значительную тягу.

Жидкий водород

Раннее происхождение

Идея ядерной тепловой тяги почти так же стара, как и сама космическая эра… идея когда-то опережала свое время.

НАСА

NTP: новый тип двигателя

В обычном жидкостном ракетном двигателе окислитель и топливо смешиваются в камере сгорания и воспламеняются. Это заставляет газы быстро расширяться, что резко увеличивает давление в камере сгорания и выталкивает выхлоп через сопло ракетного двигателя на высоких скоростях.

Тепловая ядерная двигательная установка также работает за счет выброса горячих газов из двигателя под высоким давлением. Ключевое отличие заключается в том, как эти газы доводятся до температуры. Вместо сгорания реакторная система NTP прокачивает жидкое топливо — обычно водород — через активную зону высокотемпературного ядерного реактора. Когда газ проходит через активную зону реактора, он нагревается до невероятно высоких температур (> 2500 ° C), что заставляет его быстро расширяться через сопло и создавать тягу.

Одним из основных преимуществ ядерных тепловых двигателей является их эффективность. Ядерная тепловая ракета может более чем в два раза повысить эффективность по сравнению с обычной химической ракетой, потому что ее топливо нагревается до гораздо более высокой температуры, чем в обычной камере сгорания. Это означает, что ядерная тепловая ракета может сократить время полета до Марса (и обратно домой) вдвое.

«Вы ничего не сжигаете, поэтому вам не нужно носить с собой кислород, который очень тяжел», — говорит Майк Кинард, бывший руководитель проекта NASA Space Nuclear Propulsion Project. «Но вам все еще нужно нести много водорода на Марс, чтобы вы могли вернуться, а для этого требуется чрезвычайно эффективная система. NTP создан специально для этого».

«Вы ничего не сжигаете, поэтому вам не нужно носить с собой кислород, который очень тяжелый»

— Майк Кинард (бывший руководитель проекта НАСА по космическим ядерным двигателям)

NASA’S Nuclear Dream

Идея ядерной тепловой тяги почти так же стара, как и сама космическая эра. В начале 1960-х НАСА объединило усилия с Комиссией по атомной энергии для изучения конструкции двигателя NTP. Новаторская программа NERVA завершилась серией наземных испытаний прототипа ядерного двигателя и вдохновила Вернера фон Брауна, директора Центра космических полетов НАСА имени Маршалла и отца современной ракетной техники, предложить отправить астронавтов на Марс на ядерной тепловой ракете с помощью 1980-е годы. Пыль после «гигантского прыжка» Нила и Базза едва осела, но фон Браун уже осознал огромный потенциал ядерных тепловых двигателей.

Несмотря на ранний энтузиазм НАСА по поводу ядерных тепловых двигателей, их двигатель NERVA так и не был запущен в космос. Программа столкнулась с техническими трудностями, особенно когда речь шла о поиске материалов, способных выдерживать интенсивные температуры реактора, которые являются ключевыми для эффективности ядерной ракеты. Материаловедение просто не было готово справиться с жарой — до сих пор.

Seeing Red

Теперь, когда НАСА снова обратило свои взоры на Марс, ядерные тепловые двигатели готовы к возрождению. В течение многих лет инженеры НАСА изучали фундаментальную физику и материаловедение критических компонентов ядерного теплового двигателя. Программа получила мощную поддержку Конгресса, который выделил более 100 миллионов долларов на программу ядерных тепловых двигателей НАСА в своем бюджете на каждый из последних четырех лет.

Цель НАСА — запустить первую демонстрационную полетную миссию ядерного теплового двигателя к середине 2020-х годов. Но они не могут сделать это в одиночку, поэтому агентство использовало энергию X, чтобы помочь разработать концепции реактора и топлива для космического ядерного теплового двигателя.

NTP @ XE

Летом 2020 года компания X-energy представила свои концепции ядерного теплового двигательного реактора, способного развивать удельный импульс в 900 секунд. Удельный импульс является мерой того, насколько эффективно ракетный двигатель использует свое топливо. Это похоже на расход бензина для автомобиля: более высокий удельный импульс означает, что вы можете ехать быстрее и дальше на заданном количестве топлива. Проект X-energy для ядерной тепловой двигательной установки будет способен более чем в два раза увеличить удельный импульс двигателей Saturn V, доставивших астронавтов на Луну, которые остаются самыми мощными и эффективными ракетными двигателями, когда-либо летавшими в космос.

Большой вопрос для НАСА заключается в том, какой тип ядерного топлива использовать в этих планетарных исследовательских реакторах. Обеспокоенность по поводу риска распространения ослабила энтузиазм по поводу использования высокообогащенного урана, но низкообогащенный уран, используемый в существующих наземных ядерных реакторах, не обладает достаточной плотностью энергии для удовлетворения потребностей высокотемпературной двигательной реакторной установки. Высокопробное низкообогащенное урановое топливо (HALEU), которое занимает промежуточное положение между низко- и высокообогащенным ураном (обогащение до 20%), является сильным претендентом на ядерные тепловые ракеты.

«Я думаю, что самым большим прорывом в последнее время является тот факт, что мы нашли способы использования низкообогащенного урана [высокой пробы] для получения таких характеристик, которые нам нужны для ядерных тепловых двигателей», — говорит Кинард.

X-energy — одна из немногих компаний в США, способных производить формы топлива с керамическим покрытием с использованием HALEU, который лежит в основе нашего топлива TRISO. Каждый топливный сердечник TRISO состоит из 0,5-микронной таблетки оксикарбида урана (размером с маковое зернышко), обернутой тремя чередующимися слоями графита и карбида кремния. Тысячи этих частиц заключены в форму графитового топлива: либо галька, либо призматические компакты. В наземном реакторе X-energy, Xe-100, более 60 000 таких камешков (размером примерно с биток) будут проходить через активную зону реактора в течение года.

«Мы спрашивали: «Почему все по-прежнему делается именно так?», и во многих ситуациях ответ был: «Мы всегда так делали». на фундаментальном уровне, чтобы мы могли внедрять новые материалы и технологии производства».

— Д-р Даниэль Браун (инженер-технолог по топливу в X-energy)

«TRISO топливо впервые было создано в 1960-х годов, и во многих процессах, используемых для изготовления этого топлива, до сих пор используются технологии 1960-х годов», — говорит д-р Дэниел Браун, инженер-технолог по топливу в X-energy. «Мы спрашивали: «Почему все по-прежнему делается именно так?», и во многих ситуациях ответ был: «Мы всегда так поступали». уровне, чтобы мы могли внедрять новые материалы и технологии производства».

Вернувшись к основам, мы смогли определить ключевые области, в которых производство TRISO можно улучшить. После многих лет исследований и разработок компания X-energy создала запатентованные процессы производства топлива из твердых частиц с керамическим покрытием, которые значительно улучшили качество, стабильность и безопасность топлива TRISO, а также обеспечили надежные поставки в промышленных масштабах.

Мы называем наше творение TRISO-X .

Критическая температура

Самое главное в топливе X-energy TRISO-X заключается в том, что его можно безопасно использовать при экстремально высоких температурах. Слои графита и карбида кремния вокруг зерен урана действуют как автономный экран, удерживающий продукты деления урана. Это означает, что уран можно довести до температуры намного выше 3000 градусов по Фаренгейту — более чем в 7 раз выше рабочей температуры обычного ядерного реактора — без риска расплавления. Это критическая особенность ядерной тепловой ракеты, которая должна работать при гораздо более высоких температурах, чтобы достичь повышения эффективности по сравнению с двигателями на химическом топливе.

«Недостаточно быть «устойчивым к расплавлению» топливом… для ядерной тепловой ракеты требуется такое же надежное ядро».

— Д-р Ханс Гугар (менеджер X-energy по разработке продуктов для разработки микрореакторов)

Но быть «устойчивым к расплавлению» топливом недостаточно, говорит д-р Ханс Гугар, менеджер X-energy по продуктам Инжиниринг для разработки микрореакторов. Ядерная тепловая ракета нуждается в таком же прочном сердечнике. Предложенная X-energy конструкция высокотемпературного газоохлаждаемого реактора восходит к программе НАСА NERVA. Как и в двигателе NERVA, конструкция X-energy пропускает горячий водород через графитовый сердечник для создания тяги. Ключевое отличие состоит в том, что в нашей топливной матрице TRISO-X используются современные материалы, которые не разрушаются при работе двигателя при экстремальных температурах. Наши усовершенствованные замедлители повышают эффективность реакции деления, позволяя использовать топливо HALEU, сохраняя при этом достаточно легкий вес реактора для полета.

Эффективность нашей ядерной тепловой двигательной установки является ключевым отличием нашей конструкции. Для любого космического приложения вес всегда является ключевым фактором, а это означает наличие минимального количества топлива, возможного для безопасного завершения миссии. В X-energy мы занимаемся производством небольших ядерных реакторов, но даже наши наземные блоки слишком велики для ракеты. Наш реактор Xe-100 слишком тяжел на несколько сотен тонн, чтобы его можно было запустить в космос. Будущее ядерных тепловых двигателей зависит от нашей способности производить примерно такую ​​же выходную мощность, как и типичный коммерческий усовершенствованный реактор, но работать при гораздо более высокой температуре, уменьшая его размер на порядки.

После нескольких месяцев работы над концептуальным проектированием для НАСА мы уверены, что наши инновации и опыт работы с небольшими высокотемпературными газовыми реакторами и неплавящимся топливом TRISO-X позволят в ближайшем будущем осуществлять межпланетные миссии с экипажем. Мы уже начинаем проводить эксперименты по усовершенствованному производству топлива NTP на нашем пилотном производственном объекте TRISO-X в Национальной лаборатории Ок-Ридж, поэтому мы готовы масштабировать производство топлива, чтобы уложиться в сроки исследований НАСА. Мы также извлекаем выгоду из опыта исследования космоса наших дочерних компаний, Intuitive Machines и Axiom Space, которые разрабатывают первый в мире частный лунный посадочный модуль и коммерческую космическую станцию ​​соответственно.

«Тесное сотрудничество с нашей топливной командой TRISO-X и нашими дочерними компаниями, которые планируют и выполняют космические миссии в течение многих лет, значительно ускорило наш междисциплинарный процесс проектирования и улучшило наши решения», — говорит д-р Брэд Реарден, директор Архитектор технических решений и решений X-energy для космических реакторов. «Мы используем уроки, извлеченные из других инициатив по микрореакторам, и полагаемся на наш специальный передовой вычислительный инструментарий для создания действительно инновационного решения, которое можно будет изготовить, испытать и запустить к середине 2020-х годов, что соответствует графику НАСА».

Когда-то ядерная тепловая ракета была идеей, опередившей свое время.

Теперь пришло его время.

Наша история с космосом

Axiom Space & Intuitive Machines

Что еще мы делаем в космосе?

Устойчивые лунные базы

Читайте: ЛСП

Нетрадиционные ракетные двигатели — ядерные тепловые двигатели

Введение

Концепция ядерных тепловых двигателей

Ядерные тепловые двигатели концептуально аналогичны солнечным тепловым двигателям, за исключением источника тепла. В ядерных тепловых двигателях тепло, выделяющееся при ядерном делении, используется для сжигания топлива.

Концепция

На фундаментальном уровне все ядерные реакторы деления преобразуют ядерную массу m в энергию E согласно формуле E = mc² , где c — скорость света. Деление – это процесс, при котором нейтроны поглощаются топливным материалом. Делящееся топливо, обычно уран или плутоний, преобразует процент своей массы в энергию, когда его ядра расщепляются нейтронами. Возбуждение атомов топлива производит тепловую энергию, которая затем используется для нагрева топлива. Нагретое топливо проходит через активную зону ядерного реактора и расширяется через сопло ракеты, создавая тягу. Для получения большего импульса и эффективности необходимы более высокие температуры в активной зоне реактора. Кроме того, низкая молекулярная масса пропеллента приведет к большему расширению пропеллента, что, в свою очередь, создаст большее давление в сопле. Таким образом, водород в основном используется в качестве топлива. Эффективно ядерная тепловая двигательная установка может производить 10 ^{7 В} раз большая плотность энергии, чем у химической двигательной установки.

Классификация: твердое ядро, жидкое ядро ​​и газовое ядро ​​

Существует 3 различных типа ядерных тепловых двигателей. Это твердое ядро, жидкое ядро ​​и газовое ядро.

Твердое ядро, возможно, является наиболее распространенным из-за простоты реализации. Очевидно, ограничения таких сердечников заключаются в температуре плавления материала, из которого они изготовлены. В настоящее время нам не известны материалы, способные противостоять теплу, выделяемому топливом, работающим на максимальной мощности. Таким образом, можно ожидать, что такие ядра будут генерировать импульсы до 900 с.

Двигатель с жидкостным сердечником, который включает вращающийся твердый цилиндр, может использоваться для хранения топлива при более высокой температуре. Индуцированная центростремительная сила прижимает топливо, имеющее более высокую молекулярную массу, чем топливо, к цилиндрической стенке. Когда топливо плавится и нагревается до температуры выше температуры плавления цилиндра, внутренняя цилиндрическая стенка естественным образом плавится. Изюминка этого двигателя заключается в центростремительной силе, которая удерживает расплавленный слой неповрежденным. Кроме того, охлаждающая жидкость, текущая по внешней стороне цилиндра, предотвращает расплавление всего цилиндра. Таким образом, топливо можно довести до более высокой температуры, чем в твердом сердечнике, и вытолкнуть топливо с большей силой. Двигатели с жидкостным сердечником могут достигать гораздо более высокого удельного импульса — 1600 с.

Двигатель с газовым сердечником представляет собой разновидность двигателя с жидким сердечником. Газообразное урановое топливо производится в центре реактора, окруженного водородом. Это связано с быстрой циркуляцией жидкости. Температура активной зоны реактора может достигать десятков тысяч градусов, поскольку топливо не соприкасается со стенками реактора.

Производительность

Ядерный тепловой двигатель обеспечивает больший удельный импульс по сравнению с химическим двигателем. Удельные импульсы в 800 с, получаемые ядерным тепловым двигателем с использованием твердого ядра, в два раза больше, чем у его химического аналога. Больший удельный импульс и меньшая молекулярная масса топлива увеличивают тяговую силу на единицу расхода топлива. Поскольку те же характеристики можно получить при уменьшенной массе топлива, большая масса полезной нагрузки может быть доставлена ​​в космос с помощью ядерной тепловой системы. Тогда космический корабль сможет достичь более быстрого перехода на орбиту, что сведет к минимуму время в пути до места назначения.

Ядерные тепловые двигатели предназначены не для ускорения полезной нагрузки в космосе, а для работы в космическом вакууме. Поэтому требуется дополнительная защита, чтобы предотвратить рассеяние излучения от атмосферы и обратно на полезную нагрузку, что будет препятствовать правильной работе двигателя во время запуска.

Кроме того, в случае отказа атмосферной или орбитальной ракеты неизбежен выброс опасных радиоактивных материалов в окружающую среду. Однако экологические риски невелики. Потребуется более сотни неудачных запусков, чтобы вызвать такой же уровень активности деления, как затонувшая атомная подводная лодка.

Заявки

В 1955 году в Лос-Аламосской национальной лаборатории был запущен проект «Ровер». Цель состояла в том, чтобы разработать твердотопливную ядерную тепловую ракету, использующую жидкий водород в качестве топлива. Затем были разработаны различные системы. Один из них способен обеспечить тягу в 200 000 фунтов, а другой — удельный импульс 845 с.

В 1963 году была инициирована американская ракетная программа NERVA для проведения экспериментов по использованию ядерных тепловых двигателей для дальних пилотируемых космических полетов. Цель состояла в том, чтобы построить работающий ракетный двигатель на основе ядерного реактора на основе графита, который был построен во время проекта Rover. Проект был чрезвычайно успешным, и он проверил практические эксплуатационные возможности ядерной тепловой ракеты.

Однако в 1973 году эти программы были остановлены по ряду политических, технических и бюджетных причин.

Будущие разработки

Схематическое изображение двигателя Rubbia

В 1990-х годах лауреат Нобелевской премии Карло Руббиа открыл редкий изотоп трансуранового элемента америция (Am-242m).
Сравнительное преимущество Ам-242м перед изотопами урана или плутония заключается в его химических свойствах. Благодаря более низкой критической массе он может быть изготовлен в виде тонких листов толщиной менее 1 мкм. Это позволяет продуктам деления легко ионизироваться и покидать топливный элемент. Также было доказано, что для производства огромного количества энергии достаточно деления небольшого количества Am-242m. Такая способность упаковать большой удар в легком и компактном топливе позволяет сделать ядерный генератор меньшего размера и легче. Использование такого генератора в ядерной тепловой силовой установке позволит распределить больший вес полезной нагрузки, значительно повысив эффективность. Подсчитано, что импульсы таких ракет составляют поразительные 2000–4000 с, доставляя человека на Марс всего за 2 недели!

В 1999 г. Руббиа предложил внедрить АМ-242м в космическую ракету для нагрева ракетного топлива. Такая ракета будет способна совершить полноценный межпланетный полет. Этот двигатель может появиться в ближайшие 20 или 30 лет.

Сравнение с обычными ракетными двигателями

Ядерные тепловые двигатели более выгодны по сравнению с обычными системами с точки зрения движущей силы, поскольку ядерные реакции могут производить большое количество энергии из небольшой массы материала.

В приведенной ниже таблице показано сравнение между обычным химическим двигателем, ядерным тепловым двигателем и будущим двигателем Rubbia.

Сравнение обычных химических, ядерных тепловых двигателей и двигателей Rubbia

Заключение

Для сравнения, ядерные тепловые двигатели имеют множество преимуществ по сравнению с обычными двигателями. Более высокие импульсы, более низкая потенциальная тяга, среди прочего, сделают этот двигатель гораздо более привлекательным вариантом, чем обычные. Его плотность тяги также низка, что дает ему легкость подъема на орбиту Земли — черта, которой обладают немногие другие нетрадиционные ракетные двигатели. Самое приятное, что нет принципиальных технологических препятствий для создания космического корабля с ядерным тепловым двигателем.

Однако из-за множества политических и бюджетных проблем в 70-х годах космические агентства с тех пор отложили все планы по развитию этого двигателя. Будем надеяться, что такое отвращение к ядерным двигателям исчезнет после открытия америция. С тех пор было доказано, что двигатель Rubbia подходит для выполнения миссий. Мы надеемся, что эта новая технология возродит искру в ядерных тепловых двигателях и даст им заслуженное оправдание.

Библиография

1. Акчеттура, А., и Ферретти, А., «PROPULSION 2000 PROGRAM, Phrase 1», Final Rep., AVIO, Коллеферро (Рим), Италия, NTEPRP 10000, ноябрь 2000 г.
2. Клаудио Бруно. «Передовые двигательные установки и технологии. Сегодня до 2020 года», Американский институт аэронавтики и астронавтики, Inc, 2008 г.
3. Дарвар, Дж. А., На край Солнечной системы: история ядерной ракеты, Univ. Press of Kentucky, Lexington, KY, 2004.

.

4. «Ядерная тепловая ракета», Википедия,
5. «Ядерный двигатель», Марсианская академия,
6. Милтон Кляйн, «Ядерная тепловая ракета — признанная технология космического движения» 01000413000001&idtype=cvips&gifs=yes>
7. Стивен Д. Хоу, «Оценка преимуществ и осуществимости ядерной ракеты для пилотируемой миссии на Марс», июнь 1985 г.
8. Джей В. Келли, «Нетрадиционный космический полет», февраль 1994 г.
9. С. Хоу, С. Боровски, К. Мотлох, И. Хелмс, Н. Диас, С. Ангаи и Т. Латам «Оценка инновационной технологии ядерных тепловых двигателей» 17 октября 1991

Американские военные хотят иметь ядерные ракеты для миссий вблизи Луны

Художественное представление космического корабля с ядерным тепловым двигателем.
(Изображение предоставлено DARPA)

Вооруженные силы США готовы сделать следующий шаг в разработке ядерной ракеты, которая поможет контролировать пространство Земля-Луна, область, которую они считают высоко стратегически приоритетной.

Агентство перспективных оборонных исследовательских проектов (DARPA) объявило 4 мая, что оно ищет предложения для второй и третьей фаз проекта по проектированию, разработке и сборке ядерного теплового ракетного двигателя для ожидаемой демонстрации полета на околоземной орбите к 2026 году9.0003

«Эти двигательные установки позволят Соединенным Штатам усилить свои интересы в космосе и расширить возможности НАСА для длительных пилотируемых космических полетов», — говорится в заявлении представителей DARPA .

Предложения предназначены для поддержки программы DARPA «Демонстрационная ракета для гибких окололунных операций» (DRACO), целью которой является разработка системы ядерного теплового двигателя (NTP) для использования в космосе Земля-Луна. DRACO является частью более масштабной программы вооруженных сил США по наблюдению за окололунным пространством (Земля-Луна), поскольку в ближайшее десятилетие правительственная и коммерческая деятельность в этом секторе возрастет.

Связанный: Самые опасные концепты космического оружия

Американские военные заинтересованы в наблюдении за окололунным пространством, поскольку правительственная и коммерческая деятельность в этом секторе увеличивается. (Изображение предоставлено НАСА) Системы

NTP работают с использованием ядерных реакторов. Реакторы нагревают водород или другое топливо до очень высоких температур, а затем выбрасывают перегретый газ из сопел для создания тяги.

По сравнению с электродвигателями НТП имеют тяговооруженность примерно в 10 000 раз выше. И по сравнению с традиционными химическими ракетами эффективность движения (или удельный импульс) NTP примерно в два-пять раз выше, написали представители DARPA в описании программы DRACO .

Фаза 1 для Драко включала награды в апреле 2021 года для General Atomics, Blue Origin и Lockheed Martin. Планировалось, что эта фаза продлится 18 месяцев на двух независимых треках.

Трек A для General Atomics включал предварительный проект ядерного теплового двигательного реактора вместе с двигательной подсистемой. Трек B, которым независимо занимались Blue Origin и Lockheed Martin, был направлен на создание «концепции космического корабля с операционной системой» для достижения целей будущих миссий, включая демонстрационную систему.

В сентябре 2020 года DARPA также предоставило заказ на 14 миллионов долларов для DRACO компании Gryphon Technologies из Вашингтона, округ Колумбия, которая предоставляет инженерно-технические решения для организаций национальной безопасности.

Ядерные тепловые ракеты, подобные той, что изображена на этом художественном изображении, могут вдвое сократить время, необходимое для полета на Марс. (Изображение предоставлено Пэтом Роулингсом/НАСА)

НАСА также заинтересовано в ядерных тепловых двигателях из-за их потенциала для выполнения миссий на Марс в два раза быстрее, чем в настоящее время на шесть-девять месяцев, которые можно получить с помощью современных двигательных установок. Бюджетная заявка НАСА на 2023 финансовый год, еще не одобренная Конгрессом, включает 15 миллионов долларов на поддержку ядерных двигателей.

Космическое агентство сотрудничает в проекте DRACO, «используя безвозмездное взаимодействие с участниками отрасли, когда инвестиции в технологии представляют общий интерес для обеих организаций», — написали представители НАСА в бюджетном запросе на 2023 финансовый год на сумму 26 миллиардов долларов. , который был выпущен в марте.

В прошлом финансовом году НАСА сотрудничало в пилотных демонстрационных проектах «с экспертизой в предметной области, испытанием топлива и проектированием турбинного оборудования», — написало агентство о работе DRACO.

Примечательно, что на 2022 финансовый год Палата представителей США выделила 110 миллионов долларов на ядерную тепловую двигательную установку, «отклонив предложение администрации Байдена переориентировать усилия НАСА на разработку ядерного реактора, который мог бы питать базы с экипажем на Луне и, в конечном итоге, на Марсе». , согласно Американского института физики.

Подпишитесь на Элизабет Хауэлл в Твиттере  @howellspace (открывается в новой вкладке) . Следите за нами в Твиттере @Spacedotcom (открывается в новой вкладке)  и на  Facebook (открывается в новой вкладке) .

Присоединяйтесь к нашим космическим форумам, чтобы продолжать обсуждать последние миссии, ночное небо и многое другое! А если у вас есть новость, исправление или комментарий, сообщите нам об этом по адресу: [email protected].

Элизабет Хауэлл, доктор философии, является штатным корреспондентом на канале космических полетов с 2022 года. Она была автором статей для Space.com (открывается в новой вкладке) в течение 10 лет до этого, с 2012 года. Как гордый Trekkie и канадец, она также занимается такими темами, как разнообразие, научная фантастика, астрономия и игры, чтобы помочь другим исследовать вселенную. Репортажи Элизабет с места событий включают в себя два запуска пилотируемых космических кораблей из Казахстана, три миссии шаттлов во Флориде и встроенные репортажи с моделируемой миссии на Марс в Юте. Она имеет докторскую степень. и магистр наук. получил степень бакалавра космических исследований в Университете Северной Дакоты и степень бакалавра журналистики в Карлтонском университете в Канаде. Элизабет также является инструктором по коммуникациям и науке после окончания средней школы с 2015 года. Ее последняя книга «Моменты лидерства от НАСА» написана в соавторстве с астронавтом Дэйвом Уильямсом. Элизабет впервые заинтересовалась космосом после просмотра фильма «Аполлон-13» в 19 лет.96, и все еще хочет когда-нибудь стать космонавтом.

Principles of Nuclear Rocket Propulsion

Select country/regionUnited States of AmericaUnited KingdomAfghanistanÅland IslandsAlbaniaAlgeriaAmerican SamoaAndorraAngolaAnguillaAntigua and BarbudaArgentinaArmeniaArubaAustraliaAustriaAzerbaijanBahamasBahrainBangladeshBarbadosBelgiumBelizeBeninBermudaBhutanBoliviaBonaire, Sint Eustatius and SabaBosnia and HerzegovinaBotswanaBrazilBritish Indian Ocean TerritoryBritish Virgin IslandsBruneiBulgariaBurkina FasoBurundiCambodiaCameroonCanadaCanary IslandsCape VerdeCayman IslandsCentral African RepublicChadChileChinaChristmas IslandCocos (Keeling) IslandsColombiaComorosCongoCook IslandsCosta RicaCroatiaCubaCuraçaoCyprusCzech RepublicDemocratic Republic of the CongoDenmarkDjiboutiDominicaDominican РеспубликаЭквадорЕгипетСальвадорЭкваториальная ГвинеяЭритреяЭстонияЭфиопияФолклендские (Мальвинские) островаФарерские островаФедеративные Штаты МикронезииФиджиФинляндияФранцияФранцузская ГвианаФранцузская ПолинезияГабонГамбияГрузияГерманияГанаГибралтарГрецияГринла ndGrenadaGuadeloupeGuamGuatemalaGuernseyGuineaGuinea-BissauGuyanaHaitiHondurasHong KongHungaryIcelandIndiaIndonesiaIranIraqIrelandIsle of ManIsraelItalyJamaicaJapanJerseyJordanKazakhstanKenyaKiribatiKuwaitKyrgyzstanLaoLatviaLesothoLiberiaLibyaLiechtensteinLuxembourgMacaoMacedoniaMadagascarMalawiMalaysiaMaldivesMaliMaltaMarshall IslandsMartiniqueMauritaniaMauritiusMayotteMexicoMoldovaMonacoMongoliaMontenegroMontserratMoroccoMozambiqueMyanmarNamibiaNepalNetherlandsNew CaledoniaNew ZealandNicaraguaNigerNiueNorfolk IslandNorth KoreaNorthern Mariana IslandsNorwayOmanPakistanPalauPanamaPapua New GuineaParaguayPeruPhilippinesPitcairnPolandPortugalPuerto RicoQatarRéunionRomaniaRwandaSaint BarthélemySaint HelenaSaint Kitts and NevisSaint LuciaSaint Martin (French part)Saint Pierre and MiquelonSaint Vincent and the GrenadinesSamoaSan MarinoSao Tome and PrincipeSaudi ArabiaSenegalSerbiaSeychellesSierra LeoneSingaporeSint Maarten (Dutch part)SlovakiaSloveniaSolomon IslandsSomaliaSouth AfricaSouth Georgia and the South Sandwich IslandsSouth KoreaSouth SudanSpainSri LankaSudanSurinameSvalbard and Jan MayenSwazilandSwedenSwitzerlandSyriaTaiwanTajikistanTanzaniaThailandTimor LesteTogoTokelauTongaTrinidad and TobagoTunisiaTurkeyTurkmenistanTurks and Caicos IslandsTuvaluUgandaUkraineUnited Arab EmiratesUruguayUS Virgin IslandsUzbekistanVanuatuVatican CityVenezuelaVietnamWallis and FutunaWestern SaharaYemenZambiaZimbabwe

Варианты покупки

Печать — Мягкая обложка $170. 00Доступно для предварительного заказа

Налог с продаж будет рассчитан при оформлении заказа

Бесплатная доставка по всему миру

Нет минимального заказа

Описание

Принципы ядерной ракеты, продолжение второго издания представить технические и теоретические аспекты ядерных ракетных двигателей в четком и едином представлении, обеспечивая понимание физических принципов, лежащих в основе конструкции и работы ракетных двигателей на основе ядерного деления. Это новое издание расширяет существующий материал и добавляет новые темы, такие как двигательная установка на антивеществе, описание ядерного ракетного двигателя на основе жидкого сердечника, запуск ядерной ракеты, новые формы топлива, стабильность реактора и новые усовершенствованные концепции реактора. Это новое издание предназначено для инженеров аэрокосмической и атомной промышленности, а также для продвинутых студентов, интересующихся ядерными ракетными двигателями.

Основные характеристики

• Обеспечивает понимание физических принципов, лежащих в основе конструкции и работы ракетных двигателей на основе ядерного деления
• Включает ряд примеров задач для иллюстрации представленных концепций
• Содержит электронную версию с интерактивными калькуляторами вращающиеся трехмерные фигуры для демонстрации представляемых физических концепций
• Имеется веб-сайт для инструкторов, на котором представлены подробные ответы на все вопросы, связанные с обзором глав

Читательская аудитория

Студенты старших курсов бакалавриата, аспиранты и специалисты в области двигателей

Содержание

• Анализ миссии
  5. Базовая структура ядра и процессы
  6. Распределение энергии потока нейтронов
  7. Уравнение баланса нейтронов и теория переноса
  8. Многогрупповые уравнения диффузии нейтронов
  9. Аспекты тепловых жидкостей ядерных ракет
  10. Турбомашины
  11. Кинетика ядерных реакторов
  12. Стабильность ядерных ракет
  13. Выгорание и трансмутация топлива
  14. Радиационная защита ядерных ракет
  15. Материалы для ядерных тепловых ракет
  16 Испытания ядерных ракетных двигателей
  17. Вопросы безопасности ядерных ракетных двигателей
  18. Передовые концепции ядерных ракет

  Приложение
  I. Таблица физических констант
  II. Термодинамические свойства некоторых газов
  III. Выбранные данные из Nerna Tests

Подробная информация о продукте

• Количество страниц: 380
• Язык: английский
• Copyright: © Butterworth-Heinemann 2023
• Опубликовано: 1 февраля 2023
• 111111121121121tionemannemannemannemannemannemannemannemannemannemannemannemanne.
• Мягкая обложка ISBN: 9780323
  

  0

Об авторе

Уильям Эмрих-младший

Уильям Дж. Эмрих-младший почти 35 лет работал старшим инженером в Центре им. пространство. Совсем недавно он работал руководителем проекта и главным исследователем симулятора окружающей среды ядерных тепловых ракетных элементов (NTREES), единственного в своем роде объекта, который он разработал для воссоздания суровых условий эксплуатации, присутствующих в работающих ядерных ракетных двигателях и где сейчас ядерная ракета топливные элементы испытываются на пределе своих возможностей для оценки их живучести. В 2015 году в результате его усилий по развитию объекта NTREES он стал вторым сотрудником Marshall, получившим награду AIAA Engineer of the Year. Чтобы отметить эту награду, город Хантсвилл, штат Алабама, объявил день, когда он получил награду, Днем Уильяма Эмриха. Выйдя из НАСА на пенсию, он в настоящее время является адъюнкт-профессором Университета Алабамы в Хантсвилле, где читает курс по ядерным ракетным двигателям и наставляет молодых инженеров, стремящихся сделать карьеру в этой области. Уильям Эмрих является зарегистрированным профессиональным инженером в штате Калифорния, а также членом Американского общества инженеров-механиков и ассоциированным научным сотрудником Американского института аэронавтики и астронавтики.

Принадлежности и опыт

Старший инженер, НАСА/Центр космических полетов им. Маршалла, Хантсвилл, Алабама, США (на пенсии) и адъюнкт-профессор Университета Алабамы в Хантсвилле

Рейтинги и обзоры

Написать отзыв

отзывы на «Принципы ядерной ракеты»

Ядерная ракета — двигательная установка 2

1. Что такое ядерная ракета?
2. Классификация ядерных ракет
   Твердое ядро ​​
   Жидкое ядро ​​
   Газовое ядро ​​
3. Характеристики ядерной ракеты

Ядерная ракета концептуально похожа на солнечную тепловую ракету, за исключением источника тепла. В ядерных ракетных двигателях тепло, выделяющееся при делении ядер, используется для сжигания топлива. На фундаментальном уровне все ядерные реакторы деления преобразуют массу ядра m в энергию E в соответствии с формулой E = mc², где c — скорость света. Деление – это процесс, при котором нейтроны поглощаются топливным материалом. Делящееся топливо, обычно уран или плутоний, преобразует процент своей массы в энергию, когда его ядра расщепляются нейтронами.

Возбуждение атомов топлива производит тепловую энергию, которая затем используется для нагрева топлива.

Нагретое топливо проходит через активную зону ядерного реактора и расширяется через сопло ракеты, создавая тягу. Для получения большего импульса и эффективности необходимы более высокие температуры в активной зоне реактора. Кроме того, низкая молекулярная масса пропеллента приведет к большему расширению пропеллента, что, в свою очередь, создаст большее давление в сопле. Таким образом, водород в основном используется в качестве топлива. По сути, ядерная тепловая двигательная установка может производить в 107 раз большую плотность энергии, чем химическая двигательная установка.

Классификация ядерной ракетки :

1. Сплошное ядро ​​
2. Жидкий ядро ​​
3. Газовый сердечник

1.

SOLITIO вес) ядерного реактора, работающего при высоких температурах для нагрева рабочего тела, которое движется через активную зону реактора. Это известно как конструкция с твердым сердечником, и это самая простая конструкция.

Они ограничены температурой плавления материалов, используемых в активной зоне реактора. Поскольку КПД ракетного двигателя зависит от квадратного корня из температуры рабочего тела, конструкция твердого сердечника должна быть изготовлена ​​из материалов, сохраняющих прочность при как можно более высоких температурах.

Ядерные реакции могут создавать гораздо более высокие температуры, чем те, которые могут выдерживать материалы. Еще более ограничивающим фактором является растрескивание оболочек твэлов из-за больших диапазонов температур (от 22 К до 3000 К на длине твэла 1,3 м) и необходимости согласования коэффициентов расширения всех компонентов. Используя водородное топливо, конструкция с твердым сердечником обычно обеспечивает удельный импульс (Isp) порядка от 850 до 1000 секунд, что примерно вдвое больше, чем у конструкций с жидким водородом и кислородом, таких как главный двигатель космического корабля «Шаттл».

Ядерная ракета с твердым сердечником

2.

Жидкое ядро ​​(ядерная ракета) :

Двигатель с жидкостным сердечником, в котором используется вращающийся твердый цилиндр, может использоваться для удержания топлива при более высокой температуре. Индуцированная центростремительная сила прижимает топливо, имеющее более высокую молекулярную массу, чем топливо, к цилиндрической стенке. Когда топливо плавится и нагревается до температуры выше температуры плавления цилиндра, внутренняя цилиндрическая стенка естественным образом плавится. Изюминка этого двигателя заключается в центростремительной силе, которая удерживает расплавленный слой неповрежденным. Кроме того, охлаждающая жидкость, текущая по внешней стороне цилиндра, предотвращает расплавление всего цилиндра. Таким образом, топливо можно довести до более высокой температуры, чем в твердом сердечнике, и вытолкнуть топливо с большей силой. Двигатели с жидким сердечником могут достигать гораздо более высокого удельного импульса — 1600 секунд.

В настоящее время считается, что эти двигатели очень сложны в изготовлении. Время реакции ядерного топлива намного больше, чем время нагрева рабочего тела, и поэтому требуется способ улавливания топлива внутри двигателя, позволяющий рабочему телу легко выходить через сопло. Большинство жидкофазных двигателей сосредоточены на вращении топливно-жидкостной смеси на очень высоких скоростях, чтобы вытолкнуть топливо наружу под действием центростремительной силы.

Ядерная ракета с жидким сердечником

3. 

Газовый сердечник (ядерная ракета) :

Окончательная классификация — двигатель с газовым сердечником. Это модификация конструкции с жидкой активной зоной, в которой используется быстрая циркуляция жидкости для создания тороидального кармана из газообразного уранового топлива в середине реактора, окруженного водородом. В этом случае топливо вообще не касается стенки реактора, поэтому температуры могут достигать нескольких десятков тысяч градусов, что позволяет получить удельные импульсы от 3000 до 5000 секунд.

Ядерная ракета с газовым сердечником (замкнутый цикл)

Ядерная ракета с газовым сердечником (открытый цикл)

Удельный импульс ядерной ракеты выше, чем у химической ракеты

90 : 90 ракета. Удельные импульсы продолжительностью 800 секунд, получаемые ядерным тепловым двигателем с использованием твердого ядра, вдвое больше, чем у его химического аналога. Больший удельный импульс и меньшая молекулярная масса топлива увеличивают тяговую силу на единицу расхода топлива. Поскольку те же характеристики можно получить при уменьшенной массе топлива, большая масса полезной нагрузки может быть доставлена ​​в космос с помощью ядерной тепловой системы. Тогда космический корабль сможет достичь более быстрого перехода на орбиту, что сведет к минимуму время в пути до места назначения.

Ядерные тепловые двигатели предназначены не для ускорения полезной нагрузки в космосе, а для работы в космическом вакууме. Поэтому требуется дополнительная защита, чтобы предотвратить рассеяние излучения от атмосферы и обратно на полезную нагрузку, что будет препятствовать правильной работе двигателя во время запуска.