Die Äußerung von Wladimir Putin bei seiner Rede vor der Bundesversammlung über die Präsenz eines nuklear angetriebenen Marschflugkörpers in Russland hat in Gesellschaft und Medien großes Aufsehen erregt. Gleichzeitig war wenig darüber bekannt, was ein solcher Motor ist und über die Möglichkeiten seines Einsatzes, sowohl für die breite Öffentlichkeit als auch für Fachleute.

Reedus versuchte herauszufinden, von was für einem technischen Gerät der Präsident sprechen könnte und was es einzigartig macht.

Angesichts der Tatsache, dass die Präsentation in der Manege nicht für ein Fachpublikum, sondern für die „allgemeine“ Öffentlichkeit gedacht war, konnten ihre Autoren eine gewisse Substitution von Konzepten zulassen, sagte Georgy Tikhomirov, stellvertretender Direktor des Instituts für Kernphysik und -technologie der National Research Nuclear University MEPhI, nicht ausgeschlossen.

„Was der Präsident gesagt und gezeigt hat, nennen Experten Kompaktkraftwerke, mit denen Experimente zunächst in der Luftfahrt und dann bei der Erforschung des Weltraums durchgeführt wurden. Dies waren Versuche, das unlösbare Problem des ausreichenden Treibstoffs für Flüge über unbegrenzte Entfernungen zu lösen. In diesem Sinne ist die Darstellung absolut korrekt: Das Vorhandensein eines solchen Motors versorgt die Systeme einer Rakete oder eines anderen Geräts für eine beliebig lange Zeit mit Energie“, sagte er Reedus.

Die Arbeit mit einem solchen Motor in der UdSSR begann vor genau 60 Jahren unter der Leitung der Akademiker M. Keldysh, I. Kurchatov und S. Korolev. In den Vereinigten Staaten wurden in denselben Jahren ähnliche Arbeiten durchgeführt, die jedoch 1965 eingestellt wurden. In der UdSSR dauerte die Arbeit etwa ein Jahrzehnt, bevor sie ebenfalls als irrelevant anerkannt wurden. Vielleicht zuckte Washington deshalb nicht sehr zusammen und sagte, dass sie von der Präsentation der russischen Rakete nicht überrascht seien.

In Russland ist die Idee eines Atommotors nie gestorben - insbesondere seit 2009 ist die praktische Entwicklung einer solchen Anlage im Gange. Dem Timing nach zu urteilen, passen die vom Präsidenten angekündigten Tests genau in dieses gemeinsame Projekt von Roscosmos und Rosatom, da die Entwickler geplant hatten, 2018 Feldtests des Motors durchzuführen. Vielleicht haben sie sich aus politischen Gründen etwas hochgezogen und die Fristen „nach links“ verschoben.

„Technisch ist es so angeordnet, dass das Kernkraftwerk das Gaskühlmittel erwärmt. Und dieses erhitzte Gas dreht entweder die Turbine oder erzeugt direkt Strahlschub. Eine gewisse List in der Präsentation der Rakete, die wir gehört haben, besteht darin, dass die Reichweite ihres Fluges immer noch nicht unendlich ist: Sie ist durch das Volumen des Arbeitsmediums begrenzt - Flüssiggas, das physikalisch in die Raketentanks gepumpt werden kann, “, sagt der Spezialist.

Gleichzeitig haben eine Weltraumrakete und ein Marschflugkörper grundlegend unterschiedliche Flugsteuerungsschemata, da dies der Fall ist verschiedene Aufgaben. Der erste fliegt im luftlosen Raum, er muss nicht manövrieren - es reicht aus, ihm einen ersten Impuls zu geben, und dann bewegt er sich entlang der berechneten ballistischen Flugbahn.

Ein Marschflugkörper hingegen muss seine Flugbahn ständig ändern, wofür er genügend Treibstoff haben muss, um Impulse zu erzeugen. Ob dieser Brennstoff von einem Atomkraftwerk oder einem traditionellen gezündet wird, ist in diesem Fall unerheblich. Nur die Versorgung mit diesem Treibstoff sei wichtig, betont Tikhomirov.

„Die Bedeutung einer Nuklearanlage bei Flügen in den Weltraum ist das Vorhandensein einer Energiequelle an Bord, um die Systeme des Geräts für unbegrenzte Zeit mit Strom zu versorgen. Gleichzeitig kann es nicht nur sein Kernreaktor, aber auch thermoelektrische Radioisotopengeneratoren. Und die Bedeutung einer solchen Installation auf einer Rakete, deren Flug nicht länger als einige zehn Minuten dauern wird, ist mir noch nicht ganz klar “, gibt der Physiker zu.

Der Bericht in der Manege kam nur ein paar Wochen zu spät im Vergleich zu der Ankündigung der NASA vom 15. Februar, dass die Amerikaner die Forschung zum Antrieb von Nuklearraketen wieder aufnehmen würden, die sie vor einem halben Jahrhundert aufgegeben hatten.

Übrigens hat die China Aerospace Science and Technology Corporation (CASC) bereits im November 2017 angekündigt, dass vor 2045 ein atomgetriebenes Raumschiff in China entstehen wird. Daher können wir heute mit Sicherheit sagen, dass das weltweite Rennen um Atomantriebe begonnen hat.

Russland war und ist führend auf dem Gebiet der nuklearen Weltraumenergie. Organisationen wie RSC Energia und Roskosmos haben Erfahrung in der Entwicklung, dem Bau, dem Start und dem Betrieb von Raumfahrzeugen, die mit einer Kernenergiequelle ausgestattet sind. Ein Nuklearmotor ermöglicht den langjährigen Betrieb von Flugzeugen und erhöht deren Praxistauglichkeit erheblich.

historische Chronik

Gleichzeitig erfordert die Lieferung eines Forschungsgeräts in die Umlaufbahnen der fernen Planeten des Sonnensystems eine Erhöhung der Ressourcen einer solchen Kernanlage auf 5-7 Jahre. Es wurde bewiesen, dass ein Komplex mit einem Kernantriebssystem mit einer Leistung von etwa 1 MW als Teil eines Forschungsraumfahrzeugs eine beschleunigte Lieferung künstlicher Satelliten der entferntesten Planeten, Planetenrover an die Oberfläche natürlicher Satelliten dieser Planeten ermöglichen wird und Lieferung von Erde von Kometen, Asteroiden, Merkur und Satelliten von Jupiter und Saturn.

Wiederverwendbarer Schlepper (MB)

Eine der wichtigsten Möglichkeiten, die Effizienz von Transportvorgängen im Weltraum zu steigern, ist die wiederverwendbare Verwendung von Elementen des Transportsystems. Ein Nuklearmotor für Raumfahrzeuge mit einer Leistung von mindestens 500 kW ermöglicht es, einen wiederverwendbaren Schlepper zu schaffen und damit die Effizienz eines Multilink-Raumtransportsystems erheblich zu steigern. Ein solches System ist besonders nützlich in einem Programm zur Sicherstellung großer jährlicher Ladungsströme. Ein Beispiel wäre das Monderkundungsprogramm mit der Schaffung und Aufrechterhaltung einer ständig wachsenden bewohnbaren Basis und experimenteller technologischer und industrieller Komplexe.

Berechnung des Frachtumschlags

Laut den Designstudien von RSC Energia sollten während des Baus der Basis Module mit einem Gewicht von etwa 10 Tonnen an die Mondoberfläche, bis zu 30 Tonnen in die Mondumlaufbahn geliefert und der jährliche Frachtfluss sichergestellt werden, um die Funktion und Entwicklung sicherzustellen der Basis ist 400-500 Tonnen.

Das Funktionsprinzip eines Atommotors erlaubt es jedoch nicht, den Transporter schnell genug zu zerstreuen. Aufgrund der langen Transportzeit und entsprechend der erheblichen Verweildauer der Nutzlast in den Strahlungsgürteln der Erde können nicht alle Frachten mit Schleppern angeliefert werden Atommotor. Daher wird der Frachtfluss, der auf der Grundlage von NEP sichergestellt werden kann, auf nur 100-300 Tonnen/Jahr geschätzt.

Wirtschaftliche Effizienz

Als Kriterium für die Wirtschaftlichkeit des interorbitalen Transportsystems empfiehlt es sich, den Wert der Stückkosten für den Transport einer Masseneinheit der Nutzlast (PG) von der Erdoberfläche zum Zielorbit heranzuziehen. RSC Energia hat ein wirtschaftliches und mathematisches Modell entwickelt, das die Hauptkostenkomponenten im Transportsystem berücksichtigt:

für die Erstellung und den Start von Schleppmodulen in die Umlaufbahn;
für den Kauf einer funktionierenden Kernanlage;
Betriebskosten sowie F&E-Kosten und mögliche Kapitalkosten.

Kostenindikatoren hängen von den optimalen Parametern des MB ab. Mit diesem Modell ein Vergleich wirtschaftliche Effizienz die Verwendung eines wiederverwendbaren Schleppers auf Basis von Nuklearantriebssystemen mit einer Kapazität von etwa 1 MW und eines Einwegschleppers auf Basis fortschrittlicher Flüssigtreibstoffsysteme im Programm, um die Lieferung einer Nutzlast mit einer Gesamtmasse von 100 t/Jahr von der Erde sicherzustellen bis zur Mondumlaufbahn mit einer Höhe von 100 km. Bei Verwendung derselben Trägerrakete mit einer Tragfähigkeit gleich der Tragfähigkeit der Proton-M-Trägerrakete und einem Zwei-Start-Schema zum Bau eines Transportsystems liegen die Einheitskosten für die Lieferung einer Einheitsmasse an Nutzlast unter Verwendung eines Schleppers auf der Grundlage von a Atommotor wird dreimal niedriger sein als bei Verwendung von Einwegschleppern auf Basis von Raketen mit Flüssigkeitsmotoren vom Typ DM-3.

Fazit

Ein effizienter Nuklearmotor für den Weltraum trägt zur Lösung bei Umweltprobleme Erde, bemannter Flug zum Mars, Erschaffung eines Systems drahtlose Übertragung Energie im Weltraum, die Durchführung der Hochsicherheitsverwahrung von besonders gefährlichen radioaktiven Abfällen aus der bodengestützten Kernenergie, die Schaffung einer bewohnbaren Mondbasis und der Beginn der industriellen Erforschung des Mondes sowie der Schutz der Erde vor Asteroiden -Kometengefahr.

Alexander Losev

Die rasante Entwicklung der Raketen- und Raumfahrttechnik im 20. Jahrhundert war den militärstrategischen, politischen und zum Teil auch ideologischen Zielen und Interessen der beiden Supermächte – der UdSSR und der USA – und allen staatlichen Raumfahrtprogrammen geschuldet Fortsetzung ihrer militärischen Projekte, bei denen die Hauptaufgabe darin bestand, die Verteidigungsfähigkeit und strategische Parität mit einem potenziellen Gegner sicherzustellen. Die Kosten für die Herstellung der Ausrüstung und die Kosten für den Betrieb hatten damals keine grundlegende Bedeutung. Enorme Ressourcen wurden für die Herstellung von Trägerraketen und Raumfahrzeugen bereitgestellt, und der 108-minütige Flug von Yuri Gagarin im Jahr 1961 und die Fernsehübertragung von Neil Armstrong und Buzz Aldrin von der Mondoberfläche im Jahr 1969 waren nicht nur Triumphe des wissenschaftlichen und technischen Denkens , galten sie auch als strategische Siege in Schlachten des Kalten Krieges.

Doch nach dem Zusammenbruch der Sowjetunion und dem Ausscheiden aus dem Rennen um die Weltspitze mussten ihre geopolitischen Gegner, allen voran die USA, keine prestigeträchtigen, aber extrem kostspieligen Weltraumprojekte mehr umsetzen, um der ganzen Welt die Überlegenheit des Westens zu beweisen Wirtschaftssystem und ideologische Konzepte.
In den 90er Jahren verloren die politischen Hauptaufgaben der Vergangenheit an Relevanz, die Blockkonfrontation wurde von der Globalisierung abgelöst, der Pragmatismus setzte sich in der Welt durch, so dass die meisten Raumfahrtprogramme gekürzt oder verschoben wurden, nur die ISS blieb von den Großprojekten der vorbei an. Außerdem hat die westliche Demokratie alles Teure geliefert Regierungsprogramme Wahlzyklen abhängig.
Die Wählerunterstützung, die erforderlich ist, um an der Macht zu bleiben oder an der Macht zu bleiben, lässt Politiker, Parlamente und Regierungen zum Populismus tendieren und unmittelbare Probleme lösen, sodass die Ausgaben für die Weltraumforschung Jahr für Jahr reduziert werden.
Die meisten grundlegenden Entdeckungen wurden in der ersten Hälfte des zwanzigsten Jahrhunderts gemacht, und heute haben Wissenschaft und Technologie gewisse Grenzen erreicht, außerdem hat die Popularität wissenschaftlicher Erkenntnisse weltweit abgenommen und die Qualität des Unterrichts von Mathematik, Physik und andere Naturwissenschaften hat sich verschlechtert. Dies war der Grund für die Stagnation, auch im Raumfahrtsektor, der letzten zwei Jahrzehnte.
Aber jetzt wird offensichtlich, dass sich die Welt dem Ende des nächsten technologischen Zyklus nähert, der auf den Entdeckungen des letzten Jahrhunderts basiert. Jede Macht, die zum Zeitpunkt des Wandels der globalen technologischen Ordnung über grundlegend neue, vielversprechende Technologien verfügt, sichert sich daher automatisch die Weltführerschaft für mindestens die nächsten fünfzig Jahre.

Hauptgerät eines Atomraketentriebwerks mit Wasserstoff als Arbeitsmedium

Dies wird in den Vereinigten Staaten verwirklicht, wo ein Kurs eingeschlagen wurde, um die amerikanische Größe in allen Tätigkeitsbereichen wiederzubeleben, und in China, das die amerikanische Hegemonie herausfordert, und in der Europäischen Union, die mit aller Macht versucht, ihr Gewicht zu behaupten die Weltwirtschaft.
Es gibt eine Industriepolitik, und sie engagieren sich ernsthaft für die Entwicklung ihres eigenen wissenschaftlichen, technischen und Produktionspotentials, und der Weltraumsektor kann zum besten Testgelände für die Erprobung neuer Technologien und für den Beweis oder die Widerlegung wissenschaftlicher Hypothesen werden, die die Grundlage dafür bilden können eine grundlegend andere, fortschrittlichere Technologie der Zukunft zu schaffen.
Und es ist ganz natürlich zu erwarten, dass die Vereinigten Staaten das erste Land sein werden, in dem Projekte zur Erforschung des Weltraums wieder aufgenommen werden, um einzigartige zu schaffen innovative Technologien sowohl im Bereich Waffen, Transport- und Baumaterialien als auch in der Biomedizin und im Bereich Telekommunikation
Es stimmt, nicht einmal den Vereinigten Staaten ist der Erfolg auf dem Weg zur Schaffung revolutionärer Technologien garantiert. Es besteht ein hohes Risiko, in einer Sackgasse zu landen, ein halbes Jahrhundert alte Raketentriebwerke mit chemischen Treibstoffen zu verbessern, wie es Elon Musks SpaceX tut, oder Lebenserhaltungssysteme für Langstrecken zu bauen, die denen ähneln, die bereits auf der ISS implementiert sind.
Kann Russland, dessen Stagnation im Raumfahrtsektor von Jahr zu Jahr deutlicher wird, im Rennen um die künftige Technologieführerschaft den Durchbruch schaffen, um im Club der Supermächte zu bleiben und nicht in der Liste der Entwicklungsländer?
Ja, natürlich kann Russland das, und darüber hinaus wurde in der Kernenergie und den Kerntechnologien bereits ein bedeutender Schritt nach vorne gemacht. Raketentriebwerke, trotz der chronischen Unterfinanzierung der Raumfahrtindustrie.
Die Zukunft der Raumfahrt liegt in der Nutzung der Kernenergie. Um zu verstehen, wie Nukleartechnologie und Raumfahrt zusammenhängen, ist es notwendig, die Grundprinzipien des Düsenantriebs zu betrachten.
Die Haupttypen moderner Weltraummotoren werden also nach den Prinzipien der chemischen Energie hergestellt. Dies sind Festtreibstoff-Booster und Flüssigtreibstoff-Raketentriebwerke, in deren Brennkammern Brennstoffkomponenten (Brennstoff und Oxidationsmittel), die in eine exotherme physikalisch-chemische Verbrennungsreaktion eintreten, einen Jetstream bilden, der jeweils Tonnen von Materie aus der Triebwerksdüse ausstößt zweite. Die kinetische Energie des Arbeitsfluids des Strahls wird in eine Reaktionskraft umgewandelt, die ausreicht, um die Rakete anzutreiben. Der spezifische Impuls (das Verhältnis des erzeugten Schubs zur eingesetzten Kraftstoffmasse) solcher Chemiemotoren hängt von den Komponenten des Kraftstoffs, dem Druck und der Temperatur in der Brennkammer sowie vom Molekulargewicht des durch die Verbrennungskammer ausgestoßenen Gasgemisches ab Motordüse.
Und je höher die Temperatur des Stoffes und der Druck in der Brennkammer und desto niedriger molekulare Masse Gas, desto höher der spezifische Impuls und damit der Wirkungsgrad des Motors. Spezifischer Impuls ist die Menge an Bewegung, und es ist üblich, sie in Metern pro Sekunde sowie Geschwindigkeit zu messen.
In chemischen Motoren geben Kraftstoffgemische Sauerstoff-Wasserstoff und Fluor-Wasserstoff (4500–4700 m/s) den höchsten spezifischen Impuls, aber Raketentriebwerke, die mit Kerosin und Sauerstoff betrieben werden, wie Sojus und Raketen "Falcon" Mask, sowie Motoren auf asymmetrischem Dimethylhydrazin (UDMH) mit einem Oxidationsmittel in Form einer Mischung aus Stickstofftetroxid und Salpetersäure (sowjetisches und russisches "Proton", französisches "Arian", amerikanisches "Titan"). Ihr Wirkungsgrad ist 1,5-mal geringer als der von wasserstoffbetriebenen Motoren, aber ein Impuls von 3000 m / s und eine Leistung reichen völlig aus, um es wirtschaftlich rentabel zu machen, Tonnen von Nutzlasten in erdnahe Umlaufbahnen zu bringen.
Aber Flüge zu anderen Planeten erfordern ein viel größeres Raumschiff als alles, was die Menschheit zuvor geschaffen hat, einschließlich der modularen ISS. Bei diesen Schiffen ist es notwendig, sowohl die langfristige autonome Existenz der Besatzungen zu gewährleisten, als auch eine gewisse Versorgung mit Treibstoff und die Lebensdauer der Haupttriebwerke und Triebwerke für Manöver und Bahnkorrektur, für die Auslieferung von Astronauten in einem vorzusehen spezielles Landemodul auf die Oberfläche eines anderen Planeten und ihre Rückkehr zum Haupttransportschiff und dann die Rückkehr der Expedition zur Erde.
Das angesammelte Ingenieur- und technische Wissen und die chemische Energie der Triebwerke ermöglichen es, zum Mond zurückzukehren und den Mars zu erreichen, sodass es sehr wahrscheinlich ist, dass die Menschheit im nächsten Jahrzehnt den Roten Planeten besuchen wird.
Wenn wir uns nur auf verfügbare Weltraumtechnologien verlassen, beträgt die Mindestmasse eines bewohnbaren Moduls für einen bemannten Flug zum Mars oder zu den Satelliten von Jupiter und Saturn etwa 90 Tonnen, was dreimal mehr ist als die der Mondschiffe der frühen 1970er Jahre , was bedeutet, dass Trägerraketen zum Einsetzen in Referenzumlaufbahnen für den weiteren Flug zum Mars dem Saturn-5 (Startgewicht 2965 Tonnen) des Apollo-Mondprojekts oder dem sowjetischen Träger Energia (Startgewicht 2400 Tonnen) weit überlegen sein werden. Es wird notwendig sein, einen interplanetaren Komplex mit einem Gewicht von bis zu 500 Tonnen im Orbit zu schaffen. Ein Flug auf einem interplanetaren Schiff mit chemischen Raketentriebwerken dauert 8 Monate bis 1 Jahr nur in eine Richtung, da Sie Gravitationsmanöver durchführen müssen, indem Sie die Schwerkraft der Planeten zur zusätzlichen Beschleunigung des Schiffes nutzen, und ein riesiger Treibstoffvorrat.
Aber mit der chemischen Energie von Raketentriebwerken wird die Menschheit nicht über die Umlaufbahn von Mars oder Venus hinausfliegen. Wir brauchen andere Fluggeschwindigkeiten von Raumschiffen und andere stärkere Bewegungsenergien.

Modernes Kernraketentriebwerksprojekt Princeton Satellite Systems

Um den Weltraum zu erforschen, ist es notwendig, das Schub-Gewichts-Verhältnis und die Effizienz eines Raketentriebwerks deutlich zu erhöhen, was bedeutet, dass sein spezifischer Impuls und seine Lebensdauer erhöht werden. Und dazu ist es notwendig, das Gas oder die Substanz des Arbeitsfluids mit einer niedrigen Atommasse innerhalb der Motorkammer auf Temperaturen zu erhitzen, die um ein Vielfaches höher sind als die chemische Verbrennungstemperatur herkömmlicher Brennstoffmischungen, und dies kann durch eine Kernreaktion erfolgen .
Wird anstelle einer herkömmlichen Brennkammer ein Kernreaktor in ein Raketentriebwerk eingebaut, in dessen aktive Zone ein Stoff in flüssiger oder gasförmiger Form zugeführt wird, dann wird dieser sich unter hohem Druck auf mehrere tausend Grad aufheizen beginnen, durch den Düsenkanal ausgestoßen zu werden, wodurch Strahlschub erzeugt wird. Der spezifische Impuls eines solchen nuklearen Strahltriebwerks wird um ein Vielfaches höher sein als bei einem herkömmlichen, auf chemischen Komponenten basierenden Triebwerk, was bedeutet, dass die Effizienz sowohl des Triebwerks selbst als auch der Trägerrakete insgesamt um ein Vielfaches steigt. In diesem Fall ist kein Oxidationsmittel für die Brennstoffverbrennung erforderlich, und leichtes Wasserstoffgas kann als Substanz verwendet werden, die Strahlschub erzeugt, aber wir wissen, dass der Impuls umso höher ist, je niedriger das Molekulargewicht des Gases ist, und dies wird erheblich sein die Masse der Rakete reduzieren beste Leistung Motorleistung.
Ein Atommotor wäre besser als ein herkömmlicher, weil in der Reaktorzone leichtes Gas auf Temperaturen von über 9.000 Kelvin erhitzt werden kann und ein Strahl eines solchen überhitzten Gases einen viel höheren spezifischen Impuls liefert als gewöhnliche chemische Motoren geben. Aber das ist in der Theorie.
Die Gefahr besteht nicht einmal darin, dass beim Start einer Trägerrakete mit einer solchen Nuklearanlage eine radioaktive Kontamination der Atmosphäre und des Weltraums um die Startrampe auftreten kann, das Hauptproblem besteht darin, dass bei hohen Temperaturen der Motor selbst zusammen mit dem Raumfahrzeug schmelzen kann . Designer und Ingenieure wissen das und suchen seit mehreren Jahrzehnten nach geeigneten Lösungen.
Kernraketentriebwerke (NRE) haben bereits ihre eigene Entstehungs- und Betriebsgeschichte im Weltraum. Die erste Entwicklung von Kernmotoren begann Mitte der 1950er Jahre, also noch vor der bemannten Raumfahrt, und fast gleichzeitig in der UdSSR und den USA, und die Idee, Kernreaktoren zum Erhitzen des Arbeitsstoffs in einer Rakete zu verwenden Motor wurde zusammen mit den ersten Reaktoren Mitte der 40er Jahre geboren, also vor mehr als 70 Jahren.
In unserem Land wurde der Wärmephysiker Vitaly Mikhailovich Ievlev zum Initiator der Gründung des NRE. 1947 stellte er ein Projekt vor, das von S. P. Korolev, I. V. Kurchatov und M. V. Keldysh unterstützt wurde. Ursprünglich war geplant, solche Triebwerke für Marschflugkörper zu verwenden und sie dann für ballistische Flugkörper einzusetzen. Die Entwicklung wurde von den führenden Konstruktionsbüros der Sowjetunion sowie den Forschungsinstituten NIITP, CIAM, IAE, VNIINM aufgenommen.
Der sowjetische Nuklearmotor RD-0410 wurde Mitte der 60er Jahre vom Voronezh "Design Bureau of Chemical Automation" zusammengebaut, wo die meisten Flüssigkeitsraketentriebwerke für die Weltraumtechnologie hergestellt wurden.
Als Arbeitsflüssigkeit wurde in RD-0410 Wasserstoff verwendet, der in flüssiger Form durch den "Kühlmantel" strömte, überschüssige Wärme von den Wänden der Düse abführte und am Schmelzen hinderte und dann in den Reaktorkern eintrat, wo er erhitzt wurde auf 3000 K erwärmt und durch die Kanaldüsen ausgestoßen und dabei umgewandelt Wärmeenergie in kinetische und erzeugt einen spezifischen Impuls von 9100 m / s.
In den USA wurde das NRE-Projekt 1952 gestartet, und der erste funktionierende Motor wurde 1966 unter dem Namen NERVA (Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application) entwickelt. In den 60er und 70er Jahren versuchten die Sowjetunion und die Vereinigten Staaten, einander nicht nachzugeben.
Es stimmt, sowohl unser RD-0410 als auch das amerikanische NERVA waren Festphasen-NREs (Kernbrennstoff auf der Basis von Urankarbiden befand sich im Reaktor in festem Zustand), und ihre Betriebstemperatur lag im Bereich von 2300–3100 K.
Um die Temperatur des Kerns ohne die Gefahr einer Explosion oder eines Schmelzens der Reaktorwände zu erhöhen, müssen Bedingungen für eine Kernreaktion geschaffen werden, unter denen der Brennstoff (Uran) in einen gasförmigen Zustand übergeht oder in ein Plasma übergeht und wird durch ein starkes Magnetfeld im Inneren des Reaktors gehalten, ohne die Wände zu berühren. Und dann „umströmt“ der in den Reaktorkern eintretende Wasserstoff das Uran in der Gasphase, verwandelt sich in Plasma und wird mit sehr hoher Geschwindigkeit durch den Düsenkanal ausgestoßen.
Dieser Motortyp wird als Gasphasen-YRD bezeichnet. Die Temperaturen von gasförmigem Uranbrennstoff in solchen Kernmotoren können zwischen 10.000 und 20.000 Grad Kelvin liegen, und der spezifische Impuls kann 50.000 m/s erreichen, was elfmal höher ist als bei den effizientesten chemischen Raketentriebwerken.
Die Schaffung und Verwendung von Gasphasen-NREs offener und geschlossener Art in der Weltraumtechnologie ist die vielversprechendste Richtung in der Entwicklung von Weltraumraketentriebwerken und genau das, was die Menschheit braucht, um die Planeten des Sonnensystems und ihre Satelliten zu erforschen.
Die ersten Studien zum Gasphasen-NRE-Projekt begannen 1957 in der UdSSR am Forschungsinstitut für thermische Prozesse (M. V. Keldysh Research Center), und die eigentliche Entscheidung, nukleare Weltraumkraftwerke auf der Grundlage von Gasphasen-Kernreaktoren zu entwickeln, wurde getroffen 1963 von Akademiker V. P. Glushko (NPO Energomash) und dann durch eine Resolution des Zentralkomitees der KPdSU und des Ministerrates der UdSSR genehmigt.
Die Entwicklung des Gasphasen-NRE wurde in der Sowjetunion zwei Jahrzehnte lang durchgeführt, aber leider aufgrund unzureichender Finanzierung und des Bedarfs an zusätzlichen Mitteln nie abgeschlossen grundlegende Forschung auf dem Gebiet der Thermodynamik von Kernbrennstoffen und Wasserstoffplasma, Neutronenphysik und Magnetohydrodynamik.
Sowjetische Nuklearwissenschaftler und Konstrukteure standen vor einer Reihe von Problemen, z. B. Erreichen der Kritikalität und Sicherstellen der Stabilität des Betriebs eines Gasphasen-Kernreaktors, Reduzieren des Verlusts von geschmolzenem Uran während der Freisetzung von auf mehrere tausend Grad erhitztem Wasserstoff, Wärmeschutz der Düse und des Magnetfeldgenerators, Ansammlung von Uran-Spaltprodukten, die Wahl chemisch beständiger Konstruktionsmaterialien usw.
Und als mit der Entwicklung der Energia-Trägerrakete für das sowjetische Mars-94-Programm, dem ersten bemannten Flug zum Mars, begonnen wurde, wurde das Nuklearantriebsprojekt auf unbestimmte Zeit verschoben. Die Sowjetunion hatte nicht genug Zeit und vor allem politischen Willen und wirtschaftliche Effizienz, um unsere Kosmonauten 1994 auf dem Planeten Mars zu landen. Dies wäre eine unbestreitbare Leistung und ein Beweis unserer Führungsrolle in Hochtechnologien in den nächsten Jahrzehnten. Aber der Weltraum wurde wie viele andere Dinge von der letzten Führung der UdSSR verraten. Die Geschichte kann nicht geändert werden, verstorbene Wissenschaftler und Ingenieure können nicht zurückgebracht werden und verlorenes Wissen kann nicht wiederhergestellt werden. Vieles muss neu erstellt werden.
Aber die Kernenergie im Weltraum ist nicht auf den Bereich der Fest- und Gasphasen-NREs beschränkt. Um in einem Düsentriebwerk einen erhitzten Materiestrom zu erzeugen, kann man elektrische Energie verwenden. Diese Idee wurde erstmals 1903 von Konstantin Eduardovich Tsiolkovsky in seiner Arbeit "The Study of World Spaces with Reactive Instruments" zum Ausdruck gebracht.
Und das erste elektrothermische Raketentriebwerk in der UdSSR wurde in den 1930er Jahren von Valentin Petrovich Glushko, einem zukünftigen Akademiker der Akademie der Wissenschaften der UdSSR und Leiter der NPO Energia, entwickelt.
Die Funktionsprinzipien von elektrischen Raketentriebwerken können unterschiedlich sein. Sie werden normalerweise in vier Arten unterteilt:

elektrothermisch (Heizung oder Lichtbogen). In ihnen wird das Gas auf Temperaturen von 1000–5000 K erhitzt und wie im NRE aus der Düse ausgestoßen.
elektrostatische Motoren (kolloidal und ionisch), bei denen der Arbeitsstoff zuerst ionisiert wird und dann positive Ionen (atome ohne Elektronen) in einem elektrostatischen Feld beschleunigt und ebenfalls durch den Düsenkanal ausgestoßen werden, wodurch Strahlschub erzeugt wird. Auch stationäre Plasmamotoren gehören zu den elektrostatischen Motoren.
Magnetoplasma- und magnetodynamische Raketentriebwerke. Dort wird das gasförmige Plasma durch die Ampère-Kraft in sich senkrecht überschneidenden magnetischen und elektrischen Feldern beschleunigt.
Impulsraketentriebwerke, die die Energie von Gasen nutzen, die bei der Verdampfung des Arbeitsmediums in einer elektrischen Entladung entstehen.

Der Vorteil dieser elektrischen Raketentriebwerke ist ein geringer Verbrauch der Arbeitsflüssigkeit, ein Wirkungsgrad von bis zu 60% und schnelle Geschwindigkeit Partikelfluss, der die Masse des Raumfahrzeugs erheblich reduzieren kann, aber es gibt auch ein Minus - eine geringe Schubdichte und dementsprechend geringe Leistung sowie die hohen Kosten des Arbeitsmediums (Inertgase oder Alkalimetalldämpfe) zur Plasmaerzeugung.
Alle aufgeführten Typen von Elektromotoren wurden in der Praxis umgesetzt und seit Mitte der 1960er Jahre sowohl in sowjetischen als auch in amerikanischen Fahrzeugen wiederholt im Weltraum eingesetzt, wurden jedoch aufgrund ihrer geringen Leistung hauptsächlich als Bahnkorrekturmotoren verwendet.
Von 1968 bis 1988 wurde eine ganze Reihe von Kosmos-Satelliten in die UdSSR mit gestartet Nuklearanlagen an Bord. Die Reaktortypen wurden benannt: "Buk", "Topaz" und "Yenisei".
Der Reaktor des Yenissei-Projekts hatte eine thermische Leistung von bis zu 135 kW und eine elektrische Leistung von etwa 5 kW. Der Wärmeträger war eine Natrium-Kalium-Schmelze. Dieses Projekt wurde 1996 abgeschlossen.
Für einen echten Sustainer-Raketenmotor wird eine sehr starke Energiequelle benötigt. Und die beste Energiequelle für solche Weltraumtriebwerke ist ein Kernreaktor.
Die Kernenergie ist eine der Hightech-Industrien, in denen unser Land seine führende Position behauptet. Und in Russland wird bereits ein grundlegend neues Raketentriebwerk geschaffen, und dieses Projekt steht 2018 kurz vor dem erfolgreichen Abschluss. Flugtests sind für 2020 geplant.
Und wenn das Gasphasen-NRE ein Thema der kommenden Jahrzehnte ist, zu dem wir nach der Grundlagenforschung zurückkehren müssen, dann ist seine aktuelle Alternative ein Kernkraftwerk (KKW) der Megawattklasse, und es wurde bereits von Rosatom und geschaffen Roscosmos Unternehmen seit 2009.
NPO Krasnaya Zvezda, derzeit der einzige Entwickler und Hersteller von Weltraum-Kernkraftwerken weltweit, sowie das nach N.I. M. V. Keldysh, NIKIET ihnen. N. A. Dollezhala, Forschungsinstitut NPO Luch, Kurchatov Institute, IRM, IPPE, NIIAR und NPO Mashinostroeniya.
Das Kernkraftwerk umfasst einen gasgekühlten Hochtemperatur-Kernreaktor mit schnellen Neutronen mit einer Turbomaschinenumwandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie, ein System von Kühlschrank-Emittern zum Abführen überschüssiger Wärme in den Weltraum, ein Instrumentenmontagefach, einen Block von marschierende Plasma- oder Ionen-Elektromotoren und ein Container zum Platzieren einer Nutzlast.
In einem Kraftwerk dient ein Kernreaktor als Stromquelle für den elektrischen Betrieb Plasmamotoren, während das Gaskühlmittel des Reaktors, das durch den Kern strömt, in die Turbine des elektrischen Generators und Kompressors eintritt und in einem geschlossenen Kreislauf zum Reaktor zurückkehrt und nicht wie beim NRE in den Weltraum geschleudert wird, was das Design mehr macht zuverlässig und sicher und daher für die bemannte Raumfahrt geeignet .
Es ist geplant, ein Kernkraftwerk für einen wiederverwendbaren Weltraumschlepper zu nutzen, um die Lieferung von Fracht während der Erkundung des Mondes oder der Schaffung von Mehrzweck-Orbitalkomplexen sicherzustellen. Der Vorteil wird nicht nur die wiederverwendbare Verwendung von Elementen des Transportsystems sein (was Elon Musk in seinen SpaceX-Weltraumprojekten zu erreichen versucht), sondern auch die Fähigkeit, dreimal mehr Masse an Fracht zu transportieren als auf Raketen mit chemischen Strahltriebwerken vergleichbare Leistung durch Reduzierung der Startmasse des Transportsystems . Das spezielle Design des Geräts macht es sicher für Menschen und Umfeld auf der Erde.
Im Jahr 2014 wurde das erste Brennelement (Brennelement) in Standardausführung für diese nukleare elektrische Antriebsanlage bei OJSC Mashinostroitelny Zavod in Elektrostal zusammengebaut, und im Jahr 2016 wurde ein Reaktorkernkorbsimulator getestet.
Jetzt (im Jahr 2017) wird daran gearbeitet, Strukturelemente der Anlage herzustellen und Komponenten und Baugruppen an Modellen zu testen sowie autonome Tests von Turbomaschinen-Energieumwandlungssystemen und Triebwerksprototypen durchzuführen. Die Fertigstellung der Arbeiten ist für Ende des nächsten Jahres 2018 geplant, jedoch begann sich seit 2015 der Rückstand aus dem Zeitplan anzusammeln.
Sobald diese Anlage erstellt ist, wird Russland also das erste Land der Welt sein, das über nukleare Weltraumtechnologien verfügt, die nicht nur die Grundlage für zukünftige Projekte zur Entwicklung des Sonnensystems, sondern auch für terrestrische und außerirdische Energie bilden werden. Weltraum-Kernkraftwerke können verwendet werden, um Systeme zur Fernübertragung von Elektrizität zur Erde oder zu Weltraummodulen unter Verwendung elektromagnetischer Strahlung zu schaffen. Und das wird auch die Spitzentechnologie der Zukunft, in der unser Land eine führende Position einnehmen wird.
Auf der Basis der entwickelten Plasmamotoren werden leistungsstarke Antriebssysteme für die bemannte Langstrecken-Raumfahrt und vor allem für die Erforschung des Mars geschaffen, dessen Umlaufbahn in nur 1,5 Monaten erreicht werden kann, und nicht länger als ein Jahr, wie bei der Verwendung herkömmlicher chemischer Strahltriebwerke .
Und die Zukunft beginnt immer mit einer Energiewende. Und sonst nichts. Energie ist primär und es ist die Größenordnung des Energieverbrauchs, die den technischen Fortschritt, die Verteidigungsfähigkeit und die Lebensqualität der Menschen beeinflusst.

Experimentelles Plasmaraketentriebwerk der NASA

Der sowjetische Astrophysiker Nikolai Kardashev schlug bereits 1964 eine Skala für die Entwicklung von Zivilisationen vor. Nach dieser Skala hängt der Stand der technologischen Entwicklung von Zivilisationen von der Energiemenge ab, die die Bevölkerung des Planeten für ihren Bedarf verbraucht. Die Zivilisation, die ich tippe, verwendet also alle verfügbaren Ressourcen, die auf dem Planeten verfügbar sind; Typ-II-Zivilisation - erhält die Energie seines Sterns, in dessen System er sich befindet; und eine Typ-III-Zivilisation nutzt die verfügbare Energie ihrer Galaxie. Die Menschheit ist noch nicht zu einer Typ-I-Zivilisation dieses Ausmaßes herangewachsen. Wir verbrauchen nur 0,16 % der gesamten potenziellen Energieversorgung des Planeten Erde. Dies bedeutet, dass Russland und die ganze Welt Raum zum Wachsen haben, und diese Nukleartechnologien werden unserem Land nicht nur den Weg in den Weltraum, sondern auch zu zukünftigem wirtschaftlichen Wohlstand ebnen.
Und vielleicht besteht die einzige Option für Russland im wissenschaftlichen und technischen Bereich jetzt darin, einen revolutionären Durchbruch in der nuklearen Weltraumtechnologie zu erzielen, um den langjährigen Rückstand auf die Führer in einem „Sprung“ zu überwinden und sofort an den Ursprüngen eines Neuen zu stehen technologische Revolution im nächsten Entwicklungszyklus der menschlichen Zivilisation. Solch eine einzigartige Chance hat dieses oder jenes Land nur einmal in mehreren Jahrhunderten.
Leider läuft Russland, das den Grundlagenwissenschaften und der Qualität der Hochschul- und Sekundarbildung in den letzten 25 Jahren nicht die gebührende Aufmerksamkeit geschenkt hat, Gefahr, diese Chance für immer zu verlieren, wenn das Programm gekürzt und die derzeitigen Wissenschaftler und Ingenieure nicht ersetzt werden von einer neuen Generation von Forschern. Die geopolitischen und technologischen Herausforderungen, vor denen Russland in 10-12 Jahren stehen wird, werden sehr ernst sein, vergleichbar mit den Bedrohungen Mitte des 20. Jahrhunderts. Um die Souveränität und Integrität Russlands auch in Zukunft zu wahren, ist es dringend erforderlich, bereits jetzt mit der Ausbildung von Fachkräften zu beginnen, die in der Lage sind, auf diese Herausforderungen zu reagieren und etwas grundlegend Neues zu schaffen.
Es bleiben nur etwa 10 Jahre, um Russland in ein weltweites intellektuelles und technologisches Zentrum zu verwandeln, und dies kann nicht ohne eine ernsthafte Änderung der Qualität der Bildung erreicht werden. Für einen wissenschaftlichen und technologischen Durchbruch ist es notwendig, dem Bildungssystem (sowohl Schule als auch Universität) eine systematische Sicht auf das Weltbild, wissenschaftliche Fundamentalität und ideologische Integrität zurückzugeben.
Die derzeitige Stagnation in der Raumfahrtindustrie ist nicht schlimm. Die physikalischen Grundlagen, auf denen moderne Weltraumtechnologien basieren, werden noch lange von der klassischen Satellitendienstbranche nachgefragt. Denken Sie daran, dass die Menschheit seit 5,5 Tausend Jahren Segel benutzt, und die Ära des Dampfes fast 200 Jahre dauerte, und erst im zwanzigsten Jahrhundert begann sich die Welt schnell zu verändern, weil eine weitere wissenschaftliche und technologische Revolution stattfand, die eine Welle von Innovationen auslöste und eine Veränderung der technologischen Muster, die letztendlich die Weltwirtschaft und -politik veränderte. Die Hauptsache ist, an den Ursprüngen dieser Veränderungen zu sein. [E-Mail geschützt] ,
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Sergeev Alexey, 9 Klasse "A" MOU "Sekundarschule Nr. 84"

Wissenschaftlicher Berater: , Stellvertretender Direktor der gemeinnützigen Partnerschaft für wissenschaftliche und innovative Aktivitäten „Tomsk Atomic Center“

Betreuer: , Physiklehrer, MOU "Sekundarschule Nr. 84" ZATO Seversk

Einführung

Antriebssysteme an Bord eines Raumfahrzeugs sind so ausgelegt, dass sie Schub oder Impuls erzeugen. Je nach Art des vom Antriebssystem verwendeten Schubs werden sie in chemische (CRD) und nicht-chemische (NCRD) unterteilt. HRD werden in flüssige (LRE), feste Brennstoffe (RDTT) und kombinierte (KRD) unterteilt. Nicht-chemische Antriebssysteme werden wiederum in nukleare (NRE) und elektrische (EP) unterteilt. Der große Wissenschaftler Konstantin Eduardovich Tsiolkovsky schuf vor einem Jahrhundert das erste Modell eines Antriebssystems, das mit festen und flüssigen Brennstoffen betrieben wurde. Danach wurden in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts Tausende von Flügen hauptsächlich mit LRE- und Feststoffraketentriebwerken durchgeführt.

Gegenwärtig wird jedoch für Flüge zu anderen Planeten, ganz zu schweigen von den Sternen, die Verwendung von Flüund Feststoffraketentriebwerken immer unrentabler, obwohl viele Raketentriebwerke entwickelt worden sind. Höchstwahrscheinlich haben sich die Möglichkeiten von LRE- und Feststoffraketentriebwerken vollständig ausgeschöpft. Der Grund dafür ist, dass der spezifische Impuls aller chemischen Raketentriebwerke gering ist und 5000 m/s nicht überschreitet, was einen Langzeitbetrieb des Antriebssystems und dementsprechend große Treibstoffreserven erfordert, um ausreichend hohe Geschwindigkeiten zu entwickeln, oder wie in der Raumfahrt üblich, große Werte der Tsiolkovsky-Zahl, d.h. das Verhältnis der Masse einer betankten Rakete zur Masse einer leeren. So hat RN Energia, das 100 Tonnen Nutzlast in eine niedrige Umlaufbahn bringt, eine Startmasse von etwa 3.000 Tonnen, was der Tsiolkovsky-Zahl einen Wert im Bereich von 30 verleiht.

Für einen Flug zum Mars beispielsweise dürfte die Tsiolkovsky-Zahl noch höher liegen und Werte von 30 bis 50 erreichen. Das lässt sich leicht abschätzen, bei einer Nutzlast von etwa 1.000 Tonnen nämlich die Mindestmasse, die nötig ist, um alles Notwendige bereitzustellen für die zum Mars startende Besatzung unter Berücksichtigung der Treibstoffversorgung für den Rückflug zur Erde muss die Anfangsmasse des Raumfahrzeugs mindestens 30.000 Tonnen betragen, was deutlich über dem Entwicklungsstand der modernen Astronautik liegt, die auf der Verwendung von Flüssigkeit basiert Treibraketentriebwerke und Feststoffraketentriebwerke.

Damit bemannte Besatzungen sogar die nächsten Planeten erreichen können, ist es daher notwendig, Trägerraketen mit Triebwerken zu entwickeln, die nach Prinzipien arbeiten, die sich von chemischen Antrieben unterscheiden. Die vielversprechendsten in dieser Hinsicht sind elektrische Strahltriebwerke (EP), thermochemische Raketentriebwerke und nukleare Strahltriebwerke (NJ).

1.Grundlegende Konzepte

Ein Raketentriebwerk ist ein Strahltriebwerk, das die Umgebung (Luft, Wasser) nicht zum Betrieb nutzt. Die am weitesten verbreiteten chemischen Raketentriebwerke. Andere Arten von Raketentriebwerken werden entwickelt und getestet - elektrisch, nuklear und andere. In Raumstationen und Fahrzeugen sind auch die einfachsten Raketentriebwerke, die mit komprimierten Gasen betrieben werden, weit verbreitet. Sie verwenden normalerweise Stickstoff als Arbeitsmedium. /eines/

Klassifizierung von Antriebssystemen

2. Zweck von Raketentriebwerken

Je nach Zweck werden Raketentriebwerke in mehrere Haupttypen unterteilt: Beschleunigen (Starten), Bremsen, Stützen, Steuern und andere. Raketentriebwerke werden hauptsächlich in Raketen eingesetzt (daher der Name). Darüber hinaus werden manchmal Raketentriebwerke in der Luftfahrt eingesetzt. Raketentriebwerke sind die Hauptantriebe in der Raumfahrt.

Militärische (Kampf-)Raketen haben in der Regel Feststoffantriebe. Dies liegt daran, dass ein solcher Motor im Werk betankt wird und während der gesamten Lager- und Wartungszeit der Rakete selbst keine Wartung erfordert. Festtreibstoffmotoren werden häufig als Booster für Weltraumraketen verwendet. Besonders weit verbreitet sind sie in dieser Funktion in den USA, Frankreich, Japan und China.

Flüssigtreibstoff-Raketentriebwerke haben höhere Schubeigenschaften als Festtreibstoff-Raketentriebwerke. Daher werden sie verwendet, um Weltraumraketen in die Erdumlaufbahn und auf interplanetaren Flügen zu starten. Die wichtigsten Flüssigtreibstoffe für Raketen sind Kerosin, Heptan (Dimethylhydrazin) und flüssiger Wasserstoff. Für solche Brennstoffe ist ein Oxidationsmittel (Sauerstoff) erforderlich. Als Oxidationsmittel werden in solchen Motoren Salpetersäure und verflüssigter Sauerstoff verwendet. Salpetersäure ist verflüssigtem Sauerstoff in Bezug auf Oxidationseigenschaften unterlegen, erfordert jedoch kein spezielles Temperaturregime während der Lagerung, Betankung und Verwendung von Raketen

Triebwerke für die Raumfahrt unterscheiden sich von irdischen dadurch, dass sie bei möglichst geringer Masse und Volumen möglichst viel Leistung erbringen müssen. Darüber hinaus unterliegen sie Anforderungen wie einer außergewöhnlich hohen Effizienz und Zuverlässigkeit sowie einer erheblichen Betriebszeit. Je nach Art der verwendeten Energie werden Antriebssysteme für Raumfahrzeuge in vier Typen unterteilt: thermochemisch, nuklear, elektrisch, Sonnensegeln. Jeder dieser Typen hat seine eigenen Vor- und Nachteile und kann unter bestimmten Bedingungen verwendet werden.

Derzeit werden Raumfahrzeuge, Orbitalstationen und unbemannte Erdsatelliten von Raketen ins All geschossen, die mit leistungsstarken thermochemischen Triebwerken ausgestattet sind. Es gibt auch Miniaturmotoren mit niedrigem Schub. Dies ist eine reduzierte Kopie von leistungsstarken Motoren. Einige von ihnen passen in Ihre Handfläche. Die Schubkraft solcher Motoren ist sehr gering, reicht jedoch aus, um die Position des Schiffes im Weltraum zu steuern.

3. Thermochemische Raketentriebwerke.

Es ist bekannt, dass der Motor Verbrennungs, die Feuerung eines Dampfkessels - überall dort, wo Verbrennungen stattfinden, spielt Luftsauerstoff die aktivste Rolle. Im Weltraum gibt es keine Luft, und für den Betrieb von Raketentriebwerken im Weltraum sind zwei Komponenten erforderlich - Brennstoff und ein Oxidationsmittel.

In flüssigen thermochemischen Raketentriebwerken werden Alkohol, Kerosin, Benzin, Anilin, Hydrazin, Dimethylhydrazin, flüssiger Wasserstoff als Brennstoff verwendet. Als Oxidationsmittel werden flüssiger Sauerstoff, Wasserstoffperoxid, Salpetersäure verwendet. Es ist möglich, dass in Zukunft flüssiges Fluor als Oxidationsmittel verwendet wird, wenn Verfahren zur Lagerung und Verwendung einer solchen aktiven Chemikalie erfunden werden.

Treibstoff und Oxidationsmittel für Flüssigkeitsstrahltriebwerke werden getrennt in speziellen Tanks gelagert und in die Brennkammer gepumpt. Bei ihrer Vereinigung im Brennraum entsteht eine Temperatur von bis zu 3000 - 4500 °C.

Die sich ausdehnenden Verbrennungsprodukte erreichen eine Geschwindigkeit von 2500 bis 4500 m/s. Ausgehend vom Triebwerksgehäuse erzeugen sie Strahlschub. Gleichzeitig ist die Schubkraft des Motors umso größer, je größer die Masse und Geschwindigkeit des Ausströmens von Gasen ist.

Es ist üblich, den spezifischen Schub von Triebwerken anhand der Schubmenge abzuschätzen, die durch eine in einer Sekunde verbrannte Masseneinheit Kraftstoff erzeugt wird. Dieser Wert wird als spezifischer Impuls des Raketentriebwerks bezeichnet und in Sekunden gemessen (kg Schub / kg verbrannter Treibstoff pro Sekunde). Die besten Feststoffraketentriebwerke haben einen spezifischen Impuls von bis zu 190 s, dh 1 kg Treibstoff, der in einer Sekunde brennt, erzeugt einen Schub von 190 kg. Das Wasserstoff-Sauerstoff-Raketentriebwerk hat einen spezifischen Impuls von 350 s. Theoretisch kann ein Wasserstoff-Fluor-Motor einen spezifischen Impuls von mehr als 400 s entwickeln.

Das allgemein verwendete Schema eines Flüssigtreibstoff-Raketentriebwerks funktioniert wie folgt. Komprimiertes Gas erzeugt in den Tanks mit kryogenem Kraftstoff den nötigen Druck, um das Entstehen von Gasblasen in Rohrleitungen zu verhindern. Pumpen versorgen Raketentriebwerke mit Treibstoff. Kraftstoff wird durch eine große Anzahl von Injektoren in den Brennraum eingespritzt. Außerdem wird durch die Düsen ein Oxidationsmittel in die Brennkammer eingespritzt.

In jedem Auto entstehen bei der Verbrennung von Kraftstoff große Wärmeströme, die die Wände des Motors erhitzen. Wenn Sie die Wände der Kammer nicht kühlen, brennt sie schnell aus, egal aus welchem Material sie besteht. Ein Flüssigkeitsstrahltriebwerk wird üblicherweise mit einer der Treibmittelkomponenten gekühlt. Dazu ist die Kammer zweiwandig ausgeführt. Die kalte Kraftstoffkomponente strömt in den Spalt zwischen den Wänden.

Aluminium" href="/text/category/aluminij/" rel="bookmark">Aluminium usw. Insbesondere als Zusatz zu konventionellen Kraftstoffen wie Wasserstoff-Sauerstoff. Solche "Triple-Kompositionen" sind in der Lage, die höchstmögliche Geschwindigkeit bereitzustellen für den Abfluss chemischer Brennstoffe - bis zu 5 km / s. Dies ist jedoch praktisch die Grenze der Ressourcen der Chemie. Mehr kann sie praktisch nicht. Obwohl die vorgeschlagene Beschreibung immer noch von Flüssigkeitsraketentriebwerken dominiert wird, muss gesagt werden, dass der erste in Die Geschichte der Menschheit wurde ein thermochemisches Raketentriebwerk auf Festbrennstoff - Festtreibstoff-Raketentriebwerk geschaffen.Der Brennstoff - zum Beispiel spezielles Schießpulver - befindet sich direkt in der Brennkammer.Die Brennkammer mit einer Strahldüse gefüllt mit Festbrennstoff - das ist der Der Verbrennungsmodus von Festbrennstoffen hängt vom Zweck des Feststoffraketentriebwerks ab (Starten, Marschieren oder kombiniert).Für militärische Zwecke eingesetzte Feststoffraketen sind durch das Vorhandensein von Start- und Erhaltungstriebwerken gekennzeichnet. nein eine kurze Zeit, die erforderlich ist, damit die Rakete den Werfer verlässt, und ihre anfängliche Beschleunigung. Ein marschierendes Feststoffraketentriebwerk ist so ausgelegt, dass es im Hauptabschnitt (Reiseflug) der Flugbahn eine konstante Fluggeschwindigkeit der Rakete aufrechterhält. Die Unterschiede zwischen ihnen liegen hauptsächlich in der Konstruktion der Brennkammer und dem Profil der Verbrennungsoberfläche der Kraftstoffladung, die die Geschwindigkeit der Kraftstoffverbrennung bestimmen, von der die Betriebszeit und der Triebwerksschub abhängen. Im Gegensatz zu solchen Raketen, Trägerraketen für den Start von Erdsatelliten, orbitale Stationen und Raumfahrzeuge sowie interplanetare Stationen arbeiten nur im Startmodus vom Start einer Rakete bis zum Start eines Objekts in die Umlaufbahn um die Erde oder auf eine interplanetare Flugbahn. Im Allgemeinen haben Feststoffraketentriebwerke gegenüber Flüssigbrennstofftriebwerken nicht viele Vorteile: Sie sind einfach herzustellen, lange lagerfähig, immer einsatzbereit und relativ explosionssicher. Aber in Bezug auf den spezifischen Schub sind Feststoffmotoren den Flüssigmotoren um 10-30% unterlegen.

4. Elektrische Raketenmotoren

Fast alle oben besprochenen Raketentriebwerke entwickeln einen enormen Schub und sind dafür ausgelegt, Raumfahrzeuge in eine Umlaufbahn um die Erde zu bringen und sie für interplanetare Flüge auf Weltraumgeschwindigkeit zu beschleunigen. Es ist eine ganz andere Sache - Antriebssysteme für Raumfahrzeuge, die bereits in den Orbit oder auf eine interplanetare Flugbahn gestartet sind. Hier werden in der Regel Motoren mit geringer Leistung (mehrere Kilowatt oder sogar Watt) benötigt, die Hunderte und Tausende von Stunden arbeiten und sich wiederholt ein- und ausschalten können. Sie ermöglichen es Ihnen, den Flug im Orbit oder entlang einer bestimmten Flugbahn aufrechtzuerhalten und den Flugwiderstand zu kompensieren, der durch die obere Atmosphäre und den Sonnenwind erzeugt wird. Bei elektrischen Raketentriebwerken wird das Arbeitsmedium durch Erhitzen mit elektrischer Energie auf eine bestimmte Geschwindigkeit beschleunigt. Strom kommt von Sonnenkollektoren oder einem Kernkraftwerk. Die Methoden zum Erhitzen des Arbeitsmediums sind unterschiedlich, aber in Wirklichkeit wird hauptsächlich ein Lichtbogen verwendet. Es hat sich als sehr zuverlässig erwiesen und hält einer Vielzahl von Einschlüssen stand. Wasserstoff wird als Arbeitsmedium in Lichtbogenmotoren verwendet. Mit Hilfe eines Lichtbogens wird Wasserstoff auf eine sehr hohe Temperatur erhitzt und verwandelt sich in Plasma – ein elektrisch neutrales Gemisch aus positiven Ionen und Elektronen. Die Plasmaaustrittsgeschwindigkeit aus dem Triebwerk erreicht 20 km/s. Wenn Wissenschaftler das Problem der magnetischen Isolierung des Plasmas von den Wänden der Motorkammer lösen, wird es möglich sein, die Temperatur des Plasmas erheblich zu erhöhen und die Austrittsgeschwindigkeit auf 100 km/s zu bringen. Der erste elektrische Raketenmotor wurde in den Jahren in der Sowjetunion entwickelt. unter der Leitung (später Schöpfer von Triebwerken für sowjetische Weltraumraketen und Akademiker) im berühmten gasdynamischen Labor (GDL). / 10 /

5.Andere Arten von Motoren

Es gibt auch exotischere Projekte von Atomraketentriebwerken, bei denen sich das spaltbare Material in einem flüssigen, gasförmigen oder sogar Plasmazustand befindet, aber die Umsetzung solcher Konstruktionen auf dem aktuellen Stand der Technik und Technologie ist unrealistisch. Während der Theorie- oder Laborphase gibt es die folgenden Projekte von Raketentriebwerken

Impulsnukleare Raketentriebwerke, die die Energie von Explosionen kleiner nuklearer Ladungen nutzen;

Thermonukleare Raketentriebwerke, die ein Wasserstoffisotop als Treibstoff verwenden können. Die Energieeffizienz von Wasserstoff in einer solchen Reaktion beträgt 6,8*1011 kJ/kg, also etwa zwei Größenordnungen höher als die Produktivität von Kernspaltungsreaktionen;

Sonnensegelmotoren - die den Druck des Sonnenlichts (Sonnenwinds) nutzen, dessen Existenz bereits 1899 von einem russischen Physiker experimentell nachgewiesen wurde. Durch Berechnung haben Wissenschaftler festgestellt, dass ein Gerät mit einem Gewicht von 1 Tonne und einem Segel mit einem Durchmesser von 500 m in etwa 300 Tagen von der Erde zum Mars fliegen kann. Allerdings nimmt die Effizienz eines Sonnensegels mit zunehmender Entfernung von der Sonne rapide ab.

6. Atomraketentriebwerke

Einer der Hauptnachteile von Flüssigtreibstoff-Raketentriebwerken ist mit der begrenzten Geschwindigkeit des Ausströmens von Gasen verbunden. In nuklearen Raketentriebwerken scheint es möglich, die bei der Zersetzung von nuklearem "Brennstoff" freigesetzte enorme Energie zur Erwärmung des Arbeitsstoffes zu nutzen. Das Funktionsprinzip von Nuklearraketentriebwerken ist fast das gleiche wie das Funktionsprinzip von thermochemischen Triebwerken. Der Unterschied besteht darin, dass das Arbeitsmedium nicht durch seine eigene chemische Energie erhitzt wird, sondern durch die bei der intranuklearen Reaktion freigesetzte „fremde“ Energie. Das Arbeitsmedium wird durch einen Kernreaktor geleitet, in dem die Spaltreaktion von Atomkernen (z. B. Uran) stattfindet, und gleichzeitig erwärmt es sich. Kernraketentriebwerke machen ein Oxidationsmittel überflüssig, und daher kann nur eine Flüssigkeit verwendet werden. Als Arbeitsflüssigkeit ist es ratsam, Substanzen zu verwenden, die es dem Motor ermöglichen, eine große Zugkraft zu entwickeln. Wasserstoff erfüllt diese Bedingung am besten, gefolgt von Ammoniak, Hydrazin und Wasser. Die Prozesse, bei denen Kernenergie freigesetzt wird, werden in radioaktive Umwandlungen, Spaltreaktionen schwerer Kerne und Fusionsreaktionen leichter Kerne unterteilt. Radioisotopenumwandlungen werden in den sogenannten isotopischen Energiequellen realisiert. Die spezifische Massenenergie (die Energie, die ein 1 kg schwerer Stoff freisetzen kann) künstlicher radioaktiver Isotope ist viel höher als die von chemischen Brennstoffen. Für 210Ро ist er also gleich 5*10 8 KJ/kg, während für den energieeffizientesten chemischen Brennstoff (Beryllium mit Sauerstoff) dieser Wert 3*10 4 KJ/kg nicht überschreitet. Leider ist es noch nicht sinnvoll, solche Motoren in Trägerraketen einzusetzen. Der Grund dafür sind die hohen Kosten der isotopischen Substanz und die schwierige Handhabung. Schließlich gibt das Isotop ständig Energie ab, auch beim Transport in einem speziellen Container und beim Abstellen der Rakete am Start. Kernreaktoren verwenden energieeffizientere Brennstoffe. Somit beträgt die spezifische Massenenergie von 235U (dem spaltbaren Uranisotop) 6,75 * 10 9 kJ / kg, dh ungefähr eine Größenordnung höher als die des 210Ро-Isotops. Diese Motoren können "ein- und ausgeschaltet" werden, Kernbrennstoff (233U, 235U, 238U, 239Pu) ist viel billiger als Isotop. In solchen Motoren kann nicht nur Wasser als Arbeitsflüssigkeit verwendet werden, sondern auch effizientere Arbeitsstoffe - Alkohol, Ammoniak, flüssiger Wasserstoff. Der spezifische Schub eines Motors mit flüssigem Wasserstoff beträgt 900 s. Im einfachsten Schema eines Atomraketentriebwerks mit einem Reaktor, der mit festem Kernbrennstoff betrieben wird, befindet sich das Arbeitsfluid in einem Tank. Die Pumpe fördert es in den Motorraum. Mit Hilfe von Düsen versprüht, kommt das Arbeitsmedium mit dem wärmeerzeugenden Kernbrennstoff in Kontakt, erwärmt sich, dehnt sich aus und wird mit hoher Geschwindigkeit durch die Düse nach außen geschleudert. Kernbrennstoff übertrifft in Bezug auf die Energiereserven alle anderen Brennstoffarten. Dann stellt sich eine natürliche Frage: Warum haben Anlagen mit diesem Brennstoff immer noch einen relativ geringen spezifischen Schub und eine große Masse? Tatsache ist, dass der spezifische Schub eines Festphasen-Atomraketentriebwerks durch die Temperatur des spaltbaren Materials begrenzt ist und das Kraftwerk während des Betriebs starke ionisierende Strahlung abgibt, die sich schädlich auf lebende Organismen auswirkt. Der biologische Schutz gegen solche Strahlung ist von großer Bedeutung und ist für Raumfahrzeuge nicht anwendbar. Die praktische Entwicklung von Atomraketentriebwerken mit festen Kernbrennstoffen begann Mitte der 1950er Jahre in der Sowjetunion und den Vereinigten Staaten, fast gleichzeitig mit dem Bau der ersten Kernkraftwerke. Die Arbeit wurde unter strengster Geheimhaltung durchgeführt, aber es ist bekannt, dass solche Raketentriebwerke in der Raumfahrt noch keinen wirklichen Einsatz gefunden haben. Bisher beschränkte sich alles auf die Nutzung von isotopischen Stromquellen mit relativ geringer Leistung auf unbemannten künstlichen Satelliten der Erde, interplanetaren Raumfahrzeugen und dem weltberühmten sowjetischen "Mondrover".

7. Kernstrahltriebwerke, Funktionsprinzip, Methoden zum Erhalten eines Impulses in einem Kernraketentriebwerk.

NRE hat seinen Namen aufgrund der Tatsache, dass sie Schub durch die Nutzung von Kernenergie erzeugen, dh der Energie, die als Ergebnis von Kernreaktionen freigesetzt wird. Im Allgemeinen bedeuten diese Reaktionen alle Änderungen des Energiezustands von Atomkernen sowie die Umwandlung einiger Kerne in andere, die mit der Umordnung der Struktur der Kerne oder einer Änderung der Anzahl der darin enthaltenen Elementarteilchen verbunden sind - Nukleonen. Darüber hinaus können Kernreaktionen bekanntlich entweder spontan (d. h. spontan) oder künstlich herbeigeführt auftreten, beispielsweise wenn einige Kerne von anderen (oder Elementarteilchen) bombardiert werden. Kernreaktionen der Spaltung und Fusion übertreffen chemische Reaktionen um das Millionen- bzw. Zehnmillionenfache. Dies erklärt sich dadurch, dass die chemische Bindungsenergie von Atomen in Molekülen um ein Vielfaches geringer ist als die Kernbindungsenergie von Nukleonen im Kern. Kernenergie in Raketentriebwerken kann auf zwei Arten genutzt werden:

1. Die freigesetzte Energie wird genutzt, um das Arbeitsmedium zu erhitzen, das dann wie in einem herkömmlichen Raketentriebwerk in der Düse expandiert.

2. Kernenergie wird in elektrische Energie umgewandelt und dann verwendet, um Partikel des Arbeitsfluids zu ionisieren und zu beschleunigen.

3. Schließlich wird der Impuls von den Spaltprodukten selbst erzeugt, die im Prozess DIV_ADBLOCK265"> gebildet werden

Analog zum LRE wird das Original-Arbeitsmedium des NRE in flüssigem Zustand im Tank des Antriebssystems gespeichert und über eine Turbopumpeneinheit zugeführt. Das Gas für die Rotation dieser Einheit, bestehend aus einer Turbine und einer Pumpe, kann im Reaktor selbst erzeugt werden.

Ein Diagramm eines solchen Antriebssystems ist in der Abbildung dargestellt.

Es gibt viele NREs mit einem Spaltreaktor:

feste Phase

Gasphase

NRE mit Fusionsreaktor

Pulse YARD und andere

Von allen möglichen Arten von NRE sind die thermischen Radioisotopenmotoren und die Motoren mit einem Festphasenspaltungsreaktor die am weitesten entwickelten. Aber wenn die Eigenschaften von Radioisotopen-NREs uns nicht auf ihre breite Anwendung in der Raumfahrt (zumindest in naher Zukunft) hoffen lassen, dann eröffnet die Herstellung von Festphasen-NREs große Perspektiven für die Raumfahrt. Ein typischer NRE dieses Typs enthält einen Festphasenreaktor in Form eines Zylinders mit einer Höhe und einem Durchmesser von etwa 1–2 m (wenn diese Parameter nahe beieinander liegen, ist der Austritt von Spaltneutronen in den umgebenden Raum minimal).

Der Reaktor besteht aus einer aktiven Zone; einen diese Zone umgebenden Reflektor; Leitungsgremien; Power Case und andere Elemente. Der Kern enthält Kernbrennstoff – spaltbares Material (angereichertes Uran), eingeschlossen in Brennelementen, und einen Moderator oder Verdünnungsmittel. Der in der Abbildung gezeigte Reaktor ist homogen – in ihm ist der Moderator Teil der Brennelemente und wird mit dem Brennstoff homogen vermischt. Der Moderator kann auch getrennt vom Kernbrennstoff angeordnet werden. In diesem Fall wird der Reaktor als heterogen bezeichnet. Verdünner (dies können „zum Beispiel hochschmelzende Metalle- Wolfram, Molybdän) werden verwendet, um spaltbaren Stoffen besondere Eigenschaften zu verleihen.

Die Brennelemente des Festphasenreaktors sind mit Kanälen durchzogen, durch die das Arbeitsmedium des NRE strömt und sich allmählich erwärmt. Die Kanäle haben einen Durchmesser von etwa 1–3 mm und ihre Gesamtfläche beträgt 20–30 % des Querschnitts des Kerns. Der Kern ist an einem speziellen Gitter im Inneren des Leistungsgehäuses aufgehängt, damit er sich bei Erwärmung des Reaktors ausdehnen kann (sonst würde er durch thermische Spannungen zusammenbrechen).

Der Kern erfährt hohe mechanische Belastungen, die mit der Wirkung erheblicher hydraulischer Druckabfälle (bis zu mehreren zehn Atmosphären) von dem strömenden Arbeitsfluid, thermischen Spannungen und Vibrationen verbunden sind. Die Vergrößerung des Kerns beim Aufheizen des Reaktors erreicht mehrere Zentimeter. Die aktive Zone und der Reflektor befinden sich in einem robusten Antriebsgehäuse, das den Druck des Arbeitsmediums und den von der Strahldüse erzeugten Schub wahrnimmt. Das Gehäuse wird durch eine starke Abdeckung verschlossen. Es nimmt pneumatische, Feder- oder elektrische Mechanismen zum Antreiben der Regulierungsorgane, Befestigungspunkte für das NRE am Raumfahrzeug, Flansche zum Verbinden des NRE mit den Versorgungsleitungen des Arbeitsfluids auf. Auf dem Deckel kann sich auch eine Turbopumpeneinheit befinden.

8 - Düse,

9 - Aufweitdüse,

10 - Auswahl des Arbeitsstoffes zur Turbine,

11 - Energiekorps,

12 - Steuertrommel

13 - Turbinenauspuff (wird verwendet, um die Fluglage zu steuern und den Schub zu erhöhen),

14 - Ringantriebe Steuertrommeln)

Zu Beginn des Jahres 1957 wurde die endgültige Richtung der Arbeit des Los Alamos Laboratory festgelegt, und es wurde beschlossen, einen Graphitkernreaktor mit in Graphit dispergiertem Uranbrennstoff zu bauen. Der in dieser Richtung geschaffene Kiwi-A-Reaktor wurde am 1. Juli 1959 getestet.

Amerikanisches Festphasen-Nuklearstrahltriebwerk XE Prime auf einem Prüfstand (1968)

Neben dem Bau des Reaktors war das Los Alamos Laboratory mit dem Bau eines speziellen Testgeländes in Nevada in vollem Gange und führte auch eine Reihe von Sonderaufträgen der US Air Force in verwandten Bereichen aus (Entwicklung einzelner TNRE Einheiten). Im Auftrag des Los Alamos Laboratory wurden alle Sonderaufträge zur Fertigung einzelner Komponenten von den Firmen: Aerojet General, The Rocketdyne Division of North American Aviation, ausgeführt. Im Sommer 1958 ging die gesamte Kontrolle über das Rover-Programm von der US Air Force auf die neu organisierte National Aeronautics and Space Administration (NASA) über. Aufgrund einer Sondervereinbarung zwischen der AEC und der NASA wurde Mitte des Sommers 1960 das Office of Space Nuclear Engines unter der Leitung von G. Finger gegründet, das in Zukunft das Rover-Programm leitete.

Die Ergebnisse von sechs "heißen Tests" von Atomstrahltriebwerken waren sehr ermutigend, und Anfang 1961 wurde ein Bericht über Reaktorflugtests (RJFT) erstellt. Dann, Mitte 1961, wurde das Nerva-Projekt (die Verwendung eines Atommotors für Weltraumraketen) gestartet. Aerojet General wurde als Generalunternehmer und Westinghouse als Subunternehmer für den Bau des Reaktors ausgewählt.

10.2 TNRD-Arbeit in Russland

Amerikanische" href="/text/category/amerikanetc/" rel="bookmark">amerikanisch-russische Wissenschaftler verwendeten die wirtschaftlichsten und effizientesten Tests einzelner Brennelemente in Forschungsreaktoren. Saljut", Design Bureau of Chemical Automation, IAE, NIKIET und NPO "Luch" (PNITI) zur Entwicklung verschiedener Projekte von Weltraumraketentriebwerken und Hybridkernkraftwerken. Luch", MAI) wurden gegründet HOF RD 0411 und ein Nuklearmotor von minimaler Abmessung RD0410 Schub von 40 bzw. 3,6 Tonnen.

Als Ergebnis wurden ein Reaktor, ein „kalter“ Motor und ein Laborprototyp zum Testen mit gasförmigem Wasserstoff hergestellt. Im Gegensatz zum amerikanischen mit einem spezifischen Impuls von nicht mehr als 8250 m / s hatte der sowjetische TNRE aufgrund der Verwendung hitzebeständigerer und fortschrittlicherer Brennelemente und der hohen Temperatur im Kern diesen Indikator gleich 9100 m / s s und höher. Die Prüfbasis zum Testen des TNRD der gemeinsamen Expedition von NPO Luch befand sich 50 km südwestlich der Stadt Semipalatinsk-21. 1962 begann sie zu arbeiten. In den Jahren Auf dem Testgelände wurden maßstäbliche Brennelemente von NRE-Prototypen getestet. Gleichzeitig trat das Abgas in das geschlossene Abgassystem ein. Der Prüfstandkomplex für umfassende Tests von Kernmotoren "Baikal-1" befindet sich 65 km südlich der Stadt Semipalatinsk-21. Von 1970 bis 1988 wurden etwa 30 "Heißstarts" von Reaktoren durchgeführt. Gleichzeitig überstieg die Leistung 230 MW bei einem Wasserstoffdurchsatz von bis zu 16,5 kg/s und einer Temperatur am Reaktorausgang von 3100 K nicht. Alle Starts verliefen erfolgreich, unfallfrei und planmäßig.

Sowjetischer TYARD RD-0410 - das einzige funktionierende und zuverlässige industrielle Atomraketentriebwerk der Welt

Derzeit wurden solche Arbeiten auf der Deponie eingestellt, obwohl die Ausrüstung in einem relativ betriebsbereiten Zustand gehalten wird. Der Prüfstand des NPO Luch ist weltweit der einzige Versuchskomplex, in dem es möglich ist, Elemente von NRE-Reaktoren ohne erheblichen finanziellen und zeitlichen Aufwand zu testen. Es ist möglich, dass die Wiederaufnahme der Arbeiten an TNRE für Flüge zum Mond und zum Mars in den Vereinigten Staaten im Rahmen des Programms der Weltraumforschungsinitiative unter geplanter Beteiligung von Spezialisten aus Russland und Kasachstan zur Wiederaufnahme der Aktivitäten von Semipalatinsk führen wird Basis und die Durchführung der „Marsian“-Expedition in den 2020er Jahren.

Hauptmerkmale

Spezifischer Impuls auf Wasserstoff: 910 - 980 Sek(theoretisch bis 1000 Sek).

· Ablaufgeschwindigkeit eines Arbeitskörpers (Wasserstoff): 9100 - 9800 m/sec.

· Erreichbarer Schub: bis zu Hunderten und Tausenden von Tonnen.

· Maximale Betriebstemperaturen: 3000°С - 3700°С (kurzzeitige Aufnahme).

· Lebensdauer: bis zu mehreren tausend Stunden (periodische Aktivierung). /5/

11.Gerät

Das Gerät des sowjetischen Festphasen-Atomraketentriebwerks RD-0410

1 - Leitung vom Behälter der Arbeitsflüssigkeit

2 - Turbopumpeneinheit

3 - Trommelantrieb steuern

4 - Schutz vor Radioaktivität

5 - Steuertrommel

6 - Verzögerer

7 - Brennelement

8 - Reaktorkessel

9 - Feuerboden

10 - Düsenkühlleitung

11- Düsenkammer

12 - Düse

12. Arbeitsprinzip

Der TNRD ist nach seinem Funktionsprinzip ein Hochtemperatur-Reaktor-Wärmetauscher, in den ein Arbeitsmedium (flüssiger Wasserstoff) unter Druck eingeleitet und auf hohe Temperaturen (über 3000 ° C) erhitzt wird durch eine gekühlte Düse ausgestoßen. Die Wärmerückgewinnung in der Düse ist sehr vorteilhaft, da sie eine viel schnellere Erwärmung des Wasserstoffs ermöglicht und durch Nutzung einer erheblichen Menge an Wärmeenergie den spezifischen Impuls auf 1000 Sekunden (9100–9800 m/s) erhöht.

Nuklearer Raketentriebwerksreaktor

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Arbeitskörper

Dichte, g/cm3

Spezifischer Schub (bei den angegebenen Temperaturen in der Heizkammer, °K), Sek

0,071 (flüssig)

0,682 (flüssig)

1.000 (flüssig)

Nein. Daten

(Hinweis: Der Druck in der Heizkammer beträgt 45,7 atm, Expansion auf einen Druck von 1 atm bei unveränderter chemischer Zusammensetzung des Arbeitsmediums) /6/

15. Vorteile

Der Hauptvorteil von TNRD gegenüber chemischen Raketentriebwerken besteht darin, einen höheren spezifischen Impuls, eine erhebliche Energiereserve, ein kompaktes System und die Fähigkeit zu erhalten, einen sehr hohen Schub zu erzielen (zehn, hundert und tausend Tonnen im Vakuum. Im Allgemeinen der spezifische Impuls im Vakuum erreicht wird, ist um das 3- bis 4-fache höher als die des verbrauchten chemischen Zweikomponenten-Raketentreibstoffs (Kerosin-Sauerstoff, Wasserstoff-Sauerstoff) und um das 4- bis 5-fache bei Betrieb bei höchster Wärmeintensität. Derzeit in den USA und Russland gibt es beträchtliche Erfahrung in der Entwicklung und dem Bau solcher Triebwerke, und falls erforderlich (spezielle Programme zur Weltraumforschung) können solche Triebwerke in kurzer Zeit und zu angemessenen Kosten hergestellt werden im Weltraum und vorbehaltlich des zusätzlichen Einsatzes von Störungsmanövern unter Nutzung des Gravitationsfeldes großer Planeten (Jupiter, Uranus, Saturn, Neptun) erreichbare Grenzen der Erforschung der Sonne Die Systeme erweitern sich erheblich, und die Zeit, die zum Erreichen entfernter Planeten benötigt wird, wird erheblich verkürzt. Darüber hinaus kann TNRD erfolgreich für Fahrzeuge eingesetzt werden, die in niedrigen Umlaufbahnen von Riesenplaneten operieren und deren verdünnte Atmosphäre als Arbeitsflüssigkeit verwenden, oder um in ihrer Atmosphäre zu arbeiten. /acht/

16. Nachteile

Der Hauptnachteil von TNRD ist das Vorhandensein eines starken Flusses durchdringender Strahlung (Gammastrahlung, Neutronen) sowie die Entfernung von hochradioaktiven Uranverbindungen, feuerfesten Verbindungen mit induzierter Strahlung und radioaktiven Gasen mit dem Arbeitsfluid. Insofern ist TNRD für Bodenstarts nicht akzeptabel, um eine Verschlechterung der Umweltsituation am Startplatz und in der Atmosphäre zu vermeiden. /vierzehn/

17. Verbesserung der Eigenschaften des TJARD. Hybrid-TNRD

Wie jede Rakete oder jedes Triebwerk im Allgemeinen hat ein Festphasen-Nuklearstrahltriebwerk erhebliche Einschränkungen hinsichtlich der erreichbaren kritischen Eigenschaften. Diese Einschränkungen stellen die Unmöglichkeit des Geräts (TNRD) dar, in einem Temperaturbereich zu arbeiten, der den Bereich der maximalen Betriebstemperaturen der Motorstrukturmaterialien überschreitet. Um die Fähigkeiten zu erweitern und die Hauptbetriebsparameter des TNRD deutlich zu erhöhen, können verschiedene Hybridschemata angewendet werden, bei denen das TNRD die Rolle einer Wärme- und Energiequelle spielt und zusätzliche physikalische Methoden zur Beschleunigung der Arbeitskörper verwendet werden. Am zuverlässigsten, praktisch machbar und mit hohen Eigenschaften in Bezug auf spezifischen Impuls und Schub ist ein Hybridschema mit einem zusätzlichen MHD-Kreislauf (magnetohydrodynamischer Kreislauf) zur Beschleunigung des ionisierten Arbeitsmediums (Wasserstoff und spezielle Additive). /13/

18. Strahlungsgefahr durch YARD.

Ein funktionierendes NRE ist eine starke Strahlungsquelle - Gamma- und Neutronenstrahlung. Ohne besondere Maßnahmen kann Strahlung zu einer unzulässigen Erwärmung des Arbeitsmediums und der Struktur im Raumfahrzeug, zur Versprödung metallischer Konstruktionsmaterialien, zur Zerstörung von Kunststoff und Alterung von Gummiteilen, zur Verletzung der Isolierung elektrischer Kabel und zum Ausfall elektronischer Geräte führen. Strahlung kann induzierte (künstliche) Radioaktivität von Materialien verursachen - ihre Aktivierung.

Das Problem des Strahlenschutzes von Raumfahrzeugen mit NRE gilt derzeit als grundsätzlich gelöst. Auch die grundsätzlichen Fragen im Zusammenhang mit der Wartung von Kernraketentriebwerken auf Prüfständen und Startplätzen wurden gelöst. Obwohl ein funktionierender HOF eine Gefahr darstellt Dienstpersonal„Bereits einen Tag nach Beendigung der Arbeiten des NRE ist es ohne persönliche Schutzausrüstung möglich, mehrere zehn Minuten in 50 m Entfernung vom NRE zu bleiben und sich ihm sogar zu nähern. Die einfachste Schutzmaßnahme erlauben Sie dem Wartungspersonal, den Arbeitsbereich des NRE bald nach der Prüfung zu betreten.

Der Grad der Kontamination von Startkomplexen und der Umwelt wird offenbar kein Hindernis für den Einsatz von Atomraketentriebwerken in den unteren Stufen von Weltraumraketen sein. Das Problem der Strahlengefährdung der Umwelt und des Betriebspersonals wird weitgehend dadurch entschärft, dass der als Arbeitsmittel verwendete Wasserstoff beim Durchgang durch den Reaktor praktisch nicht aktiviert wird. Daher ist der NRE-Jet nicht gefährlicher als der LRE-Jet. / 4 /

Fazit

Bei der Betrachtung der Aussichten für die Entwicklung und Verwendung von NREs in der Raumfahrt sollte man von den erreichten und erwarteten Eigenschaften verschiedener Arten von NREs ausgehen, von dem, was sie der Raumfahrt, ihrer Anwendung und schließlich dem Vorhandensein eines Abschlusses geben können Verbindung zwischen dem NRE-Problem und dem Problem der Energieversorgung im Weltraum und mit der Energieentwicklung im Allgemeinen.

Wie oben erwähnt, sind von allen möglichen Arten von NRE die thermischen Radioisotopenmotoren und die Motoren mit einem Festphasenspaltungsreaktor am weitesten entwickelt. Aber wenn die Eigenschaften von Radioisotopen-NREs uns nicht auf ihre breite Anwendung in der Raumfahrt (zumindest in naher Zukunft) hoffen lassen, dann eröffnet die Herstellung von Festphasen-NREs große Perspektiven für die Raumfahrt.

Beispielsweise wurde ein Gerät mit einer Anfangsmasse von 40.000 Tonnen (d. h. ungefähr zehnmal größer als die der größten modernen Trägerraketen) vorgeschlagen, wobei 1/10 dieser Masse auf die Nutzlast und 2/3 auf Kernenergie fallen Gebühren . Wenn alle 3 Sekunden eine Ladung gesprengt wird, reicht ihre Versorgung für 10 Tage Dauerbetrieb des Atomraketentriebwerks. In dieser Zeit beschleunigt das Gerät auf eine Geschwindigkeit von 10.000 km/s und kann in Zukunft nach 130 Jahren den Stern Alpha Centauri erreichen.

Kernkraftwerke haben einzigartige Charakteristika, zu denen praktisch unbegrenzte Energieintensität, Unabhängigkeit des Betriebs von der Umgebung, Unanfälligkeit gegenüber äußeren Einflüssen (Höhenstrahlung, Meteoritenschäden, hohe und niedrige Temperaturen usw.) gehören. Jedoch maximale Leistung nuklearen Radioisotopenanlagen ist auf einen Wert in der Größenordnung von mehreren hundert Watt begrenzt. Diese Einschränkung gilt nicht für Kernreaktorkraftwerke, was die Rentabilität ihres Einsatzes bei Langzeitflügen schwerer Raumfahrzeuge im erdnahen Weltraum, bei Flügen zu fernen Planeten des Sonnensystems und in anderen Fällen vorgibt.

Die Vorteile von Festphasen- und anderen NREs mit Spaltreaktoren zeigen sich am deutlichsten bei der Untersuchung solch komplexer Weltraumprogramme wie bemannter Flüge zu den Planeten des Sonnensystems (z. B. während einer Expedition zum Mars). In diesem Fall ermöglicht eine Erhöhung des spezifischen Impulses des RD die Lösung qualitativ neuer Probleme. All diese Probleme werden durch die Verwendung eines Festphasen-NRE mit einem spezifischen Impuls, der doppelt so hoch ist wie der von modernen LREs, erheblich erleichtert. In diesem Fall wird es auch möglich, die Flugzeiten erheblich zu verkürzen.

Höchstwahrscheinlich werden Festphasen-NREs in naher Zukunft zu einem der häufigsten RDs werden. Die Festphasen-NRE können als Vehikel für Langstreckenflüge verwendet werden, zum Beispiel zu Planeten wie Neptun, Pluto und sogar aus dem Sonnensystem herausfliegen. Für Flüge zu den Sternen ist das auf Kernspaltungsprinzip basierende NRE jedoch nicht geeignet. Vielversprechend sind hier NREs oder genauer Thermonuclear Jet Engines (TRDs), die nach dem Prinzip der Fusionsreaktionen arbeiten, und Photonic Jet Engines (PRDs), bei denen die Vernichtungsreaktion von Materie und Antimaterie die Impulsquelle ist. Allerdings wird die Menschheit, die im interstellaren Raum reist, höchstwahrscheinlich eine andere Bewegungsmethode verwenden, die sich von der Jet-Methode unterscheidet.

Abschließend werde ich Einsteins berühmten Satz umformulieren: Um zu den Sternen reisen zu können, muss sich die Menschheit etwas einfallen lassen, das in Komplexität und Wahrnehmung mit einem Atomreaktor für einen Neandertaler vergleichbar wäre!

LITERATUR

Quellen:

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16. Auf dem Weg ins Weltall // Energie. - 1985. - Nr. 6.

BLINDDARM

Hauptmerkmale von Festphasen-Nuklearstrahltriebwerken

Herstellerland	Motor	Schub im Vakuum, kN	spezifischer Impuls, Sek	Projektarbeit, Jahr
























	NERVA/Lox-Mischzyklus

Bereits Ende dieses Jahrzehnts kann in Russland ein atomgetriebenes Raumschiff für interplanetare Reisen gebaut werden. Und das wird die Situation sowohl im erdnahen Raum als auch auf der Erde selbst dramatisch verändern.

Bereits 2018 soll das Kernkraftwerk (KKW) flugbereit sein. Dies teilte der Direktor des Keldysh-Zentrums, Akademiker, mit Anatoly Koroteev. „Wir müssen das erste Muster (eines Kernkraftwerks der Megawattklasse. - Ca. "Expert Online") für Flugdesigntests im Jahr 2018 vorbereiten. Ob sie fliegen wird oder nicht, ist eine andere Sache, es kann eine Warteschlange geben, aber sie muss bereit sein zu fliegen “, berichtete RIA Novosti. Damit tritt eines der ehrgeizigsten sowjetisch-russischen Projekte auf dem Gebiet der Weltraumforschung in die Phase der sofortigen praktischen Umsetzung ein.

Das ist die Essenz dieses Projekts, dessen Wurzeln bis in die Mitte des letzten Jahrhunderts zurückreichen. Heute werden Flüge in den erdnahen Weltraum mit Raketen durchgeführt, die sich durch die Verbrennung von flüssigem oder festem Brennstoff in ihren Triebwerken fortbewegen. Tatsächlich ist dies der gleiche Motor wie im Auto. Nur in einem Auto drückt brennendes Benzin die Kolben in die Zylinder und überträgt seine Energie durch sie auf die Räder. Und in einem Raketentriebwerk treibt das Verbrennen von Kerosin oder Heptyl die Rakete direkt nach vorne.

Im vergangenen halben Jahrhundert wurde diese Raketentechnologie auf der ganzen Welt bis ins kleinste Detail ausgearbeitet. Aber die Raketenwissenschaftler selbst geben das zu. Verbesserung - ja, es ist notwendig. Der Versuch, die Tragfähigkeit von Raketen von derzeit 23 Tonnen auf 100 und sogar 150 Tonnen zu erhöhen, basierend auf "verbesserten" Verbrennungsmotoren - ja, Sie müssen es versuchen. Aber das ist eine Sackgasse in Bezug auf die Evolution. " Egal, wie viel Raketentriebwerksspezialisten auf der ganzen Welt arbeiten, der maximale Effekt, den wir erzielen, wird in Bruchteilen von Prozent berechnet. Grob gesagt wurde aus den vorhandenen Raketentriebwerken alles herausgepresst, sei es flüssiger oder fester Treibstoff, und Versuche, den Schub und den spezifischen Impuls zu erhöhen, sind einfach zwecklos. Kernkraftwerke hingegen geben eine Steigerung um ein Vielfaches. Am Beispiel eines Fluges zum Mars – jetzt muss man anderthalb bis zwei Jahre hin und zurück fliegen, aber es wird möglich sein, in zwei bis vier Monaten zu fliegen ", - der Ex-Chef der Föderalen Raumfahrtbehörde Russlands hat einmal die Situation bewertet Anatoly Perminov.

Daher war im Jahr 2010 der damalige Präsident von Russland und jetzt der Premierminister Dmitri Medwedew Ende dieses Jahrzehnts wurde der Auftrag erteilt, in unserem Land ein Raumtransport- und Energiemodul auf der Basis eines Kernkraftwerks der Megawattklasse zu bauen. Es ist geplant, bis 2018 17 Milliarden Rubel aus dem Bundeshaushalt, Roskosmos und Rosatom für die Entwicklung dieses Projekts bereitzustellen. 7,2 Milliarden dieses Betrags wurden der State Atomic Energy Corporation Rosatom für die Errichtung einer Reaktoranlage zugewiesen (dies wird vom Dollezhal Research and Design Institute of Power Engineering durchgeführt), 4 Milliarden - dem Keldysh Center für die Errichtung einer Kernkraftwerk. 5,8 Milliarden Rubel werden RSC Energia für die Schaffung eines Transport- und Energiemoduls, dh eines Raketenschiffs, zugewiesen.

Natürlich findet all diese Arbeit nicht im luftleeren Raum statt. Von 1970 bis 1988 schickte allein die UdSSR mehr als drei Dutzend Spionagesatelliten ins All, die mit Kernkraftwerken mit geringer Leistung vom Typ Buk und Topaz ausgestattet waren. Sie wurden verwendet, um ein Allwettersystem zur Überwachung von Oberflächenzielen in den Ozeanen und zur Ausgabe von Zielbezeichnungen mit Übertragung an Waffenträger oder Kommandoposten zu schaffen - das Legenda-Meeresraumaufklärungs- und Zielbezeichnungssystem (1978).

Die NASA und die amerikanischen Unternehmen, die Raumfahrzeuge und ihre Trägerfahrzeuge herstellen, waren in dieser Zeit trotz dreimaliger Versuche nicht in der Lage, einen Atomreaktor zu schaffen, der stabil im Weltraum arbeiten würde. Daher wurde 1988 ein Einsatzverbot für Raumfahrzeuge mit Kernkraftantrieb durch die UN durchgesetzt und die Produktion von Satelliten des Typs US-A mit Kernkraftwerken an Bord in der Sowjetunion eingestellt.

Parallel dazu führte das Keldysh Center in den 60-70er Jahren des letzten Jahrhunderts aktive Arbeiten zur Entwicklung eines Ionenmotors (Elektroplasmamotor) durch, der sich am besten für die Schaffung eines mit Kernbrennstoff betriebenen Hochleistungsantriebssystems eignet. Der Reaktor erzeugt Wärme, die vom Generator in Strom umgewandelt wird. Mit Hilfe von Strom wird das Edelgas Xenon in einem solchen Triebwerk zunächst ionisiert, dann werden positiv geladene Teilchen (positive Xenon-Ionen) in einem elektrostatischen Feld auf eine vorgegebene Geschwindigkeit beschleunigt und erzeugen Schub, um das Triebwerk zu verlassen. Dies ist das Funktionsprinzip des Ionenmotors, dessen Prototyp bereits im Keldysh Center erstellt wurde.

« In den 1990er Jahren nahmen wir im Keldysh Center die Arbeit an Ionentriebwerken wieder auf. Nun soll für ein so starkes Projekt eine neue Kooperation entstehen. Es gibt bereits einen Prototyp eines Ionenmotors, an dem die wichtigsten technologischen und gestalterischen Lösungen ausgearbeitet werden können. Und regelmäßige Produkte müssen noch geschaffen werden. Wir haben eine Frist - bis 2018 soll das Produkt für Flugtests bereit sein, und bis 2015 soll die Hauptentwicklung des Triebwerks abgeschlossen sein. Als nächstes - Lebensdauertests und Tests der gesamten Einheit als Ganzes“, - bemerkte im vergangenen Jahr der Leiter der Abteilung für Elektrophysik des nach M.V. Keldysha, Professor, Fakultät für Aerophysik und Weltraumforschung, Moskauer Institut für Physik und Technologie Oleg Gorschkow.

Welchen praktischen Nutzen hat Russland aus diesen Entwicklungen? Dieser Vorteil übersteigt bei weitem die 17 Milliarden Rubel, die der Staat bis 2018 für die Schaffung einer Trägerrakete mit einem Kernkraftwerk mit einer Leistung von 1 MW an Bord ausgeben will. Erstens ist es eine starke Erweiterung der Möglichkeiten unseres Landes und der Menschheit im Allgemeinen. Ein Raumschiff mit Atomantrieb gibt den Menschen echte Möglichkeiten, sich auf anderen Planeten zu engagieren. Jetzt haben viele Länder solche Schiffe. Sie wurden 2003 in den Vereinigten Staaten wieder aufgenommen, nachdem die Amerikaner zwei Proben russischer Satelliten mit Kernkraftwerken erhalten hatten.

Trotzdem Mitglied der NASA-Sonderkommission für bemannte Flüge Edward Crowley, zum Beispiel glaubt er, dass ein Schiff für einen internationalen Flug zum Mars russische Atommotoren haben sollte. " Russische Erfahrung in der Entwicklung von Nuklearmotoren ist gefragt. Ich denke, Russland hat eine sehr große Erfahrung sowohl in der Entwicklung von Raketentriebwerken als auch in der Nukleartechnik. Sie hat auch umfangreiche Erfahrung in der menschlichen Anpassung an Weltraumbedingungen, da russische Kosmonauten sehr lange Flüge absolvierten. “, sagte Crowley Reportern im vergangenen Frühjahr nach einem Vortrag an der Moskauer Staatsuniversität über amerikanische Pläne zur bemannten Weltraumforschung.

Zweitens, solche Schiffe ermöglichen es, die Aktivität im erdnahen Weltraum stark zu intensivieren und bieten eine echte Gelegenheit, mit der Besiedlung des Mondes zu beginnen (es gibt bereits Bauprojekte auf dem Erdtrabanten Atomkraftwerke). « Der Einsatz nuklearer Antriebssysteme wird für große bemannte Systeme in Betracht gezogen und nicht für kleine Raumfahrzeuge, die auf anderen Arten von Anlagen mit Ionenantrieb oder Sonnenwindenergie fliegen können. Es ist möglich, Kernkraftwerke mit Ionenmotoren auf einem interorbitalen wiederverwendbaren Schlepper zu verwenden. Zum Beispiel, um Fracht zwischen niedrigen und hohen Umlaufbahnen zu transportieren, um zu Asteroiden zu fliegen. Sie können einen wiederverwendbaren Mondschlepper bauen oder eine Expedition zum Mars schicken", - sagt Professor Oleg Gorshkov. Solche Schiffe verändern die Wirtschaftlichkeit der Weltraumforschung dramatisch. Nach Berechnungen der Spezialisten von RSC Energia reduziert eine nuklearbetriebene Trägerrakete die Kosten für den Start einer Nutzlast in eine Umlaufbahn um den Mond um mehr als das Zweifache im Vergleich zu Flüssigtreibstoff-Raketentriebwerken.

Drittens, das sind neue Materialien und Technologien, die während der Durchführung dieses Projekts geschaffen und dann in andere Branchen eingeführt werden - Metallurgie, Maschinenbau usw. Das heißt, dies ist eines dieser bahnbrechenden Projekte, das sowohl die russische als auch die Weltwirtschaft wirklich voranbringen kann.

Atomrakete. Nukleargetriebener Marschflugkörper