Ракетные двигатели на жидком топливе дали человеку возможность выйти в космос — на околоземные орбиты. Однако подобные ракеты сжигают 99% топлива за первые несколько минут полёта. Остатка топлива может не хватить для путешествия на другие планеты, да и скорость будет настолько малой, что вояж займёт десятки или сотни лет. Решить проблему могут ядерные двигатели. Как? Будем разбираться вместе.
Принцип работы реактивного двигателя очень прост: он переводит топливо в кинетическую энергию струи (закон сохранения энергии), за счёт направления этой струи ракета движется в пространстве (закон сохранения импульса). Важно понимать, что мы не можем разогнать ракету или самолёт до скорости большей, чем скорость истечения топлива — раскалённого газа, выбрасываемого назад.
Космический аппарат New Horizons
Что же отличает эффективный двигатель от неудачного или устаревшего аналога? Прежде всего то, сколько топлива потребуется двигателю, чтобы разогнать ракету до нужной скорости. Этот важнейший параметр ракетного двигателя называется удельный импульс , который определяется как отношение общего импульса к расходу топлива: чем больше этот показатель, тем эффективнее ракетный двигатель. Если ракета практически целиком состоит из топлива (это означает, что в ней нет места для полезного груза, предельный случай), удельный импульс можно считать равным скорости истечения топлива (рабочего тела) из ракетного сопла. Запуск ракеты — крайне дорогостоящее мероприятие, учитывается каждый грамм не только полезного груза, но и топлива, которое тоже весит и занимает место. Поэтому инженеры подбирают всё более и более активное горючее, единица которой давала бы максимальную отдачу, увеличивая удельный импульс.
Подавляющее большинство ракет в истории и современности было оборудовано двигателями, использующими химическую реакцию горения (окисления) топлива.
Они позволили достичь Луны, Венеры, Марса и даже планет дальнего пояса — Юпитера, Сатурна и Нептуна. Правда, космические экспедиции заняли месяцы и годы (автоматические станции Pioneer, Voyager, New Horizons и др.). Необходимо отметить, что все подобные ракеты расходуют значительную часть топлива для отрыва от Земли, и далее продолжают полёт по инерции с редкими моментами включения двигателя.
Космический аппарат Pioneer
Подобные двигатели подходят для вывода ракет на околоземную орбиту, но, чтобы её разогнать хотя бы до четверти скорости света, понадобится невероятное количество топлива (расчёты показывают, что нужно 103200 грамм топлива, при том, что масса нашей Галактики не более 1056 грамма). Очевидно, что для достижения ближайших планет, а тем более звёзд, нам необходимы достаточно большие скорости, обеспечить которые жидкотопливные ракеты не в состоянии.
Газофазный ядерный двигатель
Дальний космос — дело совсем другое. Взять хотя бы Марс, «обжитый» фантастами вдоль и поперёк: он хорошо изучен и научно перспективен, а самое главное — близок как никто другой. Дело — за «космическим автобусом», который сможет доставить туда экипаж за разумное время, то есть, как можно быстрее. Но с межпланетным транспортом есть проблемы. Его сложно разогнать до нужной скорости, сохранив при этом приемлемые размеры и потратив разумное количество топлива.
RS-25 (Rocket System 25) — жидкостный ракетный двигатель компании Рокетдайн, США. Применялся на планере космической транспортной системы «Space Shuttle», на каждом из которых было установлено три таких двигателя. Более известен как двигатель SSME (англ. Space Shuttle Main Engine — главный двигатель космического челнока). Основными компонентами топлива являются жидкий кислород (окислитель) и водород (горючее). RS-25 использует схему закрытого цикла (с дожиганием генераторного газа).
Решением может быть «мирный атом», толкающий космические корабли. О создании лёгкого и компактного устройства, способного вывести на орбиту хотя бы самого себя, инженеры задумались ещё в конце 50‑х годов прошлого века. Главное отличие ядерных двигателей от ракет с двигателями внутреннего сгорания в том, что кинетическая энергия получается не за счёт сгорания топлива, а за счёт тепловой энергии распада радиоактивных элементов. Давайте сравним эти подходы.
Из жидкостных двигателей выходит раскалённый «коктейль» выхлопных газов (закон сохранения импульса), образующихся при реакции топлива и окислителя (закон сохранения энергии). В большинстве случаев это комбинация кислорода и водорода (результат горения водорода — обычная вода). H2O обладает гораздо большей молярной массой, чем водород или гелий, поэтому её труднее разогнать, удельный импульс для подобного двигателя 4 500 м/с.
Наземные испытания NASA новой системы запуска космических ракет, 2016 год (штат Юта, США). Эти двигатели будут установлены на космический корабль Orion, на котором планируется миссия на Марс.
В ядерных двигателях предлагается использовать только водород и разгонять (разогревать) его за счёт энергии ядерного распада. Тем самым идёт экономия на окислителе (кислороде), что уже замечательно, но не всё. Так как у водорода относительно малая удельная масса, нам проще его разогнать до более высоких скоростей. Конечно, можно использовать и другие тепловосприимчивые газы (гелий, аргон, аммиак и метан), но все они не менее чем в два раза проигрывают водороду в самом главном — достижимом удельном импульсе (более 8 км/c).
Так стоит ли его терять? Выигрыш настолько велик, что инженеров не останавливает ни сложность конструкции и управления реактором, ни его большой вес, ни даже радиационная опасность. Тем более никто и не собирается стартовать с поверхности Земли — сборка таких кораблей будет вестись на орбите.
«Летающий» реактор
Как работает ядерный двигатель? Реактор в космическом двигателе намного меньше и компактнее своих наземных аналогов, но все основные компоненты и механизмы управления принципиально те же. Реактор выступает в роли нагревателя, в который подаётся жидкий водород. Температуры в активной зоне достигают (и могут превышать) 3000 градусов. Затем разогретый газ выпускают через сопло.
Однако такие реакторы испускают вредные радиационные излучения. Для защиты экипажа и многочисленного электронного оборудования от радиации нужны основательные меры. Поэтому проекты межпланетных кораблей с атомным движком часто напоминают зонтик: двигатель располагается в экранированном отдельном блоке, соединённом с основным модулем длинной фермой или трубой.
«Камерой сгорания» ядерного двигателя служит активная зона реактора, в которой подаваемый под большим давлением водород нагревается до 3000 и более градусов. Этот предел определяется только жаропрочностью материалов реактора и свойствами топлива, хотя повышение температуры увеличивает удельный импульс.
Тепловыделяющие элементы — это жаропрочные ребристые (для повышения площади теплоотдачи) цилиндры-«стаканы», заполненные урановыми таблетками. Они «омываются» потоком газа, играющего роль и рабочего тела, и охладителя реактора. Вся конструкция изолирована бериллиевыми экранами-отражателями, не выпускающими опасное радиационное излучение наружу. Для управления выделением тепла рядом с экранами расположены специальные поворотные барабаны
Существует ряд перспективных конструкций ядерных ракетных двигателей, реализация которых ждёт своего часа. Ведь в основном они будут применяться в межпланетных путешествиях, которые, судя по всему, уже не за горами.
Проекты ядерных двигателей
Эти проекты были заморожены по разным причинам — недостаток денег, сложность конструкции или даже необходимость сборки и установки в открытом космосе.
«ОРИОН» (США, 1950–1960)
Проект пилотируемого ядерно-импульсного космического корабля («взрыволёт») для исследования межпланетного и межзвёздного пространства.
Принцип работы. Из двигателя корабля, в направлении противоположном полёту, выбрасывается ядерный заряд небольшого эквивалента и подрывается на сравнительно малой дистанции от корабля (до 100 м). Ударная сила отражается от массивной отражающей плиты в хвосте корабля, «толкая» его вперёд.
«ПРОМЕТЕЙ» (США, 2002–2005)
Проект космического агентства NASA по разработке ядерного двигателя для космических аппаратов.
Принцип работы. Двигатель космического корабля должен был состоять из ионизированных частиц, создающих тягу, и компактного ядерного реактора, обеспечивающего установку энергией. Ионный двигатель создаёт тягу порядка 60 грамм, но сможет работать постоянно. В конечном счёте, корабль постепенно сможет набрать огромную скорость — 50 км/сек, затратив минимальное количество энергии.
«ПЛУТОН» (США, 1957–1964)
Проект по разработке ядерного прямоточного воздушно-реактивного двигателя.
Принцип работы. Воздух через переднюю часть транспортного средства попадает в ядерный реактор, в котором нагревается. Горячий воздух расширяется, приобретает большую скорость и высвобождается через сопло, обеспечивая необходимую тягу.
NERVA (США, 1952–1972)
(англ. Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application) — совместная программа Комиссии по атомной энергии США и NASA по созданию ядерного ракетного двигателя.
Принцип работы. Жидкий гидрогель подаётся в специальный отсек, в котором происходит его нагревание ядерным реактором. Горячий газ расширяется и высвобождается в сопле, создавая тягу.
Современные ракетные двигатели неплохо справляются с задачей выведения техники на орбиту, но совершенно непригодны для длительных космических путешествий. Поэтому уже не первый десяток лет ученые работают над созданием альтернативных космических двигателей, которые могли бы разгонять корабли до рекордных скоростей. Давайте рассмотрим семь основных идей из этой области.
EmDrive
Чтобы двигаться, надо от чего-то оттолкнуться – это правило считается одним из незыблемых столпов физики и космонавтики. От чего конкретно отталкиваться – от земли, воды, воздуха или реактивной струи газа, как в случае ракетных двигателей, – не так важно.
Хорошо известен мысленный эксперимент: представьте, что космонавт вышел в открытый космос, но трос, связывающий его с кораблем, неожиданно порвался и человек начинает медленно улетать прочь. Все, что у него есть, – это ящик с инструментами. Каковы его действия? Правильный ответ: ему нужно кидать инструменты в сторону от корабля. Согласно закону сохранения импульса, человека отбросит от инструмента ровно с той же силой, с какой и инструмент от человека, поэтому он постепенно будет перемещаться по направлению к кораблю. Это и есть реактивная тяга – единственный возможный способ двигаться в пустом космическом пространстве. Правда, EmDrive, как показывают эксперименты, имеет некоторые шансы это незыблемое утверждение опровергнуть.
Создатель этого двигателя – британский инженер Роджер Шаер, основавший собственную компанию Satellite Propulsion Research в 2001 году. Конструкция EmDrive весьма экстравагантна и представляет собой по форме металлическое ведро, запаянное с обоих концов. Внутри этого ведра расположен магнетрон, излучающий электромагнитные волны, – такой же, как в обычной микроволновке. И его оказывается достаточно, чтобы создавать очень маленькую, но вполне заметную тягу.
Сам автор объясняет работу своего двигателя через разность давления электромагнитного излучения в разных концах "ведра" – в узком конце оно меньше, чем в широком. Благодаря этому создается тяга, направленная в сторону узкого конца. Возможность такой работы двигателя не раз оспаривалась, но во всех экспериментах установка Шаера показывает наличие тяги в предполагаемом направлении.
В числе экспериментаторов, опробовавших "ведро" Шаера, такие организации, как NASA, Технический университет Дрездена и Китайская академия наук. Изобретение проверяли в самых разных условиях, в том числе и в вакууме, где оно показало наличие тяги в 20 микроньютонов.
Это очень мало относительно химических реактивных двигателей. Но, учитывая то, что двигатель Шаера может работать сколь угодно долго, так как не нуждается в запасе топлива (работу магнетрона могут обеспечивать солнечные батареи), потенциально он способен разгонять космические корабли до огромных скоростей, измеряемых в процентах от скорости света.
Чтобы полностью доказать работоспособность двигателя, необходимо провести еще множество измерений и избавиться от побочных эффектов, которые могут порождаться, к примеру, внешними магнитными полями. Однако уже выдвигаются и альтернативные возможные объяснения аномальной тяги двигателя Шаера, которая, в общем-то, нарушает привычные законы физики.
К примеру, выдвигаются версии, что двигатель может создавать тягу благодаря взаимодействию с физическим вакуумом, который на квантовом уровне имеет ненулевую энергию и заполнен постоянно рождающимися и исчезающими виртуальными элементарными частицами. Кто в итоге окажется прав – авторы этой теории, сам Шаер или другие скептики, мы узнаем в ближайшем будущем.
Солнечный парус
Как говорилось выше, электромагнитное излучение оказывает давление. Это значит, что теоретически его можно преобразовывать в движение – например, с помощью паруса. Аналогично тому, как корабли прошлых веков ловили в свои паруса ветер, космический корабль будущего ловил бы в свои паруса солнечный или любой другой звездный свет.
Проблема, однако, в том, что давление света крайне мало и уменьшается с увеличением расстояния от источника. Поэтому, чтобы быть эффективным, такой парус должен иметь очень малый вес и очень большую площадь. А это увеличивает риск разрушения всей конструкции при встрече с астероидом или другим объектом.
Попытки строительства и запуска солнечных парусников в космос уже имели место – в 1993 году тестирование солнечного паруса на корабле "Прогресс" провела Россия, а в 2010 году успешные испытания по пути к Венере осуществила Япония. Но еще ни один корабль не использовал парус в качестве основного источника ускорения. Несколько перспективнее в этом отношении выглядит другой проект – электрический парус.
Электрический парус
Солнце излучает не только фотоны, но также и электрически заряженные частицы вещества: электроны, протоны и ионы. Все они формируют так называемый солнечный ветер, ежесекундно уносящий с поверхности светила около одного миллиона тонн вещества.
Солнечный ветер распространяется на миллиарды километров и ответственен за некоторые природные явления на нашей планете: геомагнитные бури и северное сияние. Земля от солнечного ветра защищается с помощью собственного магнитного поля.
Солнечный ветер, как и ветер воздушный, вполне пригоден для путешествий, надо лишь заставить его дуть в паруса. Проект электрического паруса, созданный в 2006 году финским ученым Пеккой Янхуненом, внешне имеет мало общего с солнечным. Этот двигатель состоит из нескольких длинных тонких тросов, похожих на спицы колеса без обода.
Благодаря электронной пушке, излучающей против направления движения, эти тросы приобретают положительный заряженный потенциал. Так как масса электрона примерно в 1800 раз меньше, чем масса протона, то создаваемая электронами тяга не будет играть принципиальной роли. Не важны для такого паруса и электроны солнечного ветра. А вот положительно заряженные частицы – протоны и альфа-излучение – будут отталкиваться от тросов, создавая тем самым реактивную тягу.
Хотя эта тяга будет примерно в 200 раз меньше, чем таковая у солнечного паруса, заинтересовал Европейское космическое агентство. Дело в том, что электрический парус гораздо проще сконструировать, произвести, развернуть и эксплуатировать в космосе. Кроме того, с помощью гравитации парус позволяет также путешествовать к источнику звездного ветра, а не только от него. А так как площадь поверхности такого паруса гораздо меньше, чем у солнечного, то для астероидов и космического мусора он уязвим куда меньше. Возможно, первые экспериментальные корабли на электрическом парусе мы увидим уже в следующие несколько лет.
Ионный двигатель
Поток заряженных частиц вещества, то есть ионов, излучают не только звезды. Ионизированный газ можно создать и искусственно. В обычном состоянии частицы газа электрически нейтральны, но, когда его атомы или молекулы теряют электроны, они превращаются в ионы. В общей своей массе такой газ все еще не имеет электрического заряда, но его отдельные частицы становятся заряженными, а значит, могут двигаться в магнитном поле.
В ионном двигателе инертный газ (обычно используется ксенон) ионизируется с помощью потока высокоэнергетических электронов. Они выбивают электроны из атомов, и те приобретают положительный заряд. Далее получившиеся ионы ускоряются в электростатическом поле до скоростей порядка 200 км/с, что в 50 раз больше, чем скорость истекания газа из химических реактивных двигателей. Тем не менее современные ионные двигатели обладают очень маленькой тягой – около 50–100 миллиньютонов. Такой двигатель не смог бы даже сдвинуться со стола. Но у него есть серьезный плюс.
Большой удельный импульс позволяет значительно сократить расходы топлива в двигателе. Для ионизации газа используется энергия, полученная от солнечных батарей, поэтому ионный двигатель способен работать очень долго – до трех лет без перерыва. За такой срок он успеет разогнать космический аппарат до скоростей, которые химическим двигателям и не снились.
Ионные двигатели уже не раз бороздили просторы Солнечной системы в составе различных миссий, но обычно в качестве вспомогательных, а не основных. Сегодня как о возможной альтернативе ионным двигателям все чаще говорят про двигатели плазменные.
Плазменный двигатель
Если степень ионизации атомов становится высокой (порядка 99%), то такое агрегатное состояние вещества называется плазмой. Достичь состояния плазмы можно лишь при высоких температурах, поэтому в плазменных двигателях ионизированный газ разогревается до нескольких миллионов градусов. Разогрев осуществляется с помощью внешнего источника энергии – солнечных батарей или, что более реально, небольшого ядерного реактора.
Горячая плазма затем выбрасывается через сопло ракеты, создавая тягу в десятки раз большую, чем в ионном двигателе. Одним из примеров плазменного двигателя является проект VASIMR, который развивается еще с 70-х годов прошлого века. В отличие от ионных двигателей, плазменные в космосе еще испытаны не были, но с ними связывают большие надежды. Именно плазменный двигатель VASIMR является одним из основных кандидатов для пилотируемых полетов на Марс.
Термоядерный двигатель
Укротить энергию термоядерного синтеза люди пытаются с середины ХХ века, но пока что сделать это так и не удалось. Тем не менее управляемый термоядерный синтез все равно очень привлекателен, ведь это источник громадной энергии, получаемой из весьма дешевого топлива – изотопов гелия и водорода.
В настоящий момент существует несколько проектов конструкции реактивного двигателя на энергии термоядерного синтеза. Самой перспективной из них считается модель на основе реактора с магнитным удержанием плазмы. Термоядерный реактор в таком двигателе будет представлять собой негерметичную цилиндрическую камеру размером 100–300 метров в длину и 1–3 метра в диаметре. В камеру должно подаваться топливо в виде высокотемпературной плазмы, которая при достаточном давлении вступает в реакцию ядерного синтеза. Располагающиеся вокруг камеры катушки магнитной системы должны удерживать эту плазму от контакта с оборудованием.
Зона термоядерной реакции располагается вдоль оси такого цилиндра. С помощью магнитных полей экстремально горячая плазма проистекает через сопло реактора, создавая огромную тягу, во много раз большую, чем у химических двигателей.
Двигатель на антиматерии
Все окружающее нас вещество состоит из фермионов – элементарных частиц с полуцелым спином. Это, к примеру, кварки, из которых состоят протоны и нейтроны в атомных ядрах, а также электроны. При этом у каждого фермиона есть своя античастица. Для электрона таковой выступает позитрон, для кварка – антикварк.
Античастицы имеют ту же массу и тот же спин, что и их обычные "товарищи", отличаясь знаком всех остальных квантовых параметров. Теоретически античастицы способны составлять антивещество, но до сих пор нигде во Вселенной антивещество зарегистрировано не было. Для фундаментальной науки является большим вопросом, почему его нет.
Но в лабораторных условиях можно получить некоторое количество антивещества. К примеру, недавно был проведен эксперимент по сравнению свойств протонов и антипротонов, которые хранились в магнитной ловушке.
При встрече антивещества и обычного вещества происходит процесс взаимной аннигиляции, сопровождаемый выплеском колоссальной энергии. Так, если взять по килограмму вещества и антивещества, то количество выделенной при их встрече энергии будет сопоставимо со взрывом "Царь-бомбы" – самой мощной водородной бомбы в истории человечества.
Причем значительная часть энергии при этом выделится в виде фотонов электромагнитного излучения. Соответственно, возникает желание использовать эту энергию для космических перемещений путем создания фотонного двигателя, похожего на солнечный парус, только в данном случае свет будет генерироваться внутренним источником.
Но чтобы эффективно использовать излучение в реактивном двигателе, необходимо решить задачу создания "зеркала", которое было бы способно эти фотоны отразить. Ведь кораблю каким-то образом надо оттолкнуться, чтобы создать тягу.
Никакой современный материал попросту не выдержит рожденного в случае подобного взрыва излучения и моментально испарится. В своих фантастических романах братья Стругацкие решили эту проблему путем создания "абсолютного отражателя". В реальной жизни ничего подобного пока сделать не удалось. Эта задача, как и вопросы создания большого количества антивещества и его длительного хранения, – дело физики будущего.
ЯДЕРНЫЙ РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ (ЯРД) , атомный ракетный двигатель - ракетный двигатель , работающий на ядерном ракетном топливе . Достоинство ЯРД - в высоком удельном импульсе тяги , недостижимом для химических РД. Это объясняется возможностью выбора в качестве рабочего тела РД низкомолекулярных веществ (прежде всего жидкого водорода) и большой энергией ядерных реакций. ЯРД классифицируются по виду происходящих реакций, способу использования выделяющейся энергии и т. д.
В начале 80-х гг. основной тип ЯРД - твердофазный - с твердофазным реактором деления. В нём тепловая энергия продуктов деления ядерного горючего, находящегося в твёрдом состоянии, используется для превращения исходного рабочего тела в высокотемпературный газ, при истечении которого из реактивного сопла создаётся тяга. По аналогии с ЖРД рабочее тело ЯРД хранится в жидком состоянии в баке ДУ, и его подача производится при помощи ТНА. Газ для привода последнего получается нагревом основного рабочего тела в реакторе (например, в газогенераторных тепловыделяющих элементах). Сопло, ТНА и многие другие агрегаты ЯРД аналогичны соответствующим элементам ЖРД. Принципиальное отличие ЯРД от ЖРД заключается в наличии ядерного реактора вместо камеры сгорания.
Запуск ЯРД длится 1-2 мин и начинается с пуска реактора. Эта операция занимает несколько десятков секунд; она ограничена по времени быстродействием системы регулирования реактора и допустимыми по термонапряжениям градиентами изменения температуры в элементах конструкции реактора. После прогрева реактора начинается подача рабочего тела и включается ТНА. На основном режиме система регулирования должна поддерживать предельно допустимую температуру рабочего тела для получения максимального удельного импульса. Изменение тяги производится, как и в ЖРД, изменением расхода рабочего тела.
Работающий реактор является мощным источником радиации - нейтронного и гамма-излучения, которое без принятия специальных мер может привести к недопустимому нагреву рабочего тела (в баках) и конструкции, охрупчиванию и разрушению материалов, нарушению электроизоляции, выходу из строя аппаратуры, полезного груза, лучевому поражению экипажа космического корабля (КК). Снижение потока радиации достигается установкой в реакторе, а также между ним и баком рабочего тела радиационных защитных экранов (защиты), выполняемых из комбинации различных металлов и их соединений (свинец, вольфрам, бор, кадмий, гидрид лития и др.). Т. к. в защитных экранах происходит значительное тепловыделение, то предусматривается их охлаждение (рабочим телом). Защита вместе с реактором составляет основную массу ЯРД . При уменьшении тяги ЯРД от нескольких МН до нескольких кН его удельная масса, с учётом защиты, увеличивается с единиц до десятков г/Н. На КК необходимо также предусматривать биологическую защиту кабины экипажа, которая может совмещаться с защитой от космической радиации. Защитные экраны заметно ухудшают массовые характеристики космического аппарата (КА).
 |
1 - газовая турбина; 2 - выпускной патрубок; 3, 13 - блоки управления мощностью реактора; 4 - регулятор частоты вращения турбины; 5 - блок управления тягой; 6 - датчик давления газа на выходе из реактора; 7 - сопло; 8 - ядерный реактор; 9 - коллектор отбора газа на привод турбины; 10 - регулятор температуры газа для турбины; 11 - орган управления реактором; 12 - датчик температуры газа на выходе из реактора; 14 - главный клапан рабочего тела; 15 - насос; 16 - радиационный защитный экран; 17 - бак с рабочим телом |
Реакторное излучение вызывает наведённую, т.е. искусственную радиоактивность конструкции. Она приводит к значительному остаточному тепловыделению в элементах реактора после выключения ЯРД , которое может длиться несколько часов или суток и вызывать расплавление частей реактора. Поэтому в ЯРД многократного включения предусматривается расхолаживание конструкции реактора (путём непрерывной или периодической прокачки рабочего тела) после каждого рабочего цикла. Для указанных ЯРД следует учитывать также возможность «отравления» реактора из-за накопления в его активной зоне радиоактивных продуктов распада (прежде всего ксенона), сильно поглощающих тепловые нейтроны. Содержание этих продуктов достигает максимума примерно через 10 ч после выключения ЯРД .
Хотя работающий ЯРД представляет опасность для обслуживающего персонала, через сутки после его выключения можно без всяких средств индивидуальной защиты находиться несколько десятков минут на расстоянии 50 м от ЯРД и даже подходить к нему. Простейшие средства защиты позволяют входить в рабочую зону ЯРД вскоре после испытаний. Уровень заражения стартовых комплексов и окружающей среды, по-видимому, при принятии необходимых мер не будет являться непреодолимым препятствием к использованию ЯРД на нижних ступенях РН. Проблема радиационной опасности в значительной степени смягчается тем обстоятельством, что водород - основное рабочее тело ЯРД - практически не активируется в реакторе, и поэтому реактивная струя ЯРД не более опасна, чем струя ЖРД.
Практические разработки твердофазных ЯРД , начатые в середине 50-х гг., привели к созданию в конце 60-х гг. стендовых образцов ЯРД с тягой несколько сотен кН. Их рабочим телом является водород - по той причине, что, как и в случае ЖРД, значение удельного импульса ЯРД обратно пропорционально квадратному корню из значения молекулярной массы рабочего тела перед реактивным соплом. Как и в ЖРД, значение удельного импульса ЯРД прямо пропорционально квадратному корню из значения температуры рабочего тела перед соплом. Энергия реакций деления позволяет в принципе нагреть рабочее тело в реакторе до температур, намного больших, чем существующие в камерах сгорания ЖРД. В твердофазном ЯРД , однако, можно получить температуру лишь ~ 3000 К, поскольку дальнейший нагрев рабочего тела ограничен прочностью тепловыделяющих элементов, температура которых на 200-300 К выше температуры рабочего тела (в ЖРД температура конструкции, наоборот, намного ниже, чем температура рабочего тела). Но и в этом случае удельный импульс ЯРД составляет ~ 9 км/с - вдвое больше, чем у лучших современных ЖРД.
 |
|
Циклограмма работы ЯРД (Т и р - соответственно температура и давление рабочего тела на выходе из реактора): |
 |
|
Изменение теоретического удельного импульса ЯРД для различных рабочих тел в зависимости от температуры их нагрева (давление на входе в сопло 10 МПа): |
Выгоды от использования ЯРД вместо ЖРД несколько снижаются из-за относительного возрастания массы конструкции КА, обусловленного наличием ядерного реактора, радиационной защиты и, наконец, массивного теплоизолированного бака для жидкого водорода (в кислородно-водородном топливе ЖРД этого продукта содержится лишь 14-18%). Число Циолковского для ракетных ступеней с кислородно-водородными ЖРД составляет 7-8, а с применением ЯРД снижается до 3-5. Тем не менее, использование ЯРД вместо ЖРД на верхних ступенях ракет-носителей позволило бы удвоить массу КА, доставляемых на поверхность Луны и посылаемых к Марсу, Юпитеру, Сатурну. Экспедиция на Марс, весьма проблематичная при использовании химических РД, становится осуществимой при оснащении КК твердофазными ЯРД . Такой КК должен иметь массу на околоземной орбите ~ 1000-1500 т, включая несколько разгонных ЯРД с тягой по 0,5-1 МН, удельным импульсом ~ 8200 м/с и временем работы 30-60 мин, тормозной ЯРД для вывода КК на орбиту Марса, разгонный ЯРД для возврата к Земле и марсианский экспедиционный КК с посадочным и взлётным ЖРД. Полёт рассчитан на срок 1,5-2 года.
В стадии научных и инженерных исследований - проблема создания газофазного ядерного ракетного двигателя (с реактором деления), в котором предполагается получить удельный импульс до 25 км/с и более. Пилотируемый КК с начальной массой на околоземной орбите в 2000 т, оснащённый газофазным ЯРД с тягой в 250 кН и удельным импульсом 50 км/с, смог бы совершить облёт Марса за 2 месяца; при этом ЯРД должен проработать около 100 ч. Менее перспективным по сравнению с газофазным представляется коллоидный ядерный ракетный двигатель , занимающий по своим характеристикам промежуточное положение между твердофазным и газофазным ЯРД . Нижний предел тяги упомянутых ЯРД ограничен, как правило, значением в несколько кН. Напротив, радиоизотопный ракетный двигатель относится к микродвигателям: в экспериментальных образцах получена максимальная тяга ~ 1 Н. Проблематичным представляется термоядерный ракетный двигатель . Импульсные ядерные ракетные двигатели , создающие тягу за счёт периодических ядерных взрывов, находятся в стадии инженерно-технической разработки. К гипотетическим ЯРД относятся некоторые виды фотонных ракетных двигателей и радиоизотопный парус .
Идея бросать за корму атомные бомбы в оказалась слишком брутальной, но объемы энергии, которые дает реакция ядерного расщепления, не говоря уже о синтезе, крайне привлекательны для космонавтики. Поэтому было создано множество не-импульсных систем, избавленных от проблем с хранением сотен ядерных бомб на борту и циклопических амортизаторов. О них сегодня мы и поговорим.
Ядерная физика на пальцах
Что такое ядерная реакция? Если объяснять очень просто, картина будет примерно следующая. Из школьной программы мы помним, что вещество состоит из молекул, молекулы из атомов, а атомы - из протонов, электронов и нейтронов (есть уровни ниже, но нам хватит и этого). Некоторые тяжелые атомы имеют интересное свойство - если в них попадает нейтрон, они распадаются на более легкие атомы и выпускают несколько нейтронов. Если эти выпущенные нейтроны попадут в находящиеся рядом другие тяжелые атомы, распад повторится, и мы получим цепную ядерную реакцию. Движение нейтронов с большой скоростью означает, что это движение превращается в тепло при замедлении нейтронов. Поэтому атомный реактор - это очень мощный нагреватель. Им можно кипятить воду, полученный пар направить на турбину, и получить атомную электростанцию. А можно нагревать водород и выбрасывать его наружу, получив ядерный реактивный двигатель. Из этой идеи родились первые двигатели - NERVA и РД-0410.
NERVA
История проекта
Формальное авторство (патент) на изобретение атомного ракетного двигателя принадлежит Ричарду Фейнману, согласно его же мемуарам "Вы, конечно же шутите, мистер Фейнман". Книга, кстати, всячески рекомендуется к прочтению. Лос-Аламосская лаборатория стала разрабатывать ядерные ракетные двигатели в 1952 году. В 1955 году Был начат проект Rover. На первом этапе проекта, KIWI, было построено 8 экспериментальных реакторов и с 1959 по 1964 год изучалась продувка рабочего тела сквозь активную зону реактора. Для временнОй привязки, проект "Орион" существовал с 1958 по 1965 год. У "Ровера" были второй и третий этапы, изучавшие реакторы большей мощности, но NERVA базировалась на KIWI из-за планов первого испытательного пуска в космосе в 1964 году - более продвинутые варианты не было времени отрабатывать. Сроки постепенно съехали и первый наземный пуск двигателя NERVA NRX/EST (EST - Engine System Test - тест двигательной системы) состоялся в 1966 году. Двигатель успешно проработал два часа, из которых 28 минут составила работа на полной тяге. Второй двигатель NERVA XE был запущен 28 раз и проработал в общей сложности 115 минут. Двигатель был признан пригодным для космической техники, а испытательный стед был готов к испытаниям новых собранных двигателей. Казалось, что NERVA ждет блестящее будущее - полёт на Марс в 1978, постоянная база на Луне в 1981, орбитальные буксиры. Но успех проекта вызвал панику в Конгрессе - лунная программа оказалась очень дорогой для США, марсианская программа оказалась бы ещё дороже. В 1969 и 1970 годах финансирование космоса серьезно сокращалось - были отменены "Аполлоны" - 18, 19 и 20, и огромные объемы денег на марсианскую программу никто бы не стал выделять. В итоге работа по проекту велась без серьезной подпитки деньгами и он был закрыт в 1972 году.Конструкция
Водород из бака поступал в реактор, нагревался там, и выбрасывался наружу, создавая реактивную тягу. Водород был выбран как рабочее тело потому, что у него легкие атомы, и их проще разогнать до большой скорости. Чем больше скорость реактивного выхлопа - тем эффективнее ракетный двигатель.
Отражатель нейтронов использовался для того, чтобы нейтроны возвращались обратно в реактор для поддержания цепной ядерной реакции.
Управляющие стержни использовались для управления реактором. Каждый такой стержень состоял из двух половин - отражателя и поглотителя нейтронов. Когда стержень поворачивался отражателем нейтронов, их поток в реакторе увеличивался и реактор повышал теплоотдачу. Когда стержень поворачивался поглотителем нейтронов, их поток в реакторе уменьшался, и реактор понижал теплоотдачу.
Водород также использовался для охлаждения сопла, а теплый водород от системы охлаждения сопла вращал турбонасос для подачи новых порций водорода.
Двигатель в работе. Водород поджигался специально на выходе из сопла во избежание угрозы взрыва, в космосе горения бы не было.
Двигатель NERVA создавал тягу 34 тонны, примерно в полтора раза меньше двигателя J-2, стоявшего на второй и третьей ступенях ракеты "Сатурн-V". Удельный импульс составлял 800-900 секунд, что было в два раза больше лучших двигателей на топливной паре "кислород-водород", но меньше ЭРД или двигателя "Ориона".
Немного о безопасности
Только что собранный и не запущенный ядерный реактор с новыми, ещё не работавшими топливными сборками достаточно чист. Уран ядовит, поэтому необходимо работать в перчатках, но не более. Никаких дистанционных манипуляторов, свинцовых стен и прочего не нужно. Вся излучающая грязь появляется уже после запуска реактора из-за разлетающихся нейтронов, "портящих" атомы корпуса, теплоносителя и т.п. Поэтому, в случае аварии ракеты с таким двигателем радиационное заражение атмосферы и поверхности было бы небольшим, и конечно же, было бы сильно меньше штатного старта "Ориона". В случае же успешного старта заражение было бы минимальным или вообще отсутствовало, потому что двигатель должен был бы запускаться в верхних слоях атмосферы или уже в космосе.РД-0410
Советский двигатель РД-0410 имеет похожую историю. Идея двигателя родилась в конце 40-х годов среди пионеров ракетной и ядерной техники. Как и в проекте Rover первоначальной идеей была атомный воздушно-реактивный двигатель для первой ступени баллистической ракеты, затем разработка перешла в космическую отрасль. РД-0410 разрабатывался медленнее, отечественные разработчики увлеклись идеей газофазного ЯРД (об этом будет ниже). Проект был начат в 1966 году и продолжался до середины 80-х годов. В качестве цели для двигателя называлась миссия "Марс-94" - пилотируемый полёт на Марс в 1994 году.
Схема РД-0410 аналогична NERVA - водород проходит через сопло и отражатели, охлаждая их, подается в активную зону реактора, нагревается там и выбрасывается.
По своим характеристикам РД-0410 был лучше NERVA - температура активной зоны реактора составляла 3000 К вместо 2000 К у NERVA, а удельный импульс превышал 900 с. РД-0410 был легче и компактней NERVA и развивал тягу в десять раз меньше.
Испытания двигателя. Боковой факел слева внизу поджигает водород во избежание взрыва.
Развитие твердофазных ЯРД
Мы помним, что чем выше температура в реакторе, тем больше скорость истечения рабочего тела и тем выше удельный импульс двигателя. Что мешает повысить температуру в NERVA или РД-0410? Дело в том, что в обоих двигателях тепловыделяющие элементы находятся в твердом состоянии. Если повысить температуру, они расплавятся и вылетят наружу вместе с водородом. Поэтому для бОльших температур необходимо придумать какой-то другой способ осуществления цепной ядерной реакции.Двигатель на солях ядерного топлива
В ядерной физике есть такое понятие как критическая масса. Вспомните цепную ядерную реакцию в начале поста. Если делящиеся атомы находятся очень близко друг к другу (например, их обжали давлением от специального взрыва), то получится атомный взрыв - очень много тепла в очень небольшие сроки. Если атомы обжаты не так плотно, но поток новых нейтронов от деления растет, получится тепловой взрыв. Обычный реактор в таких условиях выйдет из строя. А теперь представим, что мы берем водный раствор делящегося материала (например, солей урана) и подаем их непрерывно в камеру сгорания, обеспечивая там массу больше критической. Получится непрерывно горящая ядерная "свечка", тепло от которой разгоняет прореагировавшее ядерное топливо и воду.
Идея была предложена в 1991 году Робертом Зубриным и, по различным подсчетам, обещает удельный импульс от 1300 до 6700 с при тяге, измеряющейся тоннами. К сожалению, подобная схема имеет и недостатки:
- Сложность хранения топлива - необходимо избегать цепной реакции в баке, размещая топливо, например, в тонких трубках из поглотителя нейтронов, поэтому баки будут сложными, тяжелыми и дорогими.
- Большой расход ядерного топлива - дело в том, что КПД реакции (количество распавшихся/количество потраченных атомов) будет очень низким. Даже в атомной бомбе делящийся материал "сгорает" не полностью, тут же бОльшая часть ценного ядерного топлива будет выбрасываться впустую.
- Наземные тесты практически невозможны - выхлоп такого двигателя будет очень грязным, грязнее даже "Ориона".
- Есть некоторые вопросы насчет контроля ядерной реакции - не факт, что простая в словесном описании схема будет легкой в технической реализации.
Газофазные ЯРД
Следующая идея: а что, если мы создадим вихрь рабочего тела, в центре которого будет идти ядерная реакция? В этом случае высокая температура активной зоны не будет доходить до стенок, поглощаясь рабочим телом, и её можно будет поднять до десятков тысяч градусов. Так родилась идея газофазного ЯРД открытого цикла:
Газофазный ЯРД обещает удельный импульс до 3000-5000 секунд. В СССР был начат проект газофазного ЯРД (РД-600), но он не дошёл даже до стадии макета.
"Открытый цикл" означает, что ядерное топливо будет выбрасываться наружу, что, конечно, снижает КПД. Поэтому была придумана следующая идея, диалектически вернувшаяся к твердофазным ЯРД - давайте окружим область ядерной реакции достаточно термостойким веществом, которое будет пропускать излучаемое тепло. В качестве такого вещества предложили кварц, потому что при десятках тысяч градусов тепло передается излучением и материал контейнера должен быть прозрачным. Получился газофазный ЯРД закрытого цикла, или же "ядерная лампочка":
В этом случае ограничением для температуры активной зоны будет термическая прочность оболочки "лампочки". Температура плавления кварца 1700 градусов Цельсия, с активным охлаждением температуру можно повысить, но, в любом случае, удельный импульс будет ниже открытой схемы (1300-1500 с), но ядерное топливо будет расходоваться экономней, и выхлоп будет чище.
Альтернативные проекты
Кроме развития твердофазных ЯРД есть и оригинальные проекты.Двигатель на делящихся фрагментах
Идея этого двигателя заключается в отсутствии рабочего тела - им служит выбрасываемое отработанное ядерное топливо. В первом случае из делящихся материалов делаются подкритические диски, которые не запускают цепную реакцию сами по себе. Но если диск поместить в реакторную зону с отражателями нейтронов, запустится цепная реакция. А вращение диска и отсутствие рабочего тела приведет к тому, что распавшиеся высокоэнергетические атомы улетят в сопло, генерируя тягу, а не распавшиеся атомы останутся на диске и получат шанс при следующем обороте диска:
Ещё более интересная идея состоит в создании пылевой плазмы (вспомним на МКС) из делящихся материалов, в которой продукты распада наночастиц ядерного топлива ионизируются электрическим полем и выбрасываются наружу, создавая тягу:
Обещают фантастический удельный импульс в 1 000 000 секунд. Энтузиазм охлаждает тот факт, что разработка находится на уровне теоретических изысканий.
Двигатели на ядерном синтезе
В ещё более отдаленной перспективе создание двигателей на ядерном синтезе. В отличие от реакций распада ядер, где атомные реакторы были созданы почти одновременно с бомбой, термоядерные реакторы до сих пор не передвинулись из "завтра" в "сегодня" и использовать реакции синтеза можно только в стиле "Ориона" - бросаясь термоядерными бомбами.Ядерная фотонная ракета
Теоретически можно разогреть активную зону до такой степени, что тягу можно будет создавать, отражая фотоны. Несмотря на отсутствие технических ограничений, подобные двигатели на текущем уровне технологии невыгодны - тяга будет слишком маленькой.Радиоизотопная ракета
Вполне рабочим будет ракета, нагревающая рабочее тело от РИТЭГа. Но РИТЭГ выделяет сравнительно мало тепла, поэтому такой двигатель будет очень малоэффективным, хотя и очень простым.Заключение
На текущем уровне технологии можно собрать твердотельный ЯРД в стиле NERVA или РД-0410 - технологии освоены. Но такой двигатель будет проигрывать связке "атомный реактор+ЭРД" по удельному импульсу, выигрывая по тяге. А более продвинутые варианты есть пока только на бумаге. Поэтому лично мне более перспективной кажется связка "реактор+ЭРД".Источники информации
Главный источник информации - английская Википедия и ресурсы, указанные в ней как ссылки. Как ни парадоксально, но любопытные статьи по ЯРД есть на Традиции - твердофазный ЯРД и газофазный ЯРД . Статья про двигатели на
В конце прошлого года российские ракетные войска стратегического назначения испытали совершенно новое оружие, существование которого, как раньше считалось, невозможно. Крылатая ракета с ядерным двигателем, которой военные эксперты дают обозначение 9М730 - именно то новое оружие, о котором президент Путин говорил в своем Послании Федеральному собранию. Испытание ракеты проводилось предположительно на полигоне Новая земля, ориентировочно в конце осени 2017 года, однако точные данные будут рассекречены еще не скоро. Разработчиком ракеты, также предположительно, является Опытное конструкторское бюро "Новатор" (город Екатеринбург). По заявлению компетентных источников ракета в штатном режиме поразила цель и испытания были признаны полностью успешными. Далее в СМИ появились предполагаемые фотографии пуска (выше) новой ракеты с ядерной силовой установкой и даже косвенные подтверждения, связанные с присутствием в предполагаемое время испытаний в непосредственной близости от полигона "летающей лаборатории" Ил-976 ЛИИ Громова с отметками "Росатома". Однако вопросов появилось еще больше. Реальна ли заявленная возможность ракеты осуществлять полет неограниченной дальности и за счет чего она достигается?
Характеристика крылатой ракеты с ядерной силовой установкой
Характеристики крылатой ракеты с ЯСО, появившиеся в СМИ сразу после выступления Владимира Путина, могут отличаться от реальных, которые будут известны позже. На сегодняшний день достоянием общественности стали следующие данные по размерам и ТТХ ракеты:Длина
- стартовая
- не менее 12 метров,
- маршевая
- не менее 9 метров,
Диаметр корпуса ракеты
- около 1 метра,
Ширина корпуса
- около 1.5 метров,
Высота хвостового оперения
- 3.6 - 3.8 метров
Принцип работы российской крылатой ракеты с ядерным двигателем
Разработки ракет с ядерной силовой установкой вели сразу несколько стран, причем разработки начались еще в далеких 1960-х годах. Конструкции, предложенные инженерами отличались лишь в деталях, упрощенно принцип работы можно описать следующим образом: ядерный ректор нагревает поступающую в специальные емкости смесь (разные варианты, от аммиака до водорода) с последующим выбросом через сопла под высоким давлением. Однако вариант крылатой ракеты, о которой говорил российский президент, не подходит ни под один из примеров конструкций, разрабатываемых ранее.Дело в том, что, по словам Путина, ракета имеет практически неограниченную дальность полета. Это, конечно, нельзя понимать так, что ракета может летать годами, но можно расценить как прямое указание на то, что дальность ее полета многократно превышает дальность полета современных крылатых ракет. Второй момент, который нельзя не заметить, тоже связан с заявленной неограниченной дальностью полета и, соответственно, работы силового агрегата крылатой ракеты. К примеру гетерогенный реактор на тепловых нейтронах, испытанный в двигателе РД-0410, разработкой которого занимались Курчатов, Келдыш и Королев, имел ресурс работы на испытаниях только 1 час и в этом случае о неограниченной дальности полета такой крылатой ракеты с ядерным двигателем не может быть и речи.
Все это наводит на мысль о том, что российские ученые предложили совершенно новую, ранее не рассматриваемую концепцию строения, в которой для нагрева и последующего выброса из сопла используется вещество, имеющее намного экономный ресурс расходования на больших расстояниях. Как пример, это может быть ядерный воздушно-реактивный двигатель (ЯВРД) совершенно нового образца, в котором рабочей массой является атмосферный воздух, нагнетаемый в рабочие емкости компрессорами, нагреваемый ядерной установкой с последующим выбросом через сопла.
Также стоит отметить, что анонсированная Владимиром Путиным крылатая ракета с ядерным силовым агрегатом умеет облетать зоны активного действия систем противовоздушной и противоракетной обороны, а также держать путь к цели на малых и сверхмалых высотах. Это возможно только за счет оснащения ракеты системами следования ландшафту местности, устойчивыми к помехам, создаваемых средствами радиоэлектронной борьбы противника.