Alexandru Losev
Dezvoltarea rapidă a rachetelor și a tehnologiei spațiale în secolul al XX-lea s-a datorat obiectivelor și intereselor militar-strategice, politice și, într-o anumită măsură, ideologice ale celor două superputeri - URSS și SUA, iar toate programele spațiale de stat erau o continuare a proiectelor lor militare, în care sarcina principala era nevoie să se asigure capacitatea de apărare și paritatea strategică cu un potențial adversar. Costul de creare a echipamentelor și costurile de operare atunci nu a avut esenţial. Au fost alocate resurse enorme pentru crearea de vehicule de lansare și nave spațiale, iar cele 108 minute ale zborului lui Yuri Gagarin în 1961 și transmisiunea televizată a lui Neil Armstrong și Buzz Aldrin de la suprafața Lunii în 1969 nu au fost doar triumfuri ale gândirii științifice și tehnice. , au fost considerate și victorii strategice în bătăliile din Războiul Rece.
Dar după ce Uniunea Sovietică s-a prăbușit și a renunțat la cursa pentru conducerea mondială, oponenții săi geopolitici, în primul rând Statele Unite, nu au mai avut nevoie să implementeze proiecte spațiale prestigioase, dar extrem de costisitoare, pentru a demonstra lumii întregi superioritatea Occidentului. sistem economic și concepte ideologice.
În anii '90, principalele sarcini politice ale trecutului și-au pierdut relevanța, confruntarea blocului a fost înlocuită de globalizare, pragmatismul a predominat în lume, astfel că majoritatea programelor spațiale au fost restrânse sau amânate, doar ISS a rămas din proiectele de anvergură ale trecut. În plus, democrația occidentală a livrat toate cele scumpe programe guvernamentale dependente de ciclurile electorale.
Sprijinul alegătorilor necesar pentru a câștiga sau a rămâne la putere îi face pe politicieni, parlamentele și guvernele să încline spre populism și să rezolve problemele imediate, astfel încât cheltuielile pentru explorarea spațiului sunt reduse de la an la an.
Majoritatea descoperirilor fundamentale au fost făcute în prima jumătate a secolului al XX-lea, iar astăzi știința și tehnologia au atins anumite limite, în plus, popularitatea cunoștințelor științifice a scăzut în întreaga lume, iar calitatea predării matematicii, fizicii și alte științe ale naturii s-au deteriorat. Acesta a fost motivul stagnării, inclusiv în sectorul spațial, din ultimele două decenii.
Dar acum devine evident că lumea se apropie de sfârșitul următorului ciclu tehnologic bazat pe descoperirile secolului trecut. Prin urmare, orice putere care va avea tehnologii fundamental noi promițătoare în momentul schimbării ordinii tehnologice globale va asigura automat conducerea mondială pentru cel puțin următorii cincizeci de ani.
Dispozitivul principal al unui motor de rachetă nucleară cu hidrogen ca fluid de lucru
Acest lucru se realizează în Statele Unite, unde s-a luat un curs de reînvie măreția americană în toate sferele de activitate, și în China, contestând hegemonia americană, și în Uniunea Europeană, care încearcă din toate puterile să-și mențină greutatea în economia globală.
Există o politică industrială și se angajează serios în dezvoltarea propriului potențial științific, tehnic și de producție, iar sectorul spațial poate deveni cel mai bun teren de testare pentru testarea noilor tehnologii și pentru demonstrarea sau infirmarea ipotezelor științifice care pot pune bazele pentru creând o tehnologie fundamental diferită, mai avansată a viitorului.
Și este destul de firesc să ne așteptăm ca Statele Unite să fie prima țară în care proiectele de explorare a spațiului adânc vor fi reluate pentru a crea tehnologii inovatoare unice în domeniul armelor, transportului și materiale de construcție precum şi în biomedicină şi telecomunicaţii
Adevărat, nici măcar Statele Unite nu au succesul garantat pe calea creării de tehnologii revoluționare. Există un risc mare de a ajunge într-o fundătură, îmbunătățirea motoarelor de rachete cu propulsie chimică vechi de o jumătate de secol, așa cum face SpaceX a lui Elon Musk, sau construirea unor sisteme de susținere a vieții pe distanțe lungi similare celor deja implementate pe ISS.
Poate Rusia, a cărei stagnare în sectorul spațial devine din ce în ce mai vizibilă în fiecare an, să facă o descoperire în cursa pentru viitorul lider tehnologic pentru a rămâne în clubul superputerilor, și nu în lista țărilor în curs de dezvoltare?
Da, desigur, Rusia poate și, în plus, un pas semnificativ înainte a fost deja făcut în domeniul energiei nucleare și al tehnologiilor motoarelor nucleare, în ciuda subfinanțării cronice a industriei spațiale.
Viitorul astronauticii este utilizarea energiei nucleare. Pentru a înțelege modul în care tehnologia nucleară și spațiul sunt legate, este necesar să luăm în considerare principiile de bază ale propulsiei cu reacție.
Deci, principalele tipuri de motoare spațiale moderne sunt create pe principiile energiei chimice. Acestea sunt propulsoare cu propulsie solidă și motoare rachete cu propulsie lichidă, în camerele lor de ardere, componentele combustibilului (combustibil și oxidant), care intră într-o reacție de combustie fizico-chimică exotermă, formează un curent jet care ejectează tone de materie din duza motorului la fiecare al doilea. Energia cinetică a fluidului de lucru al jetului este transformată într-o forță reactivă suficientă pentru a propulsa racheta. Impulsul specific (raportul dintre forța produsă și masa combustibilului utilizat) al unor astfel de motoare chimice depinde de componentele combustibilului, de presiunea și temperatura din camera de ardere, precum și de greutatea moleculară a amestecului gazos evacuat prin duza motorului.
Și cu cât temperatura substanței și presiunea din interiorul camerei de ardere sunt mai mari și cu cât greutatea moleculară a gazului este mai mică, cu atât impulsul specific este mai mare și, prin urmare, eficiența motorului. Impulsul specific este cantitatea de mișcare și se obișnuiește să se măsoare în metri pe secundă, precum și viteza.
În motoarele chimice, amestecurile de combustibil oxigen-hidrogen și fluor-hidrogen (4500–4700 m/s) dau cel mai mare impuls specific, dar motoarele de rachetă alimentate cu kerosen și oxigen, cum ar fi Soyuz și rachete „Falcon” Mask, precum și motoarele pe dimetilhidrazină asimetrică (UDMH) cu un oxidant sub formă de amestec de tetroxid de azot și acid azotic („Proton” sovietic și rusesc, „Arian” francez, „Titan”) american. Eficiența lor este de 1,5 ori mai mică decât cea a motoarelor alimentate cu hidrogen, dar un impuls de 3000 m / s și puterea este destul de suficientă pentru a face profitabilă din punct de vedere economic lansarea de tone de sarcini utile pe orbitele apropiate de Pământ.
Dar zborurile către alte planete necesită o navă spațială mult mai mare decât orice a fost creat de omenire înainte, inclusiv ISS modulară. În aceste nave, este necesar să se asigure atât existența autonomă pe termen lung a echipajelor, cât și o anumită aprovizionare cu combustibil și durata de viață a principalelor motoare și motoare pentru manevre și corectarea orbitei, să asigure livrarea astronauților într-un modul special de aterizare la suprafața altei planete și întoarcerea lor pe nava principală de transport, apoi și întoarcerea expediției pe Pământ.
Cunoștințele acumulate de inginerie și tehnică și energia chimică a motoarelor fac posibilă întoarcerea pe Lună și ajungerea pe Marte, așa că este foarte probabil ca în următorul deceniu umanitatea să viziteze Planeta Roșie.
Dacă ne bazăm doar pe tehnologiile spațiale disponibile, atunci masa minimă a unui modul locuibil pentru un zbor cu echipaj uman către Marte sau către sateliții lui Jupiter și Saturn va fi de aproximativ 90 de tone, adică de 3 ori mai mult decât navele lunare de la începutul anilor 1970. , ceea ce înseamnă că vehiculele de lansare pentru inserarea lor în orbitele de referință pentru zborul în continuare către Marte vor fi mult superioare Saturn-5 (greutate de lansare 2965 tone) al proiectului lunar Apollo sau transportatorului sovietic Energia (greutate de lansare 2400 tone). Va fi necesar să se creeze un complex interplanetar cu o greutate de până la 500 de tone pe orbită. Un zbor pe o navă interplanetară cu motoare cu rachete chimice va necesita de la 8 luni la 1 an de timp doar într-o singură direcție, deoarece va trebui să faceți manevre gravitaționale, folosind forța gravitațională a planetelor pentru accelerarea suplimentară a navei și o aprovizionare uriașă de combustibil.
Dar folosind energia chimică a motoarelor rachete, omenirea nu va zbura dincolo de orbita lui Marte sau a lui Venus. Avem nevoie de alte viteze de zbor ale navelor spațiale și de altă energie de mișcare mai puternică.
Proiectul modern de motor de rachetă nucleară Princeton Satellite Systems
Pentru a explora spațiul adânc, este necesar să creștem semnificativ raportul tracțiune-greutate și eficiența unui motor de rachetă, ceea ce înseamnă creșterea impulsului specific și a duratei de viață. Și pentru aceasta, este necesar să se încălzească gazul sau substanța fluidului de lucru cu o masă atomică scăzută în interiorul camerei motorului la temperaturi de câteva ori mai mari decât temperatura de ardere chimică a amestecurilor de combustibil tradiționale, iar acest lucru se poate face folosind o reacție nucleară. .
Dacă, în locul unei camere de ardere convenționale, un reactor nuclear este plasat în interiorul unui motor de rachetă, în zona activă a căreia este furnizată o substanță sub formă lichidă sau gazoasă, atunci acesta, încălzindu-se sub presiune ridicată până la câteva mii de grade, va începe să fie ejectat prin canalul duzei, creând tracțiunea jetului. Impulsul specific al unui astfel de motor nuclear cu reacție va fi de câteva ori mai mare decât cel al unuia convențional bazat pe componente chimice, ceea ce înseamnă că eficiența atât a motorului în sine, cât și a vehiculului de lansare în ansamblu va crește de multe ori. În acest caz, nu este necesar un oxidant pentru arderea combustibilului, iar hidrogenul gazos ușor poate fi utilizat ca substanță care creează tracțiunea jetului, dar știm că cu cât greutatea moleculară a gazului este mai mică, cu atât impulsul va fi mai mare, iar acest lucru va fi semnificativ. reduceți masa rachetei cu o putere mai bună a motorului.
Un motor nuclear ar fi mai bun decât unul convențional, deoarece în zona reactorului gazul ușor poate fi încălzit la temperaturi mai mari de 9 mii de grade Kelvin, iar un jet de astfel de gaz supraîncălzit va oferi un impuls specific mult mai mare decât poate motoarele chimice obișnuite. da. Dar asta e in teorie.
Pericolul nu este nici măcar că, în timpul lansării unui vehicul de lansare cu o astfel de instalație nucleară, poate apărea contaminarea radioactivă a atmosferei și a spațiului din jurul rampei de lansare, principala problemă este că la temperaturi ridicate motorul însuși se poate topi împreună cu nava spațială. . Designerii și inginerii înțeleg acest lucru și încearcă de câteva decenii să găsească soluții potrivite.
Motoarele de rachete nucleare (NRE) au deja propria lor istorie de creare și funcționare în spațiu. Prima dezvoltare a motoarelor nucleare a început la mijlocul anilor 1950, adică chiar înainte de zborul spațial cu echipaj și aproape simultan în URSS și SUA, și însăși ideea de a folosi reactoare nucleare pentru a încălzi substanța de lucru într-o rachetă. motorul sa născut împreună cu primele reactoare la mijlocul anilor 40, adică acum mai bine de 70 de ani.
În țara noastră, termofizicianul Vitali Mikhailovici Ievlev a devenit inițiatorul creării NRE. În 1947, a prezentat un proiect care a fost susținut de S. P. Korolev, I. V. Kurchatov și M. V. Keldysh. Inițial, s-a planificat utilizarea unor astfel de motoare pentru rachete de croazieră și apoi montarea lor pe rachete balistice. Birourile de conducere de proiectare a apărării din Uniunea Sovietică, precum și institutele de cercetare NIITP, CIAM, IAE, VNIINM au preluat dezvoltarea.
Motorul nuclear sovietic RD-0410 a fost asamblat la mijlocul anilor ’60 de către „Biroul de proiectare al automatizării chimice” Voronezh, unde au fost create majoritatea motoarelor de rachete lichide pentru tehnologia spațială.
Hidrogenul a fost folosit ca fluid de lucru în RD-0410, care în formă lichidă a trecut prin „manta de răcire”, eliminând excesul de căldură de pe pereții duzei și împiedicând-o să se topească, apoi a intrat în miezul reactorului, unde a fost încălzit. la 3000K și ejectat prin duzele canalului, transformând astfel energia termică în energie cinetică și creând un impuls specific de 9100 m/s.
În SUA, proiectul NRE a fost lansat în 1952, iar primul motor de funcționare a fost creat în 1966 și a fost numit NERVA (Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application). În anii 60 - 70, Uniunea Sovietică și Statele Unite au încercat să nu cedeze reciproc.
Adevărat, atât RD-0410-ul nostru, cât și NERVA american au fost NRE-uri în fază solidă (combustibilul nuclear pe bază de carburi de uraniu se afla în reactor în stare solidă), iar temperatura lor de funcționare era în intervalul 2300-3100K.
Pentru a crește temperatura miezului fără riscul unei explozii sau topiri a pereților reactorului, este necesar să se creeze condiții pentru o reacție nucleară în care combustibilul (uraniul) trece în stare gazoasă sau se transformă într-o plasmă și este păstrat în interiorul reactorului datorită unui câmp magnetic puternic, fără a atinge pereții. Și apoi hidrogenul care intră în miezul reactorului „curge în jurul” uraniului în fază gazoasă și, transformându-se în plasmă, este aruncat prin canalul duzei la o viteză foarte mare.
Acest tip de motor se numește YRD în fază gazoasă. Temperaturile combustibilului gazos uraniu din astfel de motoare nucleare pot varia de la 10.000 la 20.000 de grade Kelvin, iar impulsul specific poate ajunge la 50.000 m/s, care este de 11 ori mai mare decât cele mai eficiente motoare cu rachete chimice.
Crearea și utilizarea în tehnologia spațială a NRE-urilor în fază gazoasă de tipuri deschise și închise este cea mai promițătoare direcție în dezvoltarea motoarelor de rachete spațiale și exact ceea ce umanitatea are nevoie pentru a explora planetele. sistem solarși tovarășii lor.
Primele studii asupra proiectului NRE în fază gazoasă au început în URSS în 1957 la Institutul de Cercetare a Proceselor Termice (Centrul de Cercetare M. V. Keldysh), iar însăși decizia de a dezvolta centrale nucleare spațiale bazate pe reactoare nucleare în fază gazoasă a fost luată în 1963 de către academicianul V. P. Glushko (NPO Energomash), apoi aprobat printr-o rezoluție a Comitetului Central al PCUS și a Consiliului de Miniștri al URSS.
Dezvoltarea unui NRE în fază gazoasă a fost realizată în Uniunea Sovietică timp de două decenii, dar, din păcate, nu a fost niciodată finalizată din cauza finanțării insuficiente și a necesității unor cercetări fundamentale suplimentare în domeniul termodinamicii combustibilului nuclear și plasmei de hidrogen, neutroni. fizica si magnetohidrodinamica.
Oamenii de știință nucleari sovietici și inginerii de proiectare s-au confruntat cu o serie de probleme, cum ar fi atingerea criticității și asigurarea stabilității funcționării unui reactor nuclear în fază gazoasă, reducerea pierderii de uraniu topit în timpul eliberării hidrogenului încălzit la câteva mii de grade, protecție termică. a duzei și a generatorului de câmp magnetic, acumularea de produse de fisiune a uraniului, alegerea materialelor structurale rezistente chimic etc.
Și când vehiculul de lansare Energia a început să fie creat pentru programul sovietic Mars-94, primul zbor cu echipaj cu echipaj către Marte, proiectul motorului nuclear a fost amânat pe termen nelimitat. Uniunea Sovietică nu a avut suficient timp și, cel mai important, voință politică și eficiență economică, pentru a ateriza cosmonauții noștri pe planeta Marte în 1994. Aceasta ar fi o realizare incontestabilă și o dovadă a conducerii noastre în tehnologii înalteîn următoarele câteva decenii. Dar spațiul, ca multe alte lucruri, a fost trădat de ultima conducere a URSS. Istoria nu poate fi schimbată, oamenii de știință și inginerii plecați nu pot fi returnați, iar cunoștințele pierdute nu pot fi restaurate. O mulțime de lucruri vor trebui să fie recreate.
Dar spațiul energie nucleară nu se limitează doar la sfera NRE-urilor în fază solidă și gazoasă. Pentru a crea un flux încălzit de materie într-un motor cu reacție, puteți folosi energie electrică. Această idee a fost exprimată pentru prima dată de Konstantin Eduardovich Tsiolkovsky în 1903 în lucrarea sa „Studiul spațiilor mondiale cu instrumente reactive”.
Iar primul motor de rachetă electrotermic din URSS a fost creat în anii 1930 de Valentin Petrovici Glushko, viitor academician al Academiei de Științe a URSS și șef al NPO Energia.
Principiile de funcționare a motoarelor electrice cu rachete pot fi diferite. Ele sunt de obicei împărțite în patru tipuri:
- electrotermic (încălzire sau arc electric). În ele, gazul este încălzit la temperaturi de 1000-5000K și este evacuat din duză în același mod ca în NRE.
- motoarele electrostatice (coloidale și ionice), în care substanța de lucru este ionizată mai întâi, iar apoi ionii pozitivi (atomi lipsiți de electroni) sunt accelerați într-un câmp electrostatic și sunt, de asemenea, ejectați prin canalul duzei, creând tracțiunea jetului. Motoarele cu plasmă staționare aparțin și ele motoarelor electrostatice.
- magnetoplasmă și motoare rachete magnetodinamice. Acolo, plasma gazoasă este accelerată de forța Ampère în câmpuri magnetice și electrice care se intersectează perpendicular.
- motoarele cu rachete cu impulsuri, care folosesc energia gazelor rezultate din evaporarea fluidului de lucru într-o descărcare electrică.
Avantajul acestor motoare electrice de rachetă este consumul scăzut al fluidului de lucru, eficiența de până la 60% și debitul mare de particule, care poate reduce semnificativ masa navei spațiale, dar există și un minus - densitate scăzută de tracțiune , și, în consecință, putere scăzută, precum și costul ridicat al fluidului de lucru (gaze inerte sau vapori de metale alcaline) pentru a crea o plasmă.
Toate tipurile de motoare electrice enumerate au fost implementate în practică și au fost utilizate în mod repetat în spațiu atât pe vehiculele sovietice, cât și pe cele americane de la mijlocul anilor 1960, dar datorită puterii lor reduse, au fost folosite în principal ca motoare de corectare a orbitei.
Din 1968 până în 1988, URSS a lansat o serie întreagă de sateliți Kosmos cu instalații nucleare la bord. Tipurile de reactoare au fost denumite: „Buk”, „Topaz” și „Yenisei”.
Reactorul proiectului Yenisei avea o putere termică de până la 135 kW și o putere electrică de aproximativ 5 kW. Purtătorul de căldură a fost o topitură de sodiu-potasiu. Acest proiect a fost încheiat în 1996.
Pentru un motor de rachetă susținător adevărat, este necesară o sursă foarte puternică de energie. Și cea mai bună sursă de energie pentru astfel de motoare spațiale este un reactor nuclear.
Energia nucleară este una dintre industriile high-tech în care țara noastră își menține poziția de lider. Și un motor de rachetă fundamental nou este deja creat în Rusia, iar acest proiect este aproape de finalizare cu succes în 2018. Testele de zbor sunt programate pentru 2020.
Și dacă NRE în fază gazoasă este un subiect al deceniilor viitoare la care va trebui să ne întoarcem după cercetări fundamentale, atunci alternativa sa actuală este o centrală nucleară de clasă megawați (NPP) și a fost deja creată de Rosatom și Întreprinderile Roscosmos din 2009.
NPO Krasnaya Zvezda, care este în prezent singurul dezvoltator și producător de centrale nucleare spațiale din lume, precum și Centrul de Cercetare numit după N.I. M. V. Keldysh, NIKIET ei. N. A. Dollezhala, Institutul de Cercetare NPO Luch, Institutul Kurchatov, IRM, IPPE, NIIAR și NPO Mashinostroeniya.
Centrala nucleară include un reactor nuclear cu neutroni rapidi răcit cu gaz la temperatură înaltă, cu o turbomașină de conversie a energiei termice în energie electrică, un sistem de emițătoare frigorifice pentru îndepărtarea excesului de căldură în spațiu, un compartiment pentru asamblarea instrumentelor, un bloc de motoare electrice de marș cu plasmă sau ion și un container pentru plasarea unei sarcini utile .
Într-un sistem de propulsie, un reactor nuclear servește ca sursă de energie electrică pentru funcționarea motoarelor electrice cu plasmă, în timp ce lichidul de răcire cu gaz al reactorului care trece prin miez intră în turbina generatorului și compresorului electric și se întoarce înapoi în reactor în o buclă închisă și nu este aruncată în spațiu ca în NRE, ceea ce face ca designul să fie mai fiabil și mai sigur și, prin urmare, potrivit pentru astronautica cu echipaj.
Este planificat ca o centrală nucleară să fie utilizată pentru un remorcher spațial reutilizabil pentru a asigura livrarea de mărfuri în timpul explorării Lunii sau crearea de polivalente. complexe orbitale. Avantajul va fi nu numai utilizarea reutilizabilă a elementelor sistemului de transport (pe care Elon Musk încearcă să le realizeze în proiectele sale spațiale SpaceX), ci și capacitatea de a livra de trei ori mai multă masă de marfă decât pe rachetele cu motoare cu reacție chimice de putere comparabilă prin reducerea masei de lansare a sistemului de transport . Designul special al unității o face sigură pentru oameni și mediu inconjurator pe pământ.
În 2014, primul element de combustibil de proiectare standard (element de combustibil) pentru această centrală de propulsie electrică nucleară a fost asamblat la OJSC Mashinostroitelny Zavod din Elektrostal, iar în 2016 a fost testat un simulator de coș de miez de reactor.
Acum (în 2017), se lucrează la fabricarea elementelor structurale ale instalației și testarea componentelor și ansamblurilor pe machete, precum și testarea autonomă a sistemelor de conversie a energiei de turbomașini și a prototipurilor de unități de putere. Finalizarea lucrărilor este programată pentru sfârșitul anului următor 2018, însă, din 2015, restanța din grafic a început să se acumuleze.
Așadar, de îndată ce această instalație va fi creată, Rusia va deveni prima țară din lume care deține tehnologii spațiale nucleare, care vor sta la baza nu numai a proiectelor viitoare de dezvoltare a sistemului solar, ci și a energiei terestre și extraterestre. Centralele nucleare spațiale pot fi folosite pentru a crea sisteme pentru transmiterea de la distanță a energiei electrice către Pământ sau către modulele spațiale folosind radiații electromagnetice. Și aceasta va deveni și tehnologia avansată a viitorului, unde țara noastră va avea o poziție de lider.
Pe baza motoarelor cu plasmă dezvoltate, vor fi create sisteme de propulsie puternice pentru zborurile spațiale umane pe distanțe lungi și, în primul rând, pentru explorarea lui Marte, a cărui orbită poate fi atinsă în doar 1,5 luni și nu mai mult de o an, ca atunci când se utilizează motoare cu reacție chimice convenționale.
Iar viitorul începe întotdeauna cu o revoluție a energiei. Si nimic altceva. Energia este primară și este magnitudinea consumului de energie care afectează progresul tehnic, capacitatea de apărare și calitatea vieții oamenilor.
Motor experimental de rachetă cu plasmă NASA
Astrofizicianul sovietic Nikolai Kardashev a propus o scară pentru dezvoltarea civilizațiilor încă din 1964. Conform acestei scale, nivelul de dezvoltare tehnologică a civilizațiilor depinde de cantitatea de energie pe care populația planetei o folosește pentru nevoile lor. Deci civilizația pe care o scriu folosește toate resursele disponibile disponibile pe planetă; civilizație de tip II - primește energia stelei sale, în sistemul căreia se află; iar o civilizație de tip III folosește energia disponibilă a galaxiei sale. Omenirea nu a ajuns încă la o civilizație de tip I la această scară. Folosim doar 0,16% din totalul aprovizionării cu energie potențială a planetei Pământ. Aceasta înseamnă că Rusia și întreaga lume au loc să crească, iar aceste tehnologii nucleare vor deschide calea țării noastre nu numai în spațiu, ci și pentru prosperitatea economică viitoare.
Și, poate, singura opțiune pentru Rusia în sfera științifică și tehnică este acum să facă o descoperire revoluționară în tehnologiile spațiale nucleare pentru a depăși mulți ani din spatele liderilor într-un singur „salt” și a fi imediat la originile unui nou revoluție tehnologică în următorul ciclu de dezvoltare a civilizației umane. O șansă atât de unică îi revine cutare sau cutare țară doar o dată la câteva secole.
Din păcate, Rusia, care nu a acordat atenția cuvenită științelor fundamentale și calității învățământului superior și secundar în ultimii 25 de ani, riscă să piardă pentru totdeauna această șansă dacă programul este restrâns și actualii oameni de știință și ingineri nu sunt înlocuiți. de o nouă generaţie de cercetători. Provocările geopolitice și tehnologice cu care se va confrunta Rusia în 10-12 ani vor fi foarte serioase, comparabile cu amenințările de la mijlocul secolului XX. Pentru a păstra suveranitatea și integritatea Rusiei în viitor, este urgent să începem pregătirea specialiștilor capabili să răspundă acestor provocări și să creeze ceva fundamental nou chiar acum.
Mai sunt aproximativ 10 ani pentru a transforma Rusia într-un centru intelectual și tehnologic mondial, iar acest lucru nu se poate face fără o schimbare serioasă a calității educației. Pentru o descoperire științifică și tehnologică, este necesar să se revină sistemului de învățământ (atât școlar, cât și universitar) o viziune sistematică asupra imaginii lumii, fundamentalității științifice și integrității ideologice.
În ceea ce privește stagnarea actuală din industria spațială, acest lucru nu este groaznic. Principiile fizice pe care se bazează tehnologiile spațiale moderne vor fi solicitate de sectorul serviciilor convenționale prin satelit pentru o lungă perioadă de timp. Amintiți-vă că omenirea folosește vele de 5,5 mii de ani, iar epoca aburului a durat aproape 200 de ani și abia în secolul al XX-lea lumea a început să se schimbe rapid, deoarece a avut loc o altă revoluție științifică și tehnologică, care a lansat un val de inovații. și o schimbare a tiparelor tehnologice, care în cele din urmă s-au schimbat și economie mondială si politica. Principalul lucru este să fii la originile acestor schimbări. [email protected] ,
site: https://delpress.ru/information-for-subscribers.html
Vă puteți abona la versiunea electronică a revistei „Arsenalul Patriei” la link.
Costul abonamentului anual -
12 000 de ruble.
Despre o rachetă de croazieră cu „rază nelimitată datorită nuclearului super-puternic centrală electrică„la dimensiunile rachetelor de croazieră Tomahawk (0,53 m diametru și 1400 kg) sau Kh-101 (0,74 m diametru și 2300 kg).
Prototip sovietic RD-0410(indice GRAU - 11B91, cunoscut și sub numele de „Irgit” și „IR-100”) - primul și singurul motor de rachetă nucleară sovietică
Să începem cu o prezentare video a PIB-ului
Rezumând senzațiile din proiectul arătat, putem spune că aceasta este o surpriză extremă aflată în pragul nesiguranței celui arătat. Voi încerca să explic de ce.
Da, din punct de vedere istoric, au existat dezvoltări de rachete de croazieră cu un motor cu aer nuclear ramjet: aceasta este racheta SLAM în SUA cu reactorul TORY-II, conceptul Avro Z-59 în Marea Britanie și evoluții în URSS.
O redare modernă a conceptului de rachetă Avro Z-59, cântărind aproximativ 20 de tone.
Cu toate acestea, toate aceste lucrări s-au desfășurat în anii 60 ca cercetare și dezvoltare de diferite grade de adâncime (Statele Unite ale Americii au mers cel mai departe, după cum se discută mai jos) și nu au primit continuarea sub formă de modele în funcțiune. Nu l-au primit din același motiv ca multe alte dezvoltări ale epocii atomice - avioane, trenuri, rachete cu centrale nucleare. Toate aceste opțiuni Vehicul cu unele plusuri pe care le oferă densitatea frenetică a energiei din combustibilul nuclear, ele au dezavantaje foarte serioase - cost ridicat, complexitate de funcționare, cerințe de protecție constantă și, în sfârșit, rezultate nesatisfăcătoare de dezvoltare, despre care de obicei se știe puțin (prin publicarea rezultatelor cercetării și dezvoltării, este mai profitabil pentru toate părțile să prezinte realizările și să ascundă eșecurile).
În special, pentru rachetele de croazieră este mult mai ușor să creezi un transportator (submarin sau avion) care va „trage” o mulțime de rachete de croazieră la locul de lansare decât să prostești cu o flotă mică (și este incredibil de dificil să stăpânești un flotă mare) de rachete de croazieră lansate de pe propriul teritoriu. Un produs universal, ieftin, de masă a câștigat în cele din urmă un produs la scară mică, scump și cu plusuri ambigue. Rachetele de croazieră nucleare nu au depășit testele la sol.
Această fundătură conceptuală a anilor ’60 a Republicii Kârgâze cu centrale nucleare, după părerea mea, este încă actuală, așa că întrebarea principală pentru cea arătată este „de ce?”. Dar este și mai convexă de problemele care apar în dezvoltarea, testarea și funcționarea unor astfel de arme, despre care vom vorbi în continuare.
Deci, să începem cu reactorul. Conceptele SLAM și Z-59 erau rachete cu trei mașini, care zboară joasă, de dimensiuni și masă impresionante (20+ tone după ce au fost aruncate propulsoarele de lansare). Supersonicul teribil de costisitor care zboară jos a făcut posibilă valorificarea la maximum a prezenței unei surse practic nelimitate de energie la bord, în plus, o caracteristică importantă a unui motor nuclear cu reacție de aer este îmbunătățirea eficienței funcționării (ciclu termodinamic) cu viteza crescândă, adică aceeasi idee, dar la viteze de 1000 km/h ar avea un motor mult mai greu si de ansamblu. În cele din urmă, 3M la o înălțime de o sută de metri în 1965 a însemnat invulnerabilitate la apărarea aeriană.
Se pare că înainte conceptul de CR cu centrale nucleare era „legat” la viteză mare, unde avantajele conceptului erau puternice, iar concurenții cu combustibilul cu hidrocarburi slăbeau.
Racheta prezentată, după părerea mea, este transsonică sau slab supersonică (cu excepția cazului în care, desigur, credeți că este ea în videoclip). Dar, în același timp, dimensiunea reactorului a scăzut semnificativ în comparație cu TORY-II de la racheta SLAM, unde avea până la 2 metri, inclusiv un reflector de neutroni radial din grafit.
Miezul primului reactor de testare TORY-II-A în timpul asamblarii.
Este chiar posibil să așezați un reactor cu un diametru de 0,4-0,6 metri? Să începem cu un reactor fundamental minim - un martor de Pu239. Un bun exemplu de implementare a unui astfel de concept este reactorul spațial Kilopower, care, totuși, folosește U235. Diametrul miezului reactorului este de doar 11 centimetri! Dacă trecem la plutoniu 239, dimensiunile miezului vor scădea de încă 1,5-2 ori.
Acum, de la dimensiunea minimă, vom începe să pășim spre un adevărat motor nuclear cu reacție de aer, amintindu-ne de complexitate. Primul lucru de adăugat la dimensiunea reactorului este dimensiunea reflectorului - în special, în Kilopower, BeO triplează dimensiunea. În al doilea rând, nu putem folosi un semifabricat U sau Pu - pur și simplu se vor arde într-un flux de aer în doar un minut. Este nevoie de o manta, cum ar fi incaloy, care rezista la oxidarea instantanee pana la 1000 C, sau alte aliaje de nichel cu o posibila acoperire ceramica. Introducerea unei cantități mari de material de înveliș în miez crește imediat cantitatea necesară de combustibil nuclear de câteva ori - la urma urmei, absorbția „neproductivă” a neutronilor în miez a crescut acum dramatic!
Mai mult decât atât, forma metalică a U sau Pu nu mai este potrivită - aceste materiale în sine nu sunt refractare (plutoniul se topește în general la 634 C), dar interacționează și cu materialul carcasei metalice. Transformăm combustibilul în forma clasică de UO2 sau PuO2 - obținem încă o diluție a materialului din miez, acum cu oxigen.
În cele din urmă, ne amintim scopul reactorului. Trebuie să pompăm mult aer prin el, căruia îi vom degaja căldură. aproximativ 2/3 din spatiu va fi ocupat de „tuburi de aer”.
TORY-IIC. Tijele de combustibil din zona activă sunt tuburi tubulare hexagonale din UO2, acoperite cu o carcasă ceramică de protecție, asamblate în ansambluri de combustibil incalo.
Ca urmare, diametrul minim al miezului crește la 40-50 cm (pentru uraniu), iar diametrul reactorului cu un reflector de beriliu de 10 cm până la 60-70 cm. Jupiter. Acest proiect complet de hârtie (de exemplu, temperatura miezului este prevăzută la 3000 K, iar pereții sunt din beriliu, care poate rezista la o forță de 1200 K) are un diametru al miezului calculat din neutronici de 55,4 cm, în timp ce racirea cu hidrogen face posibila reducerea usoara a dimensiunii canalelor prin care este pompat lichidul de racire .
Secțiunea transversală a zonei active a motorului nuclear cu reacție atmosferică MITEE și masele minime realizabile pentru diferite variante ale geometriei miezului - între paranteze sunt rapoartele dintre lungime și pasul tijei de combustibil (prima cifră), numărul de bare de combustibil (a doua cifră), numărul de elemente reflectoare (cifră terțiară) pentru diferite compoziții. Opțiunea cu combustibil sub formă de Americiu 242m și un reflector de hidrogen lichid nu este lipsită de interes :)
După părerea mea, un motor cu reacție nuclear aerian poate fi împins într-o rachetă cu un diametru de aproximativ un metru, care, de altfel, nu este încă cardinal mai mare decât 0,6-0,74 m, dar încă alarmant.
Într-un fel sau altul, centrala nucleară va avea o putere de ~ câțiva megawați, alimentată cu ~10^16 dezintegrari pe secundă. Aceasta înseamnă că reactorul însuși va crea un câmp de radiații de câteva zeci de mii de roentgens lângă suprafață și până la o mie de roentgens de-a lungul întregii rachete. Nici măcar instalarea a câteva sute de kg de protecție a sectorului nu va reduce foarte mult aceste niveluri, deoarece. neutronii și cuante gamma vor fi reflectate din aer și „ocolesc protecția”. În câteva ore, un astfel de reactor va produce ~10^21-10^22 atomi de produse de fisiune c cu o activitate de câțiva (câteva zeci) petabecquereli, care, chiar și după oprire, vor crea un fundal de câteva mii de roentgen în apropierea reactor. Designul rachetei va fi activat la aproximativ 10^14 Bq, deși izotopii vor fi în primul rând emițători beta și sunt periculoși doar prin bremsstrahlung. Fundalul structurii în sine poate ajunge la zeci de raze X la o distanță de 10 metri de corpul rachetei.
Raze X ale rachetei SLAM. Toate antrenările sunt pneumatice, echipamentul de control este într-o capsulă care atenuează radiația.
Toată această „veelie” dau ideea că dezvoltarea și testarea unei astfel de rachete este o sarcină în pragul posibilului. Este necesar să se creeze un întreg set de echipamente de navigație și control rezistente la radiații, să le testeze totul într-un mod destul de complex (radiații, temperatură, vibrații - și toate acestea pentru statistică). Testele de zbor cu un reactor în funcțiune în orice moment se pot transforma într-o catastrofă de radiații cu o eliberare de la sute de terrabecquerel la unități de petabecquerel. Chiar și fără situații catastrofale, depresurizarea barelor de combustibil individuale și eliberarea de radionuclizi sunt foarte probabile.
Desigur, în Rusia există încă un loc de testare Novaya Zemlya unde pot fi efectuate astfel de teste, dar acest lucru va fi contrar spiritului tratatului de interzicere a testelor de arme nucleare în trei medii (interdicția a fost introdusă pentru a preveni contaminarea sistematică a atmosfera si oceanul cu radionuclizi).
În cele din urmă, este interesant cine în Federația Rusă ar putea dezvolta un astfel de reactor. În mod tradițional, Institutul Kurchatov (proiectare generală și calcule), Obninsk FEI (testare experimentală și combustibil) și Institutul de Cercetare Luch din Podolsk (tehnologia combustibilului și a materialelor) au fost inițial implicate în reactoare de înaltă temperatură. Mai târziu, echipa NIKIET s-a alăturat proiectării unor astfel de mașini (de exemplu, reactoarele IGR și IVG - prototipuri ale zonei active a motorului de rachetă nucleară RD-0410). Astăzi, NIKIET are o echipă de proiectanți care efectuează lucrări la proiectarea reactoarelor (RUGK răcit cu gaz la temperatură înaltă, reactoare rapide MBIR, ), iar IPPE și Luch continuă să se ocupe de calcule și, respectiv, tehnologii aferente. Institutul Kurchatov, în ultimele decenii, s-a îndreptat mai mult spre teoria reactoarelor nucleare.
Cele mai apropiate rude ale NRE din aer sunt NRE spațiale purjate cu hidrogen.
Pe scurt, aș dori să spun că crearea unei rachete de croazieră cu motoare cu reacție de aer cu centrale nucleare este în general o sarcină fezabilă, dar în același timp extrem de costisitoare și complexă, care necesită o mobilizare semnificativă a oamenilor și resurse financiare, după cum mi se pare, într-o măsură mai mare decât toate celelalte proiecte vocale ("Sarmat", "Pumnal", "Status-6", "Vanguard"). Este foarte ciudat că această mobilizare nu a lăsat nici cea mai mică urmă. Și, cel mai important, nu este deloc clar care este beneficiul obținerii unor astfel de tipuri de arme (pe fondul transportatorilor existenți) și cum pot depăși numeroasele dezavantaje - probleme de securitate a radiațiilor, costuri ridicate, incompatibilitate cu armele strategice. tratate de reducere.
P.S. Cu toate acestea, „sursele” încep deja să atenueze situația: „O sursă apropiată complexului militar-industrial a declarat pentru Vedomosți că a fost asigurată siguranța radiațiilor în timpul testării rachetelor. Instalația nucleară de la bord era o machetă electrică, spune sursa. ."
RD-0410
În RD-0410, a fost utilizat un reactor cu neutroni termici eterogen, hidrura de zirconiu a servit ca moderator, reflectoarele de neutroni erau fabricate din beriliu, combustibilul nuclear era un material pe bază de uraniu și carburi de tungsten, îmbogățit în izotopul 235 aproximativ 80%. Designul a inclus 37 de ansambluri de combustibil acoperite cu izolație termică care le separă de moderator. Proiectul prevedea ca fluxul de hidrogen să treacă mai întâi prin reflector și moderator, menținându-le temperatura la temperatura camerei, apoi să intre în miez, unde a răcit ansamblurile de combustibil, încălzind până la 3100 K. La stand, reflectorul și moderatorul au fost răcit printr-un flux separat de hidrogen.
Reactorul a trecut printr-o serie semnificativă de teste, dar nu a fost niciodată testat pe toată durata de funcționare. Nodurile extra-reactorului au fost complet elaborate.
Video extrem de interesant:
Sunt prezentate destul de multe lucruri interesante. Aparent, videoclipul a fost realizat la sfârșitul anilor 80 pentru uz intern Minsredmashevsky / Minsredmashevsky, iar la începutul anilor 90 au fost introduse acolo subtitrări în engleză pentru a-i interesa pe americani în tehnologie.
Motor de rachetă nucleară - un motor de rachetă, al cărui principiu se bazează pe o reacție nucleară sau dezintegrare radioactivă, în timp ce se eliberează energie care încălzește fluidul de lucru, care poate fi produse de reacție sau altă substanță, cum ar fi hidrogenul.
Să aruncăm o privire la opțiunile și principiile din acțiune...
Există mai multe tipuri de motoare de rachetă care utilizează principiul de funcționare de mai sus: nucleare, radioizotopice, termonucleare. Folosind motoarele cu rachete nucleare, este posibil să se obțină valori specifice de impuls mult mai mari decât cele pe care le pot da motoarele cu rachete chimice. Valoarea mare a impulsului specific se explică prin viteza mare de expirare a fluidului de lucru - aproximativ 8-50 km/s. Forța de împingere a unui motor nuclear este comparabilă cu cea a motoarelor chimice, ceea ce va permite înlocuirea tuturor motoarelor chimice cu cele nucleare în viitor.
Principalul obstacol în calea înlocuirii complete este contaminarea radioactivă a mediului, care este cauzată de motoarele de rachete nucleare.
Ele sunt împărțite în două tipuri - fază solidă și fază gazoasă. La primul tip de motoare, materialul fisionabil este plasat în ansambluri de tije cu o suprafață dezvoltată. Acest lucru face posibilă încălzirea eficientă a fluidului de lucru gazos, de obicei hidrogenul acționând ca fluid de lucru. Viteza de evacuare este limitată de temperatura maximă a fluidului de lucru, care, la rândul său, depinde direct de temperatura maximă admisă a elementelor structurale și nu depășește 3000 K. În motoarele cu rachete nucleare în fază gazoasă, substanța fisionabilă este în stare gazoasă. Reținerea acestuia în zona de lucru se realizează prin expunerea la un câmp electromagnetic. Pentru acest tip de motoare cu rachete nucleare, elementele structurale nu sunt un factor de descurajare, astfel încât viteza de expirare a fluidului de lucru poate depăși 30 km/s. Pot fi folosite ca motoare de primă etapă, în ciuda scurgerii de material fisionabil.
În anii 70. Secolului 20 în Statele Unite și Uniunea Sovietică, au fost testate activ motoarele de rachete nucleare cu material fisionabil în fază solidă. În Statele Unite, era în curs de dezvoltare un program pentru a crea un motor de rachetă nuclear experimental ca parte a programului NERVA.
Americanii au dezvoltat un reactor de grafit răcit cu hidrogen lichid, care a fost încălzit, evaporat și ejectat printr-o duză de rachetă. Alegerea grafitului s-a datorat rezistenței sale la temperatură. Conform acestui proiect, impulsul specific al motorului rezultat urma să fie de două ori mai mare decât indicatorul corespunzător caracteristic motoarelor chimice, cu o tracțiune de 1100 kN. Reactorul Nerva trebuia să funcționeze ca parte a celei de-a treia etape a vehiculului de lansare Saturn V, dar din cauza închiderii programului lunar și a absenței altor sarcini pentru motoarele de rachete din această clasă, reactorul nu a fost niciodată testat în practică.
În prezent, un motor de rachetă nuclear în fază gazoasă se află în stadiul de dezvoltare teoretică. Într-un motor nuclear în fază gazoasă, se intenționează să se utilizeze plutoniu, al cărui jet de gaz cu mișcare lentă este înconjurat de un flux mai rapid de hidrogen de răcire. Pe stațiile spațiale orbitale MIR și ISS au fost efectuate experimente care pot da impuls dezvoltării ulterioare a motoarelor în fază gazoasă.
Astăzi, putem spune că Rusia și-a „înghețat” puțin cercetările în domeniul sistemelor de propulsie nucleară. Munca oamenilor de știință ruși se concentrează mai mult pe dezvoltarea și îmbunătățirea componentelor și ansamblurilor de bază ale sistemelor de propulsie nucleară, precum și pe unificarea acestora. O direcție prioritară pentru continuarea cercetărilor în acest domeniu este crearea de centrale nucleare capabile să funcționeze în două moduri. Primul este modul unui motor de rachetă nucleară, iar al doilea este modul de instalare generatoare de energie electrică pentru alimentarea echipamentelor instalate la bordul navei spațiale.
Rusia a fost și rămâne un lider în domeniul energiei spațiale nucleare. Organizații precum RSC Energia și Roskosmos au experiență în proiectarea, construirea, lansarea și operarea navelor spațiale echipate cu o sursă de energie nucleară. Motorul nuclear permite exploatarea avioane mulți ani, sporind în mod repetat caracterul lor practic.
cronica istorica
În același timp, livrarea unui aparat de cercetare pe orbitele planetelor îndepărtate ale sistemului solar necesită o creștere a resurselor unei astfel de instalații nucleare la 5-7 ani. S-a dovedit că un complex cu un sistem de propulsie nucleară cu o putere de aproximativ 1 MW ca parte a unei nave spațiale de cercetare va permite livrarea accelerată a sateliților artificiali ai celor mai îndepărtate planete, rover-uri planetare la suprafața sateliților naturali ai acestor planete. și livrarea solului de la comete, asteroizi, Mercur și sateliții lui Jupiter și Saturn.
Remorcher reutilizabil (MB)
Una dintre cele mai importante modalități de creștere a eficienței operațiunilor de transport în spațiu este utilizarea reutilizabilă a elementelor sistemului de transport. Un motor nuclear pentru nave spațiale cu o putere de cel puțin 500 kW face posibilă crearea unui remorcher reutilizabil și, prin urmare, crește semnificativ eficiența unui sistem de transport spațial cu mai multe legături. Un astfel de sistem este deosebit de util într-un program de asigurare a fluxurilor anuale mari de marfă. Un exemplu ar fi programul de explorare a Lunii cu crearea și întreținerea unei baze locuibile în continuă creștere și a complexelor tehnologice și industriale experimentale.
Calculul cifrei de afaceri de marfă
Conform studiilor de proiectare ale RSC Energia, în timpul construcției bazei, module cu o masă de aproximativ 10 tone ar trebui livrate la suprafața Lunii, până la 30 de tone pe orbita Lunii. stație orbitală este estimat la 700-800 tone, iar fluxul anual de marfă pentru asigurarea funcționării și dezvoltării bazei este de 400-500 tone.
Cu toate acestea, principiul funcționării unui motor nuclear nu permite dispersarea transportorului suficient de rapid. Datorită timpului lung de transport și, în consecință, a timpului semnificativ petrecut de sarcina utilă în centurile de radiații ale Pământului, nu toată încărcătura poate fi livrată cu remorchere cu propulsie nucleară. Prin urmare, fluxul de marfă care poate fi asigurat pe baza NEP este estimat la doar 100-300 tone/an.
Eficiență economică
Ca criteriu de eficiență economică a sistemului de transport interorbital, este recomandabil să se utilizeze valoarea costului unitar al transportului unei unități de masă de sarcină utilă (PG) de la suprafața Pământului pe orbita țintă. RSC Energia a dezvoltat un model economic și matematic care ia în considerare principalele componente de cost din sistemul de transport:
- pentru crearea și lansarea modulelor remorcher pe orbită;
- pentru achiziționarea unei instalații nucleare funcționale;
- costurile de operare, precum și costurile de cercetare și dezvoltare și eventualele costuri de capital.
Indicatorii de cost depind de parametrii optimi ai MB. Folosind acest model, un comparativ eficiență economică utilizarea unui remorcher reutilizabil bazat pe sisteme de propulsie nucleară cu o capacitate de circa 1 MW și a unui remorcher de unică folosință pe bază de propulsor lichid avansat în program pentru a asigura livrarea unei sarcini utile cu o masă totală de 100 t/an de pe Pământ spre orbita lunară cu o înălțime de 100 km. Atunci când se utilizează același vehicul de lansare cu o capacitate de transport egală cu capacitatea de transport a vehiculului de lansare Proton-M și o schemă de lansare cu două lansări pentru construirea unui sistem de transport, costul unitar al livrării unei unități de masă de sarcină utilă folosind un remorcher bazat pe un motorul nuclear va fi de trei ori mai mic decât atunci când se folosesc remorchere de unică folosință bazate pe rachete cu motoare lichide de tip DM-3.
Concluzie
Un motor nuclear eficient pentru spațiu contribuie la soluție probleme de mediu Pământ, zbor cu echipaj către Marte, crearea unui sistem de transmitere fără fir a energiei în spațiu, implementarea îngropării de înaltă securitate în spațiu a deșeurilor radioactive deosebit de periculoase din energia nucleară terestră, crearea unei baze lunare locuibile și începutul explorării industriale a Lunii, asigurând protecția Pământului de hazardul asteroid-cometă.
O modalitate sigură de a folosi energia nucleară în spațiu a fost inventată în URSS, iar acum se lucrează pentru a crea o instalație nucleară bazată pe aceasta, a spus. CEO Centrul Științific de Stat al Federației Ruse „Centrul de Cercetare Keldysh”, academicianul Anatoly Koroteev.
„Acum institutul lucrează activ în această direcție într-o cooperare largă între întreprinderile Roscosmos și Rosatom. Și sper că în timp util vom obține un efect pozitiv aici”, a spus A. Koroteev la „Lecturile regale” anuale de la Universitatea Tehnică de Stat Bauman din Moscova, marți.
Potrivit acestuia, Centrul Keldysh a inventat o schemă pentru utilizarea în siguranță a energiei nucleare în spațiul cosmic, care face posibilă evitarea emisiilor și funcționează în circuit închis, ceea ce face instalația sigură chiar și în cazul unei defecțiuni și căderi. la pământ.
„Această schemă reduce foarte mult riscul utilizării energiei nucleare, mai ales având în vedere că unul dintre punctele fundamentale este funcționarea acestui sistem pe orbite peste 800-1000 km. Apoi, în caz de eșec, timpul de „iluminare” este de așa natură încât face ca aceste elemente să se întoarcă în siguranță pe Pământ după o perioadă lungă de timp”, a precizat omul de știință.
A. Koroteev a spus că mai devreme în URSS vehiculele spațiale care funcționează cu energie nucleară erau deja folosite, dar erau potențial periculoase pentru Pământ și, ulterior, trebuiau abandonate. „URSS a folosit energia nucleară în spațiu. În spațiu erau 34 de nave spațiale cu energie nucleară, dintre care 32 erau sovietice și două americane”, a amintit academicianul.
Potrivit acestuia, instalația nucleară aflată în curs de dezvoltare în Rusia va fi facilitată prin utilizarea unui sistem de răcire fără cadru, în care lichidul de răcire al reactorului nuclear va circula direct în spațiul cosmic fără un sistem de conducte.
Dar la începutul anilor 1960, designerii considerau motoarele de rachete nucleare drept singura alternativă viabilă pentru călătoria pe alte planete din sistemul solar. Să aflăm istoria acestei probleme.
Competiția dintre URSS și SUA, inclusiv în spațiu, era în plină desfășurare în acel moment, inginerii și oamenii de știință au intrat în cursa pentru a crea un motor de rachetă nucleară, armata a susținut inițial și proiectul unui motor de rachetă nucleară. La început, sarcina părea foarte simplă - trebuie doar să faci un reactor proiectat pentru răcire cu hidrogen, nu cu apă, să-i atașezi o duză și - înainte spre Marte! Americanii mergeau pe Marte la zece ani după Lună și nici nu-și puteau imagina că astronauții ar ajunge vreodată la el fără motoare nucleare.
Americanii au construit foarte repede primul prototip de reactor și l-au testat deja în iulie 1959 (au fost numiți KIWI-A). Aceste teste au arătat doar că reactorul ar putea fi folosit pentru a încălzi hidrogenul. Designul reactorului - cu combustibil oxid de uraniu neprotejat - nu a fost potrivit pentru temperaturi ridicate, iar hidrogenul a fost încălzit la doar 1.500 de grade.
Odată cu acumularea de experiență, proiectarea reactoarelor pentru un motor de rachetă nucleară - NRE - a devenit mai complicată. Oxidul de uraniu a fost înlocuit cu o carbură mai rezistentă la căldură, în plus, a fost acoperit cu carbură de niobiu, dar când s-a încercat să atingă temperatura de proiectare, reactorul a început să se prăbușească. Mai mult, chiar și în absența deteriorării macroscopice, combustibilul de uraniu a difuzat în hidrogenul de răcire, iar pierderea de masă a atins 20% în cinci ore de funcționare a reactorului. Nu s-a găsit nici un material care să poată funcționa la 2700-3000 0 C și să reziste distrugerii prin hidrogen fierbinte.
Prin urmare, americanii au decis să sacrifice eficiența și au inclus un impuls specific în proiectul motorului de zbor (împingerea în kilograme de forță realizată la fiecare secundă ejectare a unui kilogram de masă corporală de lucru; unitatea de măsură este o secundă). 860 de secunde. Aceasta a fost de două ori cifra corespunzătoare pentru motoarele cu oxigen-hidrogen din acea vreme. Dar când americanii au început să reușească, interesul pentru zborurile cu echipaj a scăzut deja, programul Apollo a fost redus, iar în 1973 proiectul NERVA a fost în sfârșit închis (cum se numea motorul pentru o expediție cu echipaj pe Marte). După ce au câștigat cursa lunară, americanii nu au vrut să aranjeze una marțiană.
Dar lecțiile învățate de la o duzină de reactoare construite și zeci de teste efectuate au fost că inginerii americani s-au lăsat prea duși de teste nucleare la scară largă, în loc să elaboreze elemente cheie fără a implica tehnologia nucleară unde ar putea fi evitată. Și acolo unde este imposibil - să folosiți standuri de dimensiuni mai mici. Americanii au „condus” aproape toate reactoarele la putere maximă, dar nu au putut atinge temperatura de proiectare a hidrogenului - reactorul a început să se prăbușească mai devreme. În total, din 1955 până în 1972, 1,4 miliarde de dolari au fost cheltuiți pentru programul de propulsie a rachetelor nucleare - aproximativ 5% din costul programului lunar.
Tot în SUA a fost inventat proiectul Orion, combinând ambele versiuni ale NRE (reactiv și pulsat). Acest lucru s-a făcut astfel: mici încărcături nucleare cu o capacitate de aproximativ 100 de tone de TNT au fost aruncate din coada navei. În spatele lor, au fost trase discuri metalice. La distanță de navă, încărcătura a fost detonată, discul s-a evaporat, iar substanța împrăștiată în direcții diferite. O parte din ea a lovit secțiunea de coadă întărită a navei și a mutat-o înainte. O mică creștere a forței ar fi trebuit să fie dată de evaporarea plăcii care preia loviturile. Costul unitar al unui astfel de zbor ar fi trebuit să fie de numai 150 atunci dolari pe kilogram de sarcină utilă.
S-a ajuns chiar la teste: experiența a arătat că este posibilă mișcarea cu ajutorul impulsurilor succesive, precum și crearea unei plăci de pupa de o rezistență suficientă. Dar proiectul Orion a fost închis în 1965 ca nepromițător. Cu toate acestea, acesta este până acum singurul concept existent care poate permite expediții cel puțin în sistemul solar.
În prima jumătate a anilor 1960, inginerii sovietici au considerat o expediție pe Marte ca o continuare logică a programului de zbor cu echipaj către Lună care se dezvolta la acea vreme. Pe valul de entuziasm provocat de prioritatea URSS în spațiu, chiar și astfel de probleme extrem de complexe au fost evaluate cu un optimism sporit.
Una dintre cele mai importante probleme a fost (și rămâne până astăzi) problema alimentării cu energie electrică. Era clar că LRE-urile, chiar promițătoare de oxigen-hidrogen, dacă ar putea, în principiu, să ofere un zbor cu echipaj către Marte, atunci numai cu mase uriașe de pornire ale complexului interplanetar, cu un număr mare de andocări de blocuri individuale în ansamblu aproape de... orbita Pământului.
În căutarea soluțiilor optime, oamenii de știință și inginerii au apelat la energia nucleară, uitându-se treptat la această problemă.
În URSS, cercetările privind problemele utilizării energiei nucleului în tehnologia rachetelor și spațiale au început în a doua jumătate a anilor 1950, chiar înainte de lansarea primilor sateliți. În mai multe institute de cercetare au apărut grupuri mici de entuziaști, care și-au propus să creeze motoare nucleare și centrale electrice pentru rachete și spațiale.
Designerii lui OKB-11 S.P. Korolev, împreună cu specialiștii de la NII-12 sub conducerea lui V.Ya.Likhushin, au luat în considerare mai multe opțiuni pentru spațiu și luptă (!) Rachete echipate cu motoare de rachete nucleare (NRE). Fluidul de lucru era apa si gaze lichefiate– hidrogen, amoniac și metan.
Perspectiva era promițătoare; treptat lucrarea a găsit înţelegere şi securitate financiaraîn guvernul URSS.
Deja prima analiză a arătat că dintre numeroasele scheme posibile ale centralelor nucleare spațiale (CNP), trei au cele mai mari perspective:
- cu un reactor nuclear în fază solidă;
- cu un reactor nuclear în fază gazoasă;
- rachetă electronucleară EDU.
Schemele diferă fundamental; pentru fiecare dintre ele au fost conturate mai multe opțiuni pentru dezvoltarea lucrărilor teoretice și experimentale.
Cel mai aproape de realizare părea a fi un NRE în fază solidă. Impulsul pentru dezvoltarea muncii în această direcție a fost evoluții similare efectuate în Statele Unite din 1955 în cadrul programului ROVER, precum și perspectivele (cum părea atunci) de a crea un bombardier intercontinental cu echipaj intercontinental cu centrale nucleare.
YRD-ul în fază solidă funcționează ca un motor ramjet. Hidrogenul lichid intră în partea duzei, răcește vasul reactorului, ansamblurile combustibile (FA), moderator, apoi se întoarce și intră în ansamblurile combustibile, unde se încălzește până la 3000 K și este aruncat în duză, accelerând la viteze mari.
Principiile lucrării YARD nu au fost puse la îndoială. Cu toate acestea, performanțele sale structurale (și caracteristicile) au depins în mare măsură de „inima” motorului - un reactor nuclear și a fost determinată, în primul rând, de „umplutura” sa - zona activă.
Dezvoltatorii primelor NRE americane (și sovietice) au reprezentat un reactor omogen cu un miez de grafit. Munca grupului de căutare pentru noi tipuri de combustibil la temperatură înaltă, creat în 1958 în laboratorul nr. 21 (condus de G.A. Meyerson) al NII-93 (regiat de A.A. Bochvar), a fost oarecum diferită. Influențat de lucrările de la acea vreme la un reactor de avion (faguri de oxid de beriliu), grupul a făcut încercări (din nou, exploratorii) de a obține materiale pe bază de carbură de siliciu și zirconiu rezistente la oxidare.
Potrivit memoriilor lui R.B. Kotelnikov, angajat al NII-9, în primăvara anului 1958, șeful laboratorului nr. 21 a avut o întâlnire cu un reprezentant al NII-1, V.N. Bogin. El a spus că, ca material principal pentru elementele de combustibil (tije de combustibil) ale reactorului de la institutul lor (apropo, la acel moment, șeful industriei de rachete; șeful institutului V.Ya. Likhushin, supraveghetor științific M.V. .Ievlev) folosesc grafit. În special, ei au învățat deja cum să aplice acoperiri pe mostre pentru a proteja împotriva hidrogenului. Din partea NII-9, s-a propus să se ia în considerare posibilitatea utilizării carburilor UC-ZrC ca bază a elementelor de combustibil.
După puțin timp, a apărut un alt client pentru tije de combustibil - OKB M.M. Bondaryuk, care a concurat ideologic cu NII-1. Dacă acesta din urmă reprezenta un design multicanal dintr-o singură piesă, atunci Biroul de Proiectare al lui M.M. Bondaryuk s-a îndreptat către o versiune lamelară pliabilă, concentrându-se pe ușurința prelucrarii grafitului și nestânjenit de complexitatea detaliilor - plăci groase milimetrice cu aceleași coaste. Carburele sunt mult mai greu de prelucrat; la acea vreme, era imposibil să se facă din ele piese precum blocuri și plăci multicanal. A devenit clar că era necesar să se creeze un alt design care să corespundă specificului carburilor.
La sfârșitul anului 1959 - începutul anului 1960, a fost găsită o condiție decisivă pentru elementele de combustibil ale NRE - un miez tip tijă care satisface clienții - Institutul de Cercetare Likhushin și Biroul de proiectare Bondaryuk. Ca principală pentru ei, au fundamentat schema unui reactor cu neutroni termici eterogen; principalele sale avantaje (comparativ cu reactorul alternativ de grafit omogen) sunt următoarele:
- este posibil să se utilizeze un moderator care conține hidrogen la temperatură joasă, ceea ce face posibilă crearea unui NRE cu o perfecțiune de masă ridicată;
- este posibil să se dezvolte un prototip NRE de dimensiuni mici, cu o tracțiune de ordinul 30 ... 50 kN cu un grad ridicat de continuitate pentru motoarele și centralele nucleare din generația următoare;
- este posibilă utilizarea pe scară largă a carburilor refractare în barele de combustibil și în alte părți ale structurii reactorului, ceea ce face posibilă maximizarea temperaturii de încălzire a fluidului de lucru și furnizarea unui impuls specific crescut;
- este posibil să se elaboreze în mod autonom principalele unități și sisteme ale NRE (NPP), cum ar fi ansambluri de combustibil, moderator, reflector, unitate turbopompă (TPU), sistem de control, duză etc., element cu element; aceasta permite testarea în paralel, reducând volumul de teste complexe costisitoare ale centralei electrice în ansamblu.
În jurul anilor 1962–1963 NII-1, care are o bază experimentală puternică și personal excelent, a condus lucrările privind problema NRE. Le lipsea doar tehnologia uraniului, precum și oamenii de știință nucleari. Odată cu implicarea NII-9, și apoi IPPE, s-a dezvoltat cooperarea, care a luat ca ideologie crearea unei forțe minime (aproximativ 3,6 tf), dar un motor de vară „adevărat” cu un reactor „direct” IR- 100 (test sau cercetare, cu o capacitate de 100 MW, proiectant șef - Yu.A. Treskin). Sprijinită de decrete guvernamentale, NII-1 a construit standuri cu arc electric care au lovit invariabil imaginația - zeci de cilindri de 6–8 m înălțime, camere orizontale uriașe cu o putere de peste 80 kW și sticlă blindată în cutii. Participanții la întâlniri s-au inspirat din afișe colorate cu planuri de zboruri către Lună, Marte etc. S-a presupus că în procesul de creare și testare a NRE vor fi rezolvate problemele de proiectare, tehnologice și fizice.
Potrivit lui R. Kotelnikov, problema, din păcate, a fost complicată de poziția nu foarte clară a rachetarilor. Ministerul Ingineriei Mecanice Generale (MOM) a finanțat cu mare dificultate programul de testare și construcția bazei bancului. Se părea că OIM nu avea dorința sau capacitatea de a promova programul YARD.
Până la sfârșitul anilor 1960, sprijinul concurenților NII-1 - IAE, PNITI și NII-8 - a fost mult mai serios. Ministerul Construcțiilor de Mașini Medii („oamenii de știință atomici”) a sprijinit activ dezvoltarea acestora; reactorul IVG „buclă” (cu un miez și ansambluri de canal central tip tijă dezvoltate de NII-9) a ajuns în cele din urmă în prim-plan la începutul anilor 1970; a început să testeze ansamblurile de combustibil.
Acum, 30 de ani mai târziu, se pare că linia IAE a fost mai corectă: mai întâi - o buclă de „pământ” fiabilă - testarea tijelor și ansamblurilor de combustibil și apoi crearea unui NRE de zbor cu puterea necesară. Dar apoi se părea că se poate realiza foarte repede un motor adevărat, deși unul mic... Totuși, din moment ce viața a arătat că nu exista o nevoie obiectivă (sau chiar subiectivă) pentru un astfel de motor (la aceasta putem adăuga că gravitatea aspectelor negative ale acestei direcții, de exemplu, acordurile internaționale privind dispozitivele nucleare în spațiul cosmic, a fost la început foarte subestimată), apoi programul fundamental, ale cărui obiective nu erau înguste și specifice, sa dovedit a fi corespunzător. mai corectă și mai productivă.
La 1 iulie 1965 s-a luat în considerare proiectul preliminar al reactorului IR-20-100. Punctul culminant a fost lansarea proiectului tehnic pentru ansamblurile combustibile IR-100 (1967), format din 100 de tije (UC-ZrC-NbC și UC-ZrC-C pentru secțiunile de admisie și UC-ZrC-NbC pentru ieșire). NII-9 era gata pentru producerea unui lot mare de elemente de bază pentru viitorul miez IR-100. Proiectul a fost foarte progresiv: după aproximativ 10 ani, a fost folosit în zona aparatului 11B91 practic fără modificări semnificative și chiar și acum toate soluțiile principale sunt păstrate în ansambluri de reactoare similare pentru alte scopuri, cu un grad complet diferit. de calcul şi justificare experimentală.
Partea „rachetă” a primului RD-0410 nuclear intern a fost dezvoltată la Voronezh Design Bureau of Chemical Automation (KBKhA), partea „reactor” (reactor cu neutroni și probleme de siguranță a radiațiilor) - de către Institutul de Fizică și Energie (Obninsk) ) și Institutul de Energie Atomică Kurchatov.
KBHA este cunoscut pentru activitatea sa în domeniul motoarelor de rachete pentru rachete balistice, nave spațiale și vehicule de lansare. Aici au fost dezvoltate aproximativ 60 de mostre, dintre care 30 au fost aduse producție de serie. În KBHA, până în 1986, a fost creat și cel mai puternic motor de oxigen-hidrogen cu o singură cameră RD-0120, cu o tracțiune de 200 tf, care a fost folosit ca motor de marș la a doua etapă a complexului Energia-Buran. Nuclearul RD-0410 a fost creat împreună cu multe întreprinderi de apărare, birouri de proiectare și institute de cercetare.
Conform conceptului adoptat, hidrogenul lichid și hexanul (un aditiv inhibitor care reduce hidrogenarea carburilor și crește resursa de elemente combustibile) au fost alimentați cu ajutorul TNA într-un reactor de neutroni termici eterogen cu ansambluri de combustibil înconjurate de un moderator de hidrură de zirconiu. . Cojile lor au fost răcite cu hidrogen. Reflectorul avea antrenări pentru rotirea elementelor absorbante (cilindri din carbură de bor). TNA a inclus o pompă centrifugă în trei trepte și o turbină axială cu o singură treaptă.
Timp de cinci ani, din 1966 până în 1971, au fost create bazele tehnologiei motoarelor-reactor, iar câțiva ani mai târziu a fost pusă în funcțiune o puternică bază experimentală numită „expediția nr. 10”, ulterior o expediție experimentală a NPO „Luch”. " la locul de testare nucleară de la Semipalatinsk .
Au fost întâmpinate dificultăți deosebite în timpul testelor. A fost imposibil să se folosească standuri convenționale pentru a lansa un NRE la scară largă din cauza radiațiilor. S-a decis testarea reactorului la locul de testare nucleară din Semipalatinsk și a „partea rachetei” la NIIkhimmash (Zagorsk, acum Sergiev Posad).
Pentru studierea proceselor intracamerale au fost efectuate peste 250 de teste pe 30 de „motoare reci” (fără reactor). Camera de ardere a LRE de oxigen-hidrogen 11D56 dezvoltată de KBkhimmash (designer-șef A.M. Isaev) a fost folosită ca element de încălzire model. Timpul maxim de funcționare a fost de 13 mii de secunde cu o resursă declarată de 3600 de secunde.
Pentru a testa reactorul de la locul de testare de la Semipalatinsk, au fost construite două mine speciale cu camere de serviciu subterane. Unul dintre puțuri conectat la un rezervor subteran pentru hidrogen gazos comprimat. Utilizarea hidrogenului lichid a fost abandonată din motive financiare.
În 1976, a fost efectuată prima pornire a reactorului IVG-1. În același timp, la OE a fost creat un stand pentru a testa versiunea „motor” a reactorului IR-100, iar câțiva ani mai târziu a fost testat la diferite puteri (unul dintre IR-100 a fost ulterior transformat într-un mic -reactor de cercetare în știința materialelor energetice, care este încă în funcțiune).
Înainte de lansarea experimentală, reactorul a fost coborât în puț folosind o macara portal instalată la suprafață. După pornirea reactorului, hidrogenul a intrat în „cazan” de dedesubt, s-a încălzit până la 3000 K și a izbucnit din mină ca un curent de foc. În ciuda radioactivității nesemnificative a gazelor revărsate, nu a fost permis să fie afară pe o rază de un kilometru și jumătate de locul de testare în timpul zilei. A fost imposibil să te apropii de mină în sine timp de o lună. Un tunel subteran de un kilometru și jumătate ducea din zona de siguranță, mai întâi la un buncăr, și de la acesta la altul, situat în apropierea minelor. Specialiștii s-au deplasat de-a lungul acestor „coridoare” ciudate.
Ievlev Vitali Mihailovici
Rezultatele experimentelor efectuate cu reactorul în anii 1978–1981 au confirmat corectitudinea soluțiilor de proiectare. În principiu, a fost creat YARD-ul. A rămas să conectăm cele două părți și să efectuăm teste cuprinzătoare.
În jurul anului 1985, RD-0410 (după o altă notație 11B91) ar fi putut efectua primul său zbor în spațiu. Dar pentru aceasta a fost necesar să se dezvolte o unitate de overclock pe baza acesteia. Din păcate, această lucrare nu a fost comandată de niciun birou de proiectare spațială și există multe motive pentru aceasta. Principala este așa-numita Perestroika. Pașii nesăbuiți au dus la faptul că întreaga industrie spațială a căzut instantaneu în dizgrație, iar în 1988 lucrările la motoarele de rachete nucleare în URSS (atunci URSS încă exista) au fost oprite. Acest lucru s-a întâmplat nu din cauza unor probleme tehnice, ci din motive ideologice de moment. Și în 1990, inspiratorul ideologic al programelor YARD din URSS, Vitali Mikhailovici Ievlev, a murit ...
Care sunt principalele succese pe care dezvoltatorii le-au obținut prin crearea YRD-ului schemei „A”?
La reactorul IVG-1 au fost efectuate peste o duzină de teste la scară maximă și s-au obținut următoarele rezultate: temperatura maximă a hidrogenului este de 3100 K, impulsul specific este de 925 sec, eliberarea de căldură specifică este de până la 10 MW/ eu resursă comună mai mult de 4000 sec cu 10 porniri succesive a reactorului. Aceste rezultate depășesc cu mult realizările americane în zonele de grafit.
De remarcat că pe toată perioada testării NRE, în ciuda evacuarii deschise, eliberarea de fragmente de fisiune radioactivă nu a depășit limitele admise nici la locul de testare, nici în afara acestuia și nu a fost înregistrată pe teritoriul statelor vecine.
Cel mai important rezultat al lucrării a fost crearea unei tehnologii interne pentru astfel de reactoare, producția de noi materiale refractare, iar faptul de a crea un reactor-motor a dat naștere la o serie de proiecte și idei noi.
Deși dezvoltarea ulterioară a unui astfel de NRE a fost suspendată, realizările obținute sunt unice nu doar la noi, ci și în lume. Acest lucru a fost confirmat în mod repetat în ultimii ani la simpozioane internaționale despre energia spațială, precum și la întâlniri ale specialiștilor interni și americani (la acestea din urmă s-a recunoscut că standul reactorului IVG este singurul aparat de testare operațional din lume de astăzi care poate juca un rol important în dezvoltarea experimentală a ansamblurilor combustibile şi a centralelor nucleare).
surse
http://newsreaders.ru
http://marsiada.ru
http://vpk-news.ru/news/14241