Rosja była i nadal pozostaje liderem w dziedzinie nuklearnej energii kosmicznej. Organizacje takie jak RSC Energia i Roskosmos mają doświadczenie w projektowaniu, budowie, wodowaniu i eksploatacji statków kosmicznych wyposażonych w jądrowe źródło energii. Silnik jądrowy umożliwia eksploatację samolotów przez wiele lat, znacznie zwiększając ich praktyczną przydatność.
kronika historyczna
Jednocześnie dostarczenie aparatury badawczej na orbity odległych planet Układu Słonecznego wymaga zwiększenia zasobu takiej instalacji jądrowej do 5-7 lat. Udowodniono, że kompleks z napędem jądrowym o mocy około 1 MW w ramach statku badawczego pozwoli na przyspieszone dostarczanie sztucznych satelitów najbardziej odległych planet, łazików planetarnych na powierzchnie naturalnych satelitów tych planet i dostarczanie gleby z komet, asteroid, Merkurego i satelitów Jowisza i Saturna.
Holownik wielokrotnego użytku (MB)
Jednym z najważniejszych sposobów na zwiększenie efektywności operacji transportowych w przestrzeni jest wielokrotne wykorzystanie elementów systemu transportowego. Silnik jądrowy dla statki kosmiczne o mocy co najmniej 500 kW pozwala stworzyć holownik wielokrotnego użytku, a tym samym znacznie zwiększyć wydajność wieloczłonowego 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 mieszkalnej oraz eksperymentalnych kompleksów technologiczno-przemysłowych.
Obliczanie obrotu ładunkowego
Według opracowań projektowych RSC Energia, podczas budowy bazy moduły ważące około 10 ton powinny być dostarczane na powierzchnię Księżyca, do 30 ton na orbitę Księżyca, a roczny przepływ ładunków zapewniający funkcjonowanie i rozwój podstawy to 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 spędzany przez ładunek w pasach radiacyjnych Ziemi, nie wszystkie ładunki można dostarczyć za pomocą holowników z napędem jądrowym. Dlatego przepływ ładunków, jaki można zapewnić na podstawie NEP-u, szacowany jest na zaledwie 100-300 ton/rok.
Wydajność ekonomiczna
Jako kryterium efektywności ekonomicznej systemu transportu międzyorbitalnego wskazane jest przyjęcie wartości jednostkowego kosztu transportu jednostki masy ładunku (PG) z powierzchni Ziemi na orbitę docelową. RSC Energia opracowało model ekonomiczny i matematyczny, który uwzględnia główne składniki kosztów w systemie transportowym:
- do tworzenia i wystrzeliwania modułów holowniczych na orbitę;
- na zakup działającej instalacji jądrowej;
- koszty operacyjne, a także koszty badań i rozwoju oraz ewentualne koszty kapitałowe.
Wskaźniki kosztów zależą od optymalnych parametrów MB. Korzystając z tego modelu, porównaj wydajność ekonomiczna wykorzystanie w programie holownika wielokrotnego użytku opartego na napędach jądrowych o mocy ok. 1 MW oraz holownika jednorazowego opartego na zaawansowanych paliwach ciekłych, aby zapewnić dostawę z Ziemi ładunku o łącznej masie 100 t/rok na orbitę księżycową o wysokości 100 km. W przypadku zastosowania tego samego pojazdu nośnego o nośności równej nośności wyrzutni Proton-M i dwuwodowego schematu budowy systemu transportowego, jednostkowy koszt dostarczenia jednostkowej masy ładunku za pomocą holownika o napędzie jądrowym będzie trzykrotnie niższa niż przy użyciu jednorazowych holowników opartych na rakietach z silnikami płynnymi typu DM-3.
Wniosek
Do rozwiązania przyczynia się wydajny silnik jądrowy do zastosowań kosmicznych kwestie ochrony środowiska Ziemia, załogowy lot na Marsa, stworzenie systemu transmisja bezprzewodowa energii w kosmosie, wdrożenie wysoce bezpiecznego usuwania w kosmosie szczególnie niebezpiecznych odpadów radioaktywnych z naziemnej energii jądrowej, stworzenie bazy księżycowej nadającej się do zamieszkania i rozpoczęcie przemysłowej eksploracji Księżyca oraz ochrona Ziemi przed zagrożenie kometami asteroidami.
Często w ogólnych publikacjach edukacyjnych dotyczących astronautyki nie rozróżnia się różnicy między silnikiem rakietowym (NRE) a elektrycznym systemem napędowym rakiety jądrowej (NRE). Skróty te kryją jednak nie tylko różnicę w zasadach przekształcania energii jądrowej w napęd rakietowy, ale także bardzo dramatyczną historię rozwoju astronautyki.
Dramat historii polega na tym, że gdyby kontynuowano badania nad elektrowniami jądrowymi i jądrowymi, wstrzymanymi głównie ze względów ekonomicznych, zarówno w ZSRR, jak i w USA, to loty ludzi na Marsa już dawno stałyby się powszechne. .
Wszystko zaczęło się od samolotu atmosferycznego z odrzutowym silnikiem jądrowym
Projektanci z USA i ZSRR rozważali „oddychające” instalacje nuklearne zdolne do wciągania powietrza zaburtowego i podgrzewania go do kolosalnych temperatur. Prawdopodobnie ta zasada generowania ciągu została zapożyczona z silników strumieniowych, tylko zamiast paliwa rakietowego zastosowano energię rozszczepienia jąder atomowych dwutlenku uranu 235.W USA taki silnik został opracowany w ramach projektu Pluto. Amerykanom udało się stworzyć dwa prototypy nowego silnika – Tory-IIA i Tory-IIC, na których nawet uruchomiono reaktory. Moc elektrowni miała wynosić 600 megawatów.
Silniki opracowane w ramach projektu Pluto planowano zainstalować na pociskach manewrujących, które powstały w latach 50. XX wieku pod oznaczeniem SLAM (Supersonic Low Altitude Missile, naddźwiękowy pocisk małej wysokości).
W Stanach Zjednoczonych planowano zbudować rakietę o długości 26,8 metra, średnicy trzech metrów i wadze 28 ton. Korpus rakiety miał pomieścić głowicę jądrową, a także jądrowy system napędowy o długości 1,6 metra i średnicy 1,5 metra. Na tle innych wymiarów instalacja wyglądała na bardzo zwartą, co wyjaśnia zasadę działania z bezpośrednim przepływem.
Twórcy wierzyli, że dzięki silnikowi nuklearnemu zasięg rakiety SLAM wyniesie co najmniej 182 000 kilometrów.
W 1964 roku Departament Obrony USA zamknął projekt. Oficjalnym powodem było to, że podczas lotu pocisk manewrujący o napędzie jądrowym zbytnio zanieczyszcza wszystko wokół. Ale w rzeczywistości powodem były znaczne koszty utrzymania takich pocisków, zwłaszcza że w tym czasie nauka o rakietach szybko się rozwijała w oparciu o silniki rakietowe na paliwo ciekłe, których utrzymanie było znacznie tańsze.
ZSRR pozostał wierny idei stworzenia NRE z bezpośrednim przepływem znacznie dłużej niż Stany Zjednoczone, zamykając projekt dopiero w 1985 roku. Ale wyniki były znacznie bardziej znaczące. W ten sposób w biurze projektowym Chimawtomatika w Woroneżu opracowano pierwszy i jedyny radziecki silnik rakietowy. To jest RD-0410 (indeks GRAU - 11B91, znany również jako "Irbit" i "IR-100").
W RD-0410 zastosowano niejednorodny termiczny reaktor neutronowy, jako moderator służył wodorek cyrkonu, reflektory neutronowe wykonano z berylu, paliwo jądrowe było materiałem na bazie uranu i węglików wolframu, wzbogaconych w izotop 235 około 80%.
Projekt obejmował 37 zestawów paliwowych pokrytych izolacją termiczną oddzielającą je od moderatora. Projekt zakładał, że strumień wodoru najpierw przechodził przez reflektor i moderator, utrzymując ich temperaturę pokojową, a następnie wchodził do rdzenia, gdzie chłodził zespoły paliwowe, nagrzewając się do 3100 K. Na stoisku znajdował się reflektor i moderator chłodzony oddzielnym strumieniem wodoru.
Reaktor przeszedł znaczną serię testów, ale nigdy nie był testowany przez cały okres eksploatacji. Jednak na zewnątrz bloki reaktora były w pełni rozbudowane.
Dane techniczne RD 0410
Nacisk w pustkę: 3,59 tf (35,2 kN)
Moc cieplna reaktora: 196 MW
Specyficzny impuls ciągu w próżni: 910 kgf s/kg (8927 m/s)
Liczba wtrąceń: 10
Zasób pracy: 1 godzina
Składniki paliwa: płyn roboczy - ciekły wodór, substancja pomocnicza - heptan
Waga z ochroną przed promieniowaniem: 2 tony
Wymiary silnika: wysokość 3,5 m, średnica 1,6 m.
Relatywnie mały wymiary i waga, wysoka temperatura paliwa jądrowego (3100 K) z wydajnym systemem chłodzenia przepływem wodoru wskazuje, że RD0410 jest prawie idealnym prototypem jądrowego silnika rakietowego dla nowoczesnych pocisków manewrujących. I biorąc pod uwagę nowoczesne technologie uzyskanie samozatrzymującego się paliwa jądrowego, zwiększenie zasobu z godziny do kilku godzin to bardzo realne zadanie.
Projekty silników rakietowych jądrowych
Silnik rakietowy jądrowy (NRE) to silnik odrzutowy, w którym energia wytworzona w wyniku rozpadu jądrowego lub reakcji syntezy jądrowej ogrzewa płyn roboczy (najczęściej wodór lub amoniak).Istnieją trzy rodzaje NRE w zależności od rodzaju paliwa dla reaktora:
- faza stała;
- faza ciekła;
- faza gazowa.
W jądrowych silnikach rakietowych w fazie gazowej paliwo (na przykład uran) i płyn roboczy są w stanie gazowym (w postaci plazmy) i są utrzymywane w obszarze roboczym przez pole elektromagnetyczne. Podgrzana do dziesiątek tysięcy stopni plazma uranowa przenosi ciepło do płynu roboczego (na przykład wodoru), który z kolei po podgrzaniu do wysokich temperatur tworzy strumień.
W zależności od rodzaju reakcji jądrowej wyróżnia się radioizotopowy silnik rakietowy, termojądrowy silnik rakietowy i właściwy silnik jądrowy (wykorzystywana jest energia rozszczepienia jądrowego).
Ciekawą opcją jest również impulsowy NRE – proponuje się wykorzystanie ładunku jądrowego jako źródła energii (paliwa). Takie instalacje mogą być typu wewnętrznego i zewnętrznego.
Główne zalety YRD to:
- wysoki impuls właściwy;
- znaczna rezerwa energii;
- zwartość układu napędowego;
- możliwość uzyskania bardzo dużego ciągu - dziesiątki, setki i tysiące ton w próżni.
- strumienie promieniowania przenikliwego (promieniowanie gamma, neutrony) podczas reakcji jądrowych;
- usuwanie wysoce radioaktywnych związków uranu i jego stopów;
- wypływ gazów promieniotwórczych z płynem roboczym.
Elektrownia atomowa
Biorąc pod uwagę, że wszelkie wiarygodne informacje o elektrowniach jądrowych z publikacji, w tym z: Artykuły naukowe, niemożliwym do uzyskania, zasadę działania takich instalacji najlepiej rozpatrzyć na przykładach otwartych materiałów patentowych, chociaż zawierają one know-how.Na przykład wybitny rosyjski naukowiec Anatolij Sazonowicz Korotejew, autor patentowego wynalazku, dostarczył rozwiązanie techniczne dotyczące składu wyposażenia nowoczesnej elektrowni jądrowej. Dalej podaję część podanego dokumentu patentowego dosłownie i bez komentarzy.
Istotę proponowanego rozwiązania technicznego ilustruje schemat przedstawiony na rysunku. Elektrownia jądrowa działająca w trybie energii napędowej zawiera elektryczny układ napędowy (EPP) (na przykład schemat pokazuje dwa elektryczne silniki rakietowe 1 i 2 z odpowiednimi układami zasilania 3 i 4), reaktor 5, turbinę 6 , sprężarka 7, generator 8, wymiennik ciepła-rekuperator 9, rura wirowa Rank-Hilsch 10, chłodziarka-emiter 11. W tym przypadku turbina 6, sprężarka 7 i generator 8 są połączone w jedną jednostka - turbogenerator-sprężarka. Elektrownia jądrowa jest wyposażona w rurociągi 12 płynu roboczego oraz linie elektryczne 13 łączące generator 8 i elektryczny układ napędowy. Wymiennik ciepła-rekuperator 9 posiada tak zwane wysokotemperaturowe 14 i niskotemperaturowe 15 wloty płynu roboczego oraz wysokotemperaturowe 16 i niskotemperaturowe 17 wyloty płynu roboczego.Spinki do mankietów:Wylot reaktora 5 jest połączony z wlotem turbiny 6, wylot turbiny 6 jest połączony z wlotem wysokotemperaturowym 14 wymiennika ciepła-rekuperatora 9. Wylot niskotemperaturowy 15 wymiennika ciepła - rekuperator 9 jest podłączony do wlotu do rury wirowej Ranque-Hilsch 10. Rura wirowa Ranque-Hilsch 10 ma dwa wyjścia, z których jedno (poprzez „gorący” płyn roboczy) jest połączone z chłodnicą-chłodnicą 11, oraz drugi (poprzez „zimny” płyn roboczy) jest podłączony do wlotu sprężarki 7. Wylot chłodnicy-chłodnicy 11 jest również połączony z wlotem do sprężarki 7. Wylot sprężarki 7 jest podłączony do niskotemperaturowego wlot 15 do wymiennika ciepła-rekuperatora 9. Wysokotemperaturowy wylot 16 wymiennika ciepła-rekuperatora 9 jest połączony z wlotem do reaktora 5. W ten sposób główne elementy elektrowni jądrowej są połączone jednym obwodem płynu roboczego.
YaEDU działa w następujący sposób. Ogrzany w reaktorze płyn roboczy 5 jest przesyłany do turbiny 6, która zapewnia pracę sprężarki 7 i generatora 8 turbogeneratora-sprężarki. Generator 8 generuje energia elektryczna, który jest przesyłany liniami elektrycznymi 13 do elektrycznych silników rakietowych 1 i 2 oraz ich układów zasilania 3 i 4, zapewniających ich działanie. Po opuszczeniu turbiny 6 płyn roboczy jest przesyłany przez wysokotemperaturowy wlot 14 do wymiennika ciepła-rekuperatora 9, gdzie płyn roboczy jest częściowo chłodzony.
Następnie z niskotemperaturowego wylotu 17 wymiennika ciepła-rekuperatora 9 płyn roboczy jest przesyłany do rury wirowej Ranka-Hilscha 10, wewnątrz której przepływ płynu roboczego jest podzielony na składniki „gorące” i „zimne”. „Gorąca” część płynu roboczego trafia następnie do chłodnicy-emitera 11, gdzie ta część płynu roboczego jest skutecznie chłodzona. „Zimna” część płynu roboczego podąża za wlotem do sprężarki 7, a po schłodzeniu następuje tam część płynu roboczego, która opuszcza chłodnicę-chłodnicę 11.
Sprężarka 7 dostarcza schłodzony płyn roboczy do wymiennika ciepła-rekuperatora 9 przez niskotemperaturowy wlot 15. Ten schłodzony płyn roboczy w wymienniku ciepła-rekuperatorze 9 zapewnia częściowe chłodzenie nadchodzącego przepływu płynu roboczego wchodzącego do wymiennika ciepła - rekuperator 9 z turbiny 6 przez wlot wysokotemperaturowy 14. Dalej częściowo podgrzany płyn roboczy (na skutek wymiany ciepła z przeciwprądem płynu roboczego z turbiny 6) z wymiennika ciepła-rekuperatora 9 przez wysokotemperaturowy temperatura wylotowa 16 ponownie wchodzi do reaktora 5, cykl się powtarza.
Tym samym pojedynczy płyn roboczy znajdujący się w obiegu zamkniętym zapewnia ciągłą pracę elektrowni jądrowej, a zastosowanie rury wirowej Ranka-Hilscha w ramach elektrowni jądrowej zgodnie z proponowanym rozwiązaniem technicznym poprawia charakterystykę wagową i gabarytową. elektrowni jądrowej, zwiększa niezawodność jej pracy, upraszcza schemat projektowy i umożliwia zwiększenie sprawności całej elektrowni jądrowej.
Rosyjski wojskowy dysk kosmiczny
Dużo szumu w mediach i sieciach społecznościowych wywołały wypowiedzi Władimira Putina, że Rosja testuje pocisk manewrujący nowej generacji, który prawie Nieograniczony rezerwy mocy i dzięki temu jest praktycznie niewrażliwy na wszystkie istniejące i projektowane systemy obrony przeciwrakietowej.
„Pod koniec 2017 roku na centralnym poligonie Federacja Rosyjska z powodzeniem wystrzelił najnowszy rosyjski pocisk manewrujący z jądrowy energia instalacja. Podczas lotu elektrownia osiągnęła ustawioną moc, zapewniając odpowiedni poziom ciągu ”- powiedział Putin podczas swojego tradycyjnego przemówienia do Zgromadzenia Federalnego.
Rakieta była omawiana w kontekście innych zaawansowanych osiągnięć Rosji w dziedzinie uzbrojenia, wraz z nowym międzykontynentalnym pociskiem balistycznym Sarmat, pociskiem hipersonicznym Kinzhal itp. Nic więc dziwnego, że wypowiedzi Putina analizowane są głównie w żyła polityczna. W rzeczywistości jednak pytanie jest znacznie szersze: wydaje się, że Rosja jest na skraju opanowania prawdziwej technologii przyszłości, zdolnej do wprowadzenia rewolucyjnych zmian w technologii rakietowej i kosmicznej i nie tylko. Ale najpierw najważniejsze…
Technologie odrzutowe: ślepy zaułek „chemiczny”
Tutaj już prawie sto lat Kiedy mówimy o silniku odrzutowym, najczęściej mamy na myśli chemiczny silnik odrzutowy. Zarówno samoloty odrzutowe, jak i rakiety kosmiczne są napędzane energią uzyskaną ze spalania paliwa na pokładzie.
W W ogólnych warunkach działa to tak: paliwo wchodzi do komory spalania, gdzie miesza się z utleniaczem (powietrze atmosferyczne w silniku napowietrzającym lub tlen z pokładowych rezerw w silniku rakietowym). Mieszanina następnie ulega zapłonowi, co powoduje szybkie uwolnienie znacznej ilości energii w postaci ciepła, która jest przekazywana do spalin. Po podgrzaniu gaz gwałtownie się rozpręża i niejako wyciska się przez dyszę silnika ze znaczną prędkością. Powstaje strumień strumieniowy i powstaje ciąg strumieniowy, popychając samolot w kierunku przeciwnym do kierunku strumienia.
On 178 i Falcon Heavy - produkty i silniki są różne, ale to nie zmienia istoty.
Odrzutowiec i silniki rakietowe w całej swojej różnorodności (od pierwszego samolotu odrzutowego Heinkel 178 po Falcon Heavy Elona Muska) stosują dokładnie tę zasadę – zmieniają się tylko podejścia do jej zastosowania. A wszyscy projektanci technologii rakietowej są zmuszeni w taki czy inny sposób pogodzić się z fundamentalną wadą tej zasady: koniecznością przewożenia na pokładzie samolotu znacznej ilości szybko zużytego paliwa. Jak dobra robota silnik musi pracować, tym więcej paliwa musi znajdować się na pokładzie i im mniejszy ładunek może zabrać samolot w locie.
Na przykład maksymalna masa startowa samolotu Boeing 747-200 wynosi około 380 ton. Spośród nich 170 ton przypada na sam samolot, około 70 ton na ładowność (waga ładunku i pasażerów) oraz 140 ton, czyli około 35%, waży paliwo, który pali się w locie z prędkością około 15 ton na godzinę. Oznacza to, że na każdą tonę ładunku przypada 2,5 tony paliwa. A rakieta Proton-M, która wystrzeli 22 tony ładunku na niską orbitę odniesienia, zużywa około 630 ton paliwa, czyli prawie 30 ton paliwa na tonę ładunku. Jak widać współczynnik przydatne działanie» więcej niż skromne.
Jeśli mówimy o naprawdę dalekich lotach, na przykład na inne planety Układu Słonecznego, to stosunek ilości paliwa staje się po prostu zabójczy. Na przykład amerykańska rakieta Saturn-5 mogła dostarczyć na Księżyc 45 ton ładunku, spalając jednocześnie ponad 2000 ton paliwa. A Falcon Heavy Elona Muska, o masie startowej półtora tysiąca ton, jest w stanie wyrzucić na orbitę Marsa tylko 15 ton ładunku, czyli 0,1% swojej początkowej masy.
Dlatego obsadzony lot na księżyc wciąż pozostaje zadaniem na granicy możliwości technologicznych ludzkości, a lot na Marsa wykracza poza te granice. Co gorsza, nie jest już możliwe znaczne rozszerzenie tych zdolności przy dalszym ulepszaniu rakiet chemicznych. W swoim rozwoju ludzkość „odpoczywała” pod sufitem wyznaczanym przez prawa natury. Aby pójść dalej, potrzebne jest zupełnie inne podejście.
Ciąg „atomowy”
Spalanie paliwa chemicznego już dawno przestało być najefektywniejszą ze znanych metod pozyskiwania energii.
Od 1 kilograma twardy węgiel można uzyskać około 7 kilowatogodzin energii, a 1 kilogram uranu zawiera około 620 tysięcy kilowatogodzin.
A jeśli stworzysz silnik, który będzie otrzymywał energię z atomu, a nie z procesów chemicznych, to taki silnik będzie potrzebował dziesiątki tysięcy(!) razy mniej paliwa do wykonania tej samej pracy. W ten sposób można wyeliminować kluczową wadę silników odrzutowych. Jednak od pomysłu do realizacji jest długa droga do rozwiązania wielu złożonych problemów. Po pierwsze konieczne było stworzenie wystarczająco lekkiego i kompaktowego reaktora jądrowego, aby można go było zainstalować na pokładzie samolotu. Po drugie, trzeba było dowiedzieć się, jak dokładnie wykorzystać energię rozpadu jądra atomowego do podgrzania gazu w silniku i wytworzenia strumienia odrzutowego.
Najbardziej oczywistą opcją było po prostu przepuszczenie gazu przez rozgrzany do czerwoności rdzeń reaktora. Jednak wchodząc w bezpośrednią interakcję z zespołami paliwowymi, gaz ten stałby się wysoce radioaktywny. Pozostawiając silnik w postaci strumienia odrzutowego silnie infekowałby wszystko dookoła, więc używanie takiego silnika w atmosferze byłoby niedopuszczalne. Oznacza to, że ciepło z rdzenia musi zostać odprowadzone w inny sposób, ale jak dokładnie? A gdzie mogę zdobyć materiały, które mogą je zatrzymać? właściwości strukturalne w tak wysokich temperaturach?
Jeszcze łatwiej wyobrazić sobie wykorzystanie elektrowni jądrowych w „bezzałogowych pojazdach głębinowych”, o których wspomina w tym samym komunikacie Putin. W rzeczywistości będzie to coś w rodzaju supertorpedy, która zassie wodę morską, zamieni ją w podgrzaną parę, która utworzy strumień odrzutowy. Taka torpeda będzie w stanie pokonać tysiące kilometrów pod wodą, poruszając się na dowolnej głębokości i trafiając w dowolny cel na morzu lub na wybrzeżu. Jednocześnie przechwycenie go w drodze do celu będzie prawie niemożliwe.
Na chwilę obecną wydaje się, że Rosja nie dysponuje jeszcze próbkami takich urządzeń gotowych do wdrożenia. Jeśli chodzi o pocisk manewrujący z napędem jądrowym, o którym mówił Putin, tutaj najwyraźniej mówimy o testowym uruchomieniu „modelu masowego” takiego pocisku z grzałką elektryczną zamiast nuklearnej. To właśnie mogą oznaczać słowa Putina o „osiąganiu zadanej mocy” i „odpowiednim poziomie ciągu” – sprawdzaniu, czy silnik takiego urządzenia może pracować z takimi „przychodzącymi parametrami”. Oczywiście, w przeciwieństwie do próbki zasilanej atomem, „sztuczny” produkt nie jest w stanie przelecieć dowolnie dużej odległości, ale nie jest to od tego wymagane. Na takiej próbce możesz poćwiczyć rozwiązania technologiczne związane z częścią czysto „silnikową” - podczas finalizacji i testowania reaktora na stanowisku. Bardzo mało czasu może oddzielić ten etap od dostarczenia gotowego produktu - rok lub dwa.
Cóż, jeśli taki silnik można zastosować w pociskach manewrujących, to co uniemożliwi jego zastosowanie w lotnictwie? Wyobrażać sobie samolot zasilany energią jądrową zdolny do przebycia dziesiątek tysięcy kilometrów bez lądowania i tankowania, bez pożerania setek ton drogiego paliwa lotniczego! Ogólnie mówimy o odkrycie, które w przyszłości może dokonać prawdziwej rewolucji w sektorze transportu…
Mars przed nami?
Jednak o wiele bardziej ekscytujący wydaje się być główny cel elektrowni jądrowych - stać się jądrowym sercem nowej generacji statków kosmicznych, które umożliwią niezawodną komunikację transportową z innymi planetami Układu Słonecznego. Oczywiście w kosmosie pozbawionym powietrza nie można używać silników turboodrzutowych, które wykorzystują powietrze z zewnątrz. Substancja, która wytworzy tutaj strumień strumieniowy, cokolwiek by nie powiedzieć, będzie musiała być zabrana ze sobą. Zadaniem jest wykorzystanie go w trakcie pracy znacznie bardziej ekonomicznie, a do tego prędkość wypływu substancji z dyszy silnika musi być jak najwyższa. W chemicznych silnikach rakietowych prędkość ta wynosi do 5 tys. metrów na sekundę (zwykle 2-3 tys.) i nie można jej znacznie zwiększyć.
Dużo większe prędkości można osiągnąć stosując inną zasadę tworzenia dżetu - przyspieszenie naładowanych cząstek (jonów) przez pole elektryczne. Prędkość strumienia w silniku jonowym może osiągnąć 70 tysięcy metrów na sekundę, to znaczy, aby uzyskać taką samą ilość ruchu, konieczne będzie wydanie 20-30 razy mniej substancji. To prawda, że taki silnik zużyje dość dużo energii elektrycznej. A do produkcji tej energii będzie to konieczne reaktor jądrowy.
Model reaktora dla elektrowni jądrowej klasy megawatowej
Elektryczne (jonowe i plazmowe) silniki rakietowe już istnieją, na przykład z powrotem w 1971 ZSRR wystrzelił na orbitę sondę Meteor ze stacjonarnym silnikiem plazmowym SPD-60 opracowanym przez OKB Fakel. Obecnie podobne silniki są aktywnie wykorzystywane do korygowania orbity sztucznych satelitów Ziemi, ale ich moc nie przekracza 3-4 kilowatów (5 i pół KM).
Jednak w 2015 roku Centrum Badawcze. Keldysh ogłosił stworzenie prototypowego silnika jonowego o mocy rzędu 35 kilowatów(48 KM). Nie brzmi to zbyt imponująco, ale kilka z tych silników wystarczy, by zasilić statek kosmiczny poruszający się w próżni i oddalony od silnych pól grawitacyjnych. Przyspieszenie, jakie takie silniki zapewnią statkowi kosmicznemu, będzie niewielkie, ale będą w stanie je utrzymać. przez długi czas(istniejące pędniki jonowe mają czas ciągłej pracy) do trzech lat).
W nowoczesnych statkach kosmicznych silniki rakietowe działają tylko przez krótki czas, podczas gdy statek leci na zasadzie bezwładności przez główną część lotu. Silnik jonowy, który otrzymuje energię z reaktora jądrowego, będzie pracował przez cały czas lotu – w pierwszej jego połowie przyspieszając statek, w drugiej – spowalniając go. Obliczenia pokazują, że taki statek kosmiczny mógłby dotrzeć na orbitę Marsa w ciągu 30-40 dni, a nie za rok, jak statek z silnikami chemicznymi, a także przewozić ze sobą pojazd do lądowania, który może dostarczyć osobę na powierzchnię Czerwonego Planet, a potem zabierz go stamtąd.
Rosja przetestowała system chłodzenia elektrowni jądrowej (NPP), jednego z kluczowych elementów statku kosmicznego przyszłości, który będzie mógł wykonywać loty międzyplanetarne. Dlaczego silnik nuklearny jest potrzebny w kosmosie, jak działa i dlaczego Roscosmos uważa ten rozwój za główną rosyjską kartę atutową, mówi Izwiestia.
Historia atomu
Jeśli położysz rękę na sercu, to od czasów Korolowa pojazdy nośne używane do lotów w kosmos nie przeszły zasadniczych zmian. Ogólna zasada działania - chemiczna, oparta na spalaniu paliwa z utleniaczem, pozostaje taka sama. Zmieniają się silniki, system sterowania, rodzaje paliwa. Podstawa podróży kosmicznych pozostaje taka sama – napęd odrzutowy popycha do przodu rakietę lub statek kosmiczny.
Często słyszy się, że potrzebny jest wielki przełom, opracowanie zdolne zastąpić silnik odrzutowy w celu zwiększenia wydajności i uczynienia lotów na Księżyc i Marsa bardziej realistycznymi. Faktem jest, że obecnie prawie większość masy międzyplanetarnych statków kosmicznych to paliwo i utleniacz. Ale co, jeśli całkowicie zrezygnujemy z silnika chemicznego i zaczniemy wykorzystywać energię silnika jądrowego?
Pomysł stworzenia systemu napędu jądrowego nie jest nowy. W ZSRR szczegółowy dekret rządowy w sprawie problemu stworzenia silnika rakietowego jądrowego został podpisany w 1958 roku. Już wtedy przeprowadzono badania, które wykazały, że przy użyciu rakietowego silnika jądrowego o wystarczającej mocy można dostać się na Plutona (który nie stracił jeszcze statusu planetarnego) i z powrotem w ciągu sześciu miesięcy (dwa tam i cztery z powrotem), wydając 75 ton paliwa w podróży.
Byli zaangażowani w rozwój silnika rakietowego jądrowego w ZSRR, ale naukowcy dopiero teraz zaczęli zbliżać się do prawdziwego prototypu. Nie chodzi o pieniądze, temat okazał się na tyle skomplikowany, że żadnemu z krajów nie udało się do tej pory stworzyć działającego prototypu, a w większości przypadków wszystko kończyło się na planach i rysunkach. W Stanach Zjednoczonych układ napędowy testowano przed lotem na Marsa w styczniu 1965 roku. Ale projekt NERVA podboju Marsa za pomocą silnika nuklearnego nie wyszedł poza testy KIWI i był znacznie prostszy niż obecny rozwój Rosji. Chiny uwzględniły w swoich planach rozwoju kosmosu stworzenie silnika jądrowego bliżej 2045 r., czyli bardzo, bardzo niedługo.
W Rosji w 2010 roku rozpoczęła się nowa runda prac nad projektem jądrowego elektrycznego systemu napędowego (NPP) klasy megawatowej dla systemów transportu kosmicznego. Projekt jest tworzony wspólnie przez Roscosmos i Rosatom i można go nazwać jednym z najpoważniejszych i najbardziej ambitnych projektów kosmicznych ostatnich czasów. Głównym wykonawcą elektrowni jądrowych jest Centrum Badawcze. Śr. Keldysz.
ruch nuklearny
Przez cały okres prac rozwojowych do prasy wyciekają informacje o gotowości jednej lub drugiej części przyszłego silnika jądrowego. Jednocześnie na ogół poza specjalistami niewiele osób wyobraża sobie, jak i dzięki czemu będzie działać. W rzeczywistości istota kosmicznego silnika jądrowego jest mniej więcej taka sama jak na Ziemi. Energia reakcji jądrowej jest wykorzystywana do ogrzewania i pracy turbogeneratora-sprężarki. Mówiąc prościej, reakcja jądrowa służy do generowania elektryczności, prawie dokładnie takiej samej, jak w przypadku konwencjonalnej. elektrownia atomowa. A za pomocą elektryczności działają elektryczne silniki rakietowe. W tej instalacji są to silniki jonowe dużej mocy.
W silnikach jonowych ciąg jest wytwarzany przez wytworzenie ciągu odrzutowego w oparciu o zjonizowany gaz przyspieszony do wysokie prędkości w polu elektrycznym. Silniki jonowe wciąż tam są, są testowane w kosmosie. Na razie mają tylko jeden problem - prawie wszystkie mają bardzo mały ciąg, chociaż zużywają bardzo mało paliwa. W przypadku podróży kosmicznych takie silniki są świetną opcją, zwłaszcza jeśli rozwiążesz problem pozyskiwania energii elektrycznej w kosmosie, co zrobi instalacja jądrowa. Ponadto silniki jonowe mogą pracować przez długi czas, maksymalny okres ciągłej pracy najnowocześniejszych próbek silników jonowych wynosi ponad trzy lata.
Jeśli spojrzysz na diagram, zobaczysz, że energia jądrowa zaczyna się użyteczna praca wcale nie od razu. Najpierw podgrzewany jest wymiennik ciepła, a następnie wytwarzana jest energia elektryczna, która jest już wykorzystywana do wytworzenia ciągu dla silnika jonowego. Niestety, ludzkość nie nauczyła się jeszcze wykorzystywać instalacji nuklearnych do poruszania się w prostszy i bardziej efektywny sposób.
W ZSRR wystrzelono satelity z instalacją nuklearną w ramach kompleksu wyznaczania celów Legend dla lotnictwa z pociskami morskimi, ale były to bardzo małe reaktory, a ich praca wystarczyła tylko do wytworzenia energii elektrycznej dla urządzeń zawieszonych na satelicie. Radziecki statek kosmiczny miał moc instalacji trzech kilowatów, ale teraz rosyjscy specjaliści pracują nad stworzeniem instalacji o mocy ponad megawata.
Kosmiczne problemy
Oczywiście instalacja jądrowa w kosmosie ma znacznie więcej problemów niż na Ziemi, a najważniejszym z nich jest chłodzenie. W normalnych warunkach wykorzystywana jest do tego woda, która bardzo skutecznie pochłania ciepło silnika. W kosmosie nie da się tego zrobić, a silniki jądrowe wymagają: sprawny system chłodzenie - a ciepło z nich musi zostać usunięte w przestrzeń kosmiczną, to znaczy można to zrobić tylko w postaci promieniowania. Zwykle w tym celu w statkach kosmicznych stosuje się grzejniki płytowe - wykonane z metalu, przez które krąży chłodziwo. Niestety, takie grzejniki z reguły mają dużą wagę i wymiary, a ponadto nie są w żaden sposób chronione przed meteorytami.
W sierpniu 2015 roku na pokazach lotniczych MAKS pokazano model chłodzenia kroplowego jądrowych układów napędowych. W nim ciecz, rozproszona w postaci kropel, leci na otwartej przestrzeni, stygnie, a następnie jest ponownie gromadzona w instalacji. Wyobraź sobie ogromny statek kosmiczny, w centrum którego znajduje się gigantyczna instalacja prysznicowa, z której wyrywają się miliardy mikroskopijnych kropel wody, lecą w kosmos, a następnie są zasysane do ogromnej paszczy kosmicznego odkurzacza.
Niedawno okazało się, że układ chłodzenia kroplowego jądrowego układu napędowego był testowany w warunkach naziemnych. Jednocześnie układ chłodzenia jest najważniejszym etapem tworzenia instalacji.
Teraz wystarczy przetestować jego działanie w warunkach nieważkości, a dopiero potem będzie można spróbować stworzyć układ chłodzenia o wymiarach wymaganych do instalacji. Każdy taki udany test trochę przybliża Rosyjscy specjaliści do powstania obiektu jądrowego. Naukowcy się spieszą, ponieważ uważa się, że wystrzelenie w kosmos silnika jądrowego może pomóc Rosji odzyskać pozycję lidera w kosmosie.
nuklearna epoka kosmiczna
Załóżmy, że to się uda i za kilka lat w kosmosie zacznie działać silnik jądrowy. Jak to pomoże, jak można go wykorzystać? Na początek warto wyjaśnić, że w formie, w jakiej obecnie istnieje jądrowy system napędowy, może on działać tylko w kosmosie. Nie może w żaden sposób wystartować z Ziemi i wylądować w tej formie, jak dotąd nie można obejść się bez tradycyjnych rakiet chemicznych.
Dlaczego w kosmosie? Cóż, ludzkość szybko leci na Marsa i Księżyc, i to wszystko? Nie na pewno w ten sposób. Obecnie wszystkie projekty fabryk orbitalnych i fabryk działających na orbicie okołoziemskiej stoją w martwym punkcie z powodu braku surowców do pracy. Nie ma sensu budować czegokolwiek w kosmosie, dopóki nie zostanie znaleziony sposób na umieszczenie na orbicie dużej ilości wymaganych surowców, takich jak ruda metalu.
Ale po co podnosić je z Ziemi, jeśli wręcz przeciwnie, można je sprowadzić z kosmosu. W tym samym pasie asteroid w Układzie Słonecznym znajdują się po prostu ogromne rezerwy różnych metali, w tym szlachetnych. W tym przypadku stworzenie holownika jądrowego stanie się tylko ratunkiem.
Przenieś na orbitę ogromną platynową lub zawierającą złoto asteroidę i zacznij ją rzeźbić w kosmosie. Zdaniem ekspertów taka produkcja, biorąc pod uwagę wolumen, może okazać się jedną z najbardziej opłacalnych.
Czy istnieje mniej fantastyczne zastosowanie holownika jądrowego? Na przykład może być używany do dostarczania satelitów na pożądane orbity lub przenoszenia statku kosmicznego w żądany punkt w kosmosie, na przykład na orbitę księżycową. Obecnie wykorzystywane są do tego górne stopnie, na przykład rosyjska Fregat. Są drogie, skomplikowane i jednorazowe. Holownik nuklearny będzie mógł je odebrać na niskiej orbicie okołoziemskiej i dostarczyć tam, gdzie będzie to potrzebne.
To samo dotyczy podróży międzyplanetarnych. Bez szybki sposób aby dostarczyć ładunek i ludzi na orbitę Marsa, po prostu nie ma szans na rozpoczęcie kolonizacji. Pojazdy startowe obecnej generacji zrobią to bardzo drogo i przez długi czas. Do tej pory czas trwania lotu pozostaje jednym z najpoważniejszych problemów podczas lotów na inne planety. Przetrwanie miesięcy lotu na Marsa iz powrotem w zamkniętej kapsule statku kosmicznego nie jest łatwym zadaniem. Tu również może pomóc holownik jądrowy, znacznie skracając ten czas.
Niezbędne i wystarczające
Obecnie wszystko to wygląda jak science fiction, ale według naukowców do przetestowania prototypu zostało tylko kilka lat. Najważniejsze, co jest wymagane, to nie tylko dokończenie rozwoju, ale także utrzymanie niezbędnego poziomu astronautyki w kraju. Nawet przy spadku funduszy rakiety powinny nadal startować, budować statki kosmiczne, a najcenniejsi specjaliści powinni pracować.
W przeciwnym razie jeden silnik jądrowy bez odpowiedniej infrastruktury nie pomoże sprawie, bo… maksymalna wydajność bardzo ważne będzie nie tylko sprzedanie rozwoju, ale samodzielne jego wykorzystanie, pokazując wszystkie możliwości nowego pojazdu kosmicznego.
W międzyczasie wszyscy mieszkańcy kraju, którzy nie są przywiązani do pracy, mogą tylko patrzeć w niebo i mieć nadzieję, że rosyjska kosmonautyka odniesie sukces. I holownik nuklearny i zachowanie obecnych możliwości. Nie chcę wierzyć w inne wyniki.
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 bliskiej Ziemi, jak i na samej Ziemi.
Elektrownia jądrowa (NPP) będzie gotowa do lotu już w 2018 roku. Zostało to ogłoszone przez dyrektora Keldysh Center, akademika Anatolij Korotejew. „Musimy przygotować pierwszą próbkę (megawatowej elektrowni jądrowej – ok. „Expert Online”) do testów projektu lotu w 2018 roku. To, czy będzie latać, czy nie, to inna sprawa, może być kolejka, ale musi być gotowa do lotu ”- powiedział RIA Novosti. Oznacza to, że jeden z najbardziej ambitnych sowiecko-rosyjskich projektów w dziedzinie eksploracji kosmosu wchodzi w fazę natychmiastowej praktycznej realizacji.
Istotą tego projektu, którego korzenie sięgają połowy ubiegłego wieku, jest to. Obecnie loty do kosmosu bliskiego Ziemi są wykonywane na rakietach, które poruszają się w wyniku spalania w ich silnikach paliwa ciekłego lub stałego. W rzeczywistości jest to ten sam silnik, co w samochodzie. Tylko w samochodzie spalanie benzyny popycha tłoki w cylindrach, przenosząc przez nie swoją energię na koła. A w silniku rakietowym spalanie nafty lub heptylu bezpośrednio popycha rakietę do przodu.
Przez ostatnie pół wieku 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 ślepy zaułek pod względem ewolucji. " Bez względu na to, ile pracują specjaliści od silników rakietowych na całym świecie, maksymalny efekt, jaki uzyskamy, zostanie obliczony w ułamkach procentowych. Z grubsza rzecz biorąc, wszystko zostało wyciśnięte z istniejących silników rakietowych, czy to paliwo płynne, czy stałe, i próby zwiększenia ciągu, specyficzny impuls są po prostu beznadziejne. Z kolei elektrownie jądrowe dają kilkukrotny wzrost. Na przykładzie lotu na Marsa - teraz trzeba polecieć od półtora do dwóch lat tam i z powrotem, ale będzie można latać za dwa do czterech miesięcy "- były szef Federalnej Agencji Kosmicznej Rosji kiedyś ocenił sytuację Anatolij Perminow.
Dlatego jeszcze w 2010 roku ówczesny prezydent Rosji, a teraz premier Dmitrij Miedwiediew do końca tej dekady wydano rozkaz stworzenia w naszym kraju kosmicznego modułu transportowo-energetycznego opartego na megawatowej elektrowni jądrowej. Na rozwój tego projektu do 2018 roku planuje się przeznaczyć 17 mld rubli z budżetu federalnego Roskosmosu i Rosatomu. 7,2 miliarda z tej kwoty przeznaczono na państwową korporację Rosatom na stworzenie elektrowni reaktorowej (robi to Instytut Badań i Projektowania w Energetyce Dollezhal), 4 miliardy na Centrum Keldysh na stworzenie energetyki jądrowej zakład. Na stworzenie modułu transportowo-energetycznego, czyli innymi słowy rakiety, RSC Energia przeznacza 5,8 mld rubli.
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. Wykorzystywano je do tworzenia systemu obserwacji celów nawodnych na wszystkich wodach Oceanu Światowego w każdych warunkach pogodowych oraz do wydawania oznaczeń celów z transmisją do nośników broni lub stanowiska dowodzenia- system rozpoznania kosmosu morskiego i wyznaczania celów „Legenda” (1978).
NASA i Firmy amerykańskie, produkując statki kosmiczne i ich środki przenoszenia, nie byli w stanie w tym czasie, chociaż trzykrotnie próbowali, stworzyć reaktor jądrowy, który działałby stabilnie w kosmosie. W związku z tym w 1988 roku ONZ wprowadził zakaz używania statków kosmicznych z napędami jądrowymi, a w Związku Radzieckim wstrzymano produkcję satelitów typu US-A z elektrowniami jądrowymi na pokładzie.
Równolegle w latach 60-70 ubiegłego wieku Centrum Keldysha prowadziło aktywne prace nad stworzeniem silnika jonowego (silnik elektroplazmowy), 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 elektryczności 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. Taka jest zasada działania silnika jonowego, którego prototyp powstał już w Keldysh Center.
« W latach 90. w Keldysh Center wznowiliśmy prace nad silnikami jonowymi. Teraz należy nawiązać nową współpracę dla tak potężnego projektu. Istnieje już prototyp silnika jonowego, na którym możliwe jest opracowanie głównych rozwiązań technologicznych i konstrukcyjnych. A regularne produkty wciąż muszą być tworzone. Mamy termin – do 2018 roku produkt powinien być gotowy do prób w locie, a do 2015 roku główne prace rozwojowe silnika powinny być zakończone. Next - testy żywotności i testy całej jednostki jako całości”, - zauważył w zeszłym roku kierownik wydziału elektrofizyki Centrum Badawczego im. M.V. Keldysha, profesor, Wydział 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 atomem 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 innych planetach. Teraz wiele krajów ma takie statki. W Stanach Zjednoczonych wznowiono je 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 Edwardzie Crowleyu, na przykład uważa, że statek na międzynarodowy lot 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 iw technologii jądrowej. Ma też duże doświadczenie w adaptacji człowieka do warunków kosmicznych, ponieważ rosyjscy kosmonauci wykonywali bardzo długie loty. „, Crowley powiedział dziennikarzom zeszłej wiosny po wykładzie na Moskiewskim Uniwersytecie Państwowym na temat amerykańskich planów załogowej eksploracji kosmosu.
Po drugie, takie statki pozwalają na gwałtowną intensyfikację aktywności w przestrzeni okołoziemskiej i dają realną szansę na rozpoczęcie kolonizacji Księżyca (na satelicie Ziemi są już projekty budowlane). elektrownie jądrowe). « Zastosowanie jądrowych systemów napędowych jest rozważane w przypadku dużych systemów załogowych, a nie 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 ładunek między niską i wysoką orbitą, latać na asteroidy. Możesz stworzyć holownik księżycowy wielokrotnego użytku lub wysłać ekspedycję na Marsa"- mówi profesor Oleg Gorszkow. Takie statki dramatycznie zmieniają ekonomię eksploracji kosmosu. Według wyliczeń specjalistów RSC Energia, rakieta nośna o napędzie jądrowym zmniejsza koszt wystrzelenia ładunku na orbitę księżycową ponad dwukrotnie w porównaniu z silnikami rakietowymi na paliwo ciekłe.
Po trzecie są to nowe materiały i technologie, które powstaną podczas realizacji tego projektu, a następnie zostaną wprowadzone do innych branż – metalurgii, budowy maszyn itp. Oznacza to, że jest to jeden z takich przełomowych projektów, które mogą naprawdę popchnąć do przodu zarówno rosyjską, jak i światową gospodarkę.
