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 .
Скептики утверждают, что создание ядерного двигателя - это не значительный прогресс в области науки и техники, а лишь «модернизация парового котла», где вместо угля и дров в качестве топлива выступает уран, а в качестве рабочего тела - водород. Настолько ли бесперспективен ЯРД (ядерный реактивный двигатель)? Попробуем разобраться.
Первые ракеты
Все заслуги человечества в освоении околоземного космического пространства можно смело отнести на счет химических реактивных двигателей. В основе работы таких силовых агрегатов - преобразование энергии химической реакции сжигания топлива в окислителе в кинетическую энергию реактивной струи, и, следовательно, ракеты. В качестве топлива используются керосин, жидкий водород, гептан (для жидкотопливных ракетных двигателей (ЖТРД)) и полимеризованная смесь перхлората аммония, алюминия и оксида железа (для твердотопливных (РДТТ)).
Общеизвестно, что первые ракеты, используемые для фейерверков, появились в Китае еще во втором столетии до нашей эры. В небо они поднимались благодаря энергии пороховых газов. Теоретические изыскания немецкого оружейника Конрада Хааса (1556), польского генерала Казимира Семеновича (1650), русского генерал-лейтенанта Александра Засядко внесли существенный вклад в развитие ракетной техники.
Патент на изобретение первой ракеты с ЖТРД получил американский ученый Роберт Годдард. Его аппарат при весе 5 кг и длине около 3 м, работавший на бензине и жидком кислороде, в 1926 году за 2,5 с. пролетел 56 метров.
В погоне за скоростью
Серьезные экспериментальные работы по созданию серийных химических реактивных двигателей стартовали в 30-х годах прошлого века. В Советском Союзе пионерами ракетного двигателестроения по праву считаются В. П. Глушко и Ф. А. Цандер. С их участием были разработаны силовые агрегаты РД-107 и РД-108, обеспечившие СССР первенство в освоении космического пространства и заложившие фундамент для будущего лидерства России в области пилотируемой космонавтики.
При модернизации ЖТРД стало ясно, что теоретическая максимальная скорость реактивной струи не сможет превысить 5 км/с. Для изучения околоземного пространства этого может быть и достаточно, но вот полеты к другим планетам, а тем более звездам останутся для человечества несбыточной мечтой. Как следствие, уже в середине прошлого века стали появляться проекты альтернативных (нехимических) ракетных двигателей. Наиболее популярными и перспективными выглядели установки, использующие энергию ядерных реакций. Первые экспериментальные образцы ядерных космических двигателей (ЯРД) в Советском Союзе и США прошли тестовые испытания еще в 1970 году. Однако после Чернобыльской катастрофы под нажимом общественности работы в этой области были приостановлены (в СССР в 1988 году, в США - с 1994).
В основе функционирования ядерных силовых установок лежат те же принципы, что и у термохимических. Различие заключается лишь в том, что нагрев рабочего тела осуществляется энергией распада или синтеза ядерного горючего. Энергетическая эффективность таких двигателей значительно превосходит химические. Так например, энергия, которую может выделить 1 кг самого лучшего топлива (смесь бериллия с кислородом) - 3×107 Дж, тогда как для изотопов полония Po210 эта величина составляет 5×1011 Дж.
Высвобождаемая энергия в ядерном двигателе может использоваться различными способами:
нагревая рабочее тело, испускаемое через сопла, как в традиционном ЖРД,после преобразования в электрическую, ионизируя и разгоняя частицы рабочего тела,создания импульса непосредственно продуктами деления или синтеза.В качестве рабочего тела может выступать даже обычная вода, но гораздо эффективнее будет применение спирта, аммиака или жидкого водорода. В зависимости от агрегатного состояния топлива для реактора ядерные двигатели ракет подразделяют на твердо-, жидко- и газофазные. Наиболее проработан ЯРД с твердофазным реактором деления, использующий в качестве топлива ТВЭЛы (тепловыделяющие элементы), применяемые на атомных электростанциях. Первый такой двигатель в рамках американского проекта Nerva прошел наземные тестовые испытания в 1966 году, проработав около двух часов.
Конструктивные особенности
В основе любого ядерного космического двигателя лежит реактор, состоящий из активной зоны и бериллиевого отражателя, размещенных в силовом корпусе. В активной зоне и происходит деление атомов горючего вещества, как правило, урана U238, обогащенного изотопами U235. Для придания процессу распада ядер определенных свойств, здесь же расположены и замедлители - тугоплавкие вольфрам или молибден. В случае если замедлитель включают в состав ТВЭЛов, реактор называют гомогенным, а если размещают отдельно - гетерогенным. В состав ядерного двигателя также входят блок подачи рабочего тела, органы управления, теневая радиационная защита, сопло. Конструктивные элементы и узлы реактора, испытывающие высокие термические нагрузки, охлаждаются рабочим телом, которое затем турбонасосным агрегатом нагнетается в тепловыделяющие сборки. Здесь происходит его нагрев почти до 3 000˚С. Истекая через сопло, рабочее тело создает реактивную тягу.
Типичными органами управления реактором служат регулирующие стержни и поворотные барабаны, выполненные из вещества, поглощающего нейтроны (бора или кадмия). Стержни размещают непосредственно в активной зоне или в специальных нишах отражателя, а поворотные барабаны - на периферии реактора. Перемещением стержней или поворотом барабанов изменяют количество делящихся ядер в единицу времени, регулируя уровень энерговыделения реактора, и, следовательно, его тепловую мощность.
Для снижения интенсивности нейтронного и гамма-излучения, опасного для всего живого, в силовом корпусе размещают элементы первичной реакторной защиты.
Повышение эффективности
Жидкофазный ядерный двигатель принципом работы и устройством аналогичен твердофазным, но жидкообразное состояние топлива позволяет увеличить температуру протекания реакции, а, следовательно, тягу силового агрегата. Так если для химических агрегатов (ЖТРД и РДТТ) максимальный удельный импульс (скорость истечения реактивной струи) - 5 420 м/с, для твердофазных ядерных и 10 000м/с - далеко не предел, то среднее значение этого показателя для газофазных ЯРД лежит в диапазоне 30 000 - 50 000 м/с.
Существуют проекты газофазного ядерного двигателя двух типов:
Открытого цикла, при котором ядерная реакция протекает внутри плазменного облака из рабочего тела, удерживаемого электромагнитным полем и поглощающего все образовавшееся тепло. Температура может достигать нескольких десятков тысяч градусов. В этом случае активную область окружает термостойкое вещество (например, кварц) - ядерная лампа, свободно пропускающая излучаемую энергию.В установках второго типа температура протекания реакции будет ограничена температурой плавления материала колбы. При этом энергетическая эффективность ядерного космического двигателя несколько снижается (удельный импульс до 15 000 м/с), но повышается экономичность и радиационная безопасность.
Практические достижения
Формально, изобретателем силовой установки на атомной энергии принято считать американского ученого и физика Ричарда Фейнмана. Старт масштабных работ по разработке и созданию ядерных двигателей для космических кораблей в рамках программы Rover был дан в научно-исследовательском центре Лос-Аламос (США) в 1955 году. Американские изобретатели отдали предпочтение установкам с гомогенным ядерным реактором. Первый экспериментальный образец «Киви-А» был собран на заводе при атомном центре в Альбукерке (Нью-Мексико, США) и испытан в 1959 году. Реактор располагался на стенде вертикально соплом вверх. В ходе испытаний нагретая струя отработанного водорода выбрасывалась непосредственно в атмосферу. И хотя ректор проработал на малой мощности всего лишь около 5 минут, успех вдохновил разработчиков.
В Советском Союзе мощный импульс подобным исследованиям придала состоявшаяся в 1959 году в Институте атомной энергии встреча «трех великих К» - создателя атомной бомбы И. В. Курчатова, главного теоретика отечественной космонавтики М. В. Келдыша и генерального конструктора советских ракет С. П. Королева. В отличие от американского образца советский двигатель РД-0410, разработанный в конструкторском бюро объединения «Химавтоматика» (Воронеж), имел гетерогенный реактор. Огневые испытания состоялись на полигоне вблизи г. Семипалатинска в 1978 году.
Стоит отметить, что теоретических проектов было создано довольно много, но до практической реализации дело так и не дошло. Причинами тому послужило наличие огромного количества проблем в материаловедении, нехватка человеческих и финансовых ресурсов.
Для заметки: важным практическим достижением стало проведение летных испытаний самолетов с ядерным двигателем. В СССР наиболее перспективным был экспериментальный стратегический бомбардировщик Ту-95ЛАЛ, в США - В-36.
Проект "Орион" или импульсные ЯРД
Для полетов в космосе ядерный двигатель импульсного действия впервые предложил использовать в 1945 году американский математик польского происхождения Станислав Улам. В последующее десятилетие идею развили и доработали Т. Тейлор и Ф. Дайсон. Суть сводится к тому, что энергия небольших ядерных зарядов, подрываемых на некотором расстоянии от толкающей платформы на днище ракеты, сообщает ей большое ускорение.
В ходе стартовавшего в 1958 году проекта «Орион» именно таким двигателем планировалось оснастить ракету, способную доставить людей на поверхность Марса или орбиту Юпитера. Экипаж, размещенный в носовом отсеке, был бы защищен от разрушительных воздействий гигантских ускорений демпфирующим устройством. Результатом детальной инженерной проработки стали маршевые испытания масштабного макета корабля для изучения устойчивости полета (вместо ядерных зарядов использовалась обычная взрывчатка). Из-за дороговизны проект был закрыт в 1965 году.
Схожие идеи создания «взрыволета» высказывал и советский академик А. Сахаров в июле 1961 года. Для вывода корабля на орбиту ученый предлагал использовать обычные ЖТРД.
Альтернативные проекты
Огромное количество проектов так и не вышли за рамки теоретических изысканий. Среди них было немало оригинальных и очень перспективных. Подтверждением служит идея силовой ядерной установки на делящихся фрагментах. Конструктивные особенности и устройство этого двигателя позволяют обходиться вообще без рабочего тела. Реактивная струя, обеспечивающая необходимые тяговые характеристики, формируется из отработанного ядерного материала. В основе реактора лежат вращающиеся диски с подкритической ядерной массой (коэффициент деления атомов меньше единицы). При вращении в секторе диска, находящегося в активной зоне, запускается цепная реакция и распадающиеся высокоэнергетические атомы направляются в сопло двигателя, образуя реактивную струю. Сохранившиеся целые атомы примут участие в реакции при следующих оборотах топливного диска.
Вполне работоспособны проекты ядерного двигателя для кораблей, выполняющих определенные задачи в околоземном пространстве, на базе РИТЭГов (радиоизотопных термоэлектрических генераторов), но для осуществления межпланетных, а тем более межзвездных перелетов такие установки малоперспективны.
Огромный потенциал у двигателей, работающих на ядерном синтезе. Уже на сегодняшнем этапе развития науки и техники вполне реализуема импульсная установка, в которой, подобно проекту «Орион», под днищем ракеты будут подрываться термоядерные заряды. Впрочем, и осуществление управляемого ядерного синтеза многие специалисты считают делом недалекого будущего.
Достоинства и недостатки ЯРД
К бесспорным преимуществам использования ядерных двигателей в качестве силовых агрегатов для космических летательных аппаратов следует отнести их высокую энергетическую эффективность, обеспечивающую высокий удельный импульс и хорошие тяговые показатели (до тысячи тонн в безвоздушном пространстве), внушительный энергозапас при автономной работе. Современный уровень научно-технического развития позволяет обеспечить сравнительную компактность такой установки.
Основной недостаток ЯРД, послуживший причиной сворачивания проектно-исследовательских работ - высокая радиационная опасность. Это особенно актуально при проведении наземных огневых тестов в результате которых возможно попадание в атмосферу вместе с рабочим телом и радиоактивных газов, соединений урана и его изотопов, и разрушающее воздействие проникающей радиации. По этим же причинам неприемлем старт космического корабля, оборудованного ядерным двигателем, непосредственно с поверхности Земли.
Настоящее и будущее
По заверениям академика РАН, генерального директора «Центра Келдыша» Анатолия Коротеева, принципиально новый тип ядерного двигателя в России будет создан уже в ближайшее время. Суть подхода заключается в том, энергия космического реактора будет направлена не на непосредственный нагрев рабочего тела и формирования реактивной струи, а для производства электричества. Роль движителя в установке отводится плазменному двигателю, удельная тяга которого в 20 раз превышает тягу существующих на сегодняшний день химических реактивных аппаратов. Головным предприятием проекта выступает подразделение госкорпорации «Росатом» АО «НИКИЭТ» (Москва).
Полномасштабные макетные тесты были успешно пройдены еще в 2015 году на базе НПО «Машиностроения» (Реутов). Датой начала летно-конструкторских испытаний ядерной энергоустановки назван ноябрь нынешнего года. Важнейшие элементы и системы должны будут пройти проверку, в том числе и на борту МКС.
Функционирование нового российского ядерного двигателя происходит по замкнутому циклу, что полностью исключает попадание радиоактивных веществ в окружающее пространство. Массовые и габаритные характеристики основных элементов энергетической установки обеспечивают ее использование с существующими отечественными ракето-носителями «Протон» и «Ангара».
Можно было бы начать эту статью традиционным пассажем про то, как писатели-фантасты выдвигают смелые идеи, а ученые потом воплощают их в жизнь. Можно, но писать штампами не хочется. Лучше вспомнить, что современные ракетные двигатели, твердотопливные и жидкостные, имеют более чем неудовлетворительные характеристики для полетов на относительно дальние дистанции. Вывести груз на орбиту Земли они позволяют, доставить что-то на Луну – тоже, хотя и обходится такой полет дороже. А вот полететь на Марс с такими двигателями уже нелегко. Им подавай горючее и окислитель в нужных объемах. И объемы эти прямо пропорциональны расстоянию, которое надо преодолеть.
Альтернатива традиционным химическим ракетным двигателям – двигатели электрические, плазменные и ядерные. Из всех альтернативных двигателей до стадии разработки двигателя дошла только одна система – ядерная (ЯРД). В Советском Союзе и в США еще в 50-х годах прошлого века были начаты работы по созданию ядерных ракетных двигателей. Американцы прорабатывали оба варианта такой силовой установки: реактивный и импульсный. Первая концепция подразумевает нагрев рабочего тела при помощи ядерного реактора с последующим выбросом через сопла. Имульсный ЯРД, в свою очередь, движет космический аппарат за счет последовательных взрывов небольшого количества ядерного топлива.
Также в США был придуман проект «Орион», соединявший в себе оба варианта ЯРД. Сделано это было следующим образом: из хвостовой части корабля выбрасывались небольшие ядерные заряды мощностью около 100 тонн в тротиловом эквиваленте. Вслед за ними отстреливались металлические диски. На расстоянии от корабля производился подрыв заряда, диск испарялся, и вещество разлеталось в разные стороны. Часть его попадала в усиленную хвостовую часть корабля и двигала его вперед. Небольшую прибавку к тяге должно было давать испарение плиты, принимающей на себя удары. Удельная стоимость такого полета должна была быть всего 150 тогдашних долларов на килограмм полезной нагрузки.
Дошло даже до испытаний: опыт показал, что движение при помощи последовательных импульсов возможно, как и создание кормовой плиты достаточной прочности. Но проект «Орион» был закрыт в 1965 году как неперспективный. Тем не менее, это пока единственная существующая концепция, которая может позволить осуществлять экспедиции хотя бы по Солнечной системе.
До строительства опытного экземпляра удалось дойти только реактивным ЯРД. Это были советский РД-0410 и американский NERVA. Они работали по одинаковому принципу: в «обычном» ядерном реакторе нагревается рабочее тело, которое при выбросе из сопел и создает тягу. Рабочим телом обоих двигателей был жидкий водород, но на советском в качестве вспомогательного вещества использовался гептан.
Тяга РД-0410 составляла 3,5 тонны, NERVA давал почти 34, однако имел и большие габариты: 43,7 метров длины и 10,5 в диаметре против 3,5 и 1,6 метров соответственно у советского двигателя. При этом американский двигатель в три раза проигрывал советскому по ресурсу – РД-0410 мог работать целый час.
Однако оба двигателя, несмотря на перспективность, тоже остались на Земле и никуда не летали. Главная причина закрытия обоих проектов (NERVA в середине 70-х, РД-0410 в 1985 году) – деньги. Характеристики химических двигателей хуже, чем у ядерных, но цена одного запуска корабля с ЯРД при одинаковой полезной нагрузке может быть в 8-12 раз больше пуска того же «Союза» с ЖРД. И это еще без учета всех расходов, необходимых для доведения ядерных двигателей до пригодности к практическому применению.
Вывод из эксплуатации «дешевых» Шаттлов и отсутствие в последнее время революционных прорывов в космической технике требует новых решений. В апреле этого года тогдашний глава Роскосмоса А. Перминов заявил о намерении разработать и ввести в эксплуатацию совершенно новый ЯРД. Именно это, по мнению Роскосмоса, должно кардинально улучшить «обстановку» во всей мировой космонавтике. Теперь же выяснилось, кто должен стать очередными революционерами космонавтики: разработкой ЯРД займется ФГУП «Центр Келдыша». Генеральный директор предприятия А. Коротеев уже обрадовал общественность о том, что эскизный проект космического корабля под новый ЯРД будет готов уже в следующем году. Проект двигателя должен быть готов к 2019, а испытания запланированы на 2025 год.
Комплекс получил название ТЭМ – транспортно-энергетический модуль. Он будет нести ядерный реактор с газовым охлаждением. С непосредственным движителем пока не определились: либо это будет реактивный двигатель наподобие РД-0410, либо электрический ракетный двигатель (ЭРД). Однако последний тип пока нигде в мире массово не применялся: ими оснащались всего три космических аппарата. Но в пользу ЭРД говорит тот факт, что от реактора можно запитывать не только двигатель, но и множество других агрегатов или вообще использовать весь ТЭМ как космическую электростанцию.
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.
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.