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

Как работает ядерный двигатель. Ядерные реактивные двигатели – будущее космонавтики

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 . 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.

Александр Лосев

Быстрое развитие ракетно-космической техники в XX веке было обусловлено военно-стратегическими, политическими и, в определенной степени, идеологическими целями и интересами двух сверхдержав — СССР и США, а все государственные космические программы являлись продолжением их военных проектов, где главной задачей была необходимость обеспечить обороноспособность и стратегический паритет с вероятным противником. Стоимость создания техники и затраты на эксплуатацию тогда не имели принципиального значения. На создание ракет-носителей и космических аппаратов выделялись колоссальные ресурсы, а 108 минут полета Юрия Гагарина в 1961 году и телетрансляция Нила Армстронга и Базза Олдрина с поверхности Луны в 1969 году были не просто триумфами научно-технической мысли, они еще рассматривались как стратегические победы в битвах «Холодной войны».

Но после того как Советский Союз распался и выбыл из гонки за мировое лидерство, у его геополитических противников, прежде всего у США, исчезла необходимость реализовывать престижные, но крайне затратные космические проекты, чтобы доказывать всему миру превосходство западной экономической системы и идеологических концепций.
В 90-х годах основные политические задачи прошлых лет утратили актуальность, блоковое противостояние сменилось глобализацией, в мире возобладал прагматизм, поэтому большинство космических программ было свернуто или отложено, от масштабных проектов прошлого осталась, как наследие, только МКС. К тому же западная демократия поставила все дорогостоящие государственные программы в зависимость от электоральных циклов.
Поддержка избирателей, необходимая для получения или сохранения власти, заставляет политиков, парламенты и правительства склоняться к популизму и решать сиюминутные задачи, поэтому траты на исследования космоса сокращаются год от года.
Большинство фундаментальных открытий было сделано еще в первой половине ХХ века, а в наши дни наука и технологии достигли определенных пределов, к тому же во всем мире снизилась популярность научных знаний, и ухудшилось качество преподавания математики, физики и других естественных наук. Это и стало причиной застоя, в том числе и в космической сфере, последних двух десятилетий.
Но сейчас становится очевидным, что мир приближается к концу очередного технологического цикла, основанного на открытиях прошлого века. Поэтому любая держава, которая будет обладать принципиально новыми перспективными технологиями в момент смены глобального технологического уклада, автоматически обеспечит себе мировое лидерство как минимум на следующие пятьдесят лет.

Принципиальное устройство ЯРД с водородом в качестве рабочего тела

Это осознают и в Соединенных Штатах, где взят курс на возрождение американского величия во всех сферах деятельности, и в Китае, бросающем вызов американской гегемонии, и в Евросоюзе, который всеми силами пытается сохранить свой вес в глобальной экономике.
Там существует промышленная политика и всерьез занимаются развитием собственного научно-технического и производственного потенциала, а космическая сфера может стать наилучшим полигоном для отработки новых технологий и для доказательства или опровержения научных гипотез, способных заложить основу для создания принципиально иной более совершенной техники будущего.
И вполне естественно ожидать, что США будет первой страной, где возобновятся проекты исследования дальнего космоса с целью создания уникальных инновационных технологий как в области вооружений, транспорта и конструкционных материалов, так и в биомедицине и в сфере телекоммуникаций
Правда, ни даже Соединенным Штатам, успех на пути создания революционных технологий не гарантирован. Есть высокий риск оказаться в тупике, совершенствуя ракетные двигатели полувековой давности на основе химического топлива, как это делает компания SpaceX Илона Маска, или, создавая системы жизнеобеспечения длительного перелета похожие на те, что уже реализованы на МКС.
Может ли Россия, чья стагнация в космической сфере с каждым годом становится заметнее, совершить рывок в гонке за будущее технологическое лидерство, чтобы оставаться в клубе сверхдержав, а не в списке развивающихся стран?
Да, безусловно, Россия может, и более того, заметный шаг вперед уже сделан в ядерной энергетике и в технологиях ядерных ракетных двигателей, несмотря на хроническое недофинансирование космической отрасли.
Будущее космонавтики — это использование ядерной энергии. Чтобы понять, как связаны ядерные технологии и космос, необходимо рассмотреть основные принципы реактивного движения.
Итак, основные типы современных космических двигателей созданы на принципах химической энергетики. Это твердотопливные ускорители и жидкостные ракетные двигатели, в их камерах сгорания компоненты топлива (горючее и окислитель) вступая в экзотермическую физико-химическую реакцию горения, формируют реактивную струю, ежесекундно выбрасывающую из сопла двигателя тонны вещества. Кинетическая энергия рабочего тела струи преобразуется в реактивную силу, достаточную для движения ракеты. Удельный импульс (отношение создаваемой тяги к массе используемого топлива) таких химических двигателей зависит от компонентов топлива, давления и температуры в камере сгорания, а также от молекулярной массы газообразной смеси, выбрасываемой через сопло двигателя.
И чем выше температура вещества и давление внутри камеры сгорания, и чем ниже молекулярная масса газа, тем выше удельный импульс, а значит и эффективность двигателя. Удельный импульс — это количество движения, и его принято измерять в метрах в секунду, также как и скорость.
В химических двигателях наибольший удельный импульс дают топливные смеси кислород-водород и фтор-водород (4500–4700 м/с), но самыми популярными (и удобными в эксплуатации) стали ракетные двигатели, работающие на керосине и кислороде, например двигатели «Союзов» и ракет «Falcon» Маска, а также двигатели на несимметричном диметилгидразине (НДМГ) с окислителем в виде смеси тетраоксида азота и азотной кислоты (советский и российский «Протон», французский «Ариан», американский «Титан»). Их эффективность в 1.5 раза ниже, чем у двигателей на водородном топливе, но и импульса в 3000 м/с и мощности вполне достаточно, для того, чтобы было экономически выгодно выводить тонны полезной нагрузки на околоземные орбиты.
Но полеты к другим планетам требуют намного большего размера космических кораблей, чем все, что были созданы человечеством ранее, включая модульную МКС. В этих кораблях необходимо обеспечивать и длительное автономное существование экипажей, и определенный запас топлива и ресурс работы маршевых двигателей и двигателей для маневров и коррекции орбит, предусмотреть доставку космонавтов в специальном посадочном модуле на поверхность иной планеты, и возврат их на основной транспортный корабль, а затем и возвращение экспедиции на Землю.
Накопленные инженерно-технические знания и химическая энергетика двигателей позволяют вернуться на Луну и достигнуть Марса, поэтому велика вероятность, что в следующем десятилетии человечество побывает на Красной планете.
Если опираться только на имеющиеся космические технологии, то минимальная масса обитаемого модуля для пилотируемого полета к Марсу или к спутникам Юпитера и Сатурна составит примерно 90 тонн, что в 3 раза больше, чем лунные корабли начала 1970-х, а значит, ракеты-носители для их выведения на опорные орбиты для дальнейшего полета к Марсу будут намного превосходить «Сатурн-5» (стартовая масса 2965 тонн) лунного проекта «Аполлон» или советский носитель «Энергия» (стартовая масса 2400 тонн). Потребуется создать на орбите межпланетный комплекс массой до 500 тонн. Полет на межпланетном корабле с химическими ракетными двигателями потребует от 8 месяцев до 1 года времени только в одну сторону, потому что придется делать гравитационные маневры, используя для дополнительного разгона корабля силу притяжения планет, и колоссального запаса топлива.
Но используя химическую энергию ракетных двигателей дальше орбиты Марса или Венеры человечество не улетит. Нужны другие скорости полета космических кораблей и иная более мощная энергетика движения.

Современный проект ядерного ракетного двигателя Princeton Satellite Systems

Для освоения дальнего космоса необходимо значительно повысить тяговооруженность и эффективность ракетного двигателя, а значит увеличить его удельный импульс и ресурс работы. А для этого необходимо внутри камеры двигателя нагреть газ или вещество рабочего тела с низкой атомной массой до температур, в несколько раз превосходящих температуру химического горения традиционных топливных смесей, и сделать это можно с помощью ядерной реакции.
Если вместо обычной камеры сгорания внутрь ракетного двигателя поместить ядерный реактор, в активную зону которого будет подаваться вещество в жидком или газообразном виде, то оно, разогреваясь под большим давлением до нескольких тысяч градусов, начнет выбрасываться через канал сопла, создавая реактивную тягу. Удельный импульс такого ядерного реактивного двигателя будет в несколько раз больше, чем у обычного на химических компонентах, а значит многократно увеличится эффективность как самого двигателя, так и ракеты-носителя в целом. Окислитель для горения топлива при этом не потребуется, а в качестве вещества, создающего реактивную тягу, может быть использован легкий газ водород, мы же знаем, что чем меньше молекулярная масса газа, тем выше импульс, а это позволит намного уменьшить массу ракеты при лучших характеристиках мощности двигателя.
Ядерный двигатель будет лучше обычного, поскольку в зоне реактора легкий газ может нагреваться до температур, превышающих 9 тысяч градусов Кельвина, и струя такого перегретого газа обеспечит намного больший удельный импульс, чем могут дать обычные химические двигатели. Но это в теории.
Опасность даже не в том, что при старте ракеты-носителя с такой ядерной установкой может произойти радиоактивное загрязнение атмосферы и пространства вокруг пусковой площадки, основная проблема, что при высоких температурах может расплавиться сам двигатель вместе с космическим кораблем. Конструкторы и инженеры это понимают и уже несколько десятилетий пытаются найти подходящие решения.
У ядерных ракетных двигателей (ЯРД) есть уже своя история создания и эксплуатации в космосе. Первые разработки ядерных двигателей начались в середине 1950-х годов, то есть еще до полета человека в космос, и практически одновременно и в СССР и в США, а сама идея использовать ядерные реакторы для нагрева рабочего вещества в ракетном двигателе родилась вместе с первыми ректорами в середине 40-х годов, то есть больше 70 лет назад.
В нашей стране инициатором создания ЯРД стал ученый-теплофизик Виталий Михайлович Иевлев. В 1947 году он представил проект, который был поддержан С. П. Королевым, И. В. Курчатовым и М. В. Келдышем. Изначально планировалось использовать такие двигатели для крылатых ракет, а затем ставить и на баллистические ракеты. Разработкой занялись ведущие оборонные КБ Советского Союза, а также научно-исследовательские институты НИИТП, ЦИАМ, ИАЭ, ВНИИНМ.
Советский ядерный двигатель РД-0410 был собран в середине 60-х воронежском «Конструкторском бюро химавтоматики», где создавалось большинство жидкостных ракетных двигателей для космической техники.
В качестве рабочего тела в РД-0410 использовался водород, который в жидком виде проходил через «рубашку охлаждения», отводя лишнее тепло от стенок сопла и не давая ему расплавиться, а затем поступал в активную зону реактора, где нагревался до 3000К и выбрасывался через канал сопла, преобразуя, таким образом, тепловую энергию в кинетическую и создавая удельный импульс в 9100 м/с.
В США проект ЯРД был запущен в 1952 году, а первый действующий двигатель был создан в 1966 году и получил название NERVA (Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application). В 60-х — 70-х годах Советский Союз и США старались не уступать друг другу.
Правда и наш РД-0410, и американский NERVA были твердофазными ЯРД, (ядерное топливо на основе карбидов урана находилось в реакторе в твердом состоянии), и их рабочая температура была в пределах 2300–3100К.
Чтобы увеличить температуру активной зоны без риска взрыва или расплавления стенок реактора, необходимо создать такие условия ядерной реакции, при которых топливо (уран) переходит в газообразное состояние или превращается в плазму и удерживается внутри реактора за счет сильного магнитного поля, не касаясь при этом стенок. А дальше водород, поступающий в активную зону реактора, «обтекает» находящийся в газовой фазе уран, и превращаясь в плазму, с очень высокой скоростью выбрасывается через канал сопла.
Этот тип двигателя получил название газофазного ЯРД. Температуры газообразного уранового топлива в таких ядерных двигателях могут находиться в диапазоне от 10 тысяч до 20 тысяч градусов Кельвина, а удельный импульс достигать 50000 м/с, что в 11 раз выше, чем у самых эффективных химических ракетных двигателей.
Создание и использование в космической технике газофазных ЯРД открытого и закрытого типов — это наиболее перспективное направление развития космических ракетных двигателей и именно то, что необходимо человечеству для освоения планет Солнечной системы и их спутников.
Первые исследования по проекту газофазного ЯРД начались в СССР в 1957 году в НИИ тепловых процессов (НИЦ имени М. В. Келдыша), а само решение о разработке ядерных космических энергоустановок на основе газофазных ядерных реакторов было принято в 1963 году академиком В.  П. Глушко (НПО Энергомаш), а затем утверждено постановлением ЦК КПСС и Совета министров СССР.
Разработка газофазного ЯРД велась в Советском Союзе два десятилетия, но, к сожалению, так и не была завершена из-за недостаточного финансирования и необходимости дополнительных фундаментальных исследований в области термодинамики ядерного горючего и водородной плазмы, нейтронной физики и магнитной гидродинамики.
Советские ученые-ядерщики и инженеры-конструкторы столкнулись с рядом проблем, таких как достижение критичности и обеспечение устойчивости работы газофазного ядерного реактора, снижение потерь расплавленного урана при выбросе водорода, разогретого до нескольких тысяч градусов, теплозащита сопла и генератора магнитного поля, накопление продуктов деления урана, выбор химически стойких конструкционных материалов и пр.
А когда для советской программы «Марс-94» первого пилотируемого полета на Марс начала создаваться ракета-носитель «Энергия», проект ядерного двигателя был отложен на неопределенный срок. Советскому Союзу не хватило совсем немного времени, а главное политической воли и эффективности экономики, чтобы осуществить высадку наших космонавтов на планету Марс в 1994 году. Это было бы бесспорным достижением и доказательством нашего лидерства в высоких технологиях в течение следующих нескольких десятилетий. Но космос, как и многое другое, был предан последним руководством СССР. Историю уже не изменить, ушедших ученых и инженеров не вернуть, а утраченные знания не восстановить. Очень многое придется создавать заново.
Но космическая ядерная энергетика не ограничивается только сферой твердо- и газофазных ЯРД. Для создания нагретого потока вещества в реактивном двигателе можно использовать электрическую энергию. Эту идею первым высказал Константин Эдуардович Циолковский еще в 1903 году в своей работе «Исследование мировых пространств реактивными приборами».
А первый электротермический ракетный двигатель в СССР был создан в 1930-х годах Валентином Петровичем Глушко — будущим академиком АН СССР и руководителем НПО «Энергия».
Принципы работы электрические ракетных двигателей могут быть различными. Обычно их принято делить на четыре типа:

• электротермические (нагревные или электродуговые). В них газ нагревается до температур 1000–5000К и выбрасывается из сопла точно также как и в ЯРД.
• электростатические двигатели (коллоидные и ионные), в которых сначала происходит ионизация рабочего вещества, а затем положительные ионы (атомы, лишенные электронов) ускоряются в электростатическом поле и также выбрасываются через канал сопла, создавая реактивную тягу. К электростатическим относятся также и стационарные плазменные двигатели.
• магнитоплазменные и магнитодинамические ракетные двигатели. Там газовая плазма ускоряется за счет силы Ампера в пересекающихся перпендикулярно магнитном и электрическом полях.
• импульсные ракетные двигатели, в которых используется энергия газов, возникающих при испарении рабочего тела в электрическом разряде.

Плюсом этих электрических ракетных двигателей является низкий расход рабочего тела, КПД до 60% и высокая скорость потока частиц, что позволяет значительно сократить массу космического аппарата, но есть и минус — малая плотность тяги, а соответственно низкая мощность, а также дороговизна рабочего тела (инертные газы или пары щелочных металлов) для создания плазмы.
Все перечисленные типы электродвигателей реализованы на практике и многократно использовались в космосе и на советских и на американских аппаратах начиная с середины 60-х годов, но из-за своей малой мощности применялись в основном в качестве двигателей коррекции орбит.
С 1968 по 1988 годы в СССР была запущена целая серия спутников «Космос» с ядерными установками на борту. Типы реакторов носили названия: «Бук», «Топаз» и «Енисей».
Реактор проекта «Енисей» обладал тепловой мощностью до 135 кВт и электрической мощностью порядка 5 кВт. Теплоносителем являлся натрий-калиевый расплав. Этот проект был закрыт в 1996 году.
Для настоящего маршевого ракетного электродвигателя требуется очень мощный источник энергии. И лучшим источником энергии для таких космических двигателей является ядерный реактор.
Ядерная энергетика — одна из высокотехнологичных отраслей, где наша страна сохраняет лидирующие позиции. И принципиально новый ракетный двигатель в России уже создается и этот проект близок к успешному завершению в 2018 году. Летные испытания намечена на 2020 год.
И если газофазный ЯРД — это тема будущих десятилетий к которой предстоит вернуться после проведения фундаментальных исследований, то его сегодняшняя альтернатива — это ядерная энергодвигательная установка мегаваттного класса (ЯЭДУ), и она уже создается предприятиями Росатома и Роскосмоса с 2009 года.
В создании ядерного энергодвигателя и транспортно-энергетического модуля принимают участие НПО «Красная звезда», которое на сегодняшний день является единственным в мире разработчиком и изготовителем космических ядерных энергетических установок, а также Исследовательский центр им. М. В. Келдыша, НИКИЭТ им. Н. А. Доллежаля, «НИИ НПО «Луч», «Курчатовский институт», ИРМ, ФЭИ, НИИАР и НПО Машиностроения.
Ядерная энергодвигательная установка включает в себя высокотемпературный газоохлаждаемый ядерный реактор на быстрых нейтронах с системой турбомашинного преобразования тепловой энергии в электрическую, систему холодильников-излучателей для отвода избыточного тепла в космос, приборно-агрегатный отсек, блок маршевых плазменных или ионных электродвигателей и контейнер для размещения полезной нагрузки.
В энергодвигательной установке ядерный реактор служит источником электроэнергии для работы электрических плазменных двигателей, при этом газовый теплоноситель реактора, проходящий через активную зону, попадает в турбину электрогенератора и компрессора и возвращается обратно в реактор по замкнутому контуру, а не выбрасывается в пространство как в ЯРД, что делает конструкцию более надежной и безопасной, а значит пригодной для пилотируемой космонавтики.
Планируется, что ядерная энергодвигательная установка будет применяться для многоразового космического буксира для обеспечения доставки грузов при освоении Луны или создания многоцелевых орбитальных комплексов. Плюсом будет являться не только многоразовое использование элементов транспортной системы (чего пытается добиться Илон Маск в своих космических проектах SpaceX), но и возможность доставки в три раза большей массы грузов, чем на ракетах с химическими реактивными двигателями сопоставимой мощности за счет уменьшения стартовой массы транспортной системы. Особая конструкция установки делает ее безопасной для людей и окружающей среды на Земле.
В 2014 году на ОАО «Машиностроительный завод» в г. Электросталь был собран первый тепловыделяющий элемент (твэл) штатной конструкции для этой ядерной электродвигательной установки, а в 2016 проведены испытания имитатора корзины активной зоны реактора.
Сейчас (в 2017 году) ведутся работы по изготовлению элементов конструкции установки и тестирование узлов и агрегатов на макетах, а также автономные испытания систем турбомашинного преобразования энергии и прототипов энергоблоков. Завершение работ запланировано на конец следующего 2018 года, правда, с 2015 года начало накапливаться отставание от графика.
Итак, как только эта установка будет создана, Россия станет первой в мире страной обладающей ядерными космическими технологиями, которые лягут в основу не только будущих проектов освоения Солнечной системы, но и земной и внеземной энергетики. Космические ядерные энергетические установки можно будет использовать для создания систем дистанционной передачи электроэнергии на Землю или на космические модули с помощью электромагнитного излучения. И это тоже станет передовой технологией будущего, где наша страна будет иметь лидирующие позиции.
На основе разрабатываемых плазменных электродвигателей будут созданы мощные двигательные установки для дальних полетов человека в космос и в первую очередь для освоения Марса, достичь орбиты которого можно будет всего за 1,5 месяца, а не за год с лишним, как при использовании обычных химических реактивных двигателей.
А будущее всегда начинается с революции в энергетике. И никак иначе. Энергетика первична и именно величина энергопотребления влияет на технический прогресс, на обороноспособность и на качество жизни людей.

Экспериментальный плазменный ракетный двигатель NASA

Советский астрофизик Николай Кардашёв еще в 1964 году предложил шкалу развития цивилизаций. Согласно этой шкале уровень технологического развития цивилизаций зависит от количества энергии, которое население планеты использует для своих нужд. Так цивилизация I типа использует все доступные ресурсы, имеющиеся на планете; цивилизация II типа — получает энергию своей звезды, в системе которой находится; а цивилизация III типа пользуется доступной энергией своей галактики. Человечество пока не доросло до цивилизации I типа по этой шкале. Мы используем лишь 0.16% всего объема потенциального энергетического запаса планеты Земля. А значит, и России и всему миру есть куда расти, и эти ядерные технологии откроют нашей стране дорогу не только в космос, но и будущее экономическое процветание.
И, возможно, единственный вариант для России в научно-технической сфере — это совершить сейчас революционный прорыв в ядерных космических технологиях для того чтобы одним «прыжком» преодолеть многолетнее отставание от лидеров и оказаться сразу у истоков новой технологической революции в очередном цикле развития человеческой цивилизации. Такой уникальный шанс выпадает той или иной стране лишь один раз в несколько столетий.
К сожалению, Россия, не уделявшая в последние 25 лет должного внимания фундаментальным наукам и качеству высшего и среднего образования, рискует навсегда упустить этот шанс, если программа окажется свернутой, а на смену нынешним ученым и инженерам не придет новое поколение исследователей. Геополитические и технологические вызовы, с которыми столкнется Россия уже через 10–12 лет, будут очень серьезными, сопоставимыми с угрозами середины ХХ века. Чтобы сохранить суверенитет и целостность России в будущем уже сейчас необходимо срочно начинать подготовку специалистов, способных на эти вызовы отвечать и создавать что-то принципиально новое.
Есть лишь примерно 10 лет на то, чтобы превратить Россию в мировой интеллектуально-технологический центр, и без серьезного изменения качества образования это сделать невозможно. Для научно-технологического прорыва необходимо вернуть системе образования (и школьной и ВУЗовской) системность взглядов на картину мира, научную фундаментальность и мировоззренческую целостность.
А что касается нынешнего застоя в космической отрасли, то это не страшно. Физические принципы, на которых основаны современные космические технологии будут еще долго востребованы сектором обычных спутниковых услуг. Вспомним, что человечество использовало парус на протяжении 5. 5 тысяч лет, а эпоха пара длилась почти 200 лет, и лишь в ХХ веке мир начал стремительно меняться, потому что произошла очередная научно-техническая революция, запустившая волну инноваций и смену технологических укладов, что в итоге изменило и мировую экономику и политику. Главное, оказаться у истоков этих изменений.

Можно было бы начать эту статью традиционным пассажем про то, как писатели-фантасты выдвигают смелые идеи, а ученые потом воплощают их в жизнь. Можно, но писать штампами не хочется. Лучше вспомнить, что современные ракетные двигатели, твердотопливные и жидкостные, имеют более чем неудовлетворительные характеристики для полетов на относительно дальние дистанции. Вывести груз на орбиту Земли они позволяют, доставить что-то на Луну – тоже, хотя и обходится такой полет дороже. А вот полететь на Марс с такими двигателями уже нелегко. Им подавай горючее и окислитель в нужных объемах. И объемы эти прямо пропорциональны расстоянию, которое надо преодолеть.

Альтернатива традиционным химическим ракетным двигателям – двигатели электрические, плазменные и ядерные. Из всех альтернативных двигателей до стадии разработки двигателя дошла только одна система – ядерная (ЯРД). В Советском Союзе и в США еще в 50-х годах прошлого века были начаты работы по созданию ядерных ракетных двигателей. Американцы прорабатывали оба варианта такой силовой установки: реактивный и импульсный. Первая концепция подразумевает нагрев рабочего тела при помощи ядерного реактора с последующим выбросом через сопла. Имульсный ЯРД, в свою очередь, движет космический аппарат за счет последовательных взрывов небольшого количества ядерного топлива.

Также в США был придуман проект «Орион», соединявший в себе оба варианта ЯРД. Сделано это было следующим образом: из хвостовой части корабля выбрасывались небольшие ядерные заряды мощностью около 100 тонн в тротиловом эквиваленте. Вслед за ними отстреливались металлические диски. На расстоянии от корабля производился подрыв заряда, диск испарялся, и вещество разлеталось в разные стороны. Часть его попадала в усиленную хвостовую часть корабля и двигала его вперед. Небольшую прибавку к тяге должно было давать испарение плиты, принимающей на себя удары. Удельная стоимость такого полета должна была быть всего 150 тогдашних долларов на килограмм полезной нагрузки.

Дошло даже до испытаний: опыт показал, что движение при помощи последовательных импульсов возможно, как и создание кормовой плиты достаточной прочности. Но проект «Орион» был закрыт в 1965 году как неперспективный. Тем не менее, это пока единственная существующая концепция, которая может позволить осуществлять экспедиции хотя бы по Солнечной системе.

До строительства опытного экземпляра удалось дойти только реактивным ЯРД. Это были советский РД-0410 и американский NERVA. Они работали по одинаковому принципу: в «обычном» ядерном реакторе нагревается рабочее тело, которое при выбросе из сопел и создает тягу. Рабочим телом обоих двигателей был жидкий водород, но на советском в качестве вспомогательного вещества использовался гептан.

Тяга РД-0410 составляла 3,5 тонны, NERVA давал почти 34, однако имел и большие габариты: 43,7 метров длины и 10,5 в диаметре против 3,5 и 1,6 метров соответственно у советского двигателя. При этом американский двигатель в три раза проигрывал советскому по ресурсу – РД-0410 мог работать целый час.

Однако оба двигателя, несмотря на перспективность, тоже остались на Земле и никуда не летали. Главная причина закрытия обоих проектов (NERVA в середине 70-х, РД-0410 в 1985 году) – деньги. Характеристики химических двигателей хуже, чем у ядерных, но цена одного запуска корабля с ЯРД при одинаковой полезной нагрузке может быть в 8-12 раз больше пуска того же «Союза» с ЖРД. И это еще без учета всех расходов, необходимых для доведения ядерных двигателей до пригодности к практическому применению.

Вывод из эксплуатации «дешевых» Шаттлов и отсутствие в последнее время революционных прорывов в космической технике требует новых решений. В апреле этого года тогдашний глава Роскосмоса А. Перминов заявил о намерении разработать и ввести в эксплуатацию совершенно новый ЯРД. Именно это, по мнению Роскосмоса, должно кардинально улучшить «обстановку» во всей мировой космонавтике. Теперь же выяснилось, кто должен стать очередными революционерами космонавтики: разработкой ЯРД займется ФГУП «Центр Келдыша». Генеральный директор предприятия А. Коротеев уже обрадовал общественность о том, что эскизный проект космического корабля под новый ЯРД будет готов уже в следующем году. Проект двигателя должен быть готов к 2019, а испытания запланированы на 2025 год.

Комплекс получил название ТЭМ – транспортно-энергетический модуль. Он будет нести ядерный реактор с газовым охлаждением. С непосредственным движителем пока не определились: либо это будет реактивный двигатель наподобие РД-0410, либо электрический ракетный двигатель (ЭРД). Однако последний тип пока нигде в мире массово не применялся: ими оснащались всего три космических аппарата. Но в пользу ЭРД говорит тот факт, что от реактора можно запитывать не только двигатель, но и множество других агрегатов или вообще использовать весь ТЭМ как космическую электростанцию.

Нашёл интересную статью. Вообще атомные космические корабли меня всегда интересовали. Это будущее космонавтики. Обширные работы по этой тематике велись и в СССР. В статье как раз про них.

В космос на атомной тяге. Мечты и реальность.

доктор физико-математических наук Ю. Я. Стависский

В 1950 году я защитил диплом инженера-физика в Московском механическом институте (ММИ) Министерства боеприпасов. Пятью годами раньше, в 1945-м, там был образован инженерно-физический факультет, готовивший специалистов для новой отрасли, в задачи которой входило в основном производство ядерного боеприпаса. Факультет не имел себе равных. Наряду с фундаментальной физикой в объёме университетских курсов (методы математической физики, теория относительности, квантовая механика, электродинамика, статистическая физика и другие) нам преподавали полный набор инженерных дисциплин: химию, металловедение, сопротивление материалов, теорию механизмов и машин и пр. Созданный выдающимся советским физиком Александром Ильичём Лейпунским инженерно-физический факультет ММИ вырос со временем в Московский инженерно-физический институт (МИФИ). Другой инженерно-физический факультет, также влившийся впоследствии в МИФИ, был сформирован в Московском энергетическом институте (МЭИ), но если в ММИ основной упор делался на фундаментальную физику, то в Энергетическом — на тепло- и электрофизику.

Квантовую механику мы изучали по книге Дмитрия Ивановича Блохинцева. Каково же было моё удивление, когда при распределении меня направили к нему на работу. Я, заядлый экспериментатор (в детстве разобрал все часы в доме), и вдруг попадаю к известному теоретику. Меня охватила лёгкая паника, но по прибытии на место — „Объект В“ МВД СССР в Обнинске — сразу понял, что волновался напрасно.

К этому времени основная тематика „Объекта В“, во главе которого до июня 1950 года фактически стоял А.И. Лейпунский, уже сформировалась. Здесь создавали реакторы с расширенным воспроизводством ядерного горючего — „быстрые бридеры“. На посту директора Блохинцев инициировал развитие нового направления — создание двигателей на атомной тяге для космических полётов. Овладение космосом было давней мечтой Дмитрия Ивановича, ещё в юности он переписывался и встречался с К.Э. Циолковским. Я думаю, что понимание гигантских возможностей ядерной энергии, по теплотворной способности в миллионы раз превышающей лучшие химические топлива, и определило жизненный путь Д. И. Блохинцева.
„Лицом к лицу лица не увидать“… В те годы мы многого не понимали. Только сейчас, когда наконец-то появилась возможность сопоставить дела и судьбы выдающихся учёных Физико-энергетического института (ФЭИ) — бывшего „Объекта В“, переименованного 31 декабря 1966 года — складывается верное, как мне кажется, понимание идей, двигавших ими в то время. При всём многообразии дел, которыми приходилось заниматься институту, можно выделить приоритетные научные направления, оказавшиеся в сфере интересов его ведущих физиков.

Главный интерес АИЛа (так в институте за глаза называли Александра Ильича Лейпунского) — развитие глобальной энергетики на основе быстрых реакторов-бридеров (ядерных реакторов, не имеющих ограничений в ресурсах ядерного горючего). Трудно переоценить значение этой поистине „космической“ проблемы, которой он посвятил последние четверть века своей жизни. Немало сил Лейпунский потратил и на оборону страны, в частности на создание атомных двигателей для подводных лодок и тяжелых самолётов.

Интересы Д.И. Блохинцева (за ним закрепилось прозвище „Д. И.“) были направлены на решение проблемы использования ядерной энергии для космических полётов. К сожалению, в конце 1950-х годов он был вынужден оставить эту работу и возглавить создание международного научного центра — Объединённого института ядерных исследований в Дубне. Там он занимался импульсными быстрыми реакторами — ИБР. Это стало последним большим делом его жизни.

Одна цель — одна команда

Д.И. Блохинцев, преподававший в конце 1940-х в МГУ, приметил там, а затем пригласил на работу в Обнинск молодого физика Игоря Бондаренко, который буквально бредил космическими кораблями на атомной тяге. Первым его научным руководителем был А.И. Лейпунский, и Игорь, естественно, занимался его тематикой — быстрыми бридерами.

При Д.И. Блохинцеве вокруг Бондаренко сформировалась группа учёных, которые объединились, чтобы решить проблемы использования атомной энергии в космосе. Кроме Игоря Ильича Бондаренко в группу входили: Виктор Яковлевич Пупко, Эдвин Александрович Стумбур и автор этих строк. Главным идеологом был Игорь. Эдвин проводил экспериментальные исследования наземных моделей ядерных реакторов космических установок. Я занимался в основном ракетными двигателями „малой тяги“ (тяга в них создаётся своеобразным ускорителем — „ионным движителем“, который питается энергией от космической атомной электростанции). Мы исследовали процессы,
протекающие в ионных движителях, на наземных стендах.

На Викторе Пупко (в будущем
он стал начальником отделения космической техники ФЭИ) лежала большая организационная работа. Игорь Ильич Бондаренко был выдающимся физиком. Он тонко чувствовал эксперимент, ставил простые, изящные и весьма эффективные опыты. Я думаю, как ни один экспериментатор, да, пожалуй, и немногие теоретики, „чувствовал“ фундаментальную физику. Всегда отзывчивый, открытый и доброжелательный, Игорь был поистине душой института. До сих пор ФЭИ живёт его идеями. Бондаренко прожил неоправданно короткую жизнь. В 1964-м, в возрасте 38 лет, он трагически погиб из-за врачебной ошибки. Как будто Бог, увидев, как много человек сделал, решил, что это уже чересчур и скомандовал: „Хватит“.

Нельзя не вспомнить ещё одну уникальную личность — Владимира Александровича Малыха, технолога „от Бога“, современного лесковского Левшу. Если „продукцией“ упомянутых выше учёных были в основном идеи и расчётные оценки их реальности, то работы Малыха всегда имели выход „в металле“. Его технологический сектор, насчитывавший во времена расцвета ФЭИ более двух тысяч сотрудников, мог сделать, без преувеличения, всё. Причём ключевую роль всегда играл он сам.

В.А. Малых начинал лаборантом в НИИ ядерной физики МГУ, имея за душой три курса физфака, — доучиться не дала война. В конце 1940-х годов ему удалось создать технологию изготовления технической керамики на основе окиси бериллия — материала уникального, диэлектрика с высокой теплопроводностью. До Малыха многие безуспешно бились над этой проблемой. А топливный элемент на основе серийной нержавеющей стали и природного урана, разработанный им для первой атомной электростанции, — чудо по тем да и по нынешнем временам. Или созданный Малыхом термоэмиссионный топливный элемент реактора-электрогенератора для питания космических аппаратов — „гирлянда“. До сих пор в этой области не появилось ничего лучшего. Творения Малыха были не демонстрационными игрушками, а элементами ядерной техники. Они работали месяцы и годы. Владимир Александрович стал доктором технических наук, лауреатом Ленинской премии, Героем Социалистического Труда. В 1964 году он трагически погиб от последствий военной контузии.

Шаг за шагом

С.П. Королёв и Д.И. Блохинцев с давних пор вынашивали мечту о полёте человека в космос. Между ними установились тесные рабочие связи. Но в начале 1950-х годов, в разгар „холодной войны“, средств не жалели только на военные цели. Ракетная техника рассматривалась лишь как носитель ядерных зарядов, а о спутниках и не помышляли. Между тем Бондаренко, зная о последних достижениях ракетчиков, настойчиво выступал за создание искусственного спутника Земли. Впоследствии об этом никто и не вспомнил.

Любопытна история создания ракеты, поднявшей в космос первого космонавта планеты — Юрия Гагарина. Связана она с именем Андрея Дмитриевича Сахарова. В конце 1940-х годов он разработал комбинированный делительно-термоядерный заряд — „слойку“, видимо, независимо от „отца водородной бомбы“ Эдварда Теллера, который предложил аналогичное изделие под названием „будильник“. Однако вскоре Теллер понял, что ядерный заряд такой схемы будет иметь „ограниченную“ мощность, не более ~ 500 килотонн толового эквивалента. Для „абсолютного“ оружия этого мало, поэтому „будильник“ был заброшен. В Союзе же в 1953 году взорвали сахаровскую слойку РДС-6с.

После успешных испытаний и избрания Сахарова в академики тогдашний глава Минсредмаша В.А. Малышев пригласил его к себе и поставил задачу определить параметры бомбы следующего поколения. Андрей Дмитриевич оценил (без детальной проработки) вес нового, значительно более мощного заряда. Докладная Сахарова легла в основу постановления ЦК КПСС и Совета Министров СССР, которое обязало С. П. Королёва разработать под этот заряд баллистическую ракету-носитель. Именно такая ракета Р-7 под названием „Восток“ и вывела на орбиту искусственный спутник Земли в 1957-м и космический корабль с Юрием Гагариным в 1961-м. Использовать её как носитель тяжёлого ядерного заряда тогда уже не планировали, поскольку развитие термоядерного оружия пошло иным путём.

На начальном этапе космической ядерной программы ФЭИ совместно с КБ В.Н. Челомея разрабатывал крылатую атомную ракету. Это направление развивалось недолго и завершилось расчётами и испытанием элементов двигателя, созданного в отделении В.А. Малыха. По сути, речь шла о низколетящем беспилотном самолете с прямоточным ядерным двигателем и ядерной боеголовкой (своего рода ядерный аналог „жужжащего клопа“ — немецкой V-1). Система стартовала с помощью обычных ракетных ускорителей. После выхода на заданную скорость тяга создавалась атмосферным воздухом, нагреваемым за счёт цепной реакции деления окиси бериллия, пропитанной обогащённым ураном.

Вообще говоря, возможность выполнения ракетой той или иной задачи космонавтики определяется скоростью, которую она приобретает после использования всего запаса рабочего тела (топлива и окислителя). Её вычисляют по формуле Циолковского: V = c×lnMн/ Мк, где с — скорость истечения рабочего тела, а Мн и Мк — начальная и конечная масса ракеты. В обычных химических ракетах скорость истечения определяется температурой в камере сгорания, видом топлива и окислителя и молекулярным весом продуктов сгорания. Например, американцы для высадки астронавтов на Луну использовали в спускаемом аппарате в качестве топлива водород. Продукт его сгорания — вода, чей молекулярный вес сравнительно низок, и скорость истечения в 1,3 раза выше, чем при сжигании керосина. Этого достаточно, чтобы спускаемый аппарат с космонавтами достиг поверхности Луны и затем вернул их на орбиту её искусственного спутника. У Королёва работы с водородным топливом были приостановлены из-за аварии с человеческими жертвами. Создать лунный спускаемый аппарат для человека мы не успели.

Один из путей существенного повышения скорости истечения — создание ядерных термических ракет. У нас это были баллистические атомные ракеты (БАР) с радиусом действия несколько тысяч километров (совместный проект ОКБ-1 и ФЭИ), у американцев — аналогичные системы типа „Киви“. Двигатели испытывались на полигонах под Семипалатинском и в Неваде. Принцип их действия следующий: водород нагревается в ядерном реакторе до высоких температур, переходит в атомарное состояние и уже в таком виде истекает из ракеты. Скорость истечения при этом повышается более чем вчетверо по сравнению с химической водородной ракетой. Вопрос состоял в том, чтобы выяснить, до какой температуры можно нагреть водород в реакторе с твёрдыми топливными элементами. Расчёты давали около 3000°К.

В НИИ-1, научным руководителем которого был Мстислав Всеволодович Келдыш (тогда президент Академии наук СССР), отдел В.М. Иевлева с участием ФЭИ занимался совсем уж фантастической схемой — газофазным реактором, в котором цепная реакция протекает в газовой смеси урана и водорода. Из такого реактора водород истекает ещё раз в десять быстрее, чем из твёрдотопливного, уран же сепарируется и остаётся в активной зоне. Одна из идей предполагала использование центробежной сепарации, когда горячая газовая смесь урана и водорода „закручивается“ поступающим холодным водородом, в результате чего уран и водород разделяются, как в центрифуге. Иевлев пытался, по сути дела, прямо воспроизвести процессы в камере сгорания химической ракеты, используя в качестве источника энергии не теплоту сгорания топлива, а цепную реакцию деления. Это открывало путь к полному использованию энергоёмкости атомных ядер. Но вопрос о возможности истечения из реактора чистого водорода (без урана) так и остался нерешённым, не говоря уже о технических проблемах, связанных с удержанием высокотемпературных газовых смесей при давлениях в сотни атмосфер.

Работы ФЭИ по баллистическим атомным ракетам завершились в 1969-1970 годах „огневыми испытаниями“ на семипалатинском полигоне прототипа ядерного ракетного двигателя с твёрдыми топливными элементами. Его создавал ФЭИ в кооперации с воронежским КБ А.Д. Конопатова, московским НИИ-1 и рядом других технологических групп. Основу двигателя с тягой 3,6 т составлял ядерный реактор ИР-100 с топливными элементами из твёрдого раствора карбида урана и карбида циркония. Температура водорода достигала 3000°К при мощности реактора ~ 170 МВт.

Атомные ракеты малой тяги

До сих пор речь шла о ракетах с тягой, превышающей их вес, которые могли бы стартовать с поверхности Земли. В таких системах увеличение скорости истечения позволяет снизить запас рабочего тела, повысить полезную нагрузку и отказаться от многоступенчатости. Однако есть пути достижения практически неограниченных скоростей истечения, например ускорение вещества электромагнитными полями. Я занимался этим направлением в тесном контакте с Игорем Бондаренко почти 15 лет.

Ускорение ракеты с электрореактивным двигателем (ЭРД) определяется отношением удельной мощности установленной на них космической атомной электростанции (КАЭС) к скорости истечения. В обозримом будущем удельные мощности КАЭС, судя по всему, не превысят 1 кВт/кг. При этом возможно создание ракет с малой тягой, в десятки и сотни раз меньшей веса ракеты, и с очень малым расходом рабочего тела. Такая ракета может стартовать только с орбиты искусственного спутника Земли и, медленно ускоряясь, достигать больших скоростей.

Для полётов в пределах Солнечной системы нужны ракеты со скоростью истечения 50-500 км/с, а для полётов к звёздам — выходящие за пределы нашего воображения „фотонные ракеты“ со скоростью истечения, равной скорости света. Чтобы осуществить сколько-нибудь разумный по времени дальний космический полёт, необходимы невообразимые удельные мощности энергетических установок. Пока нельзя даже представить, на каких физических процессах они могут быть основаны.

Проведенные расчёты показали, что во время Великого противостояния, когда Земля и Марс находятся ближе всего друг к другу, можно за один год осуществить полёт ядерного космического корабля с экипажем к Марсу и возвратить его на орбиту искусственного спутника Земли. Полный вес такого корабля — около 5 т (включая запас рабочего тела — цезия, равный 1,6 т). Он определяется в основном массой КАЭС мощностью 5 МВт, а реактивная тяга — двухмегаваттным пучком ионов цезия с энергией 7 килоэлектронвольт *. Корабль стартует с орбиты искусственного спутника Земли, выходит на орбиту спутника Марса, а спускаться на его поверхность придётся уже на аппарате с водородным химическим двигателем, подобным американскому лунному.

Этому направлению, основанному на технических решениях, возможных уже сегодня, был посвящён большой цикл работ ФЭИ.

Ионные движители

В те годы обсуждались пути создания различных электрореактивных движителей для космических аппаратов, таких, как „плазменные пушки“, электростатические ускорители „пыли“ или капель жидкости. Однако ни одна из идей не имела под собой чёткой физической основы. Находкой оказалась поверхностная ионизация цезия.

Ещё в 20-е годы прошлого века американский физик Ирвинг Лэнгмюр открыл поверхностную ионизацию щелочных металлов. При испарении атома цезия с поверхности металла (в нашем случае — вольфрама), у которого работа выхода электронов больше потенциала ионизации цезия, он практически в 100% случаев теряет слабо связанный электрон и оказывается однократно заряженным ионом. Таким образом, поверхностная ионизация цезия на вольфраме и есть тот физический процесс, который позволяет создать ионный движитель с почти 100-процентным использованием рабочего тела и с энергетическим КПД, близким к единице.

Большую роль в создании моделей ионного движителя такой схемы сыграл наш коллега Сталь Яковлевич Лебедев. Своим железным упорством и настойчивостью он преодолевал все преграды. В результате удалось воспроизвести в металле плоскую трёхэлектродную схему ионного движителя. Первый электрод — пластина вольфрама размером примерно 10×10 см с потенциалом +7 кВ, второй — сетка из вольфрама с потенциалом -3 кВ, третий — сетка из торированного вольфрама с нулевым потенциалом. „Молекулярная пушка“ давала пучок паров цезия, который сквозь все сетки попадал на поверхность вольфрамовой пластины. Уравновешенная и откалиброванная металлическая пластина, так называемые весы, служила для измерения „силы“, т. е. тяги ионного пучка.

Ускоряющее напряжение до первой сетки разгоняет ионы цезия до 10 000 эВ, тормозящее напряжение до второй замедляет их до 7000 эВ. Это та энергия, с которой ионы должны покидать движитель, что соответствует скорости истечения 100 км/с. Но пучок ионов, ограниченный объёмным зарядом, не может „выйти в открытый космос“. Объёмный заряд ионов необходимо скомпенсировать электронами, чтобы образовалась квазинейтральная плазма, которая беспрепятственно распространяется в пространстве и создаёт реактивную тягу. Источником электронов для компенсации объёмного заряда ионного пучка служит нагреваемая током третья сетка (катод). Вторая, „запирающая“ сетка не даёт электронам попасть с катода на вольфрамовую пластину.

Первый опыт с моделью ионного движителя положил начало более чем десятилетним работам. Одна из последних моделей — с пористым вольфрамовым эмиттером, созданная в 1965 году, давала „тягу“ около 20 г при токе ионного пучка 20 А, имела коэффициент использования энергии около 90% и вещества — 95%.

Прямое преобразование ядерного тепла в электричество

Пути прямого преобразования энергии ядерного деления в электрическую пока не найдены. Мы ещё не можем обойтись без промежуточного звена — тепловой машины. Поскольку её КПД всегда меньше единицы, „отработанное“ тепло нужно куда-то девать. На земле, в воде и в воздухе с этим проблем нет. В космосе же существует только один путь — тепловое излучение. Таким образом, КАЭС не может обойтись без „холодильника-излучателя“. Плотность же излучения пропорциональна четвёртой степени абсолютной температуры, поэтому температура холодильника-излучателя должна быть как можно более высокой. Тогда удастся сократить площадь излучающей поверхности и соответственно массу энергетической установки. У нас появилась идея использовать „прямое“ преобразование ядерного тепла в электричество, без турбины и генератора, что казалось более надёжным при длительной работе в области высоких температур.

Из литературы мы знали о работах А.Ф. Иоффе — основателя советской школы технической физики, пионера в исследовании полупроводников в СССР. Мало кто теперь помнит о разработанных им источниках тока, применявшихся в годы Великой Отечественной войны. Тогда не один партизанский отряд имел связь с Большой землёй благодаря „керосиновым“ ТЭГам — термоэлектрогенераторам Иоффе. „Венец“ из ТЭГов (он представлял собой набор полупроводниковых элементов) надевался на керосиновую лампу, а его провода подсоединялись к радиоаппаратуре. „Горячие“ концы элементов нагревались пламенем керосиновой лампы, „холодные“ — остывали на воздухе. Поток тепла, проходя через полупроводник, порождал электродвижущую силу, которой хватало для сеанса связи, а в промежутках между ними ТЭГ заряжал аккумулятор. Когда через десять лет после Победы мы побывали на московском заводе ТЭГов, оказалось, что они ещё находят сбыт. У многих деревенских жителей были тогда экономичные радиоприемники „Родина“ на лампах прямого накала, работающие от батареи. Вместо них зачастую использовали ТЭГи.

Беда керосинового ТЭГа — его низкий КПД (всего около 3,5%) и невысокая предельная температура (350°К). Но простота и надёжность этих приборов привлекали разработчиков. Так, полупроводниковые преобразователи, разработанные группой И.Г. Гвердцители в Сухумском физико-техническом институте, нашли применение в космических установках типа „Бук“.

В свое время А.Ф. Иоффе предложил ещё один термоэмиссионный преобразователь — диод в вакууме. Принцип его действия следующий: нагретый катод испускает электроны, часть их, преодолевающая потенциал анода, совершает работу. От этого прибора ожидали значительно большего КПД (20-25%) при рабочей температуре выше 1000°К. Кроме того, в отличие от полупроводника вакуумный диод не боится нейтронного излучения, и его можно совместить с ядерным реактором. Однако оказалось, что осуществить идею „вакуумного“ преобразователя Иоффе невозможно. Как и в ионном движителе, в вакуумном преобразователе нужно избавиться от объёмного заряда, но на этот раз не ионов, а электронов. А.Ф. Иоффе предполагал использовать в вакуумном преобразователе микронные зазоры между катодом и анодом, что в условиях высоких температур и термических деформаций практически невозможно. Вот тут-то и пригодился цезий: один ион цезия, полученный за счёт поверхностной ионизации на катоде, компенсирует объёмный заряд около 500 электронов! По сути дела, цезиевый преобразователь — это „обращённый“ ионный движитель. Физические процессы в них близки.

«Гирлянды» В.А. Малыха

Одним из результатов работ ФЭИ над термоэмиссионными преобразователями были создание В.А. Малыхом и серийный выпуск в его отделении тепловыделяющих элементов из последовательно соединённых термоэмиссионных преобразователей — „гирлянд“ для реактора „Топаз“. Они давали до 30 В — раз в сто больше, чем одноэлементные преобразователи, созданные „конкурирующими организациями“ — ленинградской группой М.Б. Барабаша и позднее — Институтом атомной энергии. Это позволяло „снимать“ с реактора в десятки и сотни раз большую мощность. Однако надёжность системы, напичканной тысячами термоэмиссионных элементов, вызывала опасения. В то же время паро- и газотурбинные установки работали без сбоев, поэтому мы обратили внимание и на „машинное“ преобразование ядерного тепла в электричество.

Вся трудность заключалась в ресурсе, ведь в дальних космических полётах турбогенераторы должны работать год, два, а то и несколько лет. Чтобы уменьшить износ, „обороты“ (скорость вращения турбины) нужно сделать по возможности более низкими. С другой стороны, турбина работает эффективно, если скорость молекул газа или пара близка к скорости её лопаток. Поэтому сначала мы рассматривали применение самого тяжёлого — ртутного пара. Но нас испугала интенсивная радиационно-стимулированная коррозия железа и нержавеющей стали, которая возникала в охлаждаемом ртутью ядерном реакторе. За две недели коррозия „съела“ тепловыделяющие элементы опытного быстрого реактора „Клементина“ в Аргонской лаборатории (США, 1949 год) и реактора БР-2 в ФЭИ (СССР, Обнинск, 1956 год).

Заманчивым оказался калиевый пар. Реактор с кипящим в нём калием лёг в основу разрабатываемой нами энергетической установки космического корабля малой тяги — калиевый пар вращал турбогенератор. Такой „машинный“ способ преобразования тепла в электричество позволял рассчитывать на КПД до 40%, в то время как реальные термоэмиссионные установки давали кпд всего около 7%. Однако КАЭС с „машинным“ преобразованием ядерного тепла в электричество не получили развития. Дело завершилось выпуском подробного отчёта, по сути — „физической записки“ к техническому проекту космического корабля малой тяги для полёта с экипажем к Марсу. Сам проект так и не был разработан.

В дальнейшем, я думаю, просто пропал интерес к космическим полётам с использованием ядерных ракетных двигателей. После смерти Сергея Павловича Королёва поддержка работ ФЭИ по ионным движителям и „машинным“ ядерно-энергетическим установкам заметно ослабла. ОКБ-1 возглавил Валентин Петрович Глушко, у которого не было интереса к смелым перспективным проектам. Созданное им ОКБ „Энергия“ строило мощные химические ракеты и возвращаемый на Землю космический корабль „Буран“.

«Бук» и «Топаз» на спутниках серии «Космос»

Работы по созданию КАЭС с прямым преобразованием тепла в электричество, теперь уже в качестве источников питания для мощных радиотехнических спутников (космических радиолокационных станций и телетрансляторов), продолжались до начала перестройки. С 1970 по 1988 год в космос запустили около 30 радиолокационных спутников с ядерно-энергетическими установками „Бук“ с полупроводниковыми реакторами-преобразователями и два — с термоэмиссионными установками „Топаз“. „Бук“, по сути дела, представлял собой ТЭГ — полупроводниковый преобразователь Иоффе, только вместо керосиновой лампы в нём использовался ядерный реактор. Это был быстрый реактор мощностью до 100 кВт. Полная загрузка высокообогащённого урана составляла около 30 кг. Тепло из активной зоны передавалось жидким металлом — эвтектическим сплавом натрия с калием полупроводниковым батареям. Электрическая мощность достигала 5 кВт.

Установку „Бук“ под научным руководством ФЭИ разрабатывали специалисты ОКБ-670 М.М. Бондарюка, позднее — НПО „Красная звезда“ (главный конструктор — Г.М. Грязнов). Создать ракету-носитель для вывода спутника на орбиту поручили днепропетровскому КБ „Южмаш“ (главный конструктор — М.К. Янгель).

Время работы „Бука“ — 1-3 месяца. Если установка отказывала, спутник переводили на орбиту длительного существования высотой 1000 км. За почти 20 лет запусков было три случая падения спутника на Землю: два — в океан и один — на сушу, в Канаде, в окрестности Большого Невольничьего озера. Туда упал „Космос-954“, запущенный 24 января 1978 года. Он проработал 3,5 месяца. Урановые элементы спутника полностью сгорели в атмосфере. На земле нашли лишь остатки бериллиевого отражателя и полупроводниковых батарей. (Все эти данные приведены в совместном отчёте атомных комиссий США и Канады об операции „Утренний свет“.)

В термоэмиссионной ядерно-энергетической установке „Топаз“ использовался тепловой реактор мощностью до 150 кВт. Полная загрузка урана составляла около 12 кг — значительно меньше, чем у „Бука“. Основой реактора были тепловыделяющие элементы — „гирлянды“, разработанные и изготовленные группой Малыха. Они представляли собой цепочку термоэлементов: катод — „напёрсток“ из вольфрама или молибдена, заполненный окисью урана, анод — тонкостенная трубка из ниобия, охлаждаемая жидким натрий-калием. Температура катода достигала 1650°C. Электрическая мощность установки доходила до 10 кВт.

Первый лётный образец — спутник „Космос-1818“ с установкой „Топаз“ вышел на орбиту 2 февраля 1987 года и безотказно проработал полгода, до исчерпания запасов цезия. Второй спутник — „Космос-1876“ был запущен через год. Он отработал на орбите почти в два раза дольше. Главным разработчиком „Топаза“ было ОКБ ММЗ „Союз“, возглавляемое С.К. Туманским (бывшее КБ конструктора авиамоторов А.А. Микулина).

Это было в конце 1950-х годов, когда мы занимались ионным движителем, а он — двигателем третьей ступени, предназначавшимся для ракеты, которой предстояло облететь Луну и совершить посадку на неё. Воспоминания о мельниковской лаборатории свежи и поныне. Она располагалась в Подлипках (ныне г. Королёв), на площадке № 3 ОКБ-1. Огромный цех площадью около 3000 м2, уставленный десятками письменных столов со шлейфными осциллографами, производящими запись на 100-миллиметровой рулонной бумаге (это была ещё прошлая эпоха, сегодня хватило бы одного персонального компьютера). У передней стены цеха — стенд, где монтируется камера сгорания двигателя „лунной“ ракеты. К осциллографам идут тысячи проводов от датчиков скорости газов, давления, температуры и других параметров. День начинается в 9.00 с зажигания двигателя. Он работает несколько минут, затем сразу после остановки бригада механиков первой смены разбирает его, тщательно осматривает и измеряет камеру сгорания. Одновременно анализируются ленты осциллографов и вырабатываются рекомендации по изменениям конструкции. Вторая смена — конструкторы и рабочие мастерских вносят рекомендованные изменения. В третью смену на стенде монтируются новая камера сгорания и система диагностики. Через сутки, ровно в 9.00, — следующий сеанс. И так без выходных недели, месяцы. Более 300 вариантов двигателя за год!

Так создавались двигатели химических ракет, которым предстояло работать всего 20-30 минут. Что же говорить об испытаниях и доработках ядерно-энергетических установок — расчёт был на то, что они должны работать не один год. Это требовало поистине гигантских усилий.

Ракетные двигатели на жидком топливе дали человеку возможность выйти в космос — на околоземные орбиты. Однако подобные ракеты сжигают 99% топлива за первые несколько минут полёта. Остатка топлива может не хватить для путешествия на другие планеты, да и скорость будет настолько малой, что вояж займёт десятки или сотни лет. Решить проблему могут ядерные двигатели. Как? Будем разбираться вместе.

Принцип работы реактивного двигателя очень прост: он переводит топливо в кинетическую энергию струи (закон сохранения энергии), за счёт направления этой струи ракета движется в пространстве (закон сохранения импульса). Важно понимать, что мы не можем разогнать ракету или самолёт до скорости большей, чем скорость истечения топлива — раскалённого газа, выбрасываемого назад.

Космический аппарат New Horizons

Что же отличает эффективный двигатель от неудачного или устаревшего аналога?
Прежде всего то, сколько топлива потребуется двигателю, чтобы разогнать ракету до нужной скорости. Этот важнейший параметр ракетного двигателя называется удельный импульс
, который определяется как отношение общего импульса к расходу топлива: чем больше этот показатель, тем эффективнее ракетный двигатель. Если ракета практически целиком состоит из топлива (это означает, что в ней нет места для полезного груза, предельный случай), удельный импульс можно считать равным скорости истечения топлива (рабочего тела) из ракетного сопла. Запуск ракеты — крайне дорогостоящее мероприятие, учитывается каждый грамм не только полезного груза, но и топлива, которое тоже весит и занимает место. Поэтому инженеры подбирают всё более и более активное горючее, единица которой давала бы максимальную отдачу, увеличивая удельный импульс.

Подавляющее большинство ракет в истории и современности было оборудовано двигателями, использующими химическую реакцию горения (окисления) топлива.

Они позволили достичь Луны, Венеры, Марса и даже планет дальнего пояса — Юпитера, Сатурна и Нептуна. Правда, космические экспедиции заняли месяцы и годы (автоматические станции Pioneer, Voyager, New Horizons и др. ). Необходимо отметить, что все подобные ракеты расходуют значительную часть топлива для отрыва от Земли, и далее продолжают полёт по инерции с редкими моментами включения двигателя.

Космический аппарат Pioneer

Подобные двигатели подходят для вывода ракет на околоземную орбиту, но, чтобы её разогнать хотя бы до четверти скорости света, понадобится невероятное количество топлива (расчёты показывают, что нужно 103200 грамм топлива, при том, что масса нашей Галактики не более 1056 грамма). Очевидно, что для достижения ближайших планет, а тем более звёзд, нам необходимы достаточно большие скорости, обеспечить которые жидкотопливные ракеты не в состоянии.

​Газофазный ядерный двигатель

Дальний космос — дело совсем другое. Взять хотя бы Марс, «обжитый» фантастами вдоль и поперёк: он хорошо изучен и научно перспективен, а самое главное — близок как никто другой. Дело — за «космическим автобусом», который сможет доставить туда экипаж за разумное время, то есть, как можно быстрее. Но с межпланетным транспортом есть проблемы. Его сложно разогнать до нужной скорости, сохранив при этом приемлемые размеры и потратив разумное количество топлива.

RS-25 (Rocket System 25) — жидкостный ракетный двигатель компании Рокетдайн, США. Применялся на планере космической транспортной системы «Space Shuttle», на каждом из которых было установлено три таких двигателя. Более известен как двигатель SSME (англ. Space Shuttle Main Engine — главный двигатель космического челнока). Основными компонентами топлива являются жидкий кислород (окислитель) и водород (горючее). RS-25 использует схему закрытого цикла (с дожиганием генераторного газа).

Решением может быть «мирный атом», толкающий космические корабли. О создании лёгкого и компактного устройства, способного вывести на орбиту хотя бы самого себя, инженеры задумались ещё в конце 50‑х годов прошлого века. Главное отличие ядерных двигателей от ракет с двигателями внутреннего сгорания в том, что кинетическая энергия получается не за счёт сгорания топлива, а за счёт тепловой энергии распада радио­активных элементов. Давайте сравним эти подходы.

Из жидкостных двигателей
выходит раскалённый «коктейль» выхлопных газов (закон сохранения импульса), образующихся при реакции топлива и окислителя (закон сохранения энергии). В большинстве случаев это комбинация кислорода и водорода (результат горения водорода — обычная вода). h3O обладает гораздо большей молярной массой, чем водород или гелий, поэтому её труднее разогнать, удельный импульс для подобного двигателя 4 500 м/с.

Наземные испытания NASA новой системы запуска космических ракет, 2016 год (штат Юта, США). Эти двигатели будут установлены на космический корабль Orion, на котором планируется миссия на Марс.

В ядерных двигателях
предлагается использовать только водород и разгонять (разогревать) его за счёт энергии ядерного распада. Тем самым идёт экономия на окислителе (кислороде), что уже замечательно, но не всё. Так как у водорода относительно малая удельная масса, нам проще его разогнать до более высоких скоростей. Конечно, можно использовать и другие тепловосприимчивые газы (гелий, аргон, аммиак и метан), но все они не менее чем в два раза проигрывают водороду в самом главном — достижимом удельном импульсе (более 8 км/c).

Так стоит ли его терять? Выигрыш настолько велик, что инженеров не останавливает ни сложность конструкции и управления реактором, ни его большой вес, ни даже радиационная опасность. Тем более никто и не собирается стартовать с поверхности Земли — сборка таких кораблей будет вестись на орбите.

​«Летающий» реактор

Как работает ядерный двигатель? Реак­тор в космическом двигателе намного меньше и компактнее своих наземных аналогов, но все основные компоненты и механизмы управления принципиально те же. Реактор выступает в роли нагревателя, в который подаётся жидкий водород. Температуры в активной зоне достигают (и могут превышать) 3000 градусов. Затем разогретый газ выпускают через сопло.

Однако такие реакторы испускают вредные радиационные излучения. Для защиты экипажа и многочисленного электронного оборудования от радиации нужны основательные меры. Поэтому проекты межпланетных кораблей с атомным движком часто напоминают зонтик: двигатель располагается в экранированном отдельном блоке, соединённом с основным модулем длинной фермой или трубой.

«Камерой сгорания»
ядерного двигателя служит активная зона реактора, в которой подаваемый под большим давлением водород нагревается до 3000 и более градусов. Этот предел определяется только жаропрочностью материалов реактора и свойствами топлива, хотя повышение температуры увеличивает удельный импульс.

Тепловыделяющие элементы
— это жаропрочные ребристые (для повышения площади теплоотдачи) цилиндры-«стаканы», заполненные урановыми таблетками. Они «омываются» потоком газа, играющего роль и рабочего тела, и охладителя реактора. Вся конструкция изолирована бериллиевыми экранами-отражателями, не выпускающими опасное радиационное излучение наружу. Для управления выделением тепла рядом с экранами расположены специальные поворотные барабаны

Существует ряд перспективных конструкций ядерных ракетных двигателей, реализация которых ждёт своего часа. Ведь в основном они будут применяться в межпланетных путешествиях, которые, судя по всему, уже не за горами.

Проекты ядерных двигателей

Эти проекты были заморожены по разным причинам — недостаток денег, сложность конструкции или даже необходимость сборки и установки в открытом космосе.

«ОРИОН» (США, 1950–1960)

Проект пилотируемого ядерно-импульсного космического корабля («взрыволёт») для исследования межпланетного и межзвёздного ­пространства.

Принцип работы.
Из двигателя корабля, в направлении противоположном полёту, выбрасывается ядерный заряд небольшого эквивалента и подрывается на сравнительно малой дистанции от корабля (до 100 м). Ударная сила отражается от массивной отражающей плиты в хвосте корабля, «толкая» его вперёд.

«ПРОМЕТЕЙ» (США, 2002–2005)

Проект космического агентства NASA по разработке ядерного двигателя для космических аппаратов.

Принцип работы.
Двигатель космического корабля должен был состоять из ионизированных частиц, создающих тягу, и компактного ядерного реактора, обеспечивающего установку энергией. Ионный двигатель создаёт тягу порядка 60 грамм, но сможет работать постоянно. В конечном счёте, корабль постепенно сможет набрать огромную скорость — 50 км/сек, затратив минимальное количество энергии.

«ПЛУТОН» (США, 1957–1964)

Проект по разработке ядерного прямоточного воздушно-реактивного двигателя.

Принцип работы.
Воздух через переднюю часть транспортного средства попадает в ядерный реактор, в котором нагревается. Горячий воздух расширяется, приобретает большую скорость и высвобождается через сопло, обеспечивая необходимую тягу.

NERVA (США, 1952–1972)

(англ. Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application) — совместная программа Комиссии по атомной энергии США и NASA по созданию ядерного ракетного двигателя.

Принцип работы.
Жидкий гидрогель подаётся в специальный отсек, в котором происходит его нагревание ядерным реактором. Горячий газ расширяется и высвобождается в сопле, создавая тягу.

Ядерные реактивные двигатели – будущее космонавтики

Ядерные реактивные двигатели – будущее космонавтики» Сергеев Алексей, 9 «А» класс МОУ «СОШ №84» Научный консультант: Г. И. Дубов, заместитель директора некоммерческого партнерства по научной и инновационной деятельности «Томский Атомный Центр» Руководитель: Л.Н.Рыбина, учитель физики МОУ «СОШ №84» ЗАТО Северск Введение Двигательные установки на борту космического аппарата предназначены для создания силы тяги или момента импульса. По типу используемой тяги двигательной установки разделяются на химические (ХРД) и нехимические (НХРД). ХРД делятся на жидкостные (ЖРД), твердотопливные (РДТТ) и комбинированные (КРД). В свою очередь нехимические двигательные установки делятся на ядерные (ЯРД) и электрическими (ЭРД). Великий ученый Константин Эдуардович Циолковский еще век назад создал первую модель двигательной установки, которая работала на твердом и жидком топливе. После, во второй половине 20 века были осуществлены тысячи полетов с использованием в основном ЖРД и РДТТ. Однако в настоящее время для полетов на другие планеты, не говоря уж о звездах, применение ЖРД и РДТТ становится все более невыгодным, хотя и было разработано множество РД. Скорее всего, возможности ЖРД и РДТТ себя полностью исчерпали. Причина здесь заключается в том, что удельный импульс всех химических РД невысок и не превышает 5000 м/с, что требует для развития достаточно больших скоростей длительной работы ДУ и соответственно больших запасов топлива или, как принято в космонавтике, необходимы большие значения числа Циолковского, т.е. отношения массы заправленной ракеты к массе пустой. Так РН Энергия, выводящая на низкую орбиту 100 т полезной нагрузки, имеет стартовую массу около 3 000 т, что дает для числа Циолковского значение в пределах 30. Для полета к примеру на Марс число Циолковского должно быть еще выше, достигая значений от 30 до 50. Нетрудно оценить, что при полезном грузе около 1 000 т, а именно в таких пределах колеблется минимальная масса требуемая для обеспечения всем необходимым экипаж, стартующий к Марсу с учетом запаса топлива для обратного полета к Земле, начальная масса КА должна быть не менее 30 000 — 50 000 т., что явно находится за пределами уровня развития современной космонавтики, основанной на применении ЖРД и РДТТ. Таким образом, для достижения пилотируемыми экипажами даже ближайших планет необходимо развивать РН на двигателях, работающих на принципах, отличных от химических ДУ. Наиболее перспективными в этом плане являются электрические реактивные двигатели (ЭРД), термохимические ракетные двигатели и ядерные реактивные (ЯРД). 1.Основные понятия Ракетный двигатель – это реактивный двигатель, не использующий для работы окружающую среду (воздух, воду). Наиболее широко применяются химические ракетные двигатели. Разрабатываются и испытываются другие виды ракетных двигателей – электрические, ядерные и другие. На космических станциях и аппаратах широко применяют и простейшие ракетные двигатели, работающие на сжатых газах. Обычно в качестве рабочего тела в них используют азот. /1/ Классификация двигательных установок 2. Назначение ракетных двигателей По назначению ракетные двигатели подразделяют на несколько основных видов: разгонные (стартовые), тормозные, маршевые, управляющие и другие. Ракетные двигатели в основном применяются на ракетах (отсюда взято название). Кроме этого ракетные двигатели иногда применяют в авиации. Ракетные двигатели являются основными двигателями в космонавтике. Военные (боевые) ракеты обычно имеют твердотопливные двигатели. Это связанно с тем, что такой двигатель заправляется на заводе и не требует обслуживания весь срок хранения и службы самой ракеты. Часто твердотопливные двигатели применяют как разгонные для космических ракет. Особенно широко, в этом качестве, их применяют в США, Франции, Японии и Китае. Жидкостные ракетные двигатели имеют более высокие тяговые характеристики, чем твердотопливные. Поэтому их применяют для вывода космических ракет на орбиту вокруг Земли и на межпланетные перелёты. Основными жидкими топливами для ракет являются керосин, гептан (диметилгидразин) и жидкий водород. Для таких видов топлива обязательно необходим окислитель (кислород). В качестве окислителя в таких двигателях применяют азотную кислоту и сжиженный кислород. Азотная кислота уступает сжиженному кислороду по окислительным свойствам, но не требует поддержания особого температурного режима при хранении, заправки и использовании ракет Двигатели для космических полетов отличаются от земных тем, что они при возможно меньшей массе и объеме должны вырабатывать как можно большую мощность. Кроме того, к ним предъявляются такие требования, как исключительно высокая эффективность и надежность, значительное время работы. По виду используемой энергии двигательные установки космических аппаратов подразделяются на четыре типа: термохимические, ядерные, электрические, солнечно – парусные. Каждый из перечисленных типов имеет свои преимущества и недостатки и может применяться в определенных условиях. В настоящее время космические корабли, орбитальные станции и беспилотные спутники Земли выводятся в космос ракетами, оснащенными мощными термохимическими двигателями. Существуют также миниатюрные двигатели малой силы тяги. Это уменьшенная копия мощных двигателей. Некоторые из них могут уместиться на ладони. Сила тяги таких двигателей очень мала, но её бывает достаточно, чтобы управлять положением корабля в пространстве 3.Термохимические ракетные двигатели. Известно, что в двигателе внутреннего сгорания, топке парового котла – всюду, где происходит сгорание, самое активное участие принимает атмосферный кислород. В космическом пространстве воздуха нет, а для работы ракетных двигателей в космическом пространстве необходимо иметь два компонента – горючее и окислитель. В жидкостных термохимических ракетных двигателях в качестве горючего используется спирт, керосин, бензин, анилин, гидразин, диметилгидразин, жидкий водород. В качестве окислителя применяют жидкий кислород, перекись водорода, азотная кислота. Возможно, в будущем будет применяться в качестве окислителя жидкий фтор, когда будут изобретены способы хранения и использования такого активного химического вещества Горючее и окислитель для жидкостных реактивных двигателей хранятся раздельно, в специальных баках и с помощью насосов подаются в камеру сгорания. При их соединении в камере сгорания развивается температура до 3000 – 4500 °С. Продукты сгорания, расширяясь, приобретают скорость от 2500 до 4500 м/с. Отталкиваясь от корпуса двигателя, они создают реактивную тягу. При этом, чем больше масса и скорость истечения газов, тем больше силы тяги двигателя. Удельную тягу двигателей принято оценивать величиной тяги создаваемой единицей массы топлива сгораемой за одну секунду. Эту величину называют удельным импульсом ракетного двигателя и измеряют в секундах (кг тяги / кг сгоревшего топлива в секунду). Лучшие твердотопливные ракетные двигатели имеют удельный импульс до 190 с., то есть 1 кг топлива сгорающий за одну секунду создает тягу 190 кг. Водородно-кислородный ракетный двигатель имеет удельный импульс 350 с. Теоретически водородно-фторовый двигатель может развить удельный импульс более 400с. Обычно применяемая схема жидкостного ракетного двигателя работает следующим образом. Сжатый газ создает необходимый напор в баках с криогенным горючим, для предотвращения возникновения газовых пузырей в трубопроводах. Насосы подают топливо в ракетные двигатели. Топливо впрыскивается в камеру сгорания через большое количество форсунок. Также через форсунки в камеру сгорания впрыскивают и окислитель. В любой машине при сгорании топлива образуются большие тепловые потоки, нагревающие стенки двигателя. Если не охлаждать стенки камеры, то она быстро прогорит, из какого бы материала она ни была сделана. Жидкостный реактивный двигатель, как правило, охлаждают одним из компонентов топлива. Для этого камеру делают двух стеночной. В зазоре между стенками протекает холодный компонент топлива. Кислородо-керосиновый 4-камерный жидкостный ракетный двигатель РД-107 с тягой 1 МН (102 тс) первоц ступени ракеты-носителя «Восток» (ГДЛ-ОКБ, 1954-57): – рулевые камеры сгорания; – основные камеры сгорания; – силовая рама; – газогенератор; – теплообменник на турбине; – насос окислителя; – насос горючего Большую силу тяги создает двигатель, работающий на жидком кислороде и жидком водороде. В реактивной струе этого двигателя газы мчатся со скоростью немногим больше 4 км/с. Температура этой струи около 3000°С, и состоит она из перегретого водяного пара, который образуется при сгорании водорода и кислорода. Основные данные типичных топлив для жидкостных реактивных двигателей приведены в таблице №1 Но у кислорода наряду с достоинствами есть и один недостаток – при нормальной температуре он представляет собой газ. Понятно, что применять в ракете газообразный кислород нельзя ведь в этом случае пришлось бы его хранить под большим давлением в массивных баллонах. Поэтому уже Циолковский, первым предложивший кислород в качестве компонента ракетного топлива, говорил о жидком кислороде как о компоненте без которого космические полеты не будут возможны. Чтобы превратить кислород в жидкость, его нужно охладить до температуры -183°С. Однако сжиженный кислород легко и быстро испаряется, даже если его хранить в специальных теплоизолированных сосудах. Поэтому нельзя долго держать снаряженной ракету, двигатель которой использует в качестве окислителя жидкий кислород. Заправлять кислородный бак такой ракеты приходится непосредственно перед запуском. Если такое возможно для космических и других ракет гражданского назначения, то для военных ракет, которые требуется поддерживать в готовности к немедленному запуску в течение длительного времени такое неприемлемо. Азотная кислота не обладает таким недостатком и поэтому является «сохраняющимся» окислителем. Этим объясняется её прочное положение в ракетной технике, особенно военной, несмотря на существенно меньшую силу тяги, которую она обеспечивает. Использование наиболее сильного из всех известных химии окислителей – фтора позволит существенно увеличить эффективность жидкостных реактивных двигателей. Однако жидкий фтор очень неудобен в эксплуатации и хранении из-за ядовитости и низкой температуры кипения (-188°С). Но это не останавливает ученых-ракетчиков: экспериментальные двигатели на фторе уже существуют и испытываются в лабораториях и на экспериментальных стендах. Советский ученый Ф.А. Цандер еще в тридцатые годы в своих трудах предложил использовать в межпланетных полетах в качестве горючего легкие металлы, из которых будет изготовлен космический корабль – литий, бериллий, алюминий и др. В особенности как добавку к обычному топливу, например водородно-кислородному. Подобные «тройные композиции» способны обеспечить наибольшую из возможных для химических топлив скорость истечения – до 5 км/с. Но это уже практически предел ресурсов химии. Большего она практически сделать не может. Хотя в предлагаемом описании пока преобладают жидкостные ракетные двигатели, нужно сказать, что первым в истории человечества был создан термохимический ракетный двигатель на твердом топливе – РДТТ. Топливо – например специальный порох – находится непосредственно в камере сгорания. Камера сгорания с реактивным соплом, заполненная твердым топливом – вот и вся конструкция. Режим сгорания твердого топлива зависит от предназначения РДТТ (стартовый, маршевый или комбинированный). Для твердотопливных ракет применяемых в военном деле характерно наличие стартового и маршевого двигателей. Стартовый РДТТ развивает большую тягу на очень короткое время, что необходимо для схода ракеты с пусковой установки и её первоначального разгона. Маршевый РДТТ предназначен для поддержания постоянной скорости полета ракеты на основном (маршевом) участке траектории полета. Различия между ними заключаются в основном в конструкции камеры сгорания и профиле поверхности горения топливного заряда, которые определяют скорость горения топлива от которой зависит время работы и тяга двигателя. В отличие от таких ракет космические ракеты-носители для запуска спутников Земли, орбитальных станций и космических кораблей, а также межпланетных станций работают только в стартовом режиме со старта ракеты до вывода объекта на орбиту вокруг Земли или на межпланетную траекторию. В целом твердотопливные ракетные двигатели не имеют много преимуществ перед двигателями на жидком топливе: они просты в изготовлении, длительное время могут храниться, всегда готовы к действию, относительно взрывобезопасны. Но по удельной тяге твердотопливные двигатели на 10-30% уступают жидкостным. 4.Электрические ракетные двигатели Почти все рассмотренные выше ракетные двигатели, развивают огромную силу тяги и предназначены для вывода космических аппаратов на орбиту вокруг Земли и разгона их до космических скоростей для межпланетных полетов. Совсем другое дело – двигательные установки для уже выведенных на орбиту или на межпланетную траекторию космических аппаратов. Здесь, как правило, нужны двигатели малой мощности (несколько киловатт или даже ватт) способные работать сотни и тысячи часов и многократно включаться и выключаться. Они позволяют поддерживать полет на орбите или по заданной траектории, компенсируя сопротивление полету создаваемое верхними слоями атмосферы и солнечным ветром. В электрических ракетных двигателях разгон рабочего тела до определенной скорости производится нагреванием его электрической энергией. Электроэнергия поступает от солнечных батарей или атомной электростанции. Способы нагревания рабочего тела различны, но реально применяется в основном электродуговой. Он показал себя очень надежным и выдерживает большое количество включений. В качестве рабочего тела в электродуговых двигателя применяют водород. С помощью электрической дуги водород нагревается до очень высокой температуры и он превращается в плазму — электрически нейтральную смесь положительных ионов и электронов. Скорость истечения плазмы из двигателя достигает 20 км/с. Когда ученые решат проблему магнитной изоляции плазмы от стенок камеры двигателя, тогда можно будет значительно повысить температуру плазмы и довести скорость истечения до 100 км/с. Первый электрический ракетный двигатель был разработан в Советском Союзе в 1929-1933 гг. под руководством В.П. Глушко (впоследствии он стал создателем двигателей для советских космических ракет и академиком) в знаменитой газодинамической лаборатории (ГДЛ)./10/ 5.Другие виды двигателей Существуют и более экзотические проекты ядерных ракетных двигателей, в которых делящееся вещество находится в жидком, газообразном или даже плазменном состоянии, однако реализация подобных конструкций на современном уровне техники и технологий нереальна. Существуют, пока на стадии теоретической или лабораторной следующие проекты ракетных двигателей — импульсные ядерные ракетные двигатели использующие энергию взрывов небольших ядерных зарядов; — термоядерные ракетные двигатели, в которых в качестве топлива может использоваться изотоп водорода. Энергопроизводительность водорода в такой реакции составляет 6,8*1011 КДж/кг, то есть примерно на два порядка выше производительности ядерных реакций деления; — солнечно-парусные двигатели – в которых используется давление солнечного света (солнечный ветер), существование которого опытным путем доказал русский физик П.Н. Лебедев еще в 1899 году. Расчетным путем ученые установили, что аппарат массой в 1 т, снабженный парусом диаметром 500 м, может долететь от Земли до Марса примерно за 300 суток. Однако эффективность солнечного паруса быстро уменьшается с удалением от Солнца. 6.Ядерные ракетные двигатели Один из основных недостатков ракетных двигателей, работающих на жидком топливе, связан с ограниченной скоростью истечения газов. В ядерных ракетных двигателях представляется возможным использовать колоссальную энергию, выводящуюся при разложении ядерного «горючего», для нагревания рабочего вещества. Принцип действия ядерных ракетных двигателей почти не отличается от принципа действия термохимических двигателей. Разница заключается в том, что рабочее тело нагревается не за счет своей собственной химической энергии, а за счет «посторонней» энергии, выделяющейся при внутриядерной реакции. Рабочее тело пропускается через ядерный реактор, в котором происходит реакция деления атомных ядер (например, урана), и при этом нагревается. У ядерных ракетных двигателей отпадает необходимость в окислителе и поэтому может быть использована только одна жидкость. В качестве рабочего тела целесообразно применять вещества, позволяющие двигателю развивать большую силу тяги. Этому условию наиболее полно удовлетворяет водород, затем следует аммиак, гидразин и вода. Процессы, при которых выделяется ядерная энергия, подразделяют на радиоактивные превращения, реакции деления тяжелых ядер, реакцию синтеза легких ядер. Радиоизотопные превращения реализуются в так называемых изотопных источниках энергии. Удельная массовая энергия (энергия, которую может выделить вещество массой 1кг) искусственных радиоактивных изотопов значительно выше, чем химических топлив. Так, для 210Ро она равна 5*10 8КДж/кг, в то время как для наиболее энергопроизводительного химического топлива (бериллий с кислородом) это значение не превышает 3*10 4 КДж/кг. К сожалению, подобные двигатели применять на космических ракетах-носителях пока не рационально. Причина этого – высокая стоимость изотопного вещества и трудности эксплуатации. Ведь изотоп выделяет энергию постоянно, даже при его транспортировке в специальном контейнере и при стоянке ракеты на старте. В ядерных реакторах используется более энергопроизводительное топливо. Так, удельная массовая энергия 235U (делящегося изотопа урана) равна 6,75*10 9 КДж/кг, то есть примерно на порядок выше, чем у изотопа 210Ро. Эти двигатели можно «включать» и «выключать», ядерное горючее (233U, 235U, 238U, 239Pu) значительно дешевле изотопного. У таких двигателей в качестве рабочего тела может применяться не только вода, но и более эффективные рабочие вещества – спирт, аммиак, жидкий водород. Удельная тяга двигателя с жидким водородом равна 900 с. В простейшей схеме ядерного ракетного двигателя с реактором, работающим на твердом ядерном горючем рабочее тело размещено в баке. Насос подает его в камеру двигателя. Распыляясь с помощью форсунок, рабочее тело вступает в контакт с тепловыделяющим ядерным горючим, нагревается, расширяется и с большой скоростью выбрасывается через сопло наружу. Ядерное горючее по запасу энергии превосходит любой другой вид топлива. Тогда возникает закономерный вопрос – почему же установки на этом горючем имеют все-таки сравнительно небольшую удельную тягу и большую массу? Дело в том, что удельная тяга твердофазного ядерного ракетного двигателя ограничена температурой делящегося вещества, а энергетическая установка при работе испускает сильное ионизирующее излучение, оказывающее вредное действие на живые организмы. Биологическая защита от таких излучений имеет большой вес не применима на космических летательных аппаратах. Практические разработки ядерных ракетных двигателей, использующих твердое ядерное горючее, были начаты в середине 50-х годов 20-го столетия в Советском Союзе и США, почти одновременно со строительством первых ядерных электростанций. Работы проводились в обстановке повышенной секретности, но известно, что реального применения в космонавтике такие ракетные двигатели до сих пор не получили. Все пока ограничилось использованием изотопных источников электроэнергии относительно небольшой мощности на беспилотных искусственных спутниках Земли, межпланетных космических аппаратах и всемирно известном советском «луноходе». 7.Ядерные реактивные двигатели, принцип работы, способы получения импульса в ЯРД. ЯРД получили свое название благодаря тому, что создают тягу за счет использования ядерной энергии, т. е. энергии, которая выделяется в результате ядерных реакций. В общем смысле под этими реакциями подразумеваются любые изменения энергетического состояния атомных ядер, а также превращения одних ядер в другие, связанные с перестройкой структуры ядер или изменением количества содержащихся в них элементарных частиц — нуклонов. Причем ядерные реакции, как известно, могут происходить либо спонтанно (т. е. самопроизвольно), либо вызываться искусственно, например, при бомбардировке одних ядер другими (или элементарными частицами). Ядерные реакции деления и синтеза по величине энергии превосходят химические реакции соответственно в миллионы и десятки миллионов раз. Это объясняется тем обстоятельством, что энергия химической связи атомов в молекулах во много раз меньше энергии ядерной связи нуклонов в ядре. Ядерную энергию в ракетных двигателях можно использовать двумя способами: 1. Высвобождаемая энергия используется для нагрева рабочего тела, которое затем расширяется в сопле, так же как в обычном ЖРД. 2. Ядерная энергия преобразуется в электрическую и затем используется для ионизации и разгона частиц рабочего тела. 3. Наконец импульс создается самими продуктами деления, образованными в процессе ядерной реакции деления./16/ 8.ЯРД с реактором деления. Двигательная установка с ЯРД. Этот тип ЯРД представляет собой сочетание энергетического реактора, подобного тем, которые используются в атомных электростанциях или на надводных и подводных судах, с жидкостным ракетным двигателем. В ЯРД реактор выполняет ту же функцию, что и камера сгорания в ЖРД, а именно служит для обращения исходного рабочего тела в высокотемпературный газ. Как и в случае ЖРД, этот газ разгоняется затем в реактивном сопле, создавая тягу. По аналогии с ЖРД исходное рабочее тело ЯРД хранится в жидком состоянии в баке двигательной установки и его подача производится при помощи турбонасосного агрегата. Газ для вращения этого агрегата, состоящего из турбины и насоса, может вырабатываться в самом реакторе. Схема такой двигательной установки изображена на рисунке. Существует множество ЯРД с реактором деления: -Твердофазный -Газофазный -Жидкофазные и коллоидные — ЯРД с реактором синтеза -Импульсные ЯРД и другие Из всех возможных типов ЯРД наиболее разработаны тепловой радиоизотопный двигатель и двигатель с твердофазным реактором деления. Но если характеристики радиоизотопных ЯРД не позволяют надеяться на их широкое применение в космонавтике (по крайней мере в ближайшем будущем), то создание твердофазных ЯРД открывает перед космонавтикой большие перспективы. Типичный ЯРД этого типа содержит твердофазный реактор в виде цилиндра с высотой и диаметром около 1-2 м (при близости этих параметров утечка нейтронов деления в окружающее пространство минимальна). Реактор состоит из активной зоны; отражателя, окружающего эту зону; управляющих органов; силового корпуса и других элементов. Активная зона содержит ядерное горючее — делящееся вещество (обогащенный уран), заключенное в тепловыделяющих элементах, и замедлитель или разбавитель. Реактор, представленный на рисунке, является гомогенным — в нем замедлитель входит в состав тепловыделяющих элементов, будучи однородно перемешанным с горючим. Замедлитель может размещаться и отдельно от ядерного горючего. В этом случае реактор называется гетерогенным. Разбавители (ими могут быть, «например, тугоплавкие металлы — вольфрам, молибден) используются для придания делящимся веществам специальных свойств. Тепловыделяющие элементы твердофазного реактора пронизаны каналами, по которым протекает, постепенно нагреваясь, рабочее тело ЯРД. Каналы имеют диаметр порядка 1-3 мм, а их суммарная площадь составляет 20-30% поперечного сечения активной зоны. Активная зона подвешивается при помощи специальной решетки внутри силового корпуса, с тем чтобы она могла расширяться при нагреве реактора (иначе она разрушилась бы из-за термических напряжений). Активная зона испытывает высокие механические нагрузки, связанные с действием значительных гидравлических перепадов давления (до нескольких десятков атмосфер) от протекающего рабочего тела, термических напряжений и вибраций. Увеличение размеров активной зоны при нагреве реактора достигает нескольких сантиметров. Активная зона и отражатель размещаются внутри прочного силового корпуса, воспринимающего давление рабочего тела и тягу, создаваемую реактивным соплом. Корпус закрывается прочной крышкой. На ней размещаются пневматические, пружинные или электрические механизмы привода регулирующих органов, узлы крепления ЯРД к космическому аппарату, фланцы для соединения ЯРД с питающими трубопроводами рабочего тела. На крышке может располагаться и турбонасосный агрегат. В качестве простейших органов управления реактором используются регулирующие стержни, размещаемые в активной зоне или отражателе (в специальных гнездах), и поворотные барабаны, устанавливаемые на периферии реактора. Стержни содержат вещества, сильно поглощающие нейтроны (бор, кадмий). Перемещение стержней внутри реактора позволяет изменять количество реакций деления ядерного горючего в единицу времени и в итоге уровень энерговыделения в реакторе — его тепловую мощность. На боковых сторонах барабанов укреплены пластины из веществ-поглотителей нейтронов, и, таким образом, при повороте барабанов эти вещества (как и в случае стержней) вводятся в активную зону или выводятся из нее. Как правило, внутри силового корпуса реактора, над активной зоной, размещают так называемую первичную реакторную защиту. Она снижает интенсивность опасного гамма- и нейтронного излучения, выходящего из реактора в направлении остальной части космического аппарата. Замедлитель, отражатель, органы управления, защита и корпус реактора должны охлаждаться, для исключения их перегрева вследствие поглощаемого ими излучения реактора. С этой целью в указанных элементах предусматриваются каналы, по которым пропускается рабочее тело. После прохождения каналов оно газифицируется и может быть использовано для привода турбонасосного агрегата. Реактор твердофазного ЯРД отличается от аналогичного типа реакторов, используемых в атомных электростанциях и на морских судах, значительно более напряженным рабочим процессом, малыми размерами и массой, кратковременностью переходных процессов, небольшим рабочим ресурсом (не превышающим нескольких часов). В качестве ядерного горючего в реакторах твердофазных ЯРД используется в основном уран-238, обогащенный (примерно до 90%) изотопом уран-235. В будущем в ЯРД найдут, по-видимому, применение также плутоний-239 и уран-233, что позволит существенно снизить массу активной зоны реакторов. В настоящее время эти вещества слишком дороги и дефицитны. /3/ 9.Твёрдофазный ядерный реактивный двигатель Твёрдофазый ядерный реактивный двигатель (ТЯРД) — реактивный двигатель, в котором используется в качестве основного источника энергии высокотемпературный атомный реактор канального типа, в котором за счёт теплоносителя (водород, гелий и др) происходит съём тепла и образование реактивной струи сжатого, раскалённого газа. В отличие от радиоизотопных ракетных двигателей режим работы ТЯРД поддаётся глубокому регулированию. Первый советский ядерный ракетный двигатель РД-041 10.Историческая справка 10.1.Работы по ТЯРД в США Американский твёрдофазный ядерный реактивный двигатель (Проект NERVA (Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application) История ТЯРД начинается в США в 50-е годы. В те времена в Америке появилась идея практической демонстрации осуществимости ядерного реактивного двигателя которая получила название «Ровер». В 1954-1955 г. г группа заинтересованных американских учёных Лос-Аламосской лаборатории подготовила доклад об осуществимости этого двигателя на основании ряда опытов и исследований. В следствие этого доклада КАЭ США приняла оффициальное решение о планировании работ по ядерному ракетному двигателю, и созданию действующего образца такого двигателя. Весь объём работ был поручен Лос-Аламосской научной лаборатории и Радиационной лаборатории в Ливерморе при Калифорнийском университете. В 1956 году, после скрупулёзного рассмотрения проделанной работы, все исследования Радиационной лаборатории были направленны на создание прямоточного ядерного реактивного двигателя по проекту «Плуто». Схема устройства американского ТЯРД (По программе NERVA) (1— Основание бака с жидким водородом, 2— Шары-баллоны, 3— Рама крепления, 4-Радиационный защитный экран, 5-Отражатель, окружающий активную зону, 6— Активная зона ядерного реактора, 7— Трубопровод системы охлаждения сопла, 8— Сопло, 9— Расширяющийся сопловой насадок, 10— Отбор рабочего вещества на турбину, 11— Силовой корпус, 12— Управляющий барабан, 13— Выхлоп турбины (используется для управления ориентацией и увеличения тяги), 14— Кольцо приводов управляющих барабанов) В начале 1957 года было определено окончательное направление работ Лос-Аламосской лаборатории, и принято решение по строительству графитового ядерного реактора с диспергированным в графите урановым горючим. Созданный в этом направлении реактор «Киви-А» был испытан в 1959 году 1-го июля. Американский твёрдофазный ядерный реактивный двигатель ХЕ Prime на испытательном стенде (1968.г) Помимо строительства реактора Лос-Аламосская лаборатория вела полным ходом работы по строительству специального испытательного полигона в Неваде, а также выполняла ряд специальных заказов ВВС США в смежных областях (разработка отдельных узлов ТЯРД). По поручению Лос-Аламосской лаборатории все специальные заказы на изготовления отдельных узлов осуществляли фирмы: «Аэроджет дженерал», отделение «Рокетдайн» фирмы «Норс-америкен авиэйшн». Летом 1958 года весь контроль за выполнением программы «Ровер» перешёл от ВВС США к вновь организованному Национальному управлению по аэронавтике и космосу (НАСА). В результате специального соглашения между КАЭ и НАСА в середине лета 1960 года было образовано Управление космическими ядерными двигателями под руководством Г. Фингера, которое и возглавило программу «Ровер» в дальнейшем. Полученные результаты шести «горячих испытаний» ядерных реактивных двигателей оказались весьма обнадёживающими, и в начале 1961 года был подготовлен доклад об испытаниях реактора (RJFT) в полёте. Затем в середине 1961 года стартовал проект «Нерва» (применение ядерного двигателя для космических ракет). В качестве генерального подрядчика была выбрана фирма «Аэроджет дженерал», а в качестве субподрядчика отвечающего за строительство реактора фирма «Вестингауз». 10.2 Работы по ТЯРД в России В Советском Союзе разработка и проектирование первых ТЯРД проводилось во второй половине 50-х годов. Проведение работ производилось КБ главных конструкторов А.М. Люльки, С.А. Лавочкина, В.М. Мясищева, М.М. Бондарюка, В.П. Глушко совместно с рядом научно-исследовательских институтов — НИИТП, ЦИАМ, ИАЭ, ВНИИНМ, СФТИ и др. Летом 1959 года сотрудники НИИТП В.М. Иевлев и Ю.А. Трескин представили доклад о постановке эксперимента на исследовательском реакторе ИГР, первый пуск которого состоялся в 1961 году. Конструкции сборки совершенствовались, и уже в 1975-1989 гг. на новом реакторе ИВГ-1 была выполнена отработка тепловыделяющих сборок на ресурс в форсированном режиме при температурах до 3100 К (до 2827°С) и теплонапряжении реакторного объёма до 20 кВт/см3 (на порядок выше, чем в США). На стендовом реакторе минимальной размерности (ИРГИТ) проводились контрольные пуски при мощности до 60 МВт и температуре до 2650 К (2377°С). В отличие от американцев российские ученые использовали наболее экономичные и эффективные испытания отдельных тепловыделяющих элементов в исследовательских реакторах. Весь комплекс произведённых работ в 70-80-е годы позволило в КБ «Салют», КБ химавтоматики, ИАЭ, НИКИЭТ и НПО «Луч» (ПНИТИ) разрабатывать различные проекты космических ЯРД и гибридных ядерных энергодвигательных установок. В КБ химавтоматики при научном руководстве НИИТП (за элементы реактора отвечали ФЭИ, ИАЭ, НИКИЭТ, НИИТВЭЛ, НПО «Луч», МАИ) создавались ЯРД РД 0411 и ядерный двигатель минимальной размерности РД 0410 тягой 40 и 3,6 т соответственно. В результате были изготовлены реактор, «холодный» двигатель и стендовый прототип для проведения испытаний на газообразном водороде. В отличие от американского, с удельным импульсом не больше 8250 м/с, советский ТЯРД за счет применения более жаростойких и совершенных по конструкции тепловыделяющих элементов и высокой температуры в активной зоне имел этот показатель равным 9100 м/с и выше. Стендовая база для испытаний ТЯРД объединенной экспедиции НПО «Луч» размещалась в 50 км юго-западнее г. Семипалатинск-21. Она начала работать в 1962 году. В 1971-1978 гг. на полигоне испытывались натурные тепловыделяющие элементы прототипов ЯРД. При этом отработанный газ поступал в систему закрытого выброса. Стендовый комплекс для полноразмерных испытаний ядерных двигателей «Байкал-1» находится в 65 км к югу от г. Семипалатинск-21. С 1970 по 1988 год проведено около 30 «горячих пусков» реакторов. При этом мощность не превышала 230 МВт при расходе водорода до 16,5 кг/сек и его температуре на выходе из реактора 3100 К. Все запуски прошли успешно, безаварийно, и по плану. Советский ТЯРД РД-0410 — единственный работающий и надёжный промышленный ядерный ракетный двигатель в мире В настоящее время подобные работы на полигоне прекращены, хотя оборудование поддерживается в относительно работоспособном состоянии. Стендовая база НПО «Луч» — единственный в мире экспериментальный комплекс, где можно без значительных финансовых и временных затрат проводить испытания элементов реакторов ЯРД. Не исключено, что возобновление в США работ по ТЯРД для полетов к Луне и Марсу в рамках программы «Космическая исследовательская инициатива» с планируемым участием в них специалистов России и Казахстана приведет к возобновлению деятельности семипалатинской базы и осуществлению «марсианской» экспедиции в 2020-е годы. Основные характеристики Удельный импульс на водороде: 910 — 980 сек (теор.до 1000 сек). Скорость истечения рабочего тела (водород): 9100 — 9800 м/сек. Достижимая тяга: до сотен и тысяч тонн. Максимальные рабочие температуры: 3000°С — 3700°С (кратковременное включение). Ресурс работы: до нескольких тысяч часов (периодическое включение). /5/ 11.Устройство Устройство советского твёрдофазного ядерного ракетного двигателя РД-0410 1— магистраль от бака рабочего тела 2— турбонасосный агрегат 3— привод регулирующего барабана 4— радиационная защита 5— регулирующий барабан 6— замедлитель 7— тепловыделяющая сборки 8— корпус реактора 9— огневое днище 10— магистраль охлаждения сопла 11- сопловая камера 12— сопло 12.Принцип работы ТЯРД по своему принципу работы представляет собой высокотемпературный реактор-теплообменник, в который вводится рабочее тело (жидкий водород) под давлением, и по мере его разогрева до высоких температур (свыше 3000°С) выбрасывается через охлаждаемое сопло. Регенерация тепла в сопле очень выгодна, так как позволяет значительно быстрее разогревать водород и утилизируя значительное количество тепловой энергии повысить удельный импульс до 1000 сек (9100— 9800 м/с). Реактор ядерного ракетного двигателя INCLUDEPICTURE «http://www.luch.podolsk.ru/yard/image003.gif» \* MERGEFORMATINET а) Петлевой экспериментальный канал б) Технологические каналы в) Регулирующие барабаны г) Отражатель д) Корпус реактора /11/ 13.Топливо (ядерное горючее) В качестве высокоэффективных топливных композиций ТЯРД применяется сплошное карбидное горючее: сплавы карбида урана с карбидом ниобия, карбидом циркония, карбидом тантала. Максимальное содержание монокарбида урана в карбидном горючем не превышает 50% (мол) так как необходимо чтоб горючее имело температуру плавления свыше 3200°С. В случае понижения содержания карбида урана в горючем до 40-20% (мол) температура плавления горючего увеличивается на сотни градусов, и появляется возможность увеличить и температуру нагреваемого рабочего тела, и соответственно удельный импульс. Наиболее высокотемпературной топливной композицией в настоящее время считается сплав монокарбида урана с карбидом тантала (3650°С (20% монокарбида урана)), 3700°С (10% монокарбида урана)), которые позволяют при меньшем общем энергозапасе горючего обеспечить нагрев рабочего тела до 3300°С — 3500°С. Исследованные композиции монокарбида урана с карбидом гафния оказались бесперспективны (несмотря на ещё более высокую температуру плавления) так как гафний входящий в состав сплава обладает существенным сечением захвата тепловых нейтронов, и это его свойство сводит на нет применение такого горючего. 14.Рабочее тело В качестве рабочего тела в ТЯРД применяется жидкий водород с дополнительно вводимыми функциональными добавками (гексан, гелий) как наиболее эффективный теплоноситель позволяющий достичь высоких значений удельного импульса. Помимо водорода может быть использован гелий, аргон и другие инертные газы. Но в случае применения гелия резко падает достижимый удельный импульс (в два раза) и резко возрастает стоимость теплоносителя. Аргон существенно дешевле гелия и может быть применён в ТЯРД, но его теплофизические свойства намного уступают гелию и тем более водороду (в 4 раза меньший удельный импульс). Более тяжёлые инертные газы из-за еще более худших теплофизических и экономических (высокая стоимость) показателей не могут быть применены в ТЯРД. Применение в качестве рабочего тела аммиака в принципе возможно, но при высоких температурах атомы азота образующегося при распаде аммиака вызывают высокотемпературную коррозию элементов ТЯРД. Кроме того достижимый удельный импульс настолько мал что уступает некоторым химическим топливам. В целом применение аммиака нецелесообразно. Использование углеводородов в качестве рабочего тела также возможно, но из всех углеводородов может быть применён только метан ввиду наибольшей стабильности. Углеводороды в большей степени показаны как функциональные добавки к рабочему телу. В частности добавка гексана к водороду улучшает работу ТЯРД в ядерно-физическом отношении и увеличивает ресурс работы карбидного топлива. Сравнительные характеристики рабочих тел ЯРД Рабочее тело Плотность, г/см3 Удельная тяга (при указанных температурах в камере нагрева, °К), сек 1920 2760 3590 4420 5250 Водород 0,071 (жидк) 638 774 905 1060 1235 Гелий 0,29 (жидк) 401 481 550 610 664 Аммиак 0,682 (жидк) 312 376 438 507 587 Вода 1,000 (жидк) 226 276 нет. данн нет.данн нет.данн (Примечание: Давление в камере нагрева 45,7 атм, расширение до давления 1 атм при неизменном химическом составе рабочего тела) /6/ 15.Преимущества Основным приемуществом ТЯРД перед химическими ракетными двигателями является получение более высокого удельного импульса, значительный энергозапас, компактность системы и возможность получения очень большой тяги (десятки, сотни и тысячи тонн в вакууме. В целом удельный импульс достигаемый в вакууме больше чем у отработанного двухкомпонентного химического ракетного топлива (керосин-кислород, водород-кислород) в 3-4 раза, а при работе на наивысшей теплонапряжённости в 4-5 раз. В настоящее время в США и России существует значительный опыт разработки и постройки таких двигателей, и в случае необходимости (специальные программы освоения космоса) такие двигатели могут быть произведены за короткое время и будут иметь разумную стоимость. В случае использования ТЯРД для разгона космических аппаратов в космосе, и при условии дополнительного использования пертурбационных манёврах с использованием поля тяготения крупных планет (Юпитер,Уран,Сатурн,Нептун) достижимые границы изучения Солнечной системы существенно расширяются, а время потребное для достижения дальних планет значительно сокращается. Кроме того ТЯРД могут быть успешно применены для аппаратов работающих на низких орбитах планет-гигантов с использованием их разряжённой атмосферы в качестве рабочего тела, или для работы в их атмосфере. /8/ 16.Недостатки Основным недостатком ТЯРД является наличие мощного потока проникающей радиации (гамма-излучение, нейтроны), а также вынос высокорадиоактивных соединений урана, тугоплавких соединений с наведённой радиацией, и радиоактивных газов с рабочим телом. В этой связи ТЯРД неприемлем для наземных пусков во избежание ухудшения экологической обстановки на месте пуска и в атмосфере. /14/ 17.Улучшение характеристик ТЯРД. Гибридные ТЯРД Как и у всякого ракетного или вообще любого двигателя, у твёрдофазного ядерного реактивного двигателя имеются существенные ограничения достижимых важнейших характеристик. Эти ограничения представляют собой невозможность устройству (ТЯРД) работать в области температур превышающих диапазон предельных рабочих температур конструкционных материалов двигателя. Для расширения возможностей и значительного увеличения главных рабочих параметров ТЯРД могут быть применены различные гибридные схемы в которых ТЯРД играет роль источника тепла и энергии и используются дополнительные физические способы ускорения рабочих тел. Наиболее надёжной, практически осуществимой, и имеющей высокие характеристики по удельному импульсу и тяге является гибридная схема с дополнительным МГД-контуром (магнитогидродинамическим контуром) разгона ионизированного рабочего тела (водород и специальные присадки). /13/ 18.Радиационная опасность от ЯРД. Работающий ЯРД является мощным источником радиации — гамма- и нейтронного излучения. Без принятия специальных мер, радиация может вызвать в космическом аппарате недопустимый нагрев рабочего тела и конструкции, охрупчивание металлических конструкционных материалов, разрушение пластмассовых и старение резиновых деталей, нарушение изоляции электрических кабелей, вывод из строя электронной аппаратуры. Радиация может вызвать наведенную (искусственную) радиоактивность материалов — активизацию их. В настоящее время проблема радиационной защиты космических аппаратов с ЯРД считается в принципе решенной. Решены также и принципиальные вопросы, связанные с обслуживанием ЯРД на испытательных стендах и пусковых площадках. Хотя работающий ЯРД представляет опасность для обслуживающего персонала» уже через сутки после окончания работы ЯРД можно без всяких средств индивидуальной защиты находиться в течение нескольких десятков минут на расстоянии 50 м от ЯРД и даже подходить к нему. Простейшие средства защиты позволяют обслуживающему персоналу входить в рабочую зону ЯРД уже вскоре после испытаний. Уровень заражения пусковых комплексов и окружающей среды, по-видимому, не будет препятствием использованию ЯРД на нижних ступенях космических ракет. Проблема радиационной опасности для окружающей среды и обслуживающего персонала в значительной степени смягчается тем обстоятельством, что водород, используемый в качестве рабочего тела, практически не активируется при прохождении через реактор. Поэтому реактивная струя ЯРД не более опасна, чем струя ЖРД./4/ Заключение При рассмотрении перспектив развития и использования ЯРД в космонавтике следует исходить из достигнутых и ожидаемых характеристик различных типов ЯРД, из того, что может дать космонавтике их, применение и, наконец, из наличия тесной связи проблемы ЯРД с проблемой энергообеспечения в космосе и с вопросами развития энергетики вообще. Как уже говорилось выше, из всех возможных типов ЯРД наиболее разработаны тепловой радиоизотопный двигатель и двигатель с твердофазным реактором деления. Но если характеристики радиоизотопных ЯРД не позволяют надеяться на их широкое применение в космонавтике (по крайней мере в ближайшем будущем), то создание твердофазных ЯРД открывает перед космонавтикой большие перспективы. Предложен, например, аппарат с начальной массой 40000 т (т. е. примерно в 10 раз большей, чем у самых крупных современных ракет-носителей), причем 1/10 этой массы приходится на полезный груз, а 2/3 — на 300 000 ядерных зарядов. Если каждые 3 с взрывать по одному заряду, то их запаса хватит на 10 дней непрерывной работы ЯРД. За это время аппарат разгонится до скорости 10000 км/с и в дальнейшем, через 130 лет, может достигнуть звезды Альфа Центавра. Ядерные энергоустановки обладают уникальными характеристиками, к которым относятся практически неограниченная энергоемкость, независимость функционирования от окружающей среды, неподверженность внешним воздействиям (космической радиации, метеоритному повреждению, высоким и низким температурам и т. д.). Однако максимальная мощность ядерных радиоизотопных установок ограничена величиной порядка нескольких сот ватт. Это ограничение не существует для ядерных реакторных энергоустановок, что и предопределяет выгодность их использования при продолжительных полетах тяжелых космических аппаратов в околоземном пространстве, при полетах к дальним планетам Солнечной системы и в других случаях. Преимущества твердофазных и других ЯРД с реакторами деления наиболее полно раскрываются при исследовании таких сложных космических программ, как пилотируемые полеты к планетам Солнечной системы (например, при экспедиции на Марс). В том случае увеличение удельного импульса РД позволяет решать качественно новые задачи. Все эти проблемы значительно облегчаются при использовании твердофазного ЯРД с удельным импульсом вдвое большим, чем у современных ЖРД. В этом случае становится также возможным заметно сократить сроки полетов. Вероятнее всего, что уже в ближайшем будущем твердофазные ЯРД станут одними из самых распространенный РД. Твердофазный ЯРД можно будет использовать как аппараты для дальних полетов, например, на такие планеты как Нептун, Плутон и даже вылетать за пределы Солнечной Системы. Однако для полетов к звездам ЯРД, основанный на принципах деления не пригоден. В этом случае перспективными являются ЯРД или точнее термоядерные реактивные двигатели (ТРД), работающие на принципе реакций синтеза и фотонные реактивные двигатели (ФРД), источникам импульса в которых является реакция аннигиляции вещества и антивещества. Впрочем, скорее всего человечество для путешествия в межзвездном пространстве будет использовать иной, отличный от реактивного, способ передвижения. В заключение приведу перефразировку известной фразы Эйнштейна — для путешествия к звездам человечество должно придумать нечто такое, которое было бы сравнимо по сложности и восприятию с ядерным реактором для неандертальца! ЛИТЕРАТУРА Источники: 1. Б. Е. Черток «Ракеты и люди. Книга 4 Лунная гонка»-М: Знание, 1999. 2. http://www.lpre.de/energomash/index.htm 3. Первушин «Битва за звёзды. Космическое противостояние»-М: знание,1998. 4. Л. Гильберг «Покорение неба»- М: Знание, 1994. 5. http://epizodsspace.testpilot.ru/bibl/molodtsov 6. «Двигатель», » Ядерные двигатели для космических аппаратов», №5 1999 г. 7. «Двигатель», «Газофазные ядерные двигатели для космических аппаратов», № 6, 1999 г 7. http://www.novosti-kosmonavtiki.ru/content/numbers/263/03.shtml 8. http://www.lpre.de/energomash/index.htm 9. http://www.novosti-kosmonavtiki.ru/content/numbers/219/37.shtml 10.Гришин С. Д., Чекалин С. В. Космический транспорт будущего. —М.: Знание, 1983. 11. Гришин С. Д., Чекалин С. В. Проблемы освоения космоса.— М.: Знание, 1988. 12.Губанов Б. «Энергия — Буран» — шаг в будущее // Наука и жизнь.— 1989.—№ 4. 13.Гэтланд К. Космическая техника.— М.: Мир, 1986. 14.Полетаев Д. Ю., Сергеюк А. П. Космос и коммерция.— М.: АПН, 1989. 15 .СССР в космосе. 2005 год.—М.: АПН, 1989. 16.Чекалин С. В. На пути в дальний космос // Энергия. — 1985. — № 6. ПРИЛОЖЕНИЕ Основные характеристики твёрдофазных ядерных реактивных двигателей Страна-изготовитель Двигатель Тяга (Thrust) в вакууме, кН Удельный импульс, сек Работа проекта, год США NPS-2 США Nerva 12 GW 1959 США RN-6 СССР RD-0410 35. 300 910 1965-94 СССР RD-410 68.000 1960 США Nerva Alpha 71.700 860 1972 СССР YaERD-2200 81.000 1962-69 США Nerva Gamma 81.000 975 1972 СССР YaRD Type A 177.000 900 1963 СССР YaRD Type AF 196.000 950 1963 США Nerva 266. 000 800 1968 США Nerva NTR 333.400 925 1991 СССР RO-31 392.000 1967 СССР YaRD Type V-B 392.000 900 1963 СССР YaRD Type V 392.000 900 1963 СССР RD-0411 392.000 900 1965-94 США Timberwind 45 441.300 1000 1992 США Timberwind 75 735. 500 1000 1992 США Nerva 2 867.400 825 1950-74 СССР RD-600 1 960.000 2000 1962-70 США Timberwind 250 2 451.600 1000 1992 США Nuclear 12 Gw 2 892.000 830 1960 США Nuclear 14 Gw 3 334.000 830 1960 США NERVA 1mlbf 8 963. 000 850 1963 США NERVA/Lox Mixed Cycle 24 126.000 810 1963

Ядерный ракетный двигатель

Ядерный ракетный двигатель (ЯРД) — разновидность ракетного двигателя, которая использует энергию деления или синтеза ядер для создания реактивной тяги.

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. 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. Исследования ведутся и в 2018 году.

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. Наземные демонстраторы технологий ТфЯРД в ХХ веке были созданы и успешно испытаны на стендах (программа NERVA в США, РД-0410 в СССР).

Жидкофазные и коллоидные ядерный ракетный двигатель

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).

—

.

Газофазный ядерный ракетный 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.

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. 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. Однако приоритеты изменились, и в 1965 году проект был закрыт.

В СССР аналогичный проект разрабатывался в 1950—70-х годах. 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.

В феврале 2018 года появились сообщения о том, что НАСА возобновляет научно-исследовательские работы по ядерному ракетному двигателю.

Ядерная электродвигательная установка

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

С 2010 года в России начались работы над проектом ядерной электродвигательной установки мегаваттного класса для космических транспортных систем. По словам директора и генерального конструктора ОАО «НИКИЭТ» Юрия Драгунова, чьё предприятие конструирует реакторную установку, согласно плану ЯЭДУ должна быть готова в 2018 году. На начало 2016 года завершено эскизное проектирование, проектная документация, завершены испытания системы управления реактором, проведены испытания ТВЭЛ, корпуса реактора, полномасштабных макетов радиационной защиты реакторной установки.

Перспективы

По оценкам А. В. Багрова, М. А. Смирнова и С. А. Смирнова, ядерный ракетный двигатель может добраться до Плутона за 2 месяца 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.

• Христовский, Александр Эдмундович
• Перницы
• Вэгван
• Что новенького, Скуби-Ду?
• Carbonized
• Кэмерон, Эрл
• RAW (файловая система)
• Капелла Карла Великого
• Шеппинг, Дмитрий Оттович
• Лобус, Георгий Константинович

Не вместо, а кроме!

ПАТЕНТЫ / #6_2019

Когда-то каждый ядерный реактор был штучным изделием — нельзя было точно назвать ни сроки его строительства, ни стоимость. Главный вопрос, который все задавали: «А он точно будет работать?» Все изменилось: для будущих АЭС создаются цифровые двойники, уровень безопасности ядерной энергетики вырос в разы. Разработчики и инвесторы стали смелее: они ищут новые способы увеличить экономическую эффективность производства, ускорить и стандартизировать его, научить реакторы нарабатывать изотопы. Снижение затрат и диверсификация — новые двигатели прогресса.

Перчаточные окна

Название: перчаточное окно и способ замены составных частей (WO2019079099).

Авторы: Джозеф Копли, Исаак Гесен (США).

Патентообладатель: Delaware Capital Formation (США).

Сфера применения: защита персонала от агрессивных сред.

Краткое описание: Для выполнения некоторых операций требуется изолировать рабочее место от окружающей среды — либо для того, чтобы избежать загрязнения, либо для того, чтобы поддерживать абсолютную чистоту. В таких случаях производство размещается внутри гермолинии. Для работы в ней персонал использует перчаточные окна. Замена перчатки требует остановки всей линии и приводит к простою ­высококвалифицированных работников.

Авторы изобретения стремились сделать этот процесс более быстрым, чистым, безопасным и дешевым. Он также должен быть достаточно прост и доступен для выполнения одним человеком.

Атомолет

Название: ядерный турбореактивный двигатель (RU2686815).

Автор и патентообладатель: Андрей Бельский (Россия).

Сфера применения: ядерные двигатели.

Краткое описание: За основу взят классический реактивный двигатель. Существенным отличием от прецедента стало использование реактора для нагрева рабочего тела. Автор ссылается на известные аналоги и пытается исправить имеющиеся в них недостатки. Он предлагает способ поднятия температуры рабочего тела перед турбиной до показателей, близких современным двигателям на жидком топливе.

В качестве предпочтительного варианта теплоносителя называется натрий-калиевый сплав с температурой плавления 19 °C. Предусмотрена возможность работы в режиме форсажа на жидком топливе. Двигатель может быть установлен на беспилотные летательные аппараты, которым необходимо долго находиться в воздухе. По мнению изобретателя, конструкция обладает повышенными безопасностью и удельной тягой по сравнению с обычными турбореактивными двигателями.

Реакторы на конвейере

Название: ядерный микрореактор пластинного типа (WO2019067819).

Авторы: Ясир Арафат, Джури Ван Вик (США).

Патентообладатель: Westinghouse Electric Company (США).

Сфера применения: перспективные ядерные реакторы.

Краткое описание: Авторы сконцентрировались на повышении технологичности изготовления реактора: его составные части могут быть произведены на заводе в автоматическом или полуавтоматическом режиме. Это стало возможным благодаря простому «пластинному» дизайну, диффузионной сварке и компьютерным технологиям изготовления. Финальная сборка блока проходит с ограниченным числом ручных операций или даже совсем без них. Затем реактор доставляется на место установки.

Ожидается, что внедрение разработки сократит время изготовления реактора до нескольких дней. Атомная станция может быть в сжатые сроки собрана из модулей до 30 МВт электрической мощности. Изобретение должно снизить риски увеличения сроков строительства и стоимости, которые сейчас считаются слишком высокими.

Топливо с изюминками

Название: керамическое ядерное топливо, диспергированное в матрице из металлического сплава (RU2684645).

Автор: Леон Уолтерс (США).

Патентообладатель: Advanced Reactor Concepts (США).

Сфера применения: топливо для ядерных реакторов.

Краткое описание: Изобретение позволяет решить проблему отработавшего ядерного топлива и выделить 239Рu. Сырьевые материалы расплавляют в индукционной печи, после чего добавляют керамические частицы, включающие композицию, содержащую приблизительно 90% оксида урана, 6% продуктов деления и 1,5% трансурановых элементов.

В одном из вариантов реализации они могут быть получены путем дробления отработавшего топлива легководных реакторов, а также содержать оксиды тория или америция. Технология изготовления предотвращает слипание включений внутри металлической основы.

Золото XXI века

Название: высоконадежное долговременное хранилище биологического материала (WO2019077048).

Авторы: Морис Чапелье, Фабрис Кретьен, Фабрис Пикмаль, Пьер Рошето, Гийом Варо, Мишель Зампаоло (Франция).

Патентообладатель: Centre National De La Recherche Scientifique (Франция).

Сфера применения: защита от ионизирующего излучения.

Краткое описание: Авторов заинтересовала статистика клинических испытаний методов лечения с применением стволовых клеток, приведенная на сайте clinicaltrial. gov. Разработка новых многообещающих технологий потребует большого объема контейнеров для хранения тканей, органов, стволовых клеток, ДНК и РНК в течение 30−80 лет.

В описании изобретения раскрываются различные варианты защиты ценного биологического материала от космических лучей и случайных нейтронов. Отдельно отмечена необходимость использования так называемых низкорадиоактивных материалов, активность которых 10 Бк/кг или ниже.

Счетчик тепла

Название: аппарат и метод калориметрической проверки (WO2019083701).

Авторы: Джозеф Мюррей, Джули Моррис, Тушар Тэнк, Мелисса Хилл (США).

Патентообладатели: Джозеф Мюррей (США), IH IP Holdings (Великобритания).

Сфера применения: измерительные ­устройства.

Краткое описание: Для химических реакций типичный диапазон энерговыделения примерно равен энергии химических связей — это десятки-сотни килоджоулей на моль. В результате термоядерной реакции может выделиться несколько тысяч кДж/моль. Точность существующих калориметров недостаточна для измерения количества тепла, выделяющегося в результате реакций ядерного распада. Авторы предложили конструкцию аппарата, с помощью которого можно определять тип ядерных реакций, опираясь на результаты измерения энерговыделения.

Теперь с изотопами!

Название: метод и аппарат для размещения и сбора радиоизотопов при их массовом производстве (WO2019083634).

Авторы: Майкл Хейбел, Люк Черняк, Мелисса Хэги, Хорхе Карвахаль, Мэтью Макардл, Джеффри Тэйлор, Джеймс Янкел (США).

Патентообладатель: Westinghouse Electric Company (США).

Сфера применения: промышленное производство изотопов.

Краткое описание: Существующие реакторы-наработчики вырабатывают свой ресурс и нуждаются в замене. В то же время коммерческие реакторы производят избыточное число нейтронов, значительная часть которых не принимает участия в ядерных реакциях и производстве тепла.

Авторы патента описывают устройство, которое может использовать каналы для измерения нейтронного потока, не мешая проведению измерений. Влияние на экономическую эффективность производства электроэнергии при этом минимально.

Снабженная собственным приводом, конструкция предоставляет возможность удаленного разъединения кабеля доставки в активную зону и мишени.

Здоровье металла

Название: бесконтактная система контроля вибрации труб малого диаметра АЭС, позволяющая корректировать вибрацию (WO2019103276).

Авторы: Чосун Янг, Хасён Ву, Чжэ Мин Ли, Сон Ги-О, Хонг Янг О, Сон Цзинь Кук, Ли Енгу (Южная Корея).

Патентообладатель: KLES Inc (Южная Корея).

Сфера применения: методы неразрушающего контроля.

Краткое описание: Сварные швы труб малого диаметра часто ломаются или протекают из-за усталостного разрушения. Это приводит к частым остановкам производства электроэнергии и несчастным случаям. Точность контактных методик может снижаться в результате накопления усталости металла. В некоторых случаях проведение измерений может быть затруднено из-за опасности облучения персонала.

Авторы предложили использовать лазерный доплеровский измеритель, что позволит избавиться от перечисленных недостатков. Изобретатели стремились исключить влияние вибрации датчика на получаемые результаты. Они установили контактный датчик. Сравнение показаний интерферометра и датчика его собственных вибраций позволяет сделать вывод о безопасности дальнейшей работы.

Чистота в каждой капле

Название: установка для очистки воды от пестицидов, фармацевтически активных соединений и патогенов на основе импульсной энергетической технологии (WO2019092747).

Авторы: Лиги Филипп, Сарати Рамануджам, Радж Камаль Сингх (Индия).

Патентообладатель: Indian Institute of Technology Madras (Индия).

Сфера применения: промышленная очистка воды.

Краткое описание: Изобретателей обеспокоила растущая потребность человечества в чистой воде. Предложенная ими установка подвергает протекающую в ней воду воздействию электрических разрядов. Нежелательные примеси разрушаются под действием возникающей плазмы. Образующийся азот нейтрализуется кислородом. Остатки перекиси водорода устраняются катализатором из оксида марганца. В результате получается чистая вода, удовлетворяющая требованиям пищевых стандартов. Источником электроэнергии для установки мог бы стать ядерный реактор.

Ультразвуковой портрет

Название: электронное устройство, метод и компьютерная программа для моделирования ультразвукового отклика металлической детали (WO2019092285).

Авторы: Флориан Лённет, Мари-Франсуаза Кугне, Дидье Кассеро (Франция).

Патентообладатель: Framatome (Франция).

Сфера применения: методы неразрушающего контроля.

Краткое описание: Это изобретение может использоваться для поиска дефектов в твэлах, причем как в стенке, так и в топливном сердечнике. Известные методы ультразвуковой дефектоскопии дают недостаточно информации, в результате может быть забракована качественная деталь. Различные подходы к получению количественных оценок отклонений требуют слишком много времени для моделирования. Авторы разработали способ быстрого получения нужной информации: они сравнивают отклик детали с откликом исправного образца. Результаты позволяют сделать выводы о наличии и характере дефектов.

Генеральная уборка

Название: приспособление и способ для очистки внутренней зоны теплообменника (RU2692748).

Авторы: Йоханнес Штосс, Цафер Алац, Томаш Каэтану (Германия).

Патентообладатель: Framatome (Германия).

Сфера применения: обслуживание ядерных реакторов.

Краткое описание: Обычно очистка теплообменников и парогенераторов атомной электростанции производится химическим или механическим способом с применением водяных струй низкого давления. Изобретатели предложили использовать струи высокого давления. Предусмотрены возможности изменять направление струи, контролировать качество очистки с помощью камеры, откачивать образующуюся суспензию. Целенаправленная подача водяных струй высокого давления в промежуточные зоны и межтрубные проходы позволяет добиться особенно эффективной очистки теплообменника, так как именно в этих зонах наблюдается повышенное скопление отложений. Система управляется полностью дистанционно.

Антихрупкость

Название: устройство и метод для определения степени радиационного охрупчивания корпуса реактора под давлением (WO2019104510).

Авторы: Гоган Шу, Чэнлян Ли, Вэй Сюй, Цзюнь Чэнь, Юаньганг Дуань, Вэй Лю, Сяосюнь Дэн, Сяобин Ран, Фейхуа Лю (Китай).

Патентообладатели: China Nuclear Power Engineering Company, Сhina Guangdong Nuclear Power Holding Corporation (Китай).

Сфера применения: методы неразрушающего контроля.

Краткое описание: Конструкционные элементы реактора длительное время работают в условиях высоких температур и давления. Основной разрушающий фактор — воздействие высоких потоков нейтронов. Авторы изобретения предложили прибор, оценивающий степень радиационного охрупчивания в зависимости от электрического сопротивления металла. Первое измерение выполняется сразу после подачи давления в корпус реактора, после чего изменения анализируются в вычислительном блоке устройства.

Метод безопасен, экономически эффективен и позволяет отслеживать изменения в реальном времени.

Взрывной рост

Название: кольцевое металлическое топливо и методы его изготовления (WO2019126790).

Авторы: Чжун Хён Чой, Мика Хакетт, Павел Хейзлар, Райан Латта, Джеймс Фолльмер (США).

Патентообладатель: Terrapower (США).

Сфера применения: топливо для ядерных реакторов.

Краткое описание: Внешняя и внутренняя поверхности полого цилиндра из урана, плутония или их сплава покрываются оболочками. Внутри получившегося топливного стержня течет теплоноситель. Авторы рассчитывают, что изобретение найдет применение в реакторах с бегущей волной и/или быстрых реакторах других типов. Оно также может быть использовано в реакторах с водой под давлением, чтобы повысить их эксплуатационные характеристики. Ожидаемый прирост мощности может достигнуть 50% по сравнению с мощностью, вырабатываемой реакторами на обычным топливе из оксида урана в таком же объеме активной зоны.

Кремниевый ревизор

Название: плавающий робот для инспекции отработавшего топлива и метод его использования (WO2019117497).

Авторы: Чон Вон Пак, Янг Су Чой (Южная Корея).

Патентообладатель: Korea Atomic Energy Research Institute (Южная Корея).

Сфера применения: обращение с отработавшим ядерным топливом.

Краткое описание: Описываемое устройство может передвигаться по поверхности бассейна выдержки, делать снимки, определять положение топлива по получаемым изображениям. Движение робота направляется навигационной системой.

Внедрение разработки поможет снизить дозовую нагрузку на персонал, повысить качество контроля топливных сборок и стенок хранилища. Его использование исключит риск случайного падения оборудования в бассейн.

Длинная рука

Название: инструмент для обращения с объектами в глубине и их извлечения (WO2019063854).

Авторы: Иисус Лакаль Байо, Хосе Мелара Сан Роман, Хосе Игнасио Роселле Гарсиа, Адольфо Фернандес Лопес, Ксавье Альберто Каррилло Де Хиес (Испания).

Патентообладатель: GDES Technology for Services (Испания).

Сфера применения: эксплуатация атомных станций.

Краткое описание: Время от времени возникают ситуации, когда какой-либо предмет падает в бассейн выдержки или попадает в иное место, где доступ к нему затруднен. В отдельных случаях он может оказаться вне зоны прямой видимости. В таких случаях известные инструменты с ручным механическим приводом могут оказаться недостаточно удобными или даже бесполезными. Описываемое устройство представляет собой опорный шест, который может состоять из нескольких частей; на его конце установлена моторизированная головка. Видеокамера и фонарь помогают работать с объектами в условиях скудного освещения и затрудненного обзора.

Эхолокация

Название: метод измерения деформации топлива, использующий ультразвук (WO2019069122).

Автор: Павел Неруд (Чешская Республика).

Патентообладатель: Centrum vyzkumu REZ (Чешская Республика).

Сфера применения: методы неразрушающего контроля.

Краткое описание: Технология контактного измерения считается недостаточно безопасной из-за риска застревания зонда между твэлами. Использование матрицы ультразвуковых датчиков может увеличить вероятность падения одного их них в пространство между топливными стержнями. Оптические методы требовательны к чистоте объектива и освещению. Изобретатель предложил другой вариант использования ультразвуковых излучателей: излучательная головка движется параллельно топливному стержню. Регистрация отраженных колебаний позволяет получить данные о расстоянии и найти место распухания. Местоположение дистанцирующих решеток определяется по количеству отраженной энергии. В одном из вариантов реализации излучатель может быть отделен от регистратора. Измерения можно проводить в процессе извлечения сборки, что существенно экономит время.

Материал подготовил Юрий Сидоров

ДРУГИЕ МАТЕРИАЛЫ #6_2019

НОВОСТИ

Новости: октябрь 2019

НИИАР завершил послереакторные исследования твэлов с нитридным топливом для проекта «Прорыв»; CEA подтвердил закрытие проекта реактора ASTRID; Индия активно развивает проекты плавучих солнечных электростанций.

ТРЕНДЫ

Потребители требуют энергетическую автономию

Рассматриваем подробно шесть тенденций в американской электроэнергетике, которые выделила компания Exelon в своем отчете об устойчивом развитии за 2018 год.

ТОЧКА ЗРЕНИЯ

WNA: сдержанный оптимизм

Управляющий партнер Transitional Markets Consultancy LLP Вадим Малкин — о ключевых трендах, звучавших на симпозиуме Всемирной ядерной ассоциации.

ТЕМА НОМЕРА

Атомботы

Роботы в атомной отрасли: революция и застой «в одном флаконе». Разбираемся в специфике и анализируем движущие силы развития этого направления.

НОРМЫ И ПРАВИЛА

Баланс между консерватизмом и инновациями

Рассматриваем тренды развития международной стандартизации и сертификации в области АСУ ТП объектов использования атомной энергии.

ВЗГЛЯД

Эффективность в цифрах

Эксперт Сергей Ревякин — о разных видах исследований, типичных проблемах и оценке экономической эффективности при их проведении.

ОБЗОР

Уран в предрассветных сумерках

Реальные сценарии или туманные прогнозы? Подробно рассматриваем ситуацию на рынке добывающих проектов, прогнозы роста спроса на уран и пример активизации уранового бизнеса.

В МИРЕ

Североамериканская победа Южной Кореи

Подробно рассказываем о южнокорейском проекте APR-1400, сертифицированном Американским ядерным регулятором, и выясняем, как он поменяет расстановку сил на мировом рынке.

ЛЕКТОРИЙ

Неуловимые нейтрино

Какими бывают нейтрино и почему ученым необходимо доказать существование самых неуловимых — стерильных нейтрино? Об этом в доступной форме рассказал главный научный сотрудник Института ядерных исследований Российской академии наук Дмитрий Горбунов.

ВНЕКЛАССНОЕ ЧТЕНИЕ

Жизнь без АЭС

Чистые, спальные, пенсионные. Рассказываем, чем живут города-спутники советских атомных «недостроев».

Путин говорил о ракете с ядерным двигателем. Может ли она летать?

• Павел Аксенов
• Русская служба Би-би-си

23 мая 2018

Подпишитесь на нашу рассылку ”Контекст”: она поможет вам разобраться в событиях.

Автор фото, kremlin.ru

Подпись к фото,

Во время доклада Путина был показан пуск ракеты, которая, по его словам, оснащена ядерным двигателем

В России действительно существует проект ракеты с ядерным двигателем, сообщил американский телеканал Си-эн-би-си со ссылкой на свои источники.

Источники телеканала, по словам журналистов, изучили доклад американской разведки о российской программе вооружений. Согласно этим источникам, российские ракеты пока неспособны пролететь дальше 35 километров за две минуты — по данным телеканала, это был самый лучший результат в серии из четырех испытаний. Самый короткий полет якобы длился всего четыре секунды, за которые ракета пролетела восемь километров.

Си-эн-би-си утверждает, что всего было проведено четыре испытательных пуска с ноября 2017 по февраль 2018 года.

• О каком «фантастическом» оружии рассказал Путин?
• «Нас никто не слушал. Послушайте сейчас»: Путин показал новое ядерное оружие

О существовании такого проекта рассказал президент России Владимир Путин. Оглашая 1 марта свое послание Федеральному собранию, президент неожиданно много внимания и времени уделил новейшим российским вооружениям.

Автор фото, Mikhail Metzel/TASS

Подпись к фото,

Значительную часть выступления Путин говорил об оружии

Всего Путин рассказал о пяти новых видах вооружений, и ракета с ядерным двигателем показалась самым невероятным оружием из всех. Его существование вызвало сомнения у многих экспертов — задача по разработке такой технологии представлялась слишком сложной и дорогостоящей.

Так, специалист в области ракетных исследований из Технического университета Мюнхена Роберт Шмукер в интервью Эй-би-си сказал, что создание подобных крылатых ракет технически сложно и по сути бесполезно. «Зачем создавать что-нибудь сложное, когда можно пойти по более простому пути?» — удивляется он.

Новая ракета

Теперь Си-эн-би-си со ссылкой на свои источники подтверждает, что такие работы в России ведутся, и более того — проводятся уже летные испытания. По информации источников телекомпании, во время тестов у ракет явно не включались ядерные двигатели — ракета просто не разгонялась до скорости, на которой происходит их включение.

Кроме того, в докладах отсутствует упоминание о том, что установка может представлять опасность для людей или окружающей среды, то есть о наличии на ее борту радиоактивных материалов.

О том, как устроена ракета с ядерной установкой, можно судить только со слов Путина.

«Одно из них [достижений российских ученых] — создание малогабаритной сверхмощной ядерной энергетической установки, которая размещается в корпусе крылатой ракеты типа нашей новейшей ракеты Х-101 воздушного базирования или американского «Томагавка», но при этом обеспечивает в десятки раз — в десятки раз! — большую дальность полета, которая является практически неограниченной» — так описал Путин ядерную ракету.

Запуск на скорости

Пропустить Подкаст и продолжить чтение.

Подкаст

Что это было?

Мы быстро, просто и понятно объясняем, что случилось, почему это важно и что будет дальше.

эпизоды

Конец истории Подкаст

Над созданием таких ядерных установок в СССР и США работали еще с 50-х годов прошлого века.

Принцип действия ядерных двигателей ракет объяснить довольно просто — они похожи на прямоточные реактивные двигатели. Внутрь двигателя такого типа на очень большой скорости поступает воздух, он сжимается за счет конструкции внутреннего воздушного канала, затем попадает в камеру сгорания, где воспламеняется при помощи впрыскивания топлива. Далее воздушно-топливная смесь, сгорая, устремляется на огромной скорости наружу через сопло и разгоняет аппарат еще сильнее.

В ядерной установке отличие заключается в том, что впрыск топлива и его воспламенение заменяется на нагрев воздуха в реакторе. Именно по этому принципу действовала ракета, которую в США создавали в рамках проекта SLAM (Supersonic Low-Altitude Missile — сверхзвуковая низковысотная ракета).

В Британии фирма Avro также проектировала аналогичную ракету, однако британцы остановились, не дойдя до испытаний ядерного двигателя. В США проект свернули, уже проверив работу прототипа двигателя на земле.

В СССР также работали над реактивными двигателями, был создан и испытан ядерный РД-0410 (это был не прямоточный двигатель, в нем рабочим телом был водород, поступавший из бака и разгонявшийся в реакторе).

В любом случае для крылатой ракеты, о которой говорил Путин, нужен прямоточный двигатель с ядерной установкой. Как и любой прямоточный двигатель, он может запуститься на скорости, превышающей звуковую, то есть его необходимо сначала разогнать.

Достоверность

По версии телеканала Си-эн-би-си, в ходе испытаний в России ракеты не разгонялись до скорости, на которой включался бы ядерный двигатель. По словам Путина, ракета до такой скорости разогналась, а двигатель включился.

В случае, если это так и если, как заявил Путин, ракета действительно совершила полет с работающим ядерным двигателем на Центральном полигоне Российской Федерации на архипелаге Новая Земля, то она должна была оставить за собой сильный радиоактивный след — воздух, проходя через реактор, становился бы радиоактивным.

Кроме того, на месте падения ракеты также образовался бы очаг радиоактивного заражения. Однако можно ли, находясь вне российского воздушного пространства, заметить радиационное загрязнение, неизвестно.

Проверить достоверность сведений, которые распространяет Си-эн-би-си, очень сложно. В открытых источниках нет никакой информации о возможностях современной разведки. «Что отслеживает современная разведка, что нет, и где, и когда, — это, как говорят в Англии, ground rules (основное правило) — вам этого в точности никто не скажет», — сказал военный эксперт Павел Фельгенгауэр.

Эксперт считает, что с чисто технической точки зрения создание миниреактора с дистанционно или автоматически управляемой цепной реакцией, который поместился бы в корпус крылатой ракеты (по словам Путина — Х-101), было бы уже само по себе большим техническим достижением. Однако никаких доказательств этого нет.

Другой военный эксперт — старший научный сотрудник Центра комплексных европейских и международных исследований ВШЭ Василий Кашин — считает, что заявление российского президента формально имеет больший вес, чем «анонимный слив» из специальных служб.

Он также обратил внимание на отсутствие открытых докладов западных спецслужб, которые могли бы пролить свет на эти испытания.

Нужна ли такая ракета?

Ядерный реактивный двигатель обладает одним преимуществом перед любым другим — он способен долго работать на небольшом количестве топлива.

В случае с крылатой ракетой это означает, что она не будет ограничена в дальности действия, а также ее можно будет запускать заранее, чтобы она барражировала в ожидании команды для нанесения удара. При этом прямоточный двигатель позволил бы такой ракете достичь гиперзвуковой скорости.

При нанесении удара ракета, двигаясь на небольшой высоте (в докладе Путина была показана соответствующая анимация), прорывала бы систему ПРО, нанося дополнительный ущерб противнику воздушным ударом, возникающим на сверхзвуковой скорости, а также радиоактивным загрязнением.

Однако, несмотря на столь впечатляющие достоинства, американский проект создания ядерного прямоточного реактивного двигателя и ракеты с ним в конце концов был свернут — в 1960-х годах были созданы межконтинентальные баллистические ракеты. Они были проще, дешевле и эффективней с точки зрения ядерного сдерживания. Именно они поддерживают его до сих пор.

Похожая судьба ждала и проект «Быстрого глобального удара», который был практически свернут из-за недофинансирования.

Во времена Холодной войны СССР и США тратили огромные средства на разработку вооружений, которые потом замораживались на разных стадиях. Иногда проекты сворачивались после серии неудачных испытаний, иногда, когда была политическая воля, их продолжали доводить, несмотря на неудачи.

«Советский Союз, как и Америка и другие, потратили гигантские суммы на создание бессмысленного оружия во время Холодной войны. Сейчас по новой», — сказал Павел Фельгенгауэр.

• Стоит ли России бояться «мгновенного глобального удара» США?
• Стратегическая «Серебряная пуля» — спасение или гибель?

Военные эксперты считают, что появление подобного боеприпаса вряд ли изменит баланс ядерного сдерживания.

«Получится еще одно оружие возмездия, которое в случае необходимости сможет быть сложным маршрутом запущено в направлении вероятного противника, даже если все остальные системы ядерные будут поражены. Сложно представить себе такую ситуацию, потому что, как и представленный ядерный беспилотник, она будет очень долго идти к цели, но, тем не менее, раз принято решение о разработке таких небаллистических систем, они будут созданы», — считает Кашин.

По словам Фельгенгауэра, подобные системы не имеют никаких преимуществ перед баллистическими ракетами, но с учетом разработки стоят гораздо дороже.

Кроме того, по его словам, это оружие было создано для того, чтобы его можно было предъявить как внешнеполитический аргумент, чтобы добиться каких-либо политических уступок (представляя это и другие вооружения, Путин произнес, обращаясь к западным странам: «Нас никто не слушал. Послушайте сейчас»).

С этой точки зрения для обеспечения сдерживания не так уж и важно, летает эта ракета или нет, считает эксперт.

Ядерный ракетный двигатель

Ядерный ракетный двигатель (ЯРД) — разновидность ракетного двигателя, которая использует энергию деления или синтеза ядер для создания реактивной тяги.

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. 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. Исследования ведутся и в 2018 году.

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. Наземные демонстраторы технологий ТфЯРД в ХХ веке были созданы и успешно испытаны на стендах (программа NERVA в США, РД-0410 в СССР).

Жидкофазные и коллоидные ядерный ракетный двигатель

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).

—

.

Газофазный ядерный ракетный 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.

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. 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. Однако приоритеты изменились, и в 1965 году проект был закрыт.

В СССР аналогичный проект разрабатывался в 1950—70-х годах. 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.

В феврале 2018 года появились сообщения о том, что НАСА возобновляет научно-исследовательские работы по ядерному ракетному двигателю.

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, также с 2015 г. 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 г. ведется отработка макета; к 2025 году планируется создать опытные образцы данной ядерной энергоустановки; заявлена плановая дата лётных испытаний космического тягача с ЯЭДУ — 2030 год.

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

Перспективы

По оценкам А. В. Багрова, М. А. Смирнова и С. А. Смирнова, ядерный ракетный двигатель может добраться до Плутона за 2 месяца 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.

Шаг слишком далеко – от воздушных шаров к дронам

Доктор Питер Лейтон[1]

У птиц и самолетов есть фундаментальная проблема: их радиус действия и выносливость ограничены. Чтобы оставаться в воздухе, требуется затрата энергии. В конце концов, птицы должны приземлиться и отдохнуть, а самолеты — заправиться. Изобретение ядерной энергии в 1940-х годах, казалось, предложило способ разрубить этот гордиев узел. Казалось, что самолет с ядерным двигателем может обеспечить значительно большую дальность полета и выносливость по сравнению с самолетами, работающими на химическом топливе.

Такие амбиции усилились по мере обострения холодной войны между США и СССР. Холодная война высвободила огромные средства для военных целей, но в то же время обеспечила оперативное обоснование: потребность в бомбардировщиках очень большой дальности, способных поражать военно-промышленные комплексы в глубине Советского Союза. Щедрое финансирование, доступное в настоящее время, означало, что можно было рассмотреть, построить, опробовать и, в случае успеха, запустить в массовое производство множество новых высокотехнологичных возможностей. Очевидным кандидатом на исследования и исследования казались самолеты с ядерными двигателями.

Первоначальные идеи об использовании ядерной энергии для двигателей самолетов появились примерно в 1944 году. Они привели к небольшой исследовательской программе «Ядерная энергия для движения самолетов», начавшейся в середине 1946 года. В ходе этого исследования, проведенного Fairchild, были изучены реакторные технологии и системы передачи двигателей. Эти исследования оказались обнадеживающими, и поэтому в 1951 году, с углублением холодной войны, ВВС США (ВВС США) предложили начать активную разработку ядерных двигателей для пилотируемых самолетов. Контракты были заключены на три основных элемента: два прототипа испытательного самолета Х-6, ядерную двигательную установку (реактор и турбореактивные двигатели) и летно-испытательный самолет с реактором НБ-36Н.

Вид с воздуха на экспериментальный самолет Convair NB-36H Peacemaker и самолет-истребитель Boeing B-50 Superfortress во время исследований и разработок, проводимых на заводе Convair в Форт-Уэрте, штат Техас. Этот самолет назывался Nuclear Test Aircraft (NTA) и был переименован в XB-36H, затем в NB-36H. В период с июля 1955 года по март 1957 года NTA совершила 47 испытательных полетов и 215 часов полета (89 из которых работал реактор) над Нью-Мексико и Техасом. (Источник: Викимедиа)

Компания Convair получила контракт на Х-6. Предполагалось, что самолет будет сопоставим по размеру с бомбардировщиком B-36 Peacemaker компании: длина 50 м, размах крыла 70 м и масса пустого около 100 тонн. Планировалось, что на Х-6 будет 12 ТРД; восемь на обычном топливе использовались для взлета и посадки, а четыре на ядерных двигателях использовались во время летных испытаний. Это была амбициозная, но дорогая программа испытаний, которая была отменена новой администрацией Эйзенхауэра в 1953 году по бюджетным соображениям. Однако два других элемента сохранились.[2]

Дженерал Электрик получила контракт на поставку силовых установок для постепенной разработки в течение 1955-1961 годов трех атомных электростанций прямого цикла в рамках программы испытаний наземного реактора с теплопередачей (HTRE). Окончательная силовая установка HTRE-3 включала твердый замедлитель, в котором вместо воды использовался легкий гибридный (sic) цирконий, горизонтальный реактор для соответствия требованиям авиалайнера и производила достаточно тепла для одновременного питания двух турбореактивных двигателей X-39-5 (модифицированный J-47). . У HTRE-3 было несколько новшеств, включая демонстрацию запуска полностью ядерного турбореактивного двигателя, наличие основного экрана, способного выдерживать уровни излучения, ожидаемые в полете, и его конструкция для полетных нагрузок, давления воздуха, температур и перегрузок.

Третьим элементом было летное испытание реактора. В середине 1952 года Convair получила контракт на модификацию двух самолетов B-36: один для наземных испытаний, другой для летных испытаний и получил обозначение NB-36H. Основные модификации включали, во-первых, замену боевого отделения и кабины авионики на 11-тонную носовую часть, облицованную свинцом и резиной для защиты от излучения реактора, и, во-вторых, изменение заднего внутреннего бомбоотсека для установки 16-тонного реактора. . Менее заметными были прозрачные стекла кабины толщиной около 30 см и девять заполненных водой защитных баков в фюзеляже для поглощения любого выходящего излучения.

Тем временем ВВС США ужесточили свои требования. В марте 1955 года было выпущено Общее эксплуатационное требование (GOR) № 81, касающееся системы ядерного оружия WS-125A. Ожидания включали диапазон около 10 000 морских миль, рабочую высоту 60 000–75 000 футов и продолжительность полета, возможно, более недели. WS-125A должен был иметь крейсерскую скорость не менее 0,9 Маха, желательно предлагать сверхзвуковой рывок в районе цели и поступить на вооружение оперативных частей в 1963 году. Реализация таких высоких амбиций оказалась проблематичной.

В июле 1955 года NB-36H начал летные испытания, и в сентябре впервые в полете реактор стал критическим. Реактор не приводил в действие самолет, вместо того, чтобы проверять возможность безопасной и устойчивой ядерной реакции на движущейся платформе. Для каждого полета NB-36 реактор мощностью в один мегаватт лебедкой поднимался в бомбоотсек в специальной яме на заводе Convair в Форт-Уэрте, а затем снова удалялся после приземления. В полете самолет сопровождал радиационный контроль В-50 (немного модернизированный В-29).) и транспортный самолет C-119 с десантниками, которых можно сбросить, чтобы обезопасить любое место крушения и ограничить воздействие радиации на прохожих. Всего NB-36H совершил 47 полетов, прекратив полеты в марте 1957 г.

Результаты испытаний ядерной силовой установки и NB-36H были неоднозначными. HTRE-3 доказал возможность использования турбореактивного двигателя с ядерной мощностью и возможность создания летающей силовой установки, хотя технические проблемы оставались. Основная проблема заключалась в том, что было трудно построить ядерный реактор, достаточно маленький, чтобы поместиться в самолет, но который производил бы требуемую для эксплуатации значительную выходную мощность. Казалось, что использование современных технологий означает, что самолеты с ядерными двигателями будут относительно медленными. Какое-то время исследовались концепции «ядерного полета, химического рывка»; дополнительное авиационное топливо позволит совершить сверхзвуковой рывок в районе цели.]

Кроме того, программа полетов NB-36H выявила опасности, связанные с эксплуатацией таких самолетов с ядерными двигателями. В то время как хорошо защищенный самолет обычно не представляет радиационной опасности для летного или наземного экипажа, были опасения, что аварии и аварии могут привести к выбросу продуктов деления из реакторов, а также по поводу дозы от длительного воздействия на человека радиоактивности утечки. При этом испытательные полеты в основном служили для привлечения внимания к реальным трудностям, которые возникнут при работе с ядерным топливом в условиях эксплуатации[11]. 9Соответственно, 0005

WS-125A был отменен в начале 1957 года. Однако в начале 1960-х время от времени возобновлялся интерес к самолетам с ядерной силовой установкой. Концепция ракетной пусковой установки непрерывного действия (CAMAL) предусматривала создание ударного самолета с ядерной силовой установкой, способного оставаться в воздухе в состоянии боевой готовности в течение 2-5 дней. Это привело к созданию Dromedary, турбовинтового двигателя, способного находиться в воздухе в течение 70-100 часов и способного находиться за пределами вражеской территории и запускать баллистическую ракету Skybolt с радиусом действия 600-1000 морских миль.[12] Эти идеи означали, что исследования ядерных двигателей самолетов продолжались, хотя и довольно бессистемно. Это окончательно закончилось в 1961, когда новая администрация Кеннеди перераспределила финансирование.

ВМС США также время от времени проявляли интерес к турбовинтовым летающим лодкам с ядерной силовой установкой. В апреле 1955 года в рамках оперативного требования CA-01503 требовался гидросамолет с ядерной силовой установкой, способный развивать высокие дозвуковые скорости, в первую очередь для атаки портов и военных кораблей с использованием обычного и ядерного оружия с второстепенными функциями минирования и разведки. USN хотел, чтобы прототип был доступен для оценки не позднее 1961. К середине 1956 г. военно-морской флот решил, что использование силовой установки исключительно ВМС США неоправданно и что самолеты ВМФ будут использовать силовую установку ВВС США WS-125A. Таким образом, отмена WS-125A также положила конец планам USN. На каком-то этапе казалось, что Великобритания может продать ВМС США три законсервированных летающих лодки класса «Принцесса» для испытаний ядерной энергии, но финансирование колебалось и в конечном итоге так и не поступило.

Дальше СССР тоже был занят. В конце 1950-х Туполев спроектировал, но не построил два атомных бомбардировщика: дозвуковой Ту-119.и сверхзвуковой Ту-120. Советское руководство считало, что прогнозируемая полезная нагрузка и скорость неадекватны связанным с этим затратам. Тем не менее, Туполеву было разрешено продолжить исследования ядерных самолетов. Соответственно, турбовинтовой бомбардировщик Ту-95 был модифицирован на ядерном комплексе недалеко от Семипалатинска в Казахстане, чтобы позволить летать с ядерным реактором, и стал Ту-95ЛАЛ ( Летающая атомная лаборатория — летающая атомная лаборатория). [16] По аналогии с НБ-36Н за 19 лет было выполнено около 34 полетов Ту-95ЛАЛ.61 с реактором на борту, но без двигательной установки. Испытания также показали, что самолет с ядерной установкой нецелесообразен с технологиями того времени. Прирост производительности за счет отсутствия химического топлива был поглощен тяжелым реактором и щитами, поэтому интерес Советского Союза к самолетам с ядерными двигателями снизился.

Испытательный самолет Ту-95ЛАЛ. Выпуклость в фюзеляже в задней части крыла закрывает реактор. (Источник: Wikimedia)

В итоге победило лучшее технологическое решение. И для США, и для СССР МБР, оснащенные легкими термоядерными боеголовками, представляли гораздо лучший ответ на проблему дальнего ядерного удара с высокой живучестью. Значительные усилия и средства, затраченные на исследование пилотируемых самолетов с ядерными двигателями, дали много технической информации и инженерных знаний, но в конечном итоге мало что еще. Это произошло не из-за отсутствия интереса к оборонной аэрокосмической промышленности. В то время Келли Джонсон из Skunk Works компании Lockheed писала:

После полувека попыток заставить самолеты перевозить разумные грузы все дальше и дальше, появление [атомной] силовой установки, которая решит проблему дальности полета, имеет первостепенное значение […] эту уникальную особенность следует приветствовать с энтузиазмом . [18]

Доктор Питер Лейтон является приглашенным научным сотрудником Азиатского института Гриффита Университета Гриффита. Его докторская степень связана с большой стратегией, и он преподавал эту тему в Национальном университете обороны США. Он автор книги Большая стратегия .

Изображение заголовка: NB-36H оставляет инверсионные следы в полете. (Источник: Wikimedia)

[1] Этот пост частично основан на главе автора в книге Майкла Спенсера (ред.), Nuclear Engine Air Power (Canberra: Air Power Development Centre, 2019). В этой книге обсуждаются современные ядерные силовые установки для самолетов и ракет.

[2]. Джей Миллер, X-Planes: от X-1 до X-31 (Арлингтон: Aerofax, 1988), стр. 69-73.

[3]. ФК Linn, Реактор с теплопередачей Эксперимент № 3: Подробный технический отчет, General Electric Aircraft Aircraft Nuclear Propulsion Program (Cincinnati: General Electric Company, 1962), стр. 15-18.

[4]. Рауль Колон , Полеты на ядерном топливе: усилия Америки по созданию бомбардировщика с ядерным двигателем .

[5]. Тео Фаррелл, «Потери при приобретении оружия: как американцы все делают неправильно», Contemporary Security Policy , 16:2 (1995), с. 194; «Мысли о WS-110A», , рейс , 10 января 1958 г., с. 44.

[6]. Генеральный контролер Соединенных Штатов, Обзор программы ядерных двигателей пилотируемых самолетов Комиссии по атомной энергии и Министерства обороны , B-146749, 28 февраля 1963 г., с. 133

[7]. Двоеточие, Полеты на ядерном .

[8]. Миллер, X-Planes. , с. 210.

[9]. Там же. , с. 73.

[10]. Брайан Д. Бикович, Программа «Распад атомных самолетов» , 12 ноября 1992 г.

[11]. Брюс Астридж, «Движение», в Филипе Джарретте (редактор), Быстрее, дальше, выше: передовые авиационные технологии с 194 (Лондон: Патнэм, 2002), с. 134.

[12]. Питер Дж. Роман, «Стратегические бомбардировщики над ракетным горизонтом, 1957–1963», Journal of Strategic Studies , 18:1 (1995), стр. 208–13.

[13]. Главного контролера, Обзор программы ядерных двигателей пилотируемых самолетов , стр. 134-40.

[14]. Рэймонд Л. Гартофф, «Ласточка и Каспийское морское чудовище против принцессы и верблюда : соревнование времен холодной войны для самолета с ядерной установкой», Исследования в области разведки , 60: 2 ( 2016), с. 3.

[15]. Артур Дж. Александер, «Принятие решений при закупках советского оружия», Adelphi Papers , 18:147-148, (1978), стр. 32.

[16]. Гартофф, « Ласточка и Каспийское морское чудовище против Принцессы и Верблюда », с. 2.

[17]. Петр Бутовски, «Шаги к блэкджеку», Air Enthusiast , 73 (1998), с. 40.

[18]. Ф. А. Кливленд и Кларенс Л. Джонсон, «Проектирование воздушных рам для ядерной энергетики», цитируется в Bikowicz, Decay .

Нравится:

Нравится Загрузка…

Боинг патентует лазерный термоядерный реактивный двигатель

Утрехт, город с населением 350 000 человек, в основном передвигающийся на велосипедах, расположенный к югу от Амстердама, стал испытательным полигоном для методов двунаправленной зарядки, которые вызывают живой интерес автопроизводителей, инженеров, городских менеджеров и энергетических компаний во всем мире. Эта инициатива реализуется в условиях, когда обычные граждане хотят путешествовать, не вызывая выбросов, и все больше осознают ценность возобновляемых источников энергии и энергетической безопасности.

«Мы хотели перемен, — говорит Элко Эеренберг, один из заместителей мэра Утрехта и олдермен по вопросам развития, образования и общественного здравоохранения. Часть изменений связана с расширением городской сети зарядки электромобилей. «Мы хотим предсказать, где нам нужно построить следующую электрическую зарядную станцию».

Так что это хороший момент, чтобы подумать о том, где впервые появились концепции «автомобиль-сеть», и увидеть в Утрехте, как далеко они продвинулись.

Прошло 25 года с тех пор, как эксперт по энергетике и окружающей среде Делавэрского университета Уиллетт Кемптон и экономист по энергетике из колледжа Грин-Маунтин Стив Летендре описали то, что они видели как «зарождающееся взаимодействие между электромобилями и системой электроснабжения». Этот дуэт вместе с Тимоти Липманом из Калифорнийского университета в Беркли и Алеком Бруксом из AC Propulsion заложил основу для передачи энергии от транспортного средства к сети.

Инвертор преобразует переменный ток в постоянный ток при зарядке автомобиля и обратно при подаче электроэнергии в сеть. Это хорошо для сетки. Еще предстоит ясно показать, почему это хорошо для водителя.

Их первоначальная идея заключалась в том, что автомобили в гараже будут иметь двустороннее компьютерное подключение к электросети, которая сможет получать питание от автомобиля, а также обеспечивать его питанием. Кемптон и Летендре
Статья 1997 года в журнале Transportation Research описывает, как энергия аккумуляторов от электромобилей в домах людей будет питать сеть во время аварийной ситуации или отключения электроэнергии. С уличными зарядными устройствами вам даже не понадобится дом.

В двунаправленной зарядке используется инвертор размером с житницу, расположенный либо в специальном зарядном устройстве, либо на борту автомобиля. Инвертор преобразует переменный ток в постоянный ток при зарядке автомобиля и обратно при подаче электроэнергии в сеть. Это хорошо для сетки. Еще предстоит ясно показать, почему это хорошо для водителя.

Это животрепещущий вопрос. Владельцы автомобилей могут заработать немного денег, возвращая немного энергии в сеть в подходящее время, или могут сэкономить на своих счетах за электроэнергию, или могут таким образом косвенно субсидировать эксплуатацию своих автомобилей. Но с того момента, как Кемптон и Летендре изложили концепцию, потенциальные пользователи также опасались потерять деньги из-за износа батареи. То есть, не приведет ли циклирование батареи к преждевременному износу самого сердца автомобиля? Эти нерешенные вопросы сделали неясным, приживутся ли когда-нибудь технологии «автомобиль-сеть».

Наблюдатели за рынком стали свидетелями целой череды моментов, когда технология «автомобиль-сеть» практически достигла цели. В 2011 году в Соединенных Штатах Университет Делавэра и базирующаяся в Нью-Джерси коммунальная компания NRG Energy подписали
технологическая лицензия на первое коммерческое развертывание технологии «автомобиль-сеть». Их исследовательское партнерство длилось четыре года.

В последние годы наблюдается всплеск этих пилотных проектов в Европе и США, а также в Китае, Японии и Южной Корее. В Соединенном Королевстве эксперименты
в настоящее время происходит в загородных домах с использованием внешних настенных зарядных устройств, измеряемых для предоставления владельцам транспортных средств кредита на их счета за коммунальные услуги в обмен на загрузку аккумулятора в часы пик. Другие испытания включают коммерческие автопарки, набор фургонов в Копенгагене, два электрических школьных автобуса в Иллинойсе и пять в Нью-Йорке.

Однако эти пилотные программы так и остались пилотными. Ни одна из них не превратилась в крупномасштабную систему. Это может скоро измениться. Опасения по поводу износа аккумуляторов ослабевают. В прошлом году Хета Ганди и Эндрю Уайт из
Университет Рочестера смоделировал экономику перехода от транспортного средства к сети и обнаружил, что затраты на износ аккумуляторов минимальны. Ганди и Уайт также отметили, что капитальные затраты на батареи со временем заметно снизились: с более чем 1000 долларов США за киловатт-час в 2010 году до примерно 140 долларов США в 2020 году.

По мере того, как технология перехода от транспортного средства к сети становится доступной, Утрехт становится одним из первых мест, где ее полностью внедряют.

Ключевой силой изменений, происходящих в этом продуваемом всеми ветрами голландском городе, является не тенденция мирового рынка или зрелость инженерных решений. Это мотивированные люди, которые также оказываются в нужном месте в нужное время.

Один из них — Робин Берг, основавший компанию под названием
We Drive Solar из его дома в Утрехте в 2016 году. Он превратился в оператора по совместному использованию автомобилей с 225 электромобилями различных марок и моделей — в основном Renault Zoes, а также Tesla Model 3s, Hyundai Konas и Hyundai Ioniq 5s. Попутно привлекая партнеров, Берг наметил способы обеспечить двунаправленную зарядку для парка We Drive Solar. Сейчас в его компании 27 автомобилей с возможностью двунаправленного движения, и ожидается, что в ближайшие месяцы будет добавлено еще 150.

В 2019 году король Нидерландов Виллем-Александр руководил установкой двунаправленной зарядной станции в Утрехте. Здесь король [в центре] показан вместе с Робином Бергом [слева], основателем We Drive Solar, и Жеромом Панно [справа], генеральным менеджером Renault в Бельгии, Нидерландах и Люксембурге. Патрик ван Катвейк/Getty Images

Собрать этот флот было непросто. Два двунаправленных Renault Zoe We Drive Solar — это прототипы, которые Берг получил в партнерстве с французским автопроизводителем. Серийные Zoe, способные к двунаправленной зарядке, еще не вышли. В апреле прошлого года Hyundai поставила We Drive Solar 25 двунаправленных дальнобойных Ioniq 5. Это серийные автомобили с модифицированным программным обеспечением, которые Hyundai выпускает в небольшом количестве. Компания планирует внедрить эту технологию в стандартную комплектацию будущей модели.

1500 абонентов We Drive Solar не должны беспокоиться об износе аккумуляторов — если это проблема компании, то Берг так не думает. «Мы никогда не доходим до краев аккумулятора», — говорит он, имея в виду, что аккумулятор никогда не заряжается до достаточно высокого или низкого уровня, чтобы существенно сократить срок его службы.

We Drive Solar — это не бесплатный сервис, который можно забрать из приложения и доставить туда, куда вы хотите. Для автомобилей предусмотрены специальные парковочные места. Абоненты бронируют свои автомобили, забирают и сдают их в одном и том же месте и ездят на них, куда хотят. В тот день, когда я был у Берга, две его машины направлялись в швейцарские Альпы, а одна направлялась в Норвегию. Берг хочет, чтобы его клиенты рассматривали определенные автомобили (и связанные с ними парковочные места) как свои собственные и регулярно пользовались одним и тем же транспортным средством, обретая чувство собственности на то, чем они вообще не владеют.

То, что Берг сделал решительный шаг в сфере совместного использования электромобилей и, в частности, в сетевых технологиях, таких как двунаправленная зарядка, неудивительно. В начале 2000-х он основал местного поставщика услуг под названием LomboXnet, установив антенны Wi-Fi в пределах прямой видимости на шпиле церкви и на крыше одного из самых высоких отелей города. Когда интернет-трафик начал переполнять его радиосеть, он проложил оптоволоконный кабель.

В 2007 году Берг получил контракт на установку солнечных батарей на крыше местной школы с идеей создания микросети. Сейчас он управляет 10 000 панелями на крышах школ по всему городу. В его шкафу в прихожей стоит коллекция счетчиков электроэнергии, которые отслеживают солнечную энергию, частично поступающую в аккумуляторы электромобилей его компании — отсюда и название компании We Drive Solar.

Берг не узнал о двунаправленной зарядке через Кемптона или кого-либо из первых чемпионов технологии «автомобиль-сеть». Он услышал об этом из-за
Катастрофа на АЭС Фукусима десять лет назад. В то время у него был Nissan Leaf, и он читал о том, как эти автомобили обеспечивали аварийное электроснабжение в районе Фукусимы.

«Хорошо, это интересная технология», — вспоминает Берг. «Есть ли способ масштабировать его здесь?» Nissan согласился отправить ему двунаправленное зарядное устройство, и Берг позвонил градостроителям Утрехта, сказав, что хочет проложить для него кабель. Это привело к большему количеству контактов, в том числе в компании, управляющей местной низковольтной сетью,
Стедин. После того, как он установил свое зарядное устройство, инженеры Стедина захотели узнать, почему его счетчик иногда работал в обратном направлении. Позже Ирэн тен Дам из Утрехтского агентства регионального развития узнала об его эксперименте и была заинтригована, став сторонником двунаправленной зарядки.

Берг и люди, работающие в городе, которым нравилось то, что он делал, привлекли новых партнеров, в том числе Стедина, разработчиков программного обеспечения и производителя зарядных станций. К 2019 году
Виллем-Александр, король Нидерландов, руководил установкой двунаправленной зарядной станции в Утрехте. «Как для города, так и для сетевого оператора самое замечательное то, что они всегда ищут способы масштабирования», — говорит Берг. Они не просто хотят сделать проект и сделать отчет о нем, говорит он. Они действительно хотят перейти к следующему шагу.

Следующие шаги происходят все быстрее. В настоящее время в Утрехте имеется 800 двунаправленных зарядных устройств, разработанных и изготовленных голландской инженерной фирмой NieuweWeme. Скоро городу понадобится гораздо больше.

Количество зарядных станций в Утрехте резко возросло за последнее десятилетие.

«Люди покупают все больше и больше электромобилей, — говорит Иренберг, олдермен. Городские власти заметили всплеск таких покупок в последние годы только для того, чтобы услышать жалобы от жителей Утрехта на то, что им пришлось пройти долгий процесс подачи заявок, чтобы установить зарядное устройство там, где они могли бы его использовать. Эеренберг, ученый-компьютерщик по образованию, все еще работает над тем, чтобы развязать эти узлы. Он понимает, что город должен двигаться быстрее, если он хочет выполнить требование правительства Нидерландов о том, чтобы через восемь лет все новые автомобили были с нулевым уровнем выбросов.

Количество энергии, используемой для зарядки электромобилей в Утрехте, резко возросло в последние годы.

Несмотря на то, что аналогичные предписания по увеличению количества автомобилей с нулевым уровнем выбросов на дорогах в Нью-Йорке и Калифорнии в прошлом не срабатывали, сейчас потребность в электрификации автомобилей возрастает. И городские власти Утрехта хотят опередить спрос на более экологичные транспортные решения. Это город, который только что построил центральный подземный гараж на 12 500 велосипедов и потратил годы на то, чтобы прорыть автостраду, проходящую через центр города, и заменить ее каналом во имя чистого воздуха и здорового городского образа жизни.

Движущей силой этих изменений является Маттейс Кок, городской менеджер по энергопереходу. Он провел меня — естественно, на велосипеде — по новой зеленой инфраструктуре Утрехта, указав на некоторые недавние дополнения, такие как стационарная батарея, предназначенная для хранения солнечной энергии от множества панелей, которые планируется установить в местном жилом комплексе.

На этой карте Утрехта показана городская инфраструктура для зарядки электромобилей. Оранжевые точки — расположение существующих зарядных станций; красные точки обозначают разрабатываемые зарядные станции. Зеленые точки — возможные места для будущих зарядных станций.

«Вот почему мы все это делаем», — говорит Кок, отходя от своего велосипеда и указывая на кирпичный сарай, в котором находится трансформатор мощностью 400 киловатт. Эти трансформаторы являются последним звеном в цепи, которая идет от электростанции к высоковольтным проводам, к подстанциям среднего напряжения, к низковольтным трансформаторам и кухням людей.

В обычном городе таких трансформаторов тысячи. Но если слишком много электромобилей в одном районе нуждаются в зарядке, такие трансформаторы могут легко перегрузиться. Двунаправленная зарядка обещает облегчить такие проблемы.

Кок работает с другими в городском правительстве над сбором данных и созданием карт, разделяющих город на районы. Каждый из них аннотирован данными о населении, типах домохозяйств, транспортных средств и других данных. Вместе с нанятой группой по анализу данных и при участии обычных граждан они разработали алгоритм, основанный на политике, чтобы помочь выбрать лучшие места для новых зарядных станций. Город также включил стимулы для развертывания двунаправленных зарядных устройств в свои 10-летние контракты с операторами зарядных станций для транспортных средств. Итак, в этих зарядках пошли.

Эксперты ожидают, что двунаправленная зарядка будет особенно хорошо работать для транспортных средств, которые являются частью автопарка, движение которого предсказуемо. В таких случаях оператор может легко запрограммировать, когда заряжать и разряжать автомобильный аккумулятор.

We Drive Solar зарабатывает кредит, отправляя энергию аккумуляторов из своего парка в местную сеть в периоды пикового спроса и подзаряжая аккумуляторы автомобилей в непиковые часы. Если это так хорошо, водители не теряют запас хода, который им может понадобиться, когда они забирают свои машины. И эти ежедневные сделки по энергоснабжению помогают снизить цены для абонентов.

Поощрение схем совместного использования автомобилей, таких как We Drive Solar, нравится властям Утрехта из-за проблем с парковкой — хронической болезни, характерной для большинства растущих городов. Огромная строительная площадка недалеко от центра Утрехта скоро добавит 10 000 новых квартир. Дополнительное жилье приветствуется, но дополнительных 10 000 автомобилей не будет. Планировщики хотят, чтобы это соотношение было больше похоже на одну машину на каждые 10 домохозяйств, и количество выделенных общественных парковок в новых районах будет отражать эту цель.

Некоторые автомобили We Drive Solar, в том числе Hyundai Ioniq 5, поддерживают двунаправленную зарядку. We Drive Solar

Прогнозы крупномасштабной электрификации транспорта в Европе обескураживают. Согласно отчету Eurelectric/Deloitte, к 2030 году в Европе может быть от 50 до 70 миллионов электромобилей, для чего потребуется несколько миллионов новых точек зарядки, двунаправленных или иных. Для поддержки этих новых станций распределительным сетям потребуются сотни миллиардов евро инвестиций.

За утро до того, как Эеренберг сел со мной в мэрии, чтобы объяснить алгоритм планирования Утрехтской зарядной станции, на Украине разразилась война. Цены на энергоносители в настоящее время напрягают многие домохозяйства до предела. Бензин достиг 6 долларов за галлон (если не больше) в некоторых местах в Соединенных Штатах. В середине июня в Германии водителю скромного VW Golf пришлось заплатить около 100 евро (более 100 долларов США) за заправку бака. В Великобритании счета за коммунальные услуги выросли в среднем более чем на 50 процентов 1 апреля.

Война перевернула энергетическую политику на европейском континенте и во всем мире, сосредоточив внимание людей на энергетической независимости и безопасности и укрепив уже начатую политику, такую ​​как создание зон без выбросов в центрах городов и замена обычных автомобилей электрическими. те. Часто неясно, как лучше осуществить необходимые изменения, но моделирование может помочь.

Нико Бринкель, работающий над докторской диссертацией в
Лаборатория интеграции фотогальваники Вильфрида ван Сарка в Утрехтском университете фокусирует свои модели на местном уровне. В
Согласно своим расчетам, в Утрехте и его окрестностях укрепление низковольтной сети стоит около 17 000 евро за трансформатор и около 100 000 евро за километр сменного кабеля. «Если мы перейдем к полностью электрической системе, если мы добавим много энергии ветра, много солнечной энергии, много тепловых насосов, много электромобилей…», — его голос затихает. «Наша сеть не была предназначена для этого».

Но электрическая инфраструктура должна не отставать.
Одно из исследований Бринкеля предполагает, что если бы большая часть зарядных устройств для электромобилей была двунаправленной, такие расходы можно было бы распределить более управляемым образом. «В идеале, я думаю, было бы лучше, если бы и все новых зарядных устройств были двунаправленными», — говорит он. «Дополнительные расходы не так уж велики».

Берга не нужно убеждать. Он думал о том, что двунаправленная зарядка предлагает всем Нидерландам. Он полагает, что 1,5 миллиона электромобилей с двунаправленными возможностями — в стране с 8 миллионами автомобилей — уравновесят национальную энергосистему. «Тогда с возобновляемой энергией можно было делать что угодно», — говорит он.

Учитывая, что в его стране всего сотни автомобилей, способных заряжаться в обоих направлениях, 1,5 миллиона — это большое число. Но однажды голландцы действительно могут туда добраться.

Эта статья опубликована в печатном выпуске за август 2022 года под названием «Дорожное испытание технологии «автомобиль-сеть».

Секретные ребята? Ядерный реактивный двигатель?

Недавно мы наткнулись на статью GE Reports под названием « Ядерный реактивный двигатель, керамические турбины и другие жемчужины из истории полетов». ” Из одной статьи в другую мы узнавали об истории компании General Electric как новатора в области реактивных самолетов с самого зарождения авиации.

Не будем врать, наше внимание привлек ядерный реактивный двигатель. По мере того, как мы переваривали концепцию самолета, путешествующего по небу, работающего на ядерном реакторе, мы обнаружили, что следуем по пути через статьи, которые привели нас от секретной группы под названием Hush-Hush Boys к самому мощному реактивному двигателю в мире. .

Первый турбокомпрессор

Статья начинается с того, что GE вошла в историю авиации благодаря первому турбокомпрессору, разработанному инженером GE Сэнфордом Моссом. От концепции до разработки в 1918 году, а затем успешно испытав двигатель Мосса с наддувом на Liberty V-12, GE выиграла контракт на поставку нагнетателей для армии. Сегодня в мире эксплуатируется более 30 000 самолетов с двигателями General Electric.

Hush-Hush под смертной казнью

В 1941 году для работы над сверхсекретным проектом армейской авиации была собрана небольшая группа избранных инженеров GE. Членам группы было сказано, что они не могут обсуждать то, над чем они работают, с кем-либо за пределами своей группы. Это требование привело к тому, что члены команды назвали себя « Hush-Hush Boys »

Джозеф Сорота, 96-летний и последний живой член Hush-Hush Boys во время этого видеоинтервью , рассказывает что «человек из ФБР предупредил меня, что если я выдам какие-либо секреты, наказанием будет смерть».

Команда получила британский реактивный двигатель, разработанный офицером британских ВВС Фрэнком Уиттлом. Их миссия состоит в том, чтобы восстановить и воспроизвести реактивный двигатель, чтобы его можно было коммерциализировать для многих самолетов. Им дали шесть месяцев на завершение редизайна. Они успешно сделали это всего за пять. Через десять месяцев у Hush-Hush Boys было два рабочих двигателя, которые должны были быть отправлены по железной дороге через всю страну для испытаний в пустыне Мохаве. Реактивный двигатель, официально названный I-A, будет установлен на первый реактивный самолет Америки. Этот реактивный самолет XP-59разработанный Ларри Беллом и оснащенный одним из турбодвигателей GE, успешно поднялся на высоту 6000 футов в октябре 1942 года. Успешный реактивный двигатель получил обозначение J47 и стал первым сертифицированным для коммерческой авиации. Будет произведено 35 000 J47.

Атомный двигатель

В 1954 году GE снова раздвинула границы, когда дело дошло до самолетов с реактивными двигателями. Они разработают и испытают ядерный реактивный двигатель. GE модифицировала два турбореактивных двигателя J47 в паре с реактором с теплопередачей Experiment-1 (HTRE-1). Вместо использования реактивного топлива ядерный реактор будет отдавать тепло непосредственно турбореактивным двигателям. Модифицированный бомбардировщик B-36 Peacemaker был модифицирован ВВС США для установки турбореактивного двигателя GE J87 с ядерной установкой, но он никогда не использовал эти двигатели. Позже проект был заброшен в 1961. Вы можете узнать больше об этом предмете в « Полеты на ядерном топливе, Американские усилия по созданию атомного бомбардировщика »

Рекордная мощность!

В статье также кратко рассказывалось о двигателе GE90-115B, самом мощном в мире реактивном двигателе. Этот турбовентиляторный двигатель General Electric с большим байпасом занесен в Книгу рекордов Гиннеса по максимальной тяге — 127 900 фунтов силы. Двигатель рассчитан на 115 300 фунтов силы, но этот рекорд был установлен во время одночасового стресс-теста двигателя с тройной красной линией. Этот двигатель устанавливал и другие рекорды, например, когда он приводил в движение Boeing 777-300ER пять с половиной часов с одним выключенным двигателем из Сиэтла в Тайвань. Еще один рекорд, установленный GE90-115B совершал самый продолжительный полет на коммерческом авиалайнере. Боинг 777-200LR вылетел из Гонконга, над Тихим океаном и континентальной частью США, Атлантикой и приземлился в Лондоне. Поездка преодолела 13 422 мили при времени полета 22 часа 42 минуты. По состоянию на 2014 год было построено 2000 ТРДД GE90.

Двигатель General Electric F110

Не упомянутый в статье, но определенно заслуживающий упоминания, турбовентиляторный реактивный двигатель GE Aviation F110 с форсажной камерой сгорания. Различные версии F110 были установлены на трех лучших истребителях мира.

F-15

F-15K из Южной Кореи, F-15SG из Республики Сингапур и F15SA из Саудовской Аравии — всепогодные многоцелевые ударные истребители. Они являются производными от F-15 Strike Eagle и оснащены двумя двигателями F110-GE-129. Эти турбореактивные двигатели обеспечивают истребителям 29 499 фунтов силы каждый. Истребители могут развивать скорость до 2,5 Маха на скорости 1875 миль в час.

F-16

Еще один истребитель с ТРДФ F110 — F-16 Fighting Falcon 9.0004 C/D. Этот самолет является многоцелевым истребителем, а F110-GE-129 обеспечивает серию F-16C/D Block 30-40-50 тягой 28 600 фунтов силы. Falcon может развивать скорость до 2 Маха на скорости 1320 миль в час.

F-14

Последний пример реактивного истребителя, оснащенного двигателем F110, — снятый с вооружения F-14 Tomcat . Версии Tomcat F-14B и F-14D были оснащены двигателями F110-GE-400 и летели по небу с тягой до 30 200 фунтов силы на скорости 0,9 Маха. С этими двигателями GE F-14 мог развивать скорость 2,34 Маха при максимальной скорости 1544 миль в час.

Поддержка F-16 Fighting Falcon

Компания Duotech обеспечивает полную поддержку F-16 Fighting Falcon . Полная решимости обеспечить высочайшее качество ремонта и инженерных услуг для вашего F-16, Duotech делает это с меньшими затратами на и более короткими сроками, чем OEM-производители .

Наслаждайтесь оригинальной статьей о реактивном двигателе с атомным двигателем , керамических турбинах и других жемчужинах из истории полета на веб-сайте GE Reports. Поделитесь этим JET FRIDAY статью с друзьями и коллегами, используя значки социальных сетей на этой странице. Хорошей пятницы!

Изучение заброшенных бункеров для ядерных реактивных двигателей в дикой местности Кеханны

заброшенных бункера для испытаний ядерных реактивных двигателей в дикой местности Кеханны в окружающем лесу округа Камерон.

Северный бункер для испытаний ядерных реактивных двигателей в стиле холодной войны в дикой местности Куэханна.

Построенные и используемые между 1955-1960 , эти бункеры продолжают очаровывать посетителей и по сей день, а также служат напоминанием о том, как быстро общественные земли могут быть кооптированы политиками и частными компаниями для «общего блага».

Интерьер одного из заброшенных бункеров для испытаний ядерных реактивных двигателей в Куэханне.

Краткая история бункеров для испытаний ядерных реактивных двигателей в Куэханне

Комплекс для испытаний ядерных реактивных двигателей в Куэханне родился из эвфемистически названного Программа «Атом во имя мира» , предложенная президентом Дуайтом Д. Эйзенхауэром в 1953 году и созданная Конгрессом США в 1954 году.

Теоретически программа была разработана для поиска мирного применения ядерных технологий.

Рекламный автобус «Атом во имя мира».

В случае с проектом реактивных двигателей Quehanna целью была разработка реактивных ядерных двигателей для ВВС США, чтобы истребители и бомбардировщики могли оставаться в воздухе бесконечно долго без дозаправки.

Компания Curtiss-Wright Corporation , в то время крупнейший производитель самолетов в США, получила контракт на разработку двигателей.

Они искали отдаленный участок земли, где проект мог бы работать в относительной секретности и без опасности для большого населенного пункта, если бы проект пошел наперекосяк.

Штат Пенсильвания , стремясь создать рабочие места и стимулировать инвестиции в промышленность, предложил Curtiss-Wright выгодную сделку на 80 квадратных миль государственной земли (в то время государственной лесной земли) в сельской местности округа Камерон, и сделка была заключена .

Однако обещание рабочих мест и процветания всему региону оказалось всего лишь обещанием.

Стальная дверь в заброшенный испытательный полигон для ядерных реактивных двигателей в округе Кэмерон

К 1960 году ВВС расторгли контракты, и бункеры для ядерных реактивных двигателей были буквально заброшены, став местом вечеринок для подростков и источником металлолома для местных жителей.

Смотровые окна в бункерах для испытаний ядерных реактивных двигателей.

Все, что осталось сегодня, это сами бункеры — большие коробки из бетона и стали с крошечными щелевыми окнами, когда-то покрытые толстым слоем взрывостойкого стекла, где инженеры и техники должны были следить за двигателями, проходящими испытания. 900:05 Деревья растут вокруг одного из заброшенных бункеров для испытаний ядерных реактивных двигателей в дикой местности Куэханна.

Как найти заброшенные бункеры для испытаний ядерных реактивных двигателей в дикой местности Квеханна

Как добраться до бункеров для испытаний ядерных реактивных двигателей в дикой местности Квеханна

Два бункера для испытаний ядерных реактивных двигателей расположены примерно в полумиле к северо-западу пересечения шоссе Quehanna Highway и Wykoff Run Road .

Правовая оговорка

Это свойство не обслуживается и не контролируется для обеспечения безопасности, и поэтому это ПОСЕЩЕНИЕ НА СВОЙ СОБСТВЕННЫЙ РИСК!

Добровольно исследуя это место, ВЫ принимаете на себя риск любых телесных повреждений или повреждения личного имущества и не возлагаете на автора ответственность за любые травмы, потери или ущерб, которые могут возникнуть во время посещения этого места.

Парковка южного бункера для испытаний ядерных реактивных двигателей находится прямо вдоль шоссе Квеханна, рядом с большим каменным указателем мили с вырезанной на нем цифрой «5».

GPS-координаты этой парковки: 41.23472, -78.19974 .

Парковка вдоль шоссе Кеханна для южного бункера для испытаний ядерных реактивных двигателей.

Путь к южному бункеру составляет всего 1/4 мили по остаткам ровной асфальтированной дороги (что делает это место популярным среди лыжников зимой). 900:05 Ворота 252 блокируют дорогу к южному бункеру для испытаний ядерных реактивных двигателей в дикой местности Куэханна.

Конечно, дорога, после почти 60 лет без ремонта, поглощается лесом, само по себе зрелище.

Заброшенная дорога, ведущая к бункерам для испытаний ядерных реактивных двигателей Quehanna в округе Камерон.

Пройдя 1/4 мили назад по дороге к бункерному комплексу (когда-то это была поляна площадью 3 акра, но теперь частично покрытая деревьями), из асфальта поднимается большая куча грязи.

GPS-координаты южного бункера для испытаний ядерных реактивных двигателей: 41.23691, -78.19612 .

Южный бункер для испытаний ядерных реактивных двигателей Curtiss-Wright в дикой местности Куэханна.

Конечно, когда он использовался, этот бункер не был засыпан землей — это было сделано позже государством в попытке превратить бункер в среду обитания летучих мышей, попытка, которая, похоже, была заброшена много лет назад.

То, что сейчас служит единственным входом в этот бункер, когда-то было вентиляционным отверстием. Тесное сжатие, но вход, который бесчисленное количество людей использовали на протяжении многих лет. 900:05 Открытый вход в южный бункер для испытаний ядерных реактивных двигателей, теперь погребенный под насыпью грязи.

Все, что осталось увидеть внутри южного бункера, это 4 стены, покрытые граффити, и остатки нескольких ящиков с битами.

Никаких инструментов, вывесок или других ключей к его прежней жизни больше не найти.

Внутри южного бункера для испытаний ядерных реактивных двигателей в дикой местности Квеханна.

Стоя на вершине кургана, можно осмотреть местность и попытаться представить, какие испытания проводились здесь в конце 50-х годов. 900:05 Остатки комплекса для испытаний ядерных реактивных двигателей в дикой местности Куэханна.

Некоторые люди говорят, что здесь испытывались только обычные реактивные двигатели, а ядерные реактивные двигатели даже не дошли до фазы испытаний.

Инфраструктура комплекса для испытаний ядерных реактивных двигателей в дикой местности Куэханна.

Другие говорят, что ядерные реактивные двигатели действительно существовали, но излучали слишком много радиации, чтобы их можно было безопасно использовать.

Один местный житель, с которым я столкнулся, утверждал, что знает людей, работавших на объекте, клялся, что реконструированная инопланетная технология тестировалась на месте!

Что бы там ни происходило или не происходило, все это было окутано завесой тайны, высокими заборами и дежурными постами охраны, что делало поход еще более интересным, если вы любитель истории или конспирологии.

Исследование северного бункера для испытаний ядерных реактивных двигателей

Парковка северного бункера для испытаний ядерных реактивных двигателей расположена в четверти мили дальше по шоссе Кеханна, рядом с домом 9.0003 Ворота 251 (возможно Зона 51 Дикой Зоны Куэханны???).

Ворота 251 в дикой местности Куэханна защищают дорогу к заброшенным бункерам для испытаний ядерных реактивных двигателей.

GPS-координаты этой парковки: 41.23706, -78.20351 .

Северный бункерный комплекс хорошо виден даже на спутниковых снимках.

Вид со спутника на северный заброшенный комплекс для испытаний ядерных реактивных двигателей в дикой местности Куэханна.

Как и в случае с дорогой к южному бункеру, Природа медленно восстанавливает асфальтированную дорогу обратно к северному бункеру. 900:05 Заброшенная тропа бункера ядерных реактивных двигателей «Куэханны» в дикой местности Кеханны.

0,7-километровый поход приведет вас к большому отверстию, где находился испытательный комплекс.

Асфальтовая площадка вокруг одного из заброшенных бункеров для испытаний ядерных реактивных двигателей в дикой местности Куэханна.

GPS-координаты северного бункера: 41.24221, -78.19901 .

Остатки тропы к северному бункеру ядерных реактивных двигателей в дикой местности Квеханна.

Самая большая разница здесь, по сравнению с южным бункером, заключается в том, что северный бункер по-прежнему хорошо виден, он выглядит как пулеметное гнездо из военного фильма. 900:05 Внешний вид северных заброшенных бункеров для испытаний ядерных реактивных двигателей в дикой местности Куэханна.

Большая стальная дверь закрывает вход в бункер и скрипит зловещим звуком прямо из фильма ужасов, когда вы ее открываете.

Вход в один из заброшенных бункеров для испытаний ядерных реактивных двигателей в дикой местности Куэханны.

Внутри вы найдете сцену, похожую на южный бункер — стены, покрытые граффити, и остатки разрушенной среды обитания летучих мышей.

Интерьер заброшенного бункера для испытаний ядерных реактивных двигателей, построенного корпорацией Curtiss-Wright.

Окна (теперь покрытые стальными пластинами) находятся на стенах напротив двери, а двигатели должны были быть привязаны к креплениям, видимым через окна и вдали от двери.

Интерьер северного бункера для испытаний ядерных реактивных двигателей в дикой местности Квеханна.

Остатки опор двигателя все еще присутствуют за пределами северного бункера.

Двигательные установки, на которые крепились атомные реактивные двигатели для испытаний.

Ядерные реактивные двигатели действительно стояли на этих опорах в какой-то момент в конце 50-х? 900:05 Западный бункер для испытаний ядерных реактивных двигателей Curtiss-Wright в дикой местности Куэханна.

Или здесь испытывались какие-то реконструированные инопланетные технологии, как утверждают местные?

Граффити внутри северного бункера ядерных реактивных двигателей в дикой местности Куэханна.

Если местная популяция лосей знает, то молчит!

Лось-бык возле бункеров ядерных реактивных двигателей в дикой местности Квеханна.

Возможно, мы никогда не узнаем, и реальная история когда-нибудь будет полностью поглощена плато Квеанна. 900:05 Возле одного из бункеров для испытаний ядерных реактивных двигателей Quehanna в округе Камерон.

Несомненно то, что это легкая прогулка к исторической, но, казалось бы, забытой сноске к гонке вооружений холодной войны 1950-х годов.

Штамп «Атом для мира»

Все это происходит в сельской местности округ Камерон , Пенсильвания!

Ближайшие достопримечательности

Заброшенный лагерь Кунес это легкий 2-мильный поход туда и обратно к руинам построенного охотничьего лагеря МЕЖДУ массивными валунами на плато Куэханна.

Тейбл-Фолс расположен всего в нескольких милях от заброшенных бункеров для ядерных реактивных двигателей, дальше на запад по шоссе Куэханна, затем в 1,6 милях по Ред-Ран-Роуд .

Сентябрьский вид на Тейбл-Фолс, который течет высоко и чисто на Пейдж-Ран.

Wykoff Run Falls расположен в нескольких милях к северу от бункеров ядерных реактивных двигателей, прямо вдоль Wykoff Run Road .

Водопад Вайкофф Ран в дикой местности Куэханна.

Ущелье Ред-Ран Виста   — один из лучших живописных видов вне трассы в дикой местности Куэханна.

Автор в ущелье Ред-Ран-Виста в дикой местности Квеханна.

Поход по тропе Фреда Вудса в округе Кэмерон представляет вам поход протяженностью 4,57 мили, который проведет вас мимо двух фантастических видов, а также одного из лучших скальных образований Пенсильвании.

Скальные образования вдоль тропы Фреда Вудса в округе Камерон.

Раунд-Айленд Ран-Фолс расположен сразу за границей дикой территории Квеханна, в государственном лесу Спроул .

Три яруса водопада Раунд-Айленд-Ран, или Три водопада, как его иногда называют.

9 обязательных к посещению достопримечательностей в округе Кэмерон — это ваш путеводитель по лучшим достопримечательностям и развлечениям в НАИМЕНЕЕ густонаселенном округе Пенсильвании!

Уайтхед-Виста вдоль Ридж-роуд в округе Камерон.

Заброшенная бумажная фабрика Bayless Paper Mill — увлекательная часть Мемориального парка Остин Дам в округ Поттер .

Глядя на руины бумажной фабрики Бэйлесс в округе Поттер.

руины плотины Остин являются остатками второго по величине наводнения в Пенсильвании.

Бег Фримена, проходящий через руины плотины Остин в округе Поттер.

Kinzua Bridge State Park в округе McKean является домом для того, что когда-то было самым длинным и самым высоким железнодорожным мостом в мире!

Остатки виадука Кинзуа в государственном парке Кинзуа Бридж в округе Маккин

Ищете другие заброшенные места для изучения в Пенсильвании?

В штате нет более крупного автомагистрали, чем Заброшенная Пенсильванская магистраль , протянувшаяся от округов Бедфорд до Фултон.

Западный портал туннеля Рэйс-Хилл на заброшенной Пенсильванской магистрали.

Изюминкой этого участка протяженностью 13 миль являются два заброшенных туннеля — туннель Sideling Hill и туннель Rays Hill.

Фотограф, освещенный прожектором внутри тоннеля Sideling Hill.

Concrete City в округе Люцерн — это заброшенный промышленный жилой комплекс начала 1900-х годов.

Тыльная сторона домов на восточной окраине Бетонного города.

Бетонный город, ныне принадлежащий городу Нантикок, одинаково очарователен и заброшен.

4 из 20 дуплексов в Concrete City в округе Люцерн.

Частное и законно доступное только по приглашению кладбище Windber Trolley Graveyard в округе Сомерсет — еще одна апокалиптическая сцена прямо из научно-фантастического фильма!

Подобные сцены — вот почему кладбище троллейбусов Уиндбера находится в списке желаний многих городских исследователей.

Изучение города-призрака Скотия рядом с Государственным колледжем приведет вас в руины опустевшего города, где процветала добыча железа.

Руины Скотии — популярное место среди туристов и велосипедистов рядом с Государственным колледжем.

заброшенных бункера боеприпасов Alvira в округе Юнион представляют собой серию 149 бетонных куполообразных конструкций, используемых для хранения тротила, изготовленного для военных нужд во время Второй мировой войны. 900:05 Один из 149 заброшенных бункеров Alvira в округе Юнион.

заброшенных бункера Alvira , расположенные на территории, которая сейчас называется State Game Lands 252, можно посещать 365 дней в году!

Вход в один из бункеров на Государственных охотничьих угодьях 252 вдоль дороги Альвира.

Вам понравилась эта статья?

Если да, то не забудьте поставить лайк и подписаться на  список PA Bucket List на Facebook, Instagram и/или Pinterest, чтобы оставаться в курсе  на моих последних статьях о  что посмотреть и чем заняться в Пенсильвании !

Нажмите  на любой из значков ниже, чтобы подключиться  к PA Bucket List в социальных сетях!

Лучший блог о путешествиях в Пенсильвании!

Где атомоходы?

Где атомоходы?

Зачем использовать ядерную энергию для авиаперелетов?

Широко признано, что сжигание ископаемого топлива для
энергия не является ни устойчивой, ни экологически чистой. Нефть и уголь
запасы в конечном итоге закончатся, и парниковые газы, выбрасываемые из
их сгорание угрожает климату в виде глобального потепления. В качестве
что касается транспортного сектора, выбросы парниковых газов
от авиаперелетов особенно плохо, потому что парниковые газы
выбрасывается на больших высотах прямо в атмосферу. Для этого
причине, по оценкам, газы и твердые частицы, выбрасываемые из струи
летательные аппараты в два-четыре раза вреднее, чем выбросы
автомобили. [1]

К сожалению, отказ от ископаемого топлива
Для авиации это было сложнее, чем для наземного транспорта. Пока
аккумуляторы далеки от достижения плотности энергии углеродных
топливо — бензин содержит почти в 100 раз больше энергии на единицу объема
чем лучшие литий-ионные аккумуляторы могут предложить в настоящее время — они
уже заменяет двигатели внутреннего сгорания в автомобилях. [2] Это
отчасти потому, что, в отличие от самолетов, автомобили могут позволить себе
дополнительный вес, вызванный тяжелыми батареями.

Кроме того, мощность, необходимая для работы автомобиля,
намного меньше, чем требуется для отрыва самолета от земли. Пока
типичный автомобильный двигатель обеспечивает около 100-300 лошадиных сил (74-225 кВт),
один реактивный двигатель Boeing 777 развивает мощность 110 000 лошадиных сил (820 МВт),
на несколько порядков больше, чем самые эффективные
автомобили. Даже при нормировании на массу транспорта
судно, реактивный двигатель удивительно мощный: автомобиль работает, используя
50-150 Вт/кг, в то время как Boeing 777 работает примерно на 4700 Вт/кг. Так
до сих пор не создан двигатель с батарейным питанием, способный
соответствует этой плотности мощности. [3]

Таким образом, ядерная энергия может сделать
чего не могут сделать ни ископаемое топливо, ни электричество:
коммерческий полет с минимальными выбросами в атмосферу или без них. Ядерный
обладает беспрецедентной плотностью энергии — килограмм урана, переработанного с помощью
ядерные процессы содержат в три миллиона раз больше энергии килограмма
угля, а его отходы содержатся либо в жидком, либо в твердом состоянии. [4]
Но как будет работать ядерный самолет?

Как будет работать ядерный самолет?

Стандартный реактивный двигатель работает следующим образом. Первый,
воздух из атмосферы сжимается для увеличения концентрации
O ₂ для сжигания. Во-вторых, воздух сгорает с тяжелыми
органика — то есть реактивное топливо — для выработки тепла и давления. И в-третьих,
высокоэнергетическая газовая смесь выбрасывается из задней части двигателя, создавая
тяга по третьему закону Ньютона. Атомный двигатель будет работать
точно так же, за исключением того, что воздух будет нагреваться не от горения, а от тепла
обмен с ядерным реактором деления. Две конструкции для этого двигателя
были предложены во время авиационных ядерных двигателей США
(АНП) в 1950-х годов, которая создавалась для разработки бомбардировщиков,
мог долететь до СССР и обратно без дозаправки. Во-первых
конструкции (прямой воздушный цикл), атмосферный воздух будет проходить непосредственно
через активную зону реактора для нагрева. Для второго дизайна (косвенный
Воздушный цикл), который преследовался, чтобы свести к минимуму радиоактивное загрязнение,
Активная зона реактора сначала нагревала бы жидкий металл или жидкость под давлением.
Эта жидкость, в свою очередь, будет нагревать воздух, тем самым создавая определенную степень
разделение ядерной реакции и атмосферы. В обоих
В некоторых случаях приходилось использовать реактор с расплавленной солью из-за его высокой
рабочая температура и уникальные функции безопасности. [5]

Несмотря на наличие достаточно мощного процесса,
большие самолеты находились в воздухе месяцами еще в 1950-х годах,
однако ни один самолет с ядерным двигателем никогда не поднимался в воздух. Лучший
Соединенные Штаты когда-либо летали на самолете с действующим ядерным
реактор (см. рис. 1). [5]

Где ядерные самолеты?

АНП был заброшен в 1961 году.
в первую очередь из-за развития межконтинентальной баллистической
ракет (МБР), несколько серьезных технических
его прекращение. Прежде всего, несмотря на большое количество
энергии, содержащейся в ядерном топливе, ядерный двигатель, способный
обеспечение плотности мощности, необходимой для полета большого самолета, еще
быть успешно спроектированным. До тех пор, пока это не произойдет, любое обсуждение
будущее с атомными самолетами — чисто спекуляция. В
Кроме того, из-за близкого расположения самолета экипаж мог
облучение от ядерного реактора. Потому что толстый свинец
экранирование было бы слишком тяжелым, применялся метод распределенного экранирования.
разработанные во времена АНП для ликвидации специфических радиоактивных
частицы. Конечно, для коммерциализации атомохода-пассажира
самолет, эта технология должна быть доведена до совершенства, чтобы
избежать любого радиационного отравления. И, наконец, в случае аварии может
быть катастрофическим для атомного самолета. Расширенное тестирование будет
требуется для обеспечения того, чтобы в случае аварии радиоактивный
материалы будут содержаться. [5]

Хотя в последнее время предпринимались попытки возродить
атомного самолета, область остается недостаточно разработанной. [6] Предполагая
вышеупомянутая плотность мощности и препятствия безопасности могут быть преодолены,
однако ядерная энергия потенциально может обслуживать транспорт
промышленности в виде экологически чистых самолетов с
необычайно высокие показатели.

© Сэм Дулл. Автор гарантирует, что произведение
собственное мнение автора, и что Стэнфордский университет не представил никакой другой информации.
чем руководство по набору текста и ссылкам. Автор предоставляет
разрешение копировать, распространять и отображать эту работу в неизменном виде,
со ссылкой на автора, только в некоммерческих целях. Все
другие права, включая коммерческие права, сохраняются за
автор.

Каталожные номера

[1] «Авиация и окружающая среда», Генеральный директор США.
Бухгалтерия, ГАО/RCED-00-57,
Февраль 2000 г.

[2] Ф. Шлахтер,
«Взорвался ли пузырь батареи?»
Новости APS 21 , № 8 (август/сентябрь 2012 г.).

[3] AC Мадригал,
«А
Один двигатель Boeing 777 развивает вдвое большую мощность, чем все остальные
«Титаник», The Atlantic, 30 декабря 11.

[4] Дж. Бернштейн, Ядерное оружие: что вам нужно
знать. (издательство Кембриджского университета, 2007 г.

).

[5] А. М. Вайнберг, Первая ядерная эра:
Жизнь и времена технологического ремонтника. (Американский институт
физики, 1997).

[6] С. Доулинг,
«Мог
Это будет первый атомный Wirliner», BBC, 14 июля 16.

Поднимутся ли когда-нибудь в небо атомные самолеты?

Вот что вам нужно знать : Самолеты с ядерными реакторами теоретически могут оставаться в небе в течение нескольких недель или, возможно, месяцев.

1950-е и 1960-е годы были периодом ядерного расцвета в Соединенных Штатах и ​​Советском Союзе. Раскрытие силы атома должно было открыть новую эру в человеческих достижениях. Во многих отношениях так оно и было: использование ядерной энергии предлагало почти неограниченную энергию странам, входившим в эксклюзивный ядерный клуб.

Но может ли ядерный век изменить и авиацию? Соединенные Штаты и СССР, безусловно, так думали. Встречайте Ту-95LAL и Convair NB-36H — оба несли на борту ядерные реакторы.

Неограниченный радиус действия, ограниченное воздействие

В первые дни холодной войны, до появления межконтинентальных баллистических ракет и атомных подводных лодок, американская и советская ядерная готовность была чрезвычайно высокой. Обе страны круглосуточно несли в небе бомбардировщики с ядерными боеголовками, ожидая доставки своих грузов на Москву и Вашингтон. Чтобы постоянно держать бомбардировщики в воздухе, требовалась обширная вспомогательная инфраструктура и перспективное планирование, а также большое количество дозаправок, что ограничивало дальность полета и выносливость бомбардировщика.

Самолеты с ядерными реакторами теоретически могут оставаться в небе в течение недель или, возможно, месяцев без дозаправки. Их единственными ограничениями будут пища, вода и выносливость пилота. Идея казалась простой: использовать существующие конструкции самолетов и модифицировать их, чтобы они питались не обычными средствами, а ядерной энергией.

Американские и советские инженеры столкнулись с рядом сложных конструкторских задач. Во-первых, как именно будет работать ядерная силовая установка? Удивительно похож на любой другой вид самолетов. Решающее значение будет иметь огромное количество тепловой энергии, создаваемой ядерным реактором.

Во-первых, упрощенное объяснение реактивных двигателей: во время обычного полета воздух поступает в реактивный двигатель, где он сжимается, впрыскивается в топливо и воспламеняется. Это создает управляемый взрыв, который отбрасывается назад, создавая тягу и толкая самолет вперед.

Самолет с ядерным двигателем будет работать примерно так же: воздух всасывается и сжимается, а затем выталкивается из задней части двигателя, создавая тягу и толкая самолет вперед. Однако после входа в двигатель сжатый воздух будет действовать как теплоноситель реактора, обтекая либо сам реактор, либо нагревательный элемент от реактора. Затем этот сверхгорячий и сжатый воздух выбрасывался из задней части двигателя, создавая тягу и толкая самолет вперед. Важно, чтобы воздух не поступал 9с 0012 по  сама активная зона реактора, так как это загрязнит выхлоп излучением, которое будет выброшено в воздух.

Рабочие лошадки

И США, и СССР нуждались в огромных самолетах, которые могли бы перевозить огромные полезные грузы, способные разместить тяжелые реакторы в своих бомбовых отсеках.

В 1961 году советские авиаконструкторы остановили свой выбор на платформе Туполева Ту-95. Первый полет Ту-95 совершил десятью годами раньше, в 1951. Стратегический ядерный бомбардировщик огромен и продолжает летать сегодня, примерно по аналогии с почтенным стратегическим бомбардировщиком США B-52.

Ту-95 обладает исключительной выносливостью и может нести большую бомбовую нагрузку, идеально подходящую для перевозки ядерного реактора. Он имеет несколько конструктивных особенностей, которые нечасто встречаются на других самолетах. Мало того, что он приводится в движение пропеллером, но каждый из четырех двигателей имеет набор винтов, вращающихся в противоположных направлениях.

В США испытания атомной авиации начались ранее в 1955. Их испытательной платформой был модифицированный Convair B-36. B-36 был настоящим зверем — у B-36 был самый длинный размах крыльев из всех когда-либо построенных действующих военных самолетов.

B-36 был оснащен шестью двигателями, расположенными по толкающей схеме с винтами, расположенными за крыльями. Полые корни крыла имели толщину более семи футов, чтобы обеспечить дополнительное место для топлива для трансконтинентального полета. Некоторые из более поздних моделей B-36D были даже оснащены двумя комплектами реактивных двигателей, расположенных бок о бок, для повышения производительности короткими очередями, в результате чего количество двигателей увеличилось до десяти.

Без риска, без удовольствия

Проблемы дизайна были огромными, но не непреодолимыми. Самым большим соображением при проектировании был острый радиационный синдром — радиационное отравление, от которого экипажу потребуется защита.

Американцы установили в середине фюзеляжа В-36 четырехтонный свинцовый диск для снижения радиационного облучения экипажа. Летный экипаж из 5 человек размещался в кабине самолета, которая была обшита свинцом. В качестве дополнительной меры предосторожности окна кабины были заменены на свинцовые стекла толщиной в фут. Модифицированный Ту-95 также была установлена ​​аналогичная защита.

За время своего существования и американские, и советские эксперименты сошли с чертежной доски, но в воздухе выглядели довольно невпечатляюще. Помимо успешного полета с ядерным реактором на борту, больше всего беспокоила безопасность пилотов и экипажа. Поэтому, к счастью, большинство полетов были с выключенным реактором.

Обе программы пользовались определенным успехом. Оба установили действующий ядерный реактор в большой бомбардировщик и провели испытательные полеты. Родительские платформы также были достаточно успешными. Туполев Ту-95 остается на вооружении России по сей день. Американский B-36 имел более короткий пробег и был заменен культовым B-52, также все еще находящимся на вооружении.

Современность Стучит

Реактивные двигатели часть того, что делали в атомных бомбардировщиках. Ранние, но зрелые конструкции реактивных истребителей сошли с чертежных досок и поступили в серийное производство примерно в то же время, что и прототипы бомбардировщиков. Они были намного быстрее турбовинтовых бомбардировщиков, и если бы они разбились или были сбиты, не было бы риска ядерного заражения.

Межконтинентальные баллистические ракеты также сыграли огромную роль. Зачем строить и обслуживать массивный самолет, обучать пилотов, а затем рисковать и тем, и другим, чтобы доставить полезную нагрузку, если ракета сделает ту же работу быстрее и без риска для жизни?

Атомные подводные лодки, которые могли нести межконтинентальные баллистические ракеты, также обречены на дальнейшее развитие самолетов с ядерными двигателями. Считалось, что они также более безопасны, хотя случались известные аварии.

Тем не менее, тестовые программы не были полностью непродуктивными.