Oświadczenie Władimira Putina wygłoszone w orędziu do Zgromadzenia Federalnego o obecności w Rosji pocisku manewrującego o napędzie atomowym wywołało duże poruszenie w społeczeństwie i mediach. Jednocześnie niewiele było wiadomo o tym, czym jest taki silnik io możliwościach jego wykorzystania, zarówno dla ogółu społeczeństwa, jak i dla specjalistów.

Reedus próbował dowiedzieć się, o jakim urządzeniu technicznym może mówić prezydent i co czyni je wyjątkowym.

Biorąc pod uwagę, że prezentacja w Maneżu nie była przeznaczona dla publiczności złożonej ze specjalistów technicznych, ale dla „szerszej” publiczności, jej autorzy mogli pozwolić na pewną zamianę pojęć, Georgy Tichomirov, zastępca dyrektora Instytutu Fizyki i Technologii Jądrowej Uniwersytetu im. National Research Nuclear University MEPhI nie wyklucza.

„To, co powiedział i pokazał prezydent, eksperci nazywają kompaktowymi elektrowniami, z którymi eksperymenty przeprowadzano początkowo w lotnictwie, a następnie podczas eksploracji głębokiego kosmosu. Były to próby rozwiązania nierozwiązywalnego problemu wystarczającej ilości paliwa do lotów na nieograniczone odległości. W tym sensie prezentacja jest całkowicie poprawna: obecność takiego silnika zapewnia energię dla systemów rakiety lub dowolnego innego urządzenia, dowolnie przez długi czas– powiedział do Reedusa.

Praca z takim silnikiem w ZSRR rozpoczęła się dokładnie 60 lat temu pod kierunkiem akademików M. Keldysha, I. Kurchatova i S. Korolewa. W tych samych latach podobne prace prowadzono w Stanach Zjednoczonych, ale przerwano je w 1965 roku. W ZSRR prace trwały około dekady, zanim również uznano je za nieistotne. Być może dlatego Waszyngton nie skrzywił się zbytnio, mówiąc, że nie byli zaskoczeni prezentacją rosyjskiej rakiety.

W Rosji idea silnika jądrowego nigdy nie umarła - w szczególności od 2009 roku trwa praktyczny rozwój takiej instalacji. Sądząc po czasie, testy ogłoszone przez prezydenta dokładnie wpisują się w ten wspólny projekt Roskosmosu i Rosatomu, ponieważ twórcy planowali przeprowadzić testy silnika w terenie w 2018 roku. Być może z powodów politycznych trochę się podnieśli i przesunęli terminy „w lewo”.

„Technologicznie jest to ustawione w taki sposób, że blok jądrowy podgrzewa gazowy czynnik chłodzący. A ten ogrzany gaz albo obraca turbinę, albo bezpośrednio wytwarza ciąg odrzutowy. Pewną przebiegłością w prezentacji rakiety, którą usłyszeliśmy, jest to, że zasięg jej lotu wciąż nie jest nieskończony: jest ograniczony objętością płynu roboczego - gazu płynnego, który fizycznie można wpompować do zbiorników rakiety, ”- mówi specjalista.

Jednocześnie rakieta kosmiczna i pocisk manewrujący mają zasadniczo różne schematy sterowania lotem, ponieważ tak jest różne zadania. Pierwszy leci w przestrzeni pozbawionej powietrza, nie musi manewrować - wystarczy dać mu początkowy impuls, a następnie porusza się po obliczonej trajektorii balistycznej.

Przeciwnie, pocisk manewrujący musi stale zmieniać swoją trajektorię, do czego musi mieć wystarczającą ilość paliwa, aby wytworzyć impulsy. To, czy paliwo to zostanie zapalone przez elektrownię jądrową, czy tradycyjną, nie ma w tym przypadku znaczenia. Ważne są tylko dostawy tego paliwa – podkreśla Tichomirow.

„Znaczenie instalacji jądrowej podczas lotów w przestrzeń kosmiczną polega na obecności na pokładzie źródła energii do zasilania systemów aparatury przez nieograniczony czas. Jednocześnie może to być nie tylko reaktor jądrowy, ale także radioizotopowe generatory termoelektryczne. A sens takiej instalacji na rakiecie, której lot nie potrwa dłużej niż kilkadziesiąt minut, nie jest dla mnie jeszcze do końca jasny ”- przyznaje fizyk.

Raport z Manege był spóźniony tylko o kilka tygodni w porównaniu z ogłoszeniem NASA z 15 lutego, że Amerykanie wznawiają badania nad napędem rakietowym, które porzucili pół wieku temu.

Nawiasem mówiąc, już w listopadzie 2017 r. China Aerospace Science and Technology Corporation (CASC) ogłosiła, że przed 2045 r. w Chinach powstanie statek kosmiczny o napędzie atomowym. Dlatego dzisiaj możemy śmiało powiedzieć, że rozpoczął się światowy wyścig o napęd jądrowy.

Rosja była i nadal pozostaje liderem w dziedzinie jądrowej energii kosmicznej. Organizacje takie jak RSC Energia i Roskosmos mają doświadczenie w projektowaniu, budowaniu, uruchamianiu i eksploatacji statków kosmicznych wyposażonych w jądrowe źródło energii. Silnik jądrowy umożliwia eksploatację samolotów przez wiele lat, znacznie zwiększając ich przydatność praktyczną.

kronika historyczna

Jednocześnie dostarczenie aparatury badawczej na orbity odległych planet Układu Słonecznego wymaga zwiększenia zasobów takiej instalacji jądrowej do 5-7 lat. Udowodniono, że kompleks z jądrowym układem napędowym o mocy około 1 MW w ramach badawczego statku kosmicznego pozwoli na przyspieszone dostarczanie sztucznych satelitów najodleglejszych planet, łazików planetarnych na powierzchnię naturalnych satelitów tych planet oraz dostawy gleby z komet, asteroid, Merkurego oraz satelitów Jowisza i Saturna.

Holownik wielokrotnego użytku (MB)

Jednym z najważniejszych sposobów na zwiększenie efektywności operacji transportowych w kosmosie jest wykorzystanie elementów systemu transportowego wielokrotnego użytku. Silnik jądrowy do statków kosmicznych o mocy co najmniej 500 kW umożliwia stworzenie holownika wielokrotnego użytku, a tym samym znaczne zwiększenie wydajności wieloogniwowego systemu transportu kosmicznego. Taki system jest szczególnie przydatny w programie zapewniającym duże roczne przepływy ładunków. Przykładem może być program eksploracji Księżyca z tworzeniem i utrzymywaniem stale rosnącej bazy nadającej się do zamieszkania oraz eksperymentalnych kompleksów technologicznych i przemysłowych.

Obliczanie obrotu towarowego

Według opracowań projektowych RSC Energia podczas budowy bazy na powierzchnię Księżyca powinny zostać dostarczone moduły ważące około 10 ton, na orbitę Księżyca do 30 ton. bazy wynosi 400-500 ton.

Jednak zasada działania silnika jądrowego nie pozwala na wystarczająco szybkie rozproszenie transportera. Ze względu na długi czas transportu, a co za tym idzie, znaczny czas spędzony przez ładunek w pasach radiacyjnych Ziemi, nie wszystkie ładunki mogą być dostarczone za pomocą holowników z silnik jądrowy. Dlatego przepływ ładunków, który można zapewnić na podstawie NEP, szacuje się na zaledwie 100-300 ton/rok.

Wydajność ekonomiczna

Jako kryterium efektywności ekonomicznej systemu transportu międzyorbitalnego wskazane jest przyjęcie wartości kosztu jednostkowego transportu jednostki masy ładunku (PG) z powierzchni Ziemi na orbitę docelową. RSC Energia opracowała model ekonomiczny i matematyczny uwzględniający główne składowe kosztów w systemie transportowym:

do tworzenia i wynoszenia modułów holowniczych na orbitę;
na zakup działającej instalacji jądrowej;
koszty operacyjne, jak również koszty badań i rozwoju oraz ewentualne koszty kapitałowe.

Wskaźniki kosztów zależą od optymalnych parametrów MB. Korzystając z tego modelu, porównanie wydajność ekonomiczna wykorzystanie w programie holownika wielorazowego użytku opartego na jądrowych układach napędowych o mocy ok. 1 MW oraz holownika jednorazowego użytku opartego na zaawansowanych napędach płynnych do zapewnienia dostarczenia z Ziemi ładunku o łącznej masie 100 t/rok na orbitę księżycową o wysokości 100 km. W przypadku wykorzystania tej samej rakiety nośnej o nośności równej nośności rakiety nośnej Proton-M oraz schematu budowy systemu transportowego z dwoma startami, jednostkowy koszt dostarczenia jednostkowej masy ładunku holownikiem w oparciu o silnika jądrowego będzie trzykrotnie mniejsza niż przy użyciu jednorazowych holowników opartych na rakietach z silnikami płynnymi typu DM-3.

Wniosek

Wydajny silnik jądrowy dla przestrzeni kosmicznej przyczynia się do rozwiązania kwestie ochrony środowiska Ziemia, załogowy lot na Marsa, stworzenie systemu transmisja bezprzewodowa energii w kosmosie, wdrożenie zakopywania w kosmosie szczególnie niebezpiecznych odpadów radioaktywnych z naziemnej energii jądrowej, stworzenie nadającej się do zamieszkania bazy księżycowej i rozpoczęcie przemysłowej eksploracji Księżyca oraz ochrona Ziemi przed asteroidą -zagrożenie kometą

Aleksandra Łosiewa

Szybki rozwój technologii rakietowej i kosmicznej w XX wieku wynikało z wojskowo-strategicznych, politycznych i do pewnego stopnia ideologicznych celów i interesów dwóch supermocarstw – ZSRR i USA, a wszystkie państwowe programy kosmiczne były kontynuacją ich projektów militarnych, gdzie głównym zadaniem była potrzeba w celu zapewnienia zdolności obronnych i parytetu strategicznego z potencjalnym przeciwnikiem. Koszt stworzenia sprzętu i koszt eksploatacji nie miał wtedy fundamentalnego znaczenia. Na stworzenie rakiet nośnych i statków kosmicznych przeznaczono ogromne środki, a 108 minut lotu Jurija Gagarina w 1961 roku oraz transmisja telewizyjna Neila Armstronga i Buzza Aldrina z powierzchni Księżyca w 1969 roku to nie tylko triumfy myśli naukowej i technicznej , uznano je również za strategiczne zwycięstwa w bitwach zimnej wojny.

Ale po upadku Związku Radzieckiego i wycofaniu się z wyścigu o światowe przywództwo, jego geopolityczni przeciwnicy, przede wszystkim Stany Zjednoczone, nie musieli już realizować prestiżowych, ale niezwykle kosztownych projektów kosmicznych, aby udowodnić całemu światu wyższość Zachodu. system ekonomiczny i ideologiczne koncepcje.
W latach 90. główne zadania polityczne z przeszłości straciły na aktualności, konfrontację bloków zastąpiła globalizacja, na świecie zapanował pragmatyzm, więc większość programów kosmicznych została okrojona lub przesunięta w czasie, z wielkoskalowych projektów tzw. po. Ponadto zachodnia demokracja zapewniła wszystko, co drogie programy rządowe uzależnione od cykli wyborczych.
Poparcie wyborców potrzebne do zdobycia lub utrzymania władzy sprawia, że politycy, parlamenty i rządy skłaniają się ku populizmowi i rozwiązywaniu doraźnych problemów, przez co z roku na rok zmniejszane są wydatki na eksplorację kosmosu.
Większość fundamentalnych odkryć dokonano w pierwszej połowie XX wieku, a dziś nauka i technika osiągnęły pewne granice, ponadto na całym świecie spadła popularność wiedzy naukowej, a jakość nauczania matematyki, fizyki i inne nauki przyrodnicze uległy pogorszeniu. To było przyczyną stagnacji, w tym w sektorze kosmicznym, ostatnich dwóch dekad.
Ale teraz staje się oczywiste, że świat zbliża się do końca kolejnego cyklu technologicznego opartego na odkryciach ubiegłego stulecia. Dlatego każde mocarstwo, które będzie miało zasadniczo nowe, obiecujące technologie w momencie zmiany globalnego porządku technologicznego, automatycznie zapewni sobie światowe przywództwo na co najmniej następne pięćdziesiąt lat.

Główne urządzenie jądrowego silnika rakietowego z wodorem jako płynem roboczym

Realizuje się to w Stanach Zjednoczonych, gdzie obrano kurs na odrodzenie amerykańskiej wielkości we wszystkich sferach działalności, w Chinach, rzucając wyzwanie amerykańskiej hegemonii, oraz w Unii Europejskiej, która ze wszystkich sił stara się utrzymać swoją wagę w globalnej gospodarki.
Istnieje polityka przemysłowa i są one poważnie zaangażowane w rozwój własnego potencjału naukowego, technicznego i produkcyjnego, a sektor kosmiczny może stać się najlepszym poligonem doświadczalnym do testowania nowych technologii oraz dowodzenia lub obalenia hipotez naukowych, które mogą położyć podwaliny pod tworząc zupełnie inną, bardziej zaawansowaną technologię przyszłości.
I całkiem naturalne jest oczekiwanie, że Stany Zjednoczone będą pierwszym krajem, w którym zostaną wznowione projekty eksploracji kosmosu w celu stworzenia unikalnych innowacyjne technologie zarówno w dziedzinie uzbrojenia, transportu i materiałów konstrukcyjnych, jak iw dziedzinie biomedycyny i telekomunikacji
To prawda, że nawet Stany Zjednoczone nie gwarantują sukcesu na drodze do tworzenia rewolucyjnych technologii. Istnieje duże ryzyko, że utkniemy w ślepym zaułku, ulepszając półwieczne silniki rakietowe na paliwo chemiczne, jak robi to SpaceX Elona Muska, lub budując systemy podtrzymywania życia dalekiego zasięgu, podobne do tych, które już wdrożono na ISS.
Czy Rosja, której stagnacja w sektorze kosmicznym jest z roku na rok coraz bardziej zauważalna, może dokonać przełomu w wyścigu o przyszłą przewagę technologiczną, by pozostać w klubie mocarstw, a nie na liście krajów rozwijających się?
Tak, oczywiście, Rosja może, a ponadto, pomimo chronicznego niedofinansowania przemysłu kosmicznego, dokonano już znaczącego kroku naprzód w dziedzinie energetyki jądrowej i technologii jądrowych silników rakietowych.
Przyszłością astronautyki jest wykorzystanie energii jądrowej. Aby zrozumieć, w jaki sposób technologia jądrowa i przestrzeń kosmiczna są ze sobą powiązane, konieczne jest rozważenie podstawowych zasad napędu odrzutowego.
Tak więc główne typy nowoczesnych silników kosmicznych są tworzone na zasadach energii chemicznej. Są to dopalacze na paliwo stałe i silniki rakietowe na paliwo ciekłe, w swoich komorach spalania składniki paliwa (paliwo i utleniacz) wchodząc w egzotermiczną reakcję fizyczno-chemiczną spalania, tworzą strumień strumieniowy, który wyrzuca tony materii z dyszy silnika co druga. Energia kinetyczna płynu roboczego odrzutowca jest przekształcana w siłę reakcji wystarczającą do napędzania rakiety. Impuls właściwy (stosunek wytwarzanego ciągu do masy zużytego paliwa) takich silników chemicznych zależy od składników paliwa, ciśnienia i temperatury w komorze spalania, a także od masy cząsteczkowej mieszaniny gazowej wyrzucanej przez dysza silnika.
A im wyższa temperatura substancji i ciśnienie w komorze spalania, tym niższe masa cząsteczkowa gazu, tym większy impuls właściwy, a co za tym idzie sprawność silnika. Impuls właściwy to wielkość ruchu i zwyczajowo mierzy się go w metrach na sekundę, podobnie jak prędkość.
W silnikach chemicznych największy impuls właściwy dają mieszanki paliwowe tlenowo-wodorowe i fluorowodorowe (4500–4700 m/s), ale silniki rakietowe zasilane naftą i tlenem, takie jak Sojuz i rakiety „Falcon” Mask, a także silniki na asymetrycznej dimetylohydrazynie (UDMH) z utleniaczem w postaci mieszaniny czterotlenku azotu i kwasu azotowego (radziecki i rosyjski „Proton”, francuski „Arian”, amerykański „Titan”). Ich sprawność jest 1,5 raza niższa niż silników zasilanych wodorem, ale impuls 3000 m/s i moc wystarczają, aby ekonomicznie opłacalne było wystrzeliwanie ton ładunków na orbity bliskie Ziemi.
Ale loty na inne planety wymagają znacznie większego statku kosmicznego niż cokolwiek, co ludzkość stworzyła wcześniej, w tym modułowa ISS. Na statkach tych konieczne jest zapewnienie zarówno długoterminowej autonomicznej egzystencji załóg, jak i pewnego zapasu paliwa oraz żywotności silników głównych i silników do manewrów i korekty orbity, zapewnienie dostarczania astronautów w specjalny moduł lądowania na powierzchnię innej planety i powrót na główny statek transportowy, a następnie powrót ekspedycji na Ziemię.
Zgromadzona wiedza inżynieryjno-techniczna oraz energia chemiczna silników umożliwiają powrót na Księżyc i dotarcie na Marsa, więc jest wysoce prawdopodobne, że w następnej dekadzie ludzkość odwiedzi Czerwoną Planetę.
Jeśli polegać tylko na dostępnych technologiach kosmicznych, to minimalna masa modułu mieszkalnego do załogowego lotu na Marsa lub na satelity Jowisza i Saturna wyniesie około 90 ton, czyli 3 razy więcej niż statki księżycowe z początku lat 70. , co oznacza, że pojazdy nośne do umieszczenia na orbitach referencyjnych w celu dalszego lotu na Marsa będą znacznie lepsze niż Saturn-5 (masa startowa 2965 ton) projektu księżycowego Apollo czy radziecki lotniskowiec Energia (masa startowa 2400 ton). Konieczne będzie stworzenie na orbicie kompleksu międzyplanetarnego o masie do 500 ton. Lot statkiem międzyplanetarnym z chemicznymi silnikami rakietowymi będzie wymagał od 8 miesięcy do 1 roku czasu tylko w jednym kierunku, ponieważ trzeba będzie wykonać manewry grawitacyjne, wykorzystując siłę grawitacji planet do dodatkowego przyspieszenia statku, oraz ogromne zapasy paliwa.
Ale wykorzystując energię chemiczną silników rakietowych, ludzkość nie wyleci poza orbitę Marsa czy Wenus. Potrzebujemy innych prędkości lotu statków kosmicznych i innej potężniejszej energii ruchu.

Projekt nowoczesnego jądrowego silnika rakietowego Princeton Satellite Systems

Do eksploracji głębokiego kosmosu konieczne jest znaczne zwiększenie stosunku ciągu do masy i sprawności silnika rakietowego, co oznacza zwiększenie jego impulsu właściwego i żywotności. A do tego konieczne jest podgrzanie gazu lub substancji płynu roboczego o małej masie atomowej wewnątrz komory silnika do temperatur kilkakrotnie wyższych niż temperatura spalania chemicznego tradycyjnych mieszanek paliwowych, a można to zrobić za pomocą reakcji jądrowej .
Jeżeli zamiast konwencjonalnej komory spalania reaktor jądrowy zostanie umieszczony wewnątrz silnika rakietowego, do którego strefy czynnej doprowadzana jest substancja w postaci ciekłej lub gazowej, to nagrzewając się pod wysokim ciśnieniem do kilku tysięcy stopni, będzie zaczynają być wyrzucane przez kanał dyszy, tworząc ciąg strumienia. Impuls właściwy takiego jądrowego silnika odrzutowego będzie kilkukrotnie większy niż konwencjonalnego, opartego na komponentach chemicznych, co oznacza, że wydajność zarówno samego silnika, jak i całej rakiety nośnej wzrośnie wielokrotnie. W tym przypadku utleniacz do spalania paliwa nie jest wymagany, a lekki wodór gazowy może być użyty jako substancja tworząca ciąg odrzutowy, ale wiemy, że im mniejsza masa cząsteczkowa gazu, tym większy pęd, a to znacznie zmniejszyć masę rakiety o godz najlepsza wydajność moc silnika.
Silnik jądrowy byłby lepszy od konwencjonalnego, ponieważ w strefie reaktora lekki gaz może być podgrzewany do temperatur przekraczających 9 tysięcy stopni Kelwina, a strumień tak przegrzanego gazu da znacznie większy impuls właściwy niż zwykłe silniki chemiczne. dawać. Ale to w teorii.
Niebezpieczeństwo nie polega nawet na tym, że podczas startu rakiety nośnej z taką instalacją jądrową może dojść do radioaktywnego skażenia atmosfery i przestrzeni wokół wyrzutni, głównym problemem jest to, że w wysokich temperaturach sam silnik może stopić się wraz ze statkiem kosmicznym . Rozumieją to projektanci i inżynierowie, którzy od kilkudziesięciu lat starają się znaleźć odpowiednie rozwiązania.
Jądrowe silniki rakietowe (NRE) mają już swoją historię powstania i działania w kosmosie. Pierwszy rozwój silników jądrowych rozpoczął się w połowie lat 50., czyli jeszcze przed załogowym lotem kosmicznym i prawie jednocześnie w ZSRR i USA, a sam pomysł wykorzystania reaktorów jądrowych do ogrzewania substancji roboczej w rakiecie silnik narodził się wraz z pierwszymi reaktorami w połowie lat 40., czyli ponad 70 lat temu.
W naszym kraju fizyk termiczny Witalij Michajłowicz Ievlev stał się inicjatorem powstania NRE. W 1947 roku przedstawił projekt, który był wspierany przez SP Korolow, IV Kurchatov i MV Keldysh. Początkowo planowano użyć takich silników do pocisków manewrujących, a następnie umieścić je na pociskach balistycznych. Wiodące biura projektów obronnych Związku Radzieckiego, a także instytuty badawcze NIITP, CIAM, IAE, VNIINM podjęły się rozwoju.
Radziecki silnik jądrowy RD-0410 został zmontowany w połowie lat 60. przez Woroneskie „Biuro Projektowe Automatyki Chemicznej”, gdzie powstała większość ciekłych silników rakietowych dla technologii kosmicznej.
Jako płyn roboczy w RD-0410 zastosowano wodór, który w postaci płynnej przechodził przez „płaszcz chłodzący”, usuwając nadmiar ciepła ze ścianek dyszy i zapobiegając jej stopieniu, a następnie przedostał się do rdzenia reaktora, gdzie był podgrzewany do 3000K i wyrzucany przez dysze kanałowe, przekształcając się w ten sposób energia cieplna w kinetyczny i tworzący impuls właściwy 9100 m/s.
W USA projekt NRE rozpoczęto w 1952 roku, a pierwszy działający silnik powstał w 1966 roku i otrzymał nazwę NERVA (ang. Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application). W latach 60. i 70. Związek Radziecki i Stany Zjednoczone starały się nie ustępować sobie nawzajem.
Co prawda zarówno nasz RD-0410, jak i amerykańska NERVA były NRE w fazie stałej (paliwo jądrowe na bazie węglików uranu znajdowało się w reaktorze w stanie stałym), a ich temperatura pracy mieściła się w zakresie 2300–3100 K.
Aby podnieść temperaturę rdzenia bez ryzyka wybuchu lub stopienia ścian reaktora, konieczne jest stworzenie warunków do zajścia reakcji jądrowej, w której paliwo (uran) przechodzi w stan gazowy lub zamienia się w plazmę i jest utrzymywany wewnątrz reaktora dzięki silnemu polu magnetycznemu, bez dotykania ścian. A następnie wodór wchodzący do rdzenia reaktora „opływa” uran w fazie gazowej i zamieniając się w plazmę, jest wyrzucany przez kanał dyszy z bardzo dużą prędkością.
Ten typ silnika nazywany jest YRD w fazie gazowej. Temperatura gazowego paliwa uranowego w takich silnikach jądrowych może wynosić od 10 000 do 20 000 stopni Kelvina, a impuls właściwy może osiągnąć 50 000 m/s, czyli 11 razy więcej niż w najbardziej wydajnych chemicznych silnikach rakietowych.
Stworzenie i wykorzystanie w technice kosmicznej gazowych NRE typu otwartego i zamkniętego jest najbardziej obiecującym kierunkiem rozwoju kosmicznych silników rakietowych i dokładnie tym, czego ludzkość potrzebuje do eksploracji planet Układu Słonecznego i ich satelitów.
Pierwsze badania nad projektem NRE w fazie gazowej rozpoczęto w ZSRR w 1957 roku w Instytucie Badań Procesów Cieplnych (Centrum Badawcze M. V. Keldysh), a sama decyzja o budowie jądrowych elektrowni kosmicznych opartych na reaktorach jądrowych w fazie gazowej zapadła w 1963 przez akademika V. P. Głuszko (NPO Energomash), a następnie zatwierdzony uchwałą Komitetu Centralnego KPZR i Rady Ministrów ZSRR.
Rozwój NRE w fazie gazowej był prowadzony w Związku Radzieckim przez dwie dekady, ale niestety nigdy nie został ukończony z powodu niewystarczających funduszy i konieczności dodatkowych badania podstawowe z zakresu termodynamiki paliwa jądrowego i plazmy wodorowej, fizyki neutronów i magnetohydrodynamiki.
Radzieccy naukowcy nuklearni i inżynierowie projektanci stanęli przed szeregiem problemów, takich jak osiągnięcie krytyczności i zapewnienie stabilności działania reaktora jądrowego w fazie gazowej, zmniejszenie strat stopionego uranu podczas uwalniania ogrzanego do kilku tysięcy stopni wodoru, ochrona termiczna dyszy i generatora pola magnetycznego, gromadzenie się produktów rozszczepienia uranu, wybór chemicznie odpornych materiałów konstrukcyjnych itp.
A kiedy zaczęto tworzyć pojazd nośny Energia dla radzieckiego programu Mars-94, pierwszego załogowego lotu na Marsa, projekt silnika jądrowego został odłożony na czas nieokreślony. związek Radziecki zabrakło czasu, a przede wszystkim woli politycznej i sprawności gospodarki, aby przeprowadzić lądowanie naszych astronautów na Marsie w 1994 roku. Byłoby to niekwestionowanym osiągnięciem i dowodem naszej przywództwa w branży wysokie technologie w ciągu kilku następnych dziesięcioleci. Ale przestrzeń, podobnie jak wiele innych rzeczy, została zdradzona przez ostatnie kierownictwo ZSRR. Historii nie można zmienić, zmarłych naukowców i inżynierów nie można zwrócić, a utraconej wiedzy nie można przywrócić. Wiele rzeczy trzeba będzie odtworzyć.
Kosmiczna energetyka jądrowa nie ogranicza się jednak do sfery NRE w fazie stałej i gazowej. Aby wytworzyć ogrzany przepływ materii w silniku odrzutowym, można użyć energii elektrycznej. Pomysł ten został po raz pierwszy wyrażony przez Konstantina Eduardowicza Ciołkowskiego w 1903 roku w jego pracy „Badanie przestrzeni światowych za pomocą instrumentów reaktywnych”.
A pierwszy elektrotermiczny silnik rakietowy w ZSRR został stworzony w latach trzydziestych XX wieku przez Valentina Pietrowicza Głuszko, przyszłego akademika Akademii Nauk ZSRR i szefa NPO Energia.
Zasady działania elektrycznych silników rakietowych mogą być różne. Zazwyczaj dzieli się je na cztery typy:

elektrotermiczne (ogrzewanie lub łuk elektryczny). W nich gaz jest podgrzewany do temperatury 1000–5000 K i jest wyrzucany z dyszy w taki sam sposób, jak w NRE.
silniki elektrostatyczne (koloidalne i jonowe), w których substancja robocza jest najpierw jonizowana, a następnie jony dodatnie (atomy pozbawione elektronów) są przyspieszane w polu elektrostatycznym i również są wyrzucane przez kanał dyszy, tworząc ciąg strumienia. Stacjonarne silniki plazmowe również należą do silników elektrostatycznych.
magnetoplazma i magnetodynamiczne silniki rakietowe. Tam gazowa plazma jest przyspieszana przez siłę Ampère'a w prostopadle przecinających się polach magnetycznym i elektrycznym.
impulsowe silniki rakietowe, które wykorzystują energię gazów powstających w wyniku odparowania płynu roboczego w wyładowaniu elektrycznym.

Zaletą tych elektrycznych silników rakietowych jest niskie zużycie płynu roboczego, sprawność do 60%. wysoka prędkość strumień cząstek, który może znacznie zmniejszyć masę statku kosmicznego, ale jest też minus - niska gęstość ciągu, a zatem niska moc, a także wysoki koszt płynu roboczego (gazy obojętne lub opary metali alkalicznych) do tworzenia plazmy.
Wszystkie wymienione typy silników elektrycznych zostały wdrożone w praktyce i były wielokrotnie używane w kosmosie zarówno w pojazdach radzieckich, jak i amerykańskich od połowy lat 60. XX wieku, ale ze względu na małą moc były używane głównie jako silniki do korekcji orbity.
W latach 1968-1988 ZSRR wystrzelił całą serię satelitów Kosmos z instalacjami jądrowymi na pokładzie. Typy reaktorów nazwano: „Buk”, „Topaz” i „Jenisej”.
Reaktor projektu Jenisej miał moc cieplną do 135 kW i moc elektryczną około 5 kW. Nośnikiem ciepła był stop sodowo-potasowy. Projekt ten został zamknięty w 1996 roku.
Prawdziwy podtrzymujący silnik rakietowy wymaga bardzo mocnego źródła energii. A najlepszym źródłem energii dla takich silników kosmicznych jest reaktor jądrowy.
Energetyka jądrowa jest jedną z gałęzi przemysłu high-tech, w której nasz kraj utrzymuje wiodącą pozycję. W Rosji powstaje już zasadniczo nowy silnik rakietowy, a projekt ten jest bliski pomyślnego zakończenia w 2018 roku. Testy w locie zaplanowano na 2020 rok.
A jeśli NRE w fazie gazowej jest tematem przyszłych dziesięcioleci, do którego będziemy musieli wrócić po badaniach podstawowych, to jego obecną alternatywą jest elektrownia jądrowa klasy megawatów (NPP), a została ona już stworzona przez Rosatom i Przedsiębiorstwa Roscosmos od 2009 roku.
NPO Krasnaya Zvezda, która jest obecnie jedynym deweloperem i producentem kosmicznych elektrowni jądrowych na świecie, a także Centrum Badawcze imienia N.I. M. V. Keldysz, NIKIET im. N. A. Dollezhala, Instytut Badawczy NPO Luch, Instytut Kurczatowa, IRM, IPPE, NIIAR i NPO Mashinostroeniya.
Elektrownia jądrowa obejmuje wysokotemperaturowy chłodzony gazem reaktor jądrowy na neutronach prędkich z maszyną wirnikową przetwarzającą energię cieplną na energię elektryczną, układ chłodziarko-emiterów do odprowadzania nadmiaru ciepła w przestrzeń, przedział aparaturowo-montażowy, blok maszerujące plazmowe lub jonowe silniki elektryczne oraz pojemnik do umieszczenia ładunku.
W elektrowni reaktor jądrowy służy jako źródło energii elektrycznej do działania elektrycznego silniki plazmowe, natomiast chłodziwo gazowe reaktora, przechodząc przez rdzeń, wchodzi do turbiny generatora elektrycznego i sprężarki i wraca do reaktora w obiegu zamkniętym, a nie jest wyrzucane w przestrzeń jak w NRE, co czyni konstrukcję bardziej niezawodny i bezpieczny, a zatem odpowiedni dla astronautyki załogowej.
Planuje się, że elektrownia jądrowa będzie wykorzystywana jako holownik kosmiczny wielokrotnego użytku, który zapewni dostawę ładunku podczas eksploracji Księżyca lub tworzenia wielofunkcyjnych kompleksów orbitalnych. Zaletą będzie nie tylko wielokrotne wykorzystanie elementów systemu transportowego (co Elon Musk stara się osiągnąć w swoich kosmicznych projektach SpaceX), ale także możliwość dostarczenia trzykrotnie większej masy ładunku niż na rakietach z chemicznymi silnikami odrzutowymi o porównywalną moc poprzez zmniejszenie masy startowej systemu transportowego. Specjalna konstrukcja urządzenia sprawia, że jest ono bezpieczne dla ludzi i środowisko na ziemi.
W 2014 roku w OJSC Mashinostroitelny Zavod w Elektrostal zmontowano pierwszy standardowy element paliwowy (element paliwowy) dla tej elektrowni jądrowej, aw 2016 roku przetestowano symulator kosza rdzenia reaktora.
Obecnie (w 2017 r.) trwają prace nad wykonaniem elementów konstrukcyjnych instalacji oraz testowaniem podzespołów i zespołów na makietach, a także autonomicznymi testami układów przetwarzania energii maszyn wirnikowych i prototypów jednostek napędowych. Zakończenie prac planowane jest na koniec przyszłego 2018 roku, jednak od 2015 roku zaczęły narastać zaległości z harmonogramu.
Tak więc, gdy tylko ta instalacja powstanie, Rosja stanie się pierwszym krajem na świecie, który będzie posiadał jądrowe technologie kosmiczne, które będą stanowić podstawę nie tylko przyszłych projektów rozwoju układu słonecznego, ale także energii ziemskiej i pozaziemskiej. Kosmiczne elektrownie jądrowe mogą służyć do tworzenia systemów zdalnego przesyłu energii elektrycznej na Ziemię lub do modułów kosmicznych wykorzystujących promieniowanie elektromagnetyczne. I to też stanie się zaawansowaną technologią przyszłości, w której nasz kraj będzie miał wiodącą pozycję.
Na bazie opracowanych silników plazmowych powstaną potężne układy napędowe do dalekich lotów kosmicznych ludzi, a przede wszystkim do eksploracji Marsa, na którego orbitę można dotrzeć w zaledwie 1,5 miesiąca, a nie dłużej niż pół roku. rok, jak w przypadku konwencjonalnych chemicznych silników odrzutowych.
A przyszłość zawsze zaczyna się od rewolucji w energetyce. I nic więcej. Energia jest pierwotna i to właśnie wielkość zużycia energii wpływa na postęp techniczny, zdolności obronne i jakość życia ludzi.

Eksperymentalny silnik rakietowy NASA

Radziecki astrofizyk Nikołaj Kardaszew zaproponował skalę rozwoju cywilizacji już w 1964 roku. Według tej skali poziom rozwoju technologicznego cywilizacji zależy od ilości energii, jaką ludność planety zużywa na swoje potrzeby. Tak więc cywilizacja typu I wykorzystuje wszystkie dostępne zasoby dostępne na planecie; cywilizacja typu II - otrzymuje energię swojej gwiazdy, w układzie której się znajduje; a cywilizacja typu III wykorzystuje dostępną energię swojej galaktyki. Ludzkość nie dorosła jeszcze do cywilizacji typu I na taką skalę. Wykorzystujemy tylko 0,16% całkowitego potencjalnego źródła energii planety Ziemia. Oznacza to, że Rosja i cały świat mają przestrzeń do rozwoju, a te technologie jądrowe otworzą przed naszym krajem drogę nie tylko w kosmos, ale także w przyszły dobrobyt gospodarczy.
I być może jedyną opcją dla Rosji w sferze naukowo-technicznej jest teraz dokonanie rewolucyjnego przełomu w nuklearnych technologiach kosmicznych, aby jednym „skokiem” pokonać wiele lat za liderami i natychmiast znaleźć się u początków nowego rewolucja technologiczna w kolejnym cyklu rozwoju cywilizacji ludzkiej. Taka wyjątkowa szansa przypada temu czy innemu krajowi tylko raz na kilka stuleci.
Niestety Rosja, która przez ostatnie 25 lat nie przywiązywała należytej wagi do nauk podstawowych i jakości szkolnictwa wyższego i średniego, ryzykuje utratę tej szansy na zawsze, jeśli program zostanie ograniczony, a dotychczasowi naukowcy i inżynierowie nie zostaną zastąpieni przez nowe pokolenie badaczy. Wyzwania geopolityczne i technologiczne, przed którymi stanie Rosja za 10-12 lat, będą bardzo poważne, porównywalne z zagrożeniami połowy XX wieku. Aby zachować suwerenność i integralność Rosji w przyszłości, należy pilnie rozpocząć szkolenie specjalistów zdolnych odpowiedzieć na te wyzwania i stworzyć coś zasadniczo nowego już teraz.
Jest tylko około 10 lat, aby uczynić z Rosji światowe centrum intelektualne i technologiczne, a tego nie da się zrobić bez poważnej zmiany jakości edukacji. Dla przełomu naukowego i technologicznego konieczny jest powrót do systemu edukacji (zarówno szkolnej, jak i uniwersyteckiej) usystematyzowanego obrazu świata, fundamentalności naukowej i integralności ideologicznej.
Jak na obecną stagnację w branży kosmicznej, to nie jest straszna. Fizyczne zasady, na których opierają się nowoczesne technologie kosmiczne, będą jeszcze przez długi czas poszukiwane w sektorze konwencjonalnych usług satelitarnych. Przypomnijmy, że ludzkość posługuje się żaglami od 5,5 tysiąca lat, a era pary trwała prawie 200 lat i dopiero w XX wieku świat zaczął się gwałtownie zmieniać, gdyż nastąpiła kolejna rewolucja naukowo-techniczna, która zapoczątkowała falę innowacji oraz zmiana wzorców technologicznych, które ostatecznie zmieniły i Ekonomia swiata i polityka. Najważniejsze jest, aby być u źródła tych zmian. [e-mail chroniony] ,
strona internetowa: https://delpress.ru/information-for-subscribers.html

subskrybować wersja elektroniczna magazyn „Arsenał Ojczyzny” można znaleźć pod linkiem.
Roczny koszt subskrypcji -
12 000 rub.

Siergiejew Aleksiej, protokół ustaleń klasy 9 „A” „Liceum nr 84”

Konsultant naukowy: Zastępca Dyrektora partnerstwa non-profit ds. działalności naukowej i innowacyjnej „Tomskie Centrum Atomowe”

Opiekun: , nauczyciel fizyki, MOU „Liceum nr 84” ZATO Seversk

Wstęp

Systemy napędowe na pokładzie statku kosmicznego są zaprojektowane do generowania ciągu lub pędu. Ze względu na rodzaj ciągu wykorzystywanego przez układ napędowy dzieli się je na chemiczne (CRD) i niechemiczne (NCRD). HRD dzielą się na płynne (LRE), na paliwa stałe (RDTT) i kombinowane (KRD). Z kolei niechemiczne układy napędowe dzielą się na jądrowe (NRE) i elektryczne (EP). Wielki naukowiec Konstantin Eduardowicz Ciołkowski sto lat temu stworzył pierwszy model układu napędowego, który działał na paliwach stałych i płynnych. Potem, w drugiej połowie XX wieku, wykonano tysiące lotów z wykorzystaniem głównie silników rakietowych LRE i na paliwo stałe.

Jednak obecnie do lotów na inne planety, nie wspominając o gwiazdach, stosowanie silników rakietowych na paliwo ciekłe i silników rakietowych na paliwo stałe staje się coraz bardziej nieopłacalne, chociaż opracowano wiele silników rakietowych. Najprawdopodobniej możliwości LRE i silników rakietowych na paliwo stałe wyczerpały się całkowicie. Dzieje się tak dlatego, że impuls właściwy wszystkich chemicznych silników rakietowych jest niski i nie przekracza 5000 m/s, co wymaga długotrwałej pracy układu napędowego i odpowiednio dużych zapasów paliwa do rozwinięcia odpowiednio dużych prędkości lub, jak to jest w zwyczaju w astronautyce, duże wartości liczby Ciołkowskiego, tj. stosunek masy rakiety z paliwem do masy pustej. Tak więc RN Energia, która umieszcza 100 ton ładunku na niskiej orbicie, ma masę startową około 3000 ton, co daje liczbie Ciołkowskiego wartość rzędu 30.

Dla przykładu lotu na Marsa liczba Ciołkowskiego powinna być jeszcze wyższa, osiągając wartości od 30 do 50. Łatwo oszacować, że przy ładowności około 1000 ton, czyli minimalnej masie wymaganej do zapewnienia wszystkiego, co niezbędne dla załogi startującej na Marsa z uwzględnieniem zapasu paliwa na lot powrotny na Ziemię początkowa masa statku kosmicznego musi wynosić co najmniej 30 000 ton, co wyraźnie wykracza poza poziom rozwoju współczesnej astronautyki opartej na wykorzystaniu cieczy silniki rakietowe na paliwo stałe i silniki rakietowe na paliwo stałe.

Aby więc załogi załogowe mogły dotrzeć nawet do najbliższych planet, konieczne jest opracowanie rakiet nośnych na silnikach działających na innych zasadach niż napęd chemiczny. Najbardziej obiecujące pod tym względem są elektryczne silniki odrzutowe (EP), termochemiczne silniki rakietowe oraz jądrowe silniki odrzutowe (NJ).

1.Podstawowe pojęcia

Silnik rakietowy to silnik odrzutowy, który do działania nie wykorzystuje środowiska (powietrza, wody). Najszerzej stosowane chemiczne silniki rakietowe. Opracowywane i testowane są inne typy silników rakietowych - elektryczne, jądrowe i inne. Na stacjach kosmicznych i pojazdach szeroko stosowane są również najprostsze silniki rakietowe działające na sprężone gazy. Zwykle używają azotu jako płynu roboczego. /jeden/

Klasyfikacja układów napędowych

2. Przeznaczenie silników rakietowych

Zgodnie z ich przeznaczeniem silniki rakietowe dzielą się na kilka głównych typów: przyspieszanie (rozruch), hamowanie, podtrzymywanie, sterowanie i inne. Silniki rakietowe są używane głównie w rakietach (stąd nazwa). Ponadto silniki rakietowe są czasami używane w lotnictwie. Silniki rakietowe są głównymi silnikami w astronautyce.

Pociski wojskowe (bojowe) mają zwykle silniki na paliwo stałe. Wynika to z faktu, że taki silnik jest tankowany fabrycznie i nie wymaga obsługi przez cały okres przechowywania i obsługi samej rakiety. Silniki na paliwo stałe są często używane jako dopalacze rakiet kosmicznych. Szczególnie szeroko, w tym charakterze, są używane w USA, Francji, Japonii i Chinach.

Silniki rakietowe na paliwo ciekłe mają wyższą charakterystykę ciągu niż silniki na paliwo stałe. Dlatego są wykorzystywane do wystrzeliwania rakiet kosmicznych na orbitę wokół Ziemi oraz w lotach międzyplanetarnych. Głównymi ciekłymi propelentami do rakiet są nafta, heptan (dimetylohydrazyna) i ciekły wodór. Do takich paliw wymagany jest środek utleniający (tlen). Kwas azotowy i skroplony tlen są stosowane jako utleniacze w takich silnikach. Kwas azotowy jest gorszy od skroplonego tlenu pod względem właściwości utleniających, ale nie wymaga utrzymywania specjalnego reżimu temperaturowego podczas przechowywania, tankowania i użytkowania rakiet

Silniki do lotów kosmicznych różnią się od ziemskich tym, że przy jak najmniejszej masie i objętości muszą wytwarzać jak najwięcej mocy. Ponadto stawiane są takim wymaganiom jak wyjątkowo wysoka sprawność i niezawodność, znaczny czas pracy. W zależności od rodzaju wykorzystywanej energii układy napędowe statków kosmicznych dzielą się na cztery typy: termochemiczny, jądrowy, elektryczny, solarno-żaglowy. Każdy z tych typów ma swoje zalety i wady i może być stosowany w określonych warunkach.

Obecnie statki kosmiczne, stacje orbitalne i bezzałogowe satelity Ziemi są wystrzeliwane w kosmos przez rakiety wyposażone w potężne silniki termochemiczne. Istnieją również miniaturowe silniki o niskim ciągu. To pomniejszona kopia mocnych silników. Niektóre z nich mieszczą się w dłoni. Siła ciągu takich silników jest bardzo mała, ale wystarczająca do kontrolowania pozycji statku w przestrzeni.

3. Termochemiczne silniki rakietowe.

Wiadomo, że silnik wewnętrzne spalanie, piec kotła parowego - wszędzie tam, gdzie zachodzi spalanie, tlen atmosferyczny odgrywa najbardziej aktywną rolę. W kosmosie nie ma powietrza, a do działania silników rakietowych w kosmosie potrzebne są dwa składniki – paliwo i utleniacz.

W płynnych termochemicznych silnikach rakietowych jako paliwo stosuje się alkohol, naftę, benzynę, anilinę, hydrazynę, dimetylohydrazynę, ciekły wodór. Ciekły tlen, nadtlenek wodoru, kwas azotowy są stosowane jako środek utleniający. Niewykluczone, że ciekły fluor będzie używany jako środek utleniający w przyszłości, gdy wynalezione zostaną metody przechowywania i wykorzystania takiej aktywnej substancji chemicznej.

Paliwo i utleniacz do silników odrzutowych na paliwo ciekłe są przechowywane oddzielnie, w specjalnych zbiornikach i pompowane do komory spalania. Kiedy są one połączone w komorze spalania, rozwija się temperatura do 3000 - 4500 ° C.

Produkty spalania, rozszerzając się, nabierają prędkości od 2500 do 4500 m/s. Zaczynając od obudowy silnika, wytwarzają ciąg odrzutowy. Jednocześnie im większa masa i prędkość wypływu gazów, tym większa siła ciągu silnika.

Zwyczajowo szacuje się właściwy ciąg silników na podstawie wielkości ciągu wytwarzanego przez jednostkę masy paliwa spalonego w ciągu jednej sekundy. Wartość ta nazywana jest impulsem właściwym silnika rakietowego i jest mierzona w sekundach (kg ciągu / kg spalonego paliwa na sekundę). Najlepsze silniki rakietowe na paliwo stałe mają impuls właściwy do 190 s, czyli spalanie 1 kg paliwa w ciągu jednej sekundy tworzy ciąg o wartości 190 kg. Wodorowo-tlenowy silnik rakietowy ma impuls właściwy 350 s. Teoretycznie silnik wodorowo-fluorowy może wytworzyć impuls właściwy o czasie dłuższym niż 400 s.

Powszechnie stosowany schemat silnika rakietowego na paliwo ciekłe działa w następujący sposób. Sprężony gaz wytwarza niezbędne ciśnienie w zbiornikach z paliwem kriogenicznym, aby zapobiec powstawaniu pęcherzyków gazu w rurociągach. Pompy dostarczają paliwo do silników rakietowych. Paliwo jest wtryskiwane do komory spalania przez dużą liczbę wtryskiwaczy. Również środek utleniający jest wtryskiwany do komory spalania przez dysze.

W każdym samochodzie podczas spalania paliwa powstają duże strumienie ciepła, które ogrzewają ściany silnika. Jeśli nie ochłodzisz ścian komory, szybko się wypali, bez względu na materiał, z którego jest wykonana. Silnik odrzutowy na paliwo ciekłe jest zwykle chłodzony jednym ze składników paliwa. W tym celu komora jest dwuścienna. Zimny składnik paliwa przepływa w szczelinie między ściankami.

Aluminium" href="/text/category/aluminij/" rel="bookmark">aluminium itp. Szczególnie jako dodatek do paliw konwencjonalnych, takich jak wodór-tlen. Takie "potrójne składy" są w stanie zapewnić najwyższą możliwą prędkość dla wypływu paliw chemicznych - do 5 km / s. Ale to praktycznie granica zasobów chemii. Więcej praktycznie nie może. Mimo że w proponowanym opisie nadal dominują silniki rakietowe na paliwo ciekłe, trzeba powiedzieć, że pierwszy w historii ludzkości powstał termochemiczny silnik rakietowy na paliwo stałe - Silnik rakietowy na paliwo stałe. Paliwo - na przykład specjalny proch strzelniczy - znajduje się bezpośrednio w komorze spalania. Komora spalania z dyszą strumieniową wypełniona paliwem stałym - to cała konstrukcja.Sposób spalania paliwa stałego zależy od przeznaczenia silnika rakietowego na paliwo stałe (rozruchowy, marszowy lub kombinowany).W przypadku rakiet na paliwo stałe stosowanych w sprawach wojskowych charakteryzuje się obecnością silników rozruchowych i podtrzymujących. nowy Krótki czas, który jest niezbędny, aby rakieta opuściła wyrzutnię i jej początkowe przyspieszenie. Maszerujący silnik rakietowy na paliwo stałe jest przeznaczony do utrzymywania stałej prędkości lotu rakiety na głównym (przelotowym) odcinku toru lotu. Różnice między nimi dotyczą głównie konstrukcji komory spalania oraz profilu powierzchni spalania wsadu paliwa, które decydują o szybkości spalania paliwa, od której zależy czas pracy i ciąg silnika. W przeciwieństwie do takich rakiet, kosmiczne pojazdy nośne do wystrzeliwania satelitów Ziemi, stacje orbitalne i statki kosmiczne, a także stacje międzyplanetarne działają tylko w trybie startowym od wystrzelenia rakiety do wystrzelenia obiektu na orbitę wokół Ziemi lub na trajektorię międzyplanetarną. Ogólnie rzecz biorąc, silniki rakietowe na paliwo stałe nie mają wielu zalet w stosunku do silników na paliwo ciekłe: są łatwe w produkcji, mogą być długo przechowywane, zawsze gotowe do działania i stosunkowo przeciwwybuchowe. Ale pod względem ciągu właściwego silniki na paliwo stałe są o 10-30% gorsze od silników na paliwo ciekłe.

4. Elektryczne silniki rakietowe

Prawie wszystkie omówione powyżej silniki rakietowe rozwijają ogromny ciąg i są przeznaczone do umieszczania statków kosmicznych na orbicie wokół Ziemi i przyspieszania ich do prędkości kosmicznych dla lotów międzyplanetarnych. To zupełnie inna sprawa - układy napędowe statków kosmicznych już wystrzelonych na orbitę lub na trajektorię międzyplanetarną. Tutaj z reguły potrzebne są silniki małej mocy (kilka kilowatów lub nawet watów), które mogą pracować setki i tysiące godzin i wielokrotnie się włączać i wyłączać. Pozwalają utrzymać lot na orbicie lub wzdłuż określonej trajektorii, kompensując opór lotu, jaki stawia górna atmosfera i wiatr słoneczny. W elektrycznych silnikach rakietowych płyn roboczy jest przyspieszany do określonej prędkości poprzez ogrzewanie go energią elektryczną. Energia elektryczna pochodzi z paneli słonecznych lub elektrowni jądrowej. Sposoby podgrzewania płynu roboczego są różne, ale w rzeczywistości stosuje się głównie łuk elektryczny. Okazał się bardzo niezawodny i wytrzymuje dużą liczbę inkluzji. Wodór jest stosowany jako płyn roboczy w elektrycznych silnikach łukowych. Za pomocą łuku elektrycznego wodór jest podgrzewany do bardzo wysokiej temperatury i zamienia się w plazmę - elektrycznie obojętną mieszaninę dodatnich jonów i elektronów. Prędkość wypływu plazmy z silnika osiąga 20 km/s. Kiedy naukowcy rozwiążą problem magnetycznej izolacji plazmy od ścian komory silnika, wówczas możliwe będzie znaczne podniesienie temperatury plazmy i doprowadzenie prędkości wypływu do 100 km/s. Pierwszy elektryczny silnik rakietowy został opracowany w Związku Radzieckim w latach. pod kierownictwem (później został twórcą silników do radzieckich rakiet kosmicznych i akademikiem) w słynnym laboratorium dynamiki gazowej (GDL). / 10 /

5.Inne rodzaje silników

Istnieją również bardziej egzotyczne projekty jądrowych silników rakietowych, w których materiał rozszczepialny występuje w stanie ciekłym, gazowym lub nawet plazmowym, jednak realizacja takich projektów przy obecnym poziomie techniki i technologii jest nierealna. Na etapie teoretycznym lub laboratoryjnym znajdują się następujące projekty silników rakietowych

Impulsowe jądrowe silniki rakietowe wykorzystujące energię wybuchów małych ładunków jądrowych;

Termojądrowe silniki rakietowe, które mogą wykorzystywać izotop wodoru jako paliwo. Wydajność energetyczna wodoru w takiej reakcji wynosi 6,8*1011 kJ/kg, czyli około dwa rzędy wielkości więcej niż wydajność reakcji rozszczepienia jądrowego;

Silniki żagli słonecznych - które wykorzystują ciśnienie światła słonecznego (wiatru słonecznego), których istnienie eksperymentalnie udowodnił rosyjski fizyk już w 1899 roku. Na podstawie obliczeń naukowcy ustalili, że ważące 1 tonę urządzenie, wyposażone w żagiel o średnicy 500 m, może przelecieć z Ziemi na Marsa w około 300 dni. Jednak wydajność żagla słonecznego gwałtownie spada wraz z odległością od Słońca.

6. Jądrowe silniki rakietowe

Jedną z głównych wad silników rakietowych na paliwo ciekłe jest ograniczona prędkość wypływu gazów. W jądrowych silnikach rakietowych wydaje się możliwe wykorzystanie kolosalnej energii uwalnianej podczas rozkładu „paliwa” jądrowego do ogrzewania substancji roboczej. Zasada działania jądrowych silników rakietowych jest prawie taka sama jak zasada działania silników termochemicznych. Różnica polega na tym, że płyn roboczy jest podgrzewany nie dzięki własnej energii chemicznej, ale dzięki energii „obcej” uwalnianej podczas reakcji wewnątrzjądrowej. Płyn roboczy przepływa przez reaktor jądrowy, w którym zachodzi reakcja rozszczepienia jąder atomowych (np. uranu) i jednocześnie się nagrzewa. Jądrowe silniki rakietowe eliminują potrzebę stosowania utleniacza i dlatego można użyć tylko jednej cieczy. Jako płyn roboczy zaleca się stosowanie substancji, które pozwalają silnikowi rozwinąć dużą siłę trakcyjną. Najpełniej ten warunek spełnia wodór, następnie amoniak, hydrazyna i woda. Procesy, w których uwalniana jest energia jądrowa, dzielą się na przemiany promieniotwórcze, reakcje rozszczepienia jąder ciężkich i reakcje syntezy jąder lekkich. Przemiany radioizotopowe realizowane są w tzw. izotopowych źródłach energii. Właściwa energia masowa (energia, jaką może uwolnić substancja ważąca 1 kg) sztucznych izotopów promieniotwórczych jest znacznie wyższa niż paliw chemicznych. Tak więc dla 210Ро wynosi ona 5*10 8 KJ/kg, podczas gdy dla najbardziej wydajnego energetycznie paliwa chemicznego (beryl z tlenem) wartość ta nie przekracza 3*10 4 KJ/kg. Niestety, nie jest jeszcze racjonalne stosowanie takich silników w kosmicznych pojazdach nośnych. Powodem tego jest wysoki koszt substancji izotopowej i trudność eksploatacji. Wszakże izotop nieustannie uwalnia energię, nawet gdy jest przewożony w specjalnym pojemniku i gdy rakieta jest zaparkowana na starcie. Reaktory jądrowe wykorzystują bardziej wydajne energetycznie paliwo. Zatem właściwa energia masowa 235U (rozszczepialnego izotopu uranu) wynosi 6,75 * 10 9 kJ / kg, czyli w przybliżeniu o rząd wielkości wyższa niż izotopu 210Ро. Silniki te można „włączać” i „wyłączać”, paliwo jądrowe (233U, 235U, 238U, 239Pu) jest znacznie tańsze niż izotop. W takich silnikach jako płyn roboczy można stosować nie tylko wodę, ale także bardziej wydajne substancje robocze - alkohol, amoniak, ciekły wodór. Ciąg właściwy silnika na ciekły wodór wynosi 900 s. W najprostszym schemacie jądrowego silnika rakietowego z reaktorem zasilanym stałym paliwem jądrowym płyn roboczy umieszcza się w zbiorniku. Pompa dostarcza go do komory silnika. Rozpylany za pomocą dysz płyn roboczy wchodzi w kontakt z wytwarzającym ciepło paliwem jądrowym, nagrzewa się, rozszerza i jest wyrzucany na zewnątrz przez dyszę z dużą prędkością. Paliwo jądrowe pod względem rezerw energii przewyższa każdy inny rodzaj paliwa. Rodzi się wtedy naturalne pytanie - dlaczego instalacje na to paliwo wciąż mają stosunkowo mały ciąg właściwy i dużą masę? Faktem jest, że ciąg właściwy jądrowego silnika rakietowego na fazie stałej jest ograniczony temperaturą materiału rozszczepialnego, a elektrownia podczas pracy emituje silne promieniowanie jonizujące, które ma szkodliwy wpływ na organizmy żywe. Ochrona biologiczna przed takim promieniowaniem ma ogromne znaczenie i nie ma zastosowania w kosmosie samolot. Praktyczny rozwój jądrowych silników rakietowych na stałe paliwo jądrowe rozpoczął się w połowie lat pięćdziesiątych XX wieku w Związku Radzieckim i Stanach Zjednoczonych, niemal równocześnie z budową pierwszych elektrowni jądrowych. Prace prowadzono w atmosferze dużej tajemnicy, ale wiadomo, że takie silniki rakietowe nie znalazły jeszcze realnego zastosowania w astronautyce. Dotychczas wszystko ograniczało się do wykorzystania izotopowych źródeł energii elektrycznej o stosunkowo małej mocy na bezzałogowych sztucznych satelitach Ziemi, międzyplanetarnych statkach kosmicznych i słynnym na cały świat radzieckim „łaziku księżycowym”.

7. Jądrowe silniki odrzutowe, zasada działania, metody uzyskiwania impulsu w jądrowym silniku rakietowym.

NRE ma swoją nazwę ze względu na fakt, że wytwarzają ciąg dzięki wykorzystaniu energii jądrowej, czyli energii uwalnianej w wyniku reakcji jądrowych. W ogólnym sensie reakcje te oznaczają wszelkie zmiany stanu energetycznego jąder atomowych, a także przemiany jednych jąder w inne, związane z przegrupowaniem struktury jąder lub zmianą liczby zawartych w nich cząstek elementarnych - nukleony. Co więcej, reakcje jądrowe, jak wiadomo, mogą zachodzić spontanicznie (tj. spontanicznie) lub sztucznie indukowane, na przykład, gdy jedne jądra są bombardowane przez inne (lub przez cząstki elementarne). Reakcje jądrowe rozszczepienia i syntezy jądrowej pod względem energii przewyższają reakcje chemiczne odpowiednio miliony i dziesiątki milionów razy. Wyjaśnia to fakt, że energia wiązania chemicznego atomów w cząsteczkach jest wielokrotnie mniejsza niż energia wiązania jądrowego nukleonów w jądrze. Energię jądrową w silnikach rakietowych można wykorzystać na dwa sposoby:

1. Uwolniona energia jest wykorzystywana do podgrzewania płynu roboczego, który następnie rozpręża się w dyszy, podobnie jak w konwencjonalnym silniku rakietowym.

2. Energia jądrowa jest przekształcana w energię elektryczną, a następnie wykorzystywana do jonizacji i przyspieszania cząstek płynu roboczego.

3. Wreszcie impuls jest tworzony przez same produkty rozszczepienia, powstające w procesie DIV_ADBLOCK265">

Analogicznie do LRE, oryginalny płyn roboczy NRE przechowywany jest w stanie ciekłym w zbiorniku układu napędowego i jest dostarczany za pomocą turbopompy. Gaz do obracania tej jednostki, składającej się z turbiny i pompy, może być wytwarzany w samym reaktorze.

Schemat takiego układu napędowego pokazano na rysunku.

Istnieje wiele NRE z reaktorem rozszczepialnym:

faza stała

faza gazowa

NRE z reaktorem termojądrowym

Pulse YARD i inni

Spośród wszystkich możliwych typów NRE najbardziej rozwinięte są termiczny silnik radioizotopowy oraz silnik z reaktorem rozszczepialnym w fazie stałej. Jeśli jednak charakterystyka radioizotopowych NRE nie pozwala mieć nadziei na ich szerokie zastosowanie w astronautyce (przynajmniej w niedalekiej przyszłości), to stworzenie NRE w fazie stałej otwiera przed astronautyką wielkie perspektywy. Typowy NRE tego typu zawiera reaktor fazy stałej w postaci walca o wysokości i średnicy około 1–2 m (przy zbliżonych parametrach wyciek neutronów rozszczepienia do otaczającej przestrzeni jest minimalny).

Reaktor składa się ze strefy aktywnej; reflektor otaczający tę strefę; organy zarządzające; obudowa zasilacza i inne elementy. Rdzeń zawiera paliwo jądrowe - materiał rozszczepialny (wzbogacony uran), zamknięty w elementach paliwowych oraz moderator lub rozcieńczalnik. Reaktor pokazany na rysunku jest jednorodny - w nim moderator jest częścią elementów paliwowych, jest jednorodnie wymieszany z paliwem. Moderator można również umieścić oddzielnie od paliwa jądrowego. W tym przypadku reaktor nazywa się heterogenicznym. Rozcieńczalniki (mogą to być np. metale ogniotrwałe- wolfram, molibden) służą do nadawania specjalnych właściwości substancjom rozszczepialnym.

W elementach paliwowych reaktora fazy stałej przebite są kanały, przez które przepływa stopniowo nagrzewający się płyn roboczy NRE. Kanały mają średnicę około 1-3 mm, a ich łączna powierzchnia stanowi 20-30% przekroju poprzecznego rdzenia. Rdzeń jest zawieszony na specjalnej siatce wewnątrz obudowy zasilacza, dzięki czemu może rozszerzać się podczas ogrzewania reaktora (w przeciwnym razie zapadłby się pod wpływem naprężeń termicznych).

Rdzeń podlega dużym obciążeniom mechanicznym związanym z działaniem znacznych spadków ciśnienia hydraulicznego (do kilkudziesięciu atmosfer) od przepływającego płynu roboczego, naprężeń termicznych i drgań. Przyrost rozmiaru rdzenia podczas ogrzewania reaktora sięga kilku centymetrów. Strefa aktywna i reflektor są umieszczone wewnątrz obudowy o dużej mocy, która odbiera ciśnienie płynu roboczego i ciąg wytwarzany przez dyszę strumieniową. Etui zamykane jest mocną obudową. Mieści pneumatyczne, sprężynowe lub elektryczne mechanizmy do napędzania organów regulacyjnych, punkty mocowania NRE do statku kosmicznego, kołnierze do połączenia NRE z rurociągami zasilającymi płyn roboczy. Na pokrywie może być również umieszczona turbopompa.

8 - Dysza,

9 - Dysza rozszerzająca,

10 - Dobór substancji roboczej do turbiny,

11 - Korpus Mocy,

12 - Kontroluj bęben

13 - Wydech turbiny (służy do kontrolowania położenia i zwiększania ciągu),

14 - Pierścień napędza bębny kontrolne)

Na początku 1957 roku ustalono ostateczny kierunek prac Laboratorium Los Alamos i podjęto decyzję o budowie grafitowego reaktora jądrowego z paliwem uranowym rozproszonym w graficie. Stworzony w tym kierunku reaktor Kiwi-A został przetestowany w 1959 roku 1 lipca.

Amerykański nuklearny silnik odrzutowy na fazie stałej XE Prime na stanowisku probierczym (1968)

Oprócz budowy reaktora laboratorium Los Alamos pracowało pełną parą nad budową specjalnego Strona testowa w Nevadzie, a także zrealizował szereg specjalnych zleceń dla Sił Powietrznych USA w pokrewnych obszarach (rozwój poszczególnych jednostek TNRD). Na zlecenie Laboratorium Los Alamos wszystkie specjalne zamówienia na produkcję poszczególnych komponentów były realizowane przez firmy: Aerojet General, oddział Rocketdyne North American Aviation. Latem 1958 roku cała kontrola nad programem Rover przeszła z Sił Powietrznych Stanów Zjednoczonych na nowo zorganizowaną Narodową Agencję Aeronautyki i Przestrzeni Kosmicznej (NASA). W wyniku specjalnego porozumienia między AEC a NASA w połowie lata 1960 r. Powstało Biuro Kosmicznych Silników Jądrowych pod kierownictwem G. Fingera, które w przyszłości kierowało programem Rover.

Wyniki sześciu „gorących prób” jądrowych silników odrzutowych były bardzo zachęcające, a na początku 1961 r. sporządzono raport z prób w locie reaktora (RJFT). Następnie, w połowie 1961 roku, ruszył projekt Nerva (wykorzystanie silnika jądrowego do rakiet kosmicznych). Na generalnego wykonawcę wybrano Aerojet General, a na podwykonawcę odpowiedzialnego za budowę reaktora Westinghouse.

10.2 Praca TNRD w Rosji

Amerykańscy" href="/text/category/amerikanetc/" rel="bookmark">Amerykanie Rosyjscy naukowcy zastosowali najbardziej ekonomiczne i wydajne testy poszczególnych elementów paliwowych w reaktorach badawczych. Salut”, Biuro Projektowe Automatyki Chemicznej, IAE, NIKIET i Utworzono NPO „Łuch” (PNITI) w celu opracowania różnych projektów kosmicznych silników rakietowych i hybrydowych elektrowni jądrowych. Luch, MAI) PODWÓRKA RD 0411 i silnik jądrowy o minimalnych wymiarach RD 0410 ciąg odpowiednio 40 i 3,6 tony.

W efekcie powstał reaktor, „zimny” silnik oraz prototyp stanowiska do badań na gazowym wodorze. W przeciwieństwie do amerykańskiego, o impulsie właściwym nie większym niż 8250 m/s, radziecki TNRE, dzięki zastosowaniu bardziej żaroodpornych i zaawansowanych elementów paliwowych oraz wysokiej temperaturze w rdzeniu, miał ten wskaźnik równy 9100 m/s. si i wyżej. Baza ławki do testowania TNRD wspólnej wyprawy NPO Luch znajdowała się 50 km na południowy zachód od miasta Semipalatinsk-21. Pracę rozpoczęła w 1962 roku. W latach pełnowymiarowe elementy paliwowe prototypów NRE zostały przetestowane na poligonie. W tym samym czasie spaliny dostały się do zamkniętego układu emisji. Kompleks ławek do pełnowymiarowych testów silników jądrowych „Bajkał-1” znajduje się 65 km na południe od miasta Semipałatyńsk-21. W latach 1970-1988 przeprowadzono około 30 „gorących rozruchów” reaktorów. Jednocześnie moc nie przekraczała 230 MW przy natężeniu przepływu wodoru do 16,5 kg/si jego temperaturze na wylocie z reaktora 3100 K. Wszystkie starty przebiegły pomyślnie, bezwypadkowo i zgodnie z planem.

Radziecki TYARD RD-0410 - jedyny działający i niezawodny przemysłowy silnik rakietowy na świecie

Obecnie takie prace na składowisku zostały wstrzymane, chociaż sprzęt jest utrzymywany we względnie sprawnym stanie. Stanowisko NPO Luch to jedyny kompleks doświadczalny na świecie, w którym można bez znacznych nakładów finansowych i czasowych testować elementy reaktorów NRE. Niewykluczone, że wznowienie w Stanach Zjednoczonych prac nad TNRE do lotów na Księżyc i Marsa w ramach programu Space Research Initiative z planowanym udziałem specjalistów z Rosji i Kazachstanu doprowadzi do wznowienia działalności Semipałatyńska bazy i realizacja wyprawy „Marsjańskiej” w latach 20. XXI wieku.

Główna charakterystyka

Specyficzny impuls na wodór: 910 - 980 sek(teor. do 1000 sek).

· Szybkość wydechu działającego ciała (wodoru): 9100 - 9800 m/sek.

· Osiągalny ciąg: do setek i tysięcy ton.

· Maksymalne temperatury pracy: 3000°С - 3700°С (włączenie krótkotrwałe).

· Żywotność: do kilku tysięcy godzin (okresowa aktywacja). /5/

11.Urządzenie

Urządzenie radzieckiego silnika rakietowego na fazie stałej RD-0410

1 - przewód ze zbiornika płynu roboczego

2 - zespół turbopompy

3 - sterowanie napędem bębna

4 - ochrona przed promieniowaniem

5 - bęben kontrolny

6 - zwalniacz

7 - zespół paliwowy

8 - naczynie reakcyjne

9 - dno ognia

10 - Linia chłodzenia dyszy

11- komora dyszy

12 - dysza

12. Zasada działania

TNRD, zgodnie ze swoją zasadą działania, jest wysokotemperaturowym reaktorem-wymiennikiem ciepła, do którego pod ciśnieniem wprowadza się płyn roboczy (ciekły wodór), a gdy jest on podgrzewany do wysokich temperatur (powyżej 3000 ° C), jest wyrzucany przez schłodzoną dyszę. Odzysk ciepła w dyszy jest bardzo korzystny, gdyż pozwala na znacznie szybsze nagrzanie wodoru oraz przy wykorzystaniu znacznej ilości energii cieplnej zwiększenie impulsu właściwego do 1000 s (9100-9800 m/s).

Reaktor jądrowy z silnikiem rakietowym

MsoNormalTable">

ciało robocze

Gęstość, g/cm3

Ciąg właściwy (przy wskazanych temperaturach w komorze grzewczej, °K), sek

0,071 (ciecz)

0,682 (ciecz)

1000 (płyn)

nie. dane

(Uwaga: ciśnienie w komorze grzewczej wynosi 45,7 atm, rozprężanie do ciśnienia 1 atm przy niezmienionym składzie chemicznym płynu roboczego) /6/

15. Zalety

Główną przewagą TNRD nad chemicznymi silnikami rakietowymi jest uzyskanie wyższej konkretny impuls, znaczny zapas energii, zwartość układu i możliwość uzyskania bardzo dużego ciągu (dziesiątki, setki i tysiące ton w próżni). Na ogół osiągany w próżni impuls właściwy jest większy niż wypalonego dwuskładnikowego chemicznego paliwa rakietowego ( nafta-tlen, wodór-tlen) 3-4 razy, a przy pracy w największym stresie cieplnym 4-5 razy. Obecnie w USA i Rosji istnieje duże doświadczenie w opracowywaniu i budowie takich silników, a w razie potrzeby (specjalne programy eksploracji kosmosu) takie silniki mogą być wyprodukowane w krótkim czasie i będą miały rozsądny koszt. pole dużych planet (Jowisz, Uran, Saturn, Neptun) znacznie poszerzają się osiągalne granice badania Układu Słonecznego, a czas potrzebny na dotarcie do odległych planet znacznie się skraca. może być z powodzeniem stosowany w pojazdach operujących na niskich orbitach planet-olbrzymów wykorzystujących ich rozrzedzoną atmosferę jako płyn roboczy lub do pracy w ich atmosferze. /osiem/

16. Wady

Główną wadą TNRD jest obecność silnego strumienia promieniowania przenikliwego (promieniowanie gamma, neutrony), a także usuwanie wysokoradioaktywnych związków uranu, związków ogniotrwałych z promieniowaniem indukowanym oraz gazów radioaktywnych z płynem roboczym. W związku z tym TNRD jest niedopuszczalny dla startów naziemnych, aby uniknąć pogorszenia sytuacji środowiskowej w miejscu startu iw atmosferze. /czternaście/

17. Poprawa charakterystyk TJARD. Hybrydowy TNRD

Jak każda rakieta lub ogólnie każdy silnik, jądrowy silnik odrzutowy na fazie stałej ma znaczne ograniczenia dotyczące osiągalnych parametrów krytycznych. Ograniczenia te oznaczają niemożność pracy urządzenia (TNRD) w zakresie temperatur przekraczającym zakres maksymalnych temperatur pracy materiałów konstrukcyjnych silnika. W celu rozszerzenia możliwości i znacznego podwyższenia głównych parametrów pracy TNRD można zastosować różne schematy hybrydowe, w których TNRD pełni rolę źródła ciepła i energii oraz stosuje się dodatkowe fizyczne metody przyspieszania ciał roboczych. Najbardziej niezawodnym, praktycznie wykonalnym i posiadającym wysokie parametry w zakresie impulsu właściwego i ciągu jest schemat hybrydowy z dodatkowym obwodem MHD (obwód magnetohydrodynamiczny) do przyspieszania zjonizowanego płynu roboczego (wodór i specjalne dodatki). /13/

18. Zagrożenie promieniowaniem z YARD.

Działający NRE jest potężnym źródłem promieniowania - promieniowania gamma i neutronowego. Bez podjęcia specjalnych środków promieniowanie może spowodować niedopuszczalne nagrzewanie się płynu roboczego i konstrukcji statku kosmicznego, kruchość metalowych materiałów konstrukcyjnych, niszczenie plastiku i starzenie się części gumowych, naruszenie izolacji kabli elektrycznych i awarię sprzętu elektronicznego. Promieniowanie może powodować indukowaną (sztuczną) radioaktywność materiałów - ich aktywację.

Obecnie problem ochrony radiologicznej statków kosmicznych za pomocą NRE uważa się w zasadzie za rozwiązany. Rozwiązane zostały również podstawowe kwestie związane z obsługą jądrowych silników rakietowych na stanowiskach probierczych i stanowiskach startowych. Chociaż pracujący YARD stanowi zagrożenie dla personel serwisowy„Już dzień po zakończeniu pracy NRE można bez środków ochrony osobistej przebywać kilkadziesiąt minut w odległości 50 m od NRE, a nawet się do niego zbliżyć. Najprostszy sposób ochrony umożliwić personelowi obsługi technicznej wejście na obszar roboczy NRE wkrótce po przeprowadzeniu testów.

Poziom zanieczyszczenia kompleksów startowych i środowiska najwyraźniej nie będzie przeszkodą w użyciu jądrowych silników rakietowych na niższych stopniach rakiet kosmicznych. Problem zagrożenia radiacyjnego środowiska i personelu obsługującego jest w dużej mierze łagodzony przez fakt, że wodór, jako płyn roboczy, praktycznie nie ulega aktywacji podczas przechodzenia przez reaktor. Dlatego odrzutowiec NRE nie jest bardziej niebezpieczny niż odrzutowiec LRE. / 4 /

Wniosek

Rozważając perspektywy rozwoju i wykorzystania NRE w astronautyce, należy wychodzić od osiąganych i oczekiwanych właściwości różnych typów NRE, od tego, co mogą wnieść do astronautyki, ich zastosowania, wreszcie od obecności bliskiego związku między problemem NRE a problemem zaopatrzenia w energię w kosmosie i ogólnie z rozwojem energetyki.

Jak wspomniano powyżej, spośród wszystkich możliwych typów NRE najbardziej rozwinięte są termiczny silnik radioizotopowy oraz silnik z reaktorem rozszczepialnym w fazie stałej. Jeśli jednak charakterystyka radioizotopowych NRE nie pozwala mieć nadziei na ich szerokie zastosowanie w astronautyce (przynajmniej w niedalekiej przyszłości), to stworzenie NRE w fazie stałej otwiera przed astronautyką wielkie perspektywy.

Na przykład zaproponowano urządzenie o początkowej masie 40 000 ton (tj. Około 10 razy większej niż największe współczesne rakiety nośne), z czego 1/10 tej masy przypada na ładunek, a 2/3 na jądrowy opłaty . Jeśli co 3 sekundy wysadzi się jeden ładunek, to ich zapas wystarczy na 10 dni ciągłej pracy jądrowego silnika rakietowego. W tym czasie urządzenie rozpędzi się do prędkości 10 000 km/s iw przyszłości, po 130 latach, może dotrzeć do gwiazdy Alfa Centauri.

Elektrownie jądrowe mają unikalne cechy, które obejmują praktycznie nieograniczoną energochłonność, niezależność działania od otoczenia, niewrażliwość na wpływy zewnętrzne (promieniowanie kosmiczne, uszkodzenia meteorytów, wysokie i niskie temperatury itp.). Jednakże maksymalna moc jądrowych instalacji radioizotopowych jest ograniczona do wartości rzędu kilkuset watów. Ograniczenie to nie istnieje dla elektrowni jądrowych, co przesądza o opłacalności ich wykorzystania podczas długotrwałych lotów ciężkich statków kosmicznych w przestrzeni okołoziemskiej, podczas lotów na odległe planety Układu Słonecznego oraz w innych przypadkach.

Zalety fazy stałej i innych NRE z reaktorami rozszczepieniowymi są najpełniej ujawnione w badaniu tak złożonych programów kosmicznych, jak loty załogowe na planety Układu Słonecznego (na przykład podczas wyprawy na Marsa). W tym przypadku wzrost specyficznego impulsu RD umożliwia rozwiązanie jakościowo nowych problemów. Wszystkie te problemy są znacznie ułatwione dzięki zastosowaniu NRE w fazie stałej o impulsie właściwym dwa razy większym od nowoczesnych LRE. W tym przypadku możliwe staje się również znaczne skrócenie czasu lotu.

Najprawdopodobniej w niedalekiej przyszłości NRE na fazie stałej staną się jednymi z najczęstszych RD. Stałe NRE mogą być wykorzystywane jako pojazdy do lotów dalekiego zasięgu, np. na takie planety jak Neptun, Pluton, a nawet poza Układ Słoneczny. Jednak w przypadku lotów do gwiazd NRE, oparty na zasadach rozszczepienia, nie jest odpowiedni. W tym przypadku obiecujące są NRE, a dokładniej termojądrowe silniki odrzutowe (TRD) działające na zasadzie reakcji syntezy jądrowej oraz fotoniczne silniki odrzutowe (PRD), w których źródłem pędu jest reakcja anihilacji materii i antymaterii. Jednak najprawdopodobniej ludzkość podróżując w przestrzeni międzygwiezdnej użyje innej, odmiennej od odrzutowca, metody poruszania się.

Podsumowując, powtórzę słynne zdanie Einsteina - aby podróżować do gwiazd, ludzkość musi wymyślić coś, co byłoby porównywalne pod względem złożoności i percepcji do reaktora jądrowego dla neandertalczyka!

LITERATURA

Źródła:

1. „Rakiety i ludzie. Księga 4 Wyścig na Księżyc” - M: Wiedza, 1999.
2. http://www. lpre. de/energomash/index. htm
3. Pervushin „Bitwa o gwiazdy. Kosmiczna konfrontacja” - M: wiedza, 1998.
4. L. Gilberg "Podbój nieba" - M: Wiedza, 1994.
5. http://przestrzeńodcinków. *****/bibl/mołodcow
6. „Silnik”, „Silniki jądrowe do pojazdów kosmicznych”, nr 5, 1999

7. „Silnik”, „Silniki jądrowe w fazie gazowej do pojazdów kosmicznych”,

Nr 6, 1999
7.http://www. *****/content/numbers/263/03.shtml
8.http://www. lpre. de/energomash/index. htm
9. http://www. *****/content/numbers/219/37.shtml
10., Czekalin transport przyszłości.

Moskwa: Wiedza, 1983.

11., Eksploracja kosmosu Czekalin.- M.:

Wiedza, 1988.

12. „Energia – Buran” – krok w przyszłość // Nauka i życie.-

13. Technologia kosmiczna - M.: Mir, 1986.

14., Siergiejuk i handel - M .: APN, 1989.

15 .ZSRR w kosmosie. 2005.-M.: APN, 1989.

16. W drodze do kosmosu // Energia. - 1985. - nr 6.

DODATEK

Główne cechy jądrowych silników odrzutowych na fazie stałej

Kraj producenta	Silnik	Ciąg w próżni, kN	określony impuls, sek	Praca projektowa, rok
























	Cykl mieszany NERVA/Lox

Już pod koniec tej dekady w Rosji może powstać statek kosmiczny o napędzie atomowym do podróży międzyplanetarnych. A to radykalnie zmieni sytuację zarówno w przestrzeni okołoziemskiej, jak i na samej Ziemi.

Elektrownia jądrowa (EJ) będzie gotowa do lotu już w 2018 roku. Poinformował o tym dyrektor Centrum Keldysh, akademik Anatolij Korotejew. „Musimy przygotować pierwszą próbkę (elektrowni jądrowej klasy megawatów – ok. „Expert Online”) do testów projektu lotu w 2018 roku. To, czy poleci, czy nie, to inna sprawa, może być kolejka, ale musi być gotowa do lotu ”- poinformowała go RIA Novosti. Oznacza to, że jeden z najambitniejszych sowiecko-rosyjskich projektów w dziedzinie eksploracji kosmosu wkracza w fazę natychmiastowej praktycznej realizacji.

Istota tego projektu, którego korzenie sięgają połowy ubiegłego wieku, polega na tym. Teraz loty w przestrzeń okołoziemską są wykonywane na rakietach, które poruszają się dzięki spalaniu paliwa płynnego lub stałego w ich silnikach. W rzeczywistości jest to ten sam silnik, co w samochodzie. Tylko w samochodzie benzyna, spalając się, popycha tłoki w cylindrach, przekazując przez nie swoją energię do kół. A w silniku rakietowym spalanie nafty lub heptylu bezpośrednio popycha rakietę do przodu.

W ciągu ostatniego półwiecza ta technologia rakietowa była dopracowywana na całym świecie w najdrobniejszych szczegółach. Ale sami naukowcy zajmujący się rakietami to przyznają. Poprawa - tak, jest konieczna. Próba zwiększenia nośności rakiet z obecnych 23 ton do 100, a nawet 150 ton w oparciu o „ulepszone” silniki spalinowe – tak, trzeba spróbować. Ale to jest ślepy zaułek pod względem ewolucji. " Bez względu na to, ilu specjalistów od silników rakietowych pracuje na całym świecie, maksymalny efekt, jaki uzyskamy, będzie obliczany w ułamkach procenta. Z grubsza rzecz biorąc, z istniejących silników rakietowych wyciśnięto wszystko, czy to paliwo płynne, czy stałe, a próby zwiększenia ciągu i impulsu właściwego są po prostu daremne. Z kolei elektrownie jądrowe dają kilkukrotny wzrost. Na przykładzie lotu na Marsa - teraz trzeba lecieć tam i z powrotem półtora do dwóch lat, ale będzie można latać za dwa do czterech miesięcy ”, - były szef Federalnej Agencji Kosmicznej Rosji ocenił kiedyś sytuację Anatolij Perminow.

Dlatego w 2010 roku ówczesny prezydent Rosji, a teraz premier Dmitrij Miedwiediew pod koniec tej dekady wydano rozkaz stworzenia w naszym kraju kosmicznego modułu transportowo-energetycznego na bazie megawatowej elektrowni jądrowej. Na rozwój tego projektu planuje się przeznaczyć 17 miliardów rubli z budżetu federalnego, Roskosmosu i Rosatomu do 2018 roku. 7,2 miliarda z tej kwoty przeznaczono dla Państwowej Korporacji Energii Atomowej Rosatom na budowę elektrowni jądrowej (robi to Instytut Badań i Projektowania Energetyki Dollezhal), 4 miliardy na Centrum Keldysh na utworzenie elektrownia atomowa. RSC Energia przeznaczy 5,8 mld rubli na stworzenie modułu transportowo-energetycznego, czyli rakiety.

Oczywiście cała ta praca nie odbywa się w próżni. W latach 1970-1988 tylko ZSRR wystrzelił w kosmos ponad trzy tuziny satelitów szpiegowskich, wyposażonych w elektrownie jądrowe małej mocy typu Buk i Topaz. Wykorzystano je do stworzenia całopogodowego systemu monitorowania celów powierzchniowych w oceanach i wydawania oznaczeń celów z transmisją do nośników broni lub stanowisk dowodzenia - morski system rozpoznania i oznaczania celów w przestrzeni kosmicznej Legenda (1978).

NASA i amerykańskie firmy produkujące statki kosmiczne i ich pojazdy dostawcze nie były w stanie w tym czasie, mimo trzykrotnych prób, stworzyć reaktora jądrowego, który stabilnie pracowałby w kosmosie. W związku z tym w 1988 r. ONZ przeprowadził zakaz używania statków kosmicznych z jądrowymi układami napędowymi, aw Związku Radzieckim zaprzestano produkcji satelitów typu US-A z elektrowniami jądrowymi na pokładzie.

Równolegle w latach 60-70 ubiegłego wieku Centrum Keldysh prowadziło aktywne prace nad stworzeniem silnika jonowego (silnika elektroplazmowego), który jest najbardziej odpowiedni do stworzenia układu napędowego dużej mocy działającego na paliwie jądrowym. Reaktor wytwarza ciepło, które generator zamienia na energię elektryczną. Za pomocą energii elektrycznej ksenonowy gaz obojętny w takim silniku jest najpierw jonizowany, a następnie dodatnio naładowane cząstki (dodatnie jony ksenonu) są przyspieszane w polu elektrostatycznym do określonej prędkości i wytwarzają ciąg, opuszczając silnik. Na takiej zasadzie działa silnik jonowy, którego prototyp powstał już w Keldysh Center.

« W latach 90. w Keldysh Center wznowiliśmy prace nad silnikami jonowymi. Teraz dla tak potężnego projektu powinna powstać nowa współpraca. Istnieje już prototyp silnika jonowego, na którym można opracować główne rozwiązania technologiczne i konstrukcyjne. A regularne produkty wciąż muszą być tworzone. Mamy termin - do 2018 roku produkt powinien być gotowy do prób w locie, a do 2015 roku powinien zostać zakończony główny rozwój silnika. Dalej - testy żywotności i testy całej jednostki jako całości”, - zauważył w zeszłym roku kierownik działu elektrofizyki Centrum Badawczego im. M.V. Keldysha, profesor Wydziału Aerofizyki i Badań Kosmicznych, Moskiewski Instytut Fizyki i Technologii Oleg Gorszkow.

Jaka jest praktyczna korzyść Rosji z tych wydarzeń? Ta korzyść znacznie przekracza 17 miliardów rubli, które państwo zamierza wydać do 2018 roku na stworzenie rakiety nośnej z głowicą jądrową elektrownia na pokładzie o mocy 1 MW. Po pierwsze, jest to gwałtowne rozszerzenie możliwości naszego kraju i ludzkości w ogóle. Statek kosmiczny z silnikiem jądrowym daje ludziom realne możliwości zaangażowania się na inne planety. Teraz wiele krajów ma takie statki. Zostały wznowione w Stanach Zjednoczonych w 2003 roku, po tym jak Amerykanie otrzymali dwie próbki rosyjskich satelitów z elektrowniami jądrowymi.

Jednak mimo to członek specjalnej komisji NASA ds. lotów załogowych Edwarda Crowleya, na przykład uważa, że statek do międzynarodowego lotu na Marsa powinien mieć rosyjskie silniki jądrowe. " cieszący się popytem Rosyjskie doświadczenie w rozwoju silników jądrowych. Myślę, że Rosja ma bardzo wspaniałe doświadczenie zarówno w rozwoju silników rakietowych, jak i technologii jądrowej. Ma również duże doświadczenie w adaptacji człowieka do warunków kosmicznych, ponieważ rosyjscy kosmonauci wykonywali bardzo długie loty. – powiedział Crowley dziennikarzom zeszłej wiosny po wykładzie na Moskiewskim Uniwersytecie Państwowym na temat amerykańskich planów załogowej eksploracji kosmosu.

Po drugie, takie statki umożliwiają gwałtowne zintensyfikowanie aktywności w przestrzeni okołoziemskiej i dają realną szansę na rozpoczęcie kolonizacji Księżyca (na satelicie Ziemi trwają już projekty budowlane elektrownie jądrowe). « Stosowanie systemów napędu jądrowego jest rozważane w przypadku dużych systemów załogowych, a nie w przypadku małych statków kosmicznych, które mogą latać na innych typach instalacji wykorzystujących napęd jonowy lub energię wiatru słonecznego. Możliwe jest wykorzystanie elektrowni jądrowych z silnikami jonowymi na międzyorbitalnym holowniku wielokrotnego użytku. Na przykład, aby przewozić ładunki między niskimi i wysokimi orbitami, latać na asteroidy. Możesz stworzyć holownik księżycowy wielokrotnego użytku lub wysłać ekspedycję na Marsa”- mówi profesor Oleg Gorszkow. Takie statki radykalnie zmieniają ekonomię eksploracji kosmosu. Według obliczeń specjalistów RSC Energia rakieta nośna o napędzie atomowym obniża koszt wyniesienia ładunku na orbitę okołoksiężycową ponad dwukrotnie w porównaniu z silnikami rakietowymi na paliwo ciekłe.

Po trzecie to nowe materiały i technologie, które powstaną podczas realizacji tego projektu, a następnie zostaną wprowadzone do innych gałęzi przemysłu – metalurgii, budowy maszyn itp. Oznacza to, że jest to jeden z takich przełomowych projektów, które naprawdę mogą popchnąć do przodu zarówno rosyjską, jak i światową gospodarkę.

Rakieta atomowa. Pocisk manewrujący o napędzie atomowym