Dom / Vrste opekotina/ Nuklearni raketni motor. Nuklearni raketni motori i nuklearni raketni električni pogonski sistemi

Nuklearni raketni motor. Nuklearni raketni motori i nuklearni raketni električni pogonski sistemi

Ideja bacanja atomskih bombi iza krme pokazala se previše brutalnom, ali količina energije koju proizvodi reakcija nuklearne fisije, a da ne spominjemo fuziju, izuzetno je privlačna za astronautiku. Stoga su stvoreni mnogi ne-pulsni sistemi koji su eliminisali gnjavažu oko skladištenja stotina nuklearne bombe na brodu i kiklopski amortizeri. Danas ćemo pričati o njima.

Nuklearna fizika na dohvat ruke

Šta je nuklearna reakcija? Da to objasnim vrlo jednostavno, slika će biti otprilike ovakva. Iz školskog programa pamtimo da se materija sastoji od molekula, molekule od atoma, a atome od protona, elektrona i neutrona (ima nižih nivoa, ali nam je ovo dovoljno). Neki teški atomi imaju zanimljivu osobinu - ako ih pogodi neutron, raspadaju se na lakše atome i oslobađaju nekoliko neutrona. Ako ovi oslobođeni neutroni udare druge teške atome u blizini, raspad će se ponoviti i dobićemo nuklearnu lančanu reakciju. Kretanje neutrona velikom brzinom znači da se ovo kretanje pretvara u toplinu kada se neutroni uspore. Stoga je nuklearni reaktor vrlo moćan grijač. Oni mogu prokuhati vodu, poslati paru u turbinu i dobiti nuklearnu elektranu. Ili možete zagrijati vodonik i izbaciti ga van, stvarajući nuklearni mlazni motor. Iz ove ideje su rođeni prvi motori - NERVA i RD-0410.

NERVA

Istorija projekta

Formalno autorstvo (patent) za pronalazak atomskog raketnog motora pripada Richardu Feynmanu, prema njegovim memoarima „Sigurno se šalite, gospodine Feynman“. Knjiga je, inače, jako preporučljiva za čitanje. Laboratorija u Los Alamosu započela je razvoj nuklearnih raketnih motora 1952. godine. 1955. godine započeo je projekat Rovera. U prvoj fazi projekta, KIWI, izgrađeno je 8 eksperimentalnih reaktora, a od 1959. do 1964. godine proučavano je pročišćavanje radnog fluida kroz jezgro reaktora. Za vremensku referencu, projekat Orion je postojao od 1958. do 1965. godine. Rover je imao druge i tri faze istraživanja reaktora veće snage, ali NERVA je bila bazirana na KIWI-ju zbog planova za prvo probno lansiranje u svemir 1964. godine – nije bilo vremena za razvoj naprednijih opcija. Rokovi su se postepeno pomicali naprijed i prvo lansiranje motora NERVA NRX/EST na kopnu (EST - Test sistema motora - test motorni sistem) odigrao se 1966. Motor je uspješno radio dva sata, od čega je 28 minuta bilo na punom potisku. Drugi motor NERVA XE pokrenut je 28 puta i radio je ukupno 115 minuta. Motor je ocijenjen pogodnim za primjenu u svemiru, a ispitni stol je bio spreman za testiranje novosastavljenih motora. Činilo se da NERVA ima svijetlu budućnost pred sobom - let na Mars 1978. godine, stalnu bazu na Mjesecu 1981. godine, orbitalne tegljače. Ali uspjeh projekta izazvao je paniku u Kongresu - lunarni program se pokazao vrlo skupim za Sjedinjene Države, program na Marsu bi bio još skuplji. 1969. i 1970. godine finansiranje svemira je ozbiljno smanjeno - Apolosi 18, 19 i 20 su otkazani, a niko nije želio izdvojiti ogromne količine novca za program Mars. Kao rezultat toga, rad na projektu je obavljen bez ozbiljnih sredstava i zatvoren je 1972. godine.

Dizajn

Vodik iz rezervoara je ušao u reaktor, tamo se zagrejao i izbacivao, stvarajući mlazni potisak. Vodik je odabran kao radni fluid jer ima lagane atome i lakše se ubrzava do velike brzine. Što je veća brzina izduvnog gasa, to je raketni motor efikasniji.
Korišten je reflektor neutrona kako bi se osiguralo da se neutroni vrate nazad u reaktor kako bi se održala nuklearna lančana reakcija.
Kontrolne šipke su korištene za kontrolu reaktora. Svaki takav štap sastojao se od dvije polovine - reflektora i apsorbera neutrona. Kada je štap okrenuo neutronski reflektor, njihov protok u reaktoru se povećao i reaktor je povećao prijenos topline. Kada je štap okrenuo apsorber neutrona, njihov protok u reaktoru se smanjio, a reaktor je smanjio prijenos topline.
Vodonik je također korišten za hlađenje mlaznice, a topli vodonik iz sistema za hlađenje mlaznice je rotirao turbopumpu kako bi doveo više vodonika.

Motor radi. Vodik je posebno zapaljen na izlazu iz mlaznice kako bi se izbjegla opasnost od eksplozije; ne bi došlo do izgaranja u svemiru.

Motor NERVA proizveo je 34 tone potiska, oko jedan i po puta manje od motora J-2 koji je pokretao drugi i treći stepen rakete Saturn V. Specifični impuls je bio 800-900 sekundi, što je dvostruko više od najboljih motora koji koriste par kisik-vodonik goriva, ali manje od električnog pogonskog sistema ili Orion motora.

Malo o sigurnosti

Nuklearni reaktor koji je tek sastavljen, a nije pokrenut, sa novim gorivnim sklopovima koji još nisu korišteni, prilično je čist. Uranijum je otrovan, pa morate nositi rukavice, ali ništa više. Nisu potrebni daljinski manipulatori, olovni zidovi ili bilo šta drugo. Sva prljavština koja se zrače pojavljuje se nakon pokretanja reaktora zbog raspršivanja neutrona, "kvarenja" atoma posude, rashladnog sredstva itd. Prema tome, u slučaju raketnog nesreća sa takvim motorom, radijaciona kontaminacija atmosfere i površine bila bi mala i, naravno, bila bi mnogo manja od normalnog lansiranja Oriona. U slučaju uspješnog lansiranja, kontaminacija bi bila minimalna ili bi uopće izostala, jer bi motor morao biti lansiran u gornjim slojevima atmosfere ili već u svemiru.

RD-0410

Sovjetski motor RD-0410 ima sličnu istoriju. Ideja o motoru rođena je kasnih 40-ih godina među pionirima raketne i nuklearne tehnologije. Kao iu projektu Rovera, prvobitna ideja je bila nuklearni motor koji diše vazduh za prvu fazu balistički projektil, zatim se razvoj preselio na svemirsku industriju. RD-0410 se razvijao sporije; domaći programeri su bili poneseni idejom nuklearnog pogonskog motora u plinskoj fazi (više o tome u nastavku). Projekat je započeo 1966. godine i nastavio se do sredine 80-ih. Cilj motora bila je misija Mars 94, let s ljudskom posadom na Mars 1994. godine.
Dizajn RD-0410 je sličan NERVA-i - vodik prolazi kroz mlaznicu i reflektore, hladeći ih, dovodi se u jezgro reaktora, tamo se zagrijava i oslobađa.
Po svojim karakteristikama RD-0410 je bio bolji od NERVA-e - temperatura jezgra reaktora bila je 3000 K umjesto 2000 K za NERVA, a specifični impuls prelazio je 900 s. RD-0410 je bio lakši i kompaktniji od NERVA-e i razvijao je deset puta manji potisak.

Testovi motora. Bočna baklja dolje lijevo pali vodonik kako bi spriječila eksploziju.

Razvoj čvrstofaznih nuklearnih pogonskih motora

Sjećamo se da što je viša temperatura u reaktoru, to je veći protok radnog fluida i veći je specifični impuls motora. Šta vas sprečava da povećate temperaturu u NERVA ili RD-0410? Činjenica je da su u oba motora gorivni elementi u čvrstom stanju. Ako povećate temperaturu, oni će se istopiti i izletjeti zajedno s vodonikom. Stoga je za veće temperature potrebno smisliti neki drugi način za izvođenje nuklearne lančane reakcije.

Motor na soli nuklearno gorivo

U nuklearnoj fizici postoji nešto što je kritična masa. Sjetite se nuklearne lančane reakcije na početku posta. Ako su fisijski atomi vrlo blizu jedan drugom (na primjer, bili su komprimirani pritiskom iz posebne eksplozije), tada će se ispostaviti nuklearna eksplozija- mnogo topline u vrlo kratkom vremenu. Ako se atomi ne stisnu tako čvrsto, ali se protok novih neutrona iz fisije povećava, nastat će toplinska eksplozija. Konvencionalni reaktor bi propao u takvim uslovima. Sada zamislite da uzmemo vodenu otopinu fisionog materijala (na primjer, soli uranijuma) i kontinuirano ih ubacujemo u komoru za sagorijevanje, dajući tamo masu veću od kritične. Rezultat je nuklearna "svijeća", koja neprekidno gori, toplina iz koje ubrzava reagovano nuklearno gorivo i vodu.

Ideju je 1991. godine predložio Robert Zubrin i, prema različitim procjenama, obećava specifičan impuls od 1300 do 6700 s s potiskom mjerenim u tonama. Nažalost, takva shema ima i nedostatke:

Složenost skladištenja goriva – lančana reakcija u rezervoaru mora se izbjeći postavljanjem goriva u, na primjer, tanke cijevi iz apsorbera neutrona, pa će rezervoari biti složeni, teški i skupi.

Velika potrošnja nuklearnog goriva posljedica je činjenice da će efikasnost reakcije (broj raspadnutih/broj potrošenih atoma) biti vrlo niska. Čak i unutra atomska bomba Fisijski materijal ne "izgori" u potpunosti, i odmah će se većina vrijednog nuklearnog goriva potrošiti.

Testovi na tlu su praktički nemogući - izduvni gasovi takvog motora bit će jako prljavi, prljaviji čak i od Oriona.

Postoje neka pitanja o kontroli nuklearne reakcije - nije činjenica da će shema koja je jednostavna u verbalnom opisu biti lako tehnički implementirana.

Nuklearni pogonski motori u gasnoj fazi

Sljedeća ideja: što ako stvorimo vrtlog radnog fluida, u čijem središtu će se odigrati nuklearna reakcija? U tom slučaju, visoka temperatura jezgra neće doći do zidova, apsorbirana od strane radnog fluida, i može se podići na desetine hiljada stepeni. Ovako je rođena ideja o nuklearnom pogonskom motoru otvorenog ciklusa u gasnoj fazi:

Nuklearni pogonski motor u gasnoj fazi obećava specifičan impuls do 3000-5000 sekundi. U SSSR-u je započet projekat nuklearnog pogonskog motora u gasnoj fazi (RD-600), ali nije došao ni do faze makete.
"Otvoreni ciklus" znači da će nuklearno gorivo biti ispušteno van, što, naravno, smanjuje efikasnost. Stoga je izmišljena sljedeća ideja, dijalektički se vraćajući na NRE u čvrstoj fazi - okružimo područje nuklearne reakcije sa supstancom koja je dovoljno otporna na toplinu koja će prenositi zračenu toplinu. Kao takva supstanca predložen je kvarc, jer se na desetinama hiljada stepeni toplota prenosi zračenjem i materijal posude mora biti providan. Rezultat je nuklearni pogonski motor zatvorenog ciklusa gasne faze ili "nuklearna sijalica":

U ovom slučaju, granica temperature jezgre bit će toplinska čvrstoća omotača "sijalice". Tačka topljenja kvarca je 1700 stepeni Celzijusa, sa aktivnim hlađenjem temperatura se može povećati, ali, u svakom slučaju, specifični impuls će biti niži od otvorenog kruga (1300-1500 s), ali će se nuklearno gorivo trošiti ekonomičnije , a izduvni gasovi će biti čistiji.

Alternativni projekti

Pored razvoja čvrstofaznih nuklearnih pogonskih motora, postoje i originalni projekti.

Fisijski motor

Ideja ovog motora je da nema radnog fluida - to je izbačeno istrošeno nuklearno gorivo. U prvom slučaju, podkritični diskovi su napravljeni od fisionih materijala, koji sami ne pokreću lančanu reakciju. Ali ako se disk stavi u zonu reaktora sa reflektorima neutrona, lančana reakcija će započeti. A rotacija diska i odsustvo radnog fluida dovest će do činjenice da će raspadnuti atomi visoke energije odletjeti u mlaznicu, stvarajući potisak, a neraspadnuti atomi će ostati na disku i dobiti priliku za sljedeća revolucija diska:

Čak više zanimljiva ideja sastoji se od stvaranja prašnjave plazme (sjetite se na ISS-u) od fisionih materijala, u kojoj se proizvodi raspada nanočestica nuklearnog goriva ioniziraju električno polje i izbacuju se, stvarajući potisak:

Obećavaju fantastičan specifičan impuls od 1.000.000 sekundi. Entuzijazam je prigušen činjenicom da je razvoj na nivou teorijskih istraživanja.

Motori za nuklearnu fuziju

U još daljoj budućnosti, stvaranje motora nuklearne fuzije. Za razliku od reakcija nuklearnog raspada, gdje su atomski reaktori stvoreni gotovo istovremeno s bombom, termonuklearni reaktori još nisu prešli iz „sutra“ u „danas“, a reakcije fuzije se mogu koristiti samo u „Orionovom“ stilu - bacanje termonuklearnih bombi.

Nuklearna fotonska raketa

Teoretski, moguće je zagrijati jezgro do te mjere da se potisak može stvoriti reflektirajućim fotonima. Unatoč odsustvu tehničkih ograničenja, takvi motori na trenutnom nivou tehnologije su neisplativi - potisak će biti prenizak.

Radioizotopska raketa

Raketa koja zagrijava radni fluid iz RTG-a bit će potpuno funkcionalna. Ali RTG proizvodi relativno malo topline, tako da će takav motor biti vrlo neefikasan, iako vrlo jednostavan.

Zaključak

Na sadašnjem nivou tehnologije moguće je sastaviti čvrsti nuklearni pogonski motor u stilu NERVA ili RD-0410 - tehnologije su savladane. Ali takav motor će izgubiti od kombinacije "nuklearni reaktor + električni pogon" u smislu specifičnog impulsa, dok će pobijediti u smislu potiska. Ali naprednije opcije su još uvijek samo na papiru. Stoga lično mislim da je kombinacija „reaktor + električni pogon“ obećavajuća.

Izvori informacija

Glavni izvor informacija je engleska Wikipedia i resursi koji su tamo navedeni kao veze. Paradoksalno, postoje zanimljivi članci o NRE o tradiciji - NRE u čvrstoj fazi i NRE u gasnoj fazi. Članak o uključenim motorima

Sergejev Aleksej, 9 „A“ razred, Opštinska obrazovna ustanova „Srednja škola br. 84“

Naučni konsultant: , zamenik direktora neprofitnog partnerstva za naučne i inovativne aktivnosti "Tomski atomski centar"

Rukovodilac: , nastavnik fizike, Opštinska obrazovna ustanova “Srednja škola br. 84” CATO Seversk

Uvod

Pogonski sistemi na svemirskom brodu dizajnirani su da stvaraju potisak ili zamah. Prema vrsti potiska koji se koristi, pogonski sistem se dijeli na hemijski (CHRD) i nehemijski (NCRD). CRD se dijele na motore na tekuće gorivo (LPRE), raketne motore na čvrsto gorivo (motori na čvrsto gorivo) i kombinirane raketne motore (RCR). Zauzvrat, nehemijski pogonski sistemi se dele na nuklearne (NRE) i električne (EP). Veliki naučnik Konstantin Eduardovič Ciolkovski pre jednog veka stvorio je prvi model pogonskog sistema koji je radio na čvrsto i tečno gorivo. Nakon toga, u drugoj polovini 20. vijeka, izvedene su hiljade letova uglavnom s motorima na tečno gorivo i raketnim motorima na čvrsto gorivo.

Međutim, trenutno, za letove na druge planete, a da ne spominjemo zvijezde, upotreba raketnih motora na tekuće gorivo i raketnih motora na čvrsto gorivo postaje sve neisplativija, iako su razvijeni mnogi raketni motori. Najvjerovatnije su se mogućnosti raketnih motora na tekuće gorivo i raketnih motora na čvrsto gorivo potpuno iscrpile. Razlog je to što je specifični impuls svih hemijskih potisnika nizak i ne prelazi 5000 m/s, što zahtijeva dugotrajan rad potisnika da bi se razvile dovoljno velike brzine i, shodno tome, velike rezerve goriva ili, kako je uobičajeno. u astronautici, neophodno velike vrijednosti Ciolkovsky broj, odnosno odnos mase rakete sa gorivom i mase prazne rakete. Tako raketa-nosač Energia, koja lansira 100 tona korisnog tereta u nisku orbitu, ima lansirnu masu od oko 3.000 tona, što daje broj Ciolkovskog vrijednost unutar 30.

Za let do Marsa, na primjer, broj Ciolkovskog bi trebao biti još veći, dostižući vrijednosti od 30 do 50. Lako je procijeniti da je nosivost od oko 1.000 tona, a u tim granicama je minimalna masa potrebno da se obezbedi sve što je potrebno za posadu koja kreće na Mars varira Uzimajući u obzir zalihe goriva za povratni let na Zemlju, početna masa letelice mora biti najmanje 30.000 tona, što je očigledno iznad nivoa razvoja moderne astronautike, baziran na upotrebi motora na tečno gorivo i raketnih motora na čvrsto gorivo.

Dakle, da bi posade s ljudskom posadom došle čak i do najbližih planeta, potrebno je razviti lansirne rakete na motorima koji rade na principima drugačijim od hemijskog pogona. Najperspektivniji u tom pogledu su električni mlazni motori (EPE), termohemijski raketni motori i nuklearni mlazni motori (NRE).

1.Osnovni koncepti

Raketni motor je mlazni motor koji za rad ne koristi okolinu (vazduh, vodu). Hemijski raketni motori su najčešće korišteni. Razvijaju se i testiraju i druge vrste raketnih motora - električni, nuklearni i drugi. Najjednostavniji raketni motori koji rade na komprimiranim plinovima također se široko koriste na svemirskim stanicama i vozilima. Obično koriste dušik kao radni fluid. /1/

Klasifikacija pogonskih sistema

2. Namjena raketnih motora

Prema svojoj namjeni, raketni motori se dijele na nekoliko glavnih tipova: ubrzanje (startovanje), kočenje, pogon, upravljanje i drugi. Raketni motori se prvenstveno koriste na raketama (otuda i naziv). Osim toga, raketni motori se ponekad koriste u avijaciji. Raketni motori su glavni motori u astronautici.

Vojne (borbene) rakete obično imaju motore na čvrsto gorivo. To je zbog činjenice da se takav motor puni gorivom u tvornici i ne zahtijeva održavanje za cijelo skladištenje i vijek trajanja same rakete. Motori na čvrsto gorivo se često koriste kao pojačivači za svemirske rakete. Posebno se široko koriste u ovom svojstvu u SAD-u, Francuskoj, Japanu i Kini.

Tečni raketni motori imaju veće karakteristike potiska od čvrstih raketnih motora. Stoga se koriste za lansiranje svemirskih raketa u orbitu oko Zemlje i za međuplanetarne letove. Glavna tečna goriva za rakete su kerozin, heptan (dimetilhidrazin) i tečni vodonik. Za takve vrste goriva potreban je oksidant (kiseonik). Dušična kiselina i tečni kiseonik se koriste kao oksidanti u takvim motorima. Dušična kiselina je inferiorna u odnosu na tečni kisik u pogledu oksidacijskih svojstava, ali ne zahtijeva posebno održavanje temperaturni režim tokom skladištenja, punjenja goriva i upotrebe projektila

Motori za svemirske letove razlikuju se od onih na Zemlji po tome što moraju proizvesti što više snage uz najmanju moguću masu i zapreminu. Osim toga, podliježu zahtjevima kao što su izuzetno visoka efikasnost i pouzdanost, te značajno vrijeme rada. Na osnovu vrste energije koja se koristi, pogonski sistemi svemirskih letjelica dijele se na četiri tipa: termohemijski, nuklearni, električni, solarni jedriličari. Svaki od navedenih tipova ima svoje prednosti i nedostatke i može se koristiti u određenim uslovima.

Trenutno se svemirski brodovi, orbitalne stanice i Zemljini sateliti bez posade lansiraju u svemir raketama opremljenim snažnim termohemijskim motorima. Postoje i minijaturni motori sa malim potiskom. Ovo je manja kopija moćnih motora. Neki od njih mogu stati na dlan. Sila potiska takvih motora je vrlo mala, ali je dovoljna za kontrolu položaja broda u svemiru

3.Termohemijski raketni motori.

Poznato je da u motoru sa unutrašnjim sagorevanjem, peći parnog kotla - gde god da dođe do sagorevanja, atmosferski kiseonik uzima najaktivniji deo. U svemiru nema vazduha, a da bi raketni motori radili u svemiru, neophodno je da imaju dve komponente - gorivo i oksidant.

Tečni termohemijski raketni motori koriste alkohol, kerozin, benzin, anilin, hidrazin, dimetilhidrazin i tečni vodonik kao gorivo. Kao oksidant koriste se tekući kisik, vodikov peroksid i dušična kiselina. Možda će se u budućnosti tečni fluor koristiti kao oksidant kada se izmisle metode za skladištenje i korištenje takve aktivne kemikalije

Gorivo i oksidant za tekuće mlazne motore se čuvaju odvojeno u posebnim rezervoarima i dovode se u komoru za sagorevanje pomoću pumpi. Kada se spoje u komori za sagorevanje, temperature dostižu 3000 – 4500 °C.

Proizvodi sagorevanja, šireći se, postižu brzine od 2500 do 4500 m/s. Odbijajući se od tijela motora, stvaraju mlazni potisak. Istovremeno, što je veća masa i brzina protoka gasa, to je veći potisak motora.

Specifični potisak motora obično se procjenjuje količinom potiska stvorenog po jedinici mase sagorijenog goriva u jednoj sekundi. Ova veličina se naziva specifičnim impulsom raketnog motora i mjeri se u sekundama (kg potiska / kg sagorjelog goriva u sekundi). Najbolji raketni motori na čvrsto gorivo imaju specifičan impuls do 190 s, odnosno sagorijevanje 1 kg goriva u jednoj sekundi stvara potisak od 190 kg. Raketni motor vodonik-kiseonik ima specifičan impuls od 350 s. Teoretski, motor vodonik-fluor može razviti specifični impuls duži od 400 s.

Uobičajeni krug raketnog motora s tekućinom radi na sljedeći način. Komprimovani gas stvara potreban pritisak u rezervoarima sa kriogenim gorivom kako bi se sprečila pojava gasnih mehurića u cevovodima. Pumpe opskrbljuju gorivom raketne motore. Gorivo se ubrizgava u komoru za sagorevanje kroz veliki broj injektora. Oksidator se takođe ubrizgava u komoru za sagorevanje kroz mlaznice.

U svakom automobilu, kada gorivo sagorijeva, stvaraju se veliki toplinski tokovi koji zagrijavaju zidove motora. Ako ne ohladite zidove komore, ona će brzo izgorjeti, bez obzira od kojeg materijala je napravljena. Tečni mlazni motor se obično hladi jednom od komponenti goriva. U tu svrhu, komora je napravljena od dva zida. Hladna komponenta goriva teče u procjepu između zidova.

Aluminijum" href="/text/category/alyuminij/" rel="bookmark">aluminij, itd. Posebno kao aditiv konvencionalnim gorivima, kao što je vodonik-kiseonik. Takvi "trojni sastavi" mogu da obezbede najveću moguću brzinu za hemikalije goriva izduvnih gasova - do 5 km/s. Ali to je prakticno granica resursa hemije. Prakticno ne moze vise. Iako u predlozenom opisu jos uvek dominiraju tecni raketni motori, mora se reci da je prvi u istoriji čovječanstva je stvoren termohemijski raketni motor na čvrsto gorivo – raketni motor na čvrsto gorivo.Gorivo – na primjer specijalni barut – nalazi se direktno u komori za sagorijevanje.Komora za izgaranje sa mlaznicom napunjenom čvrstim gorivom – to je cijeli dizajn. Način sagorevanja čvrstog goriva zavisi od namene raketnog motora na čvrsto gorivo (lansirni, nosač ili kombinovani).Za rakete na čvrsto gorivo koje se koriste u vojnim poslovima karakteriše prisustvo startnih i pogonskih motora.Početni raketni motor na čvrsto gorivo se razvija visok potisak na vrlo kratko vrijeme, što je neophodno da bi se raketa spustila lanser i njegovo početno ubrzanje. Nosivi raketni motor na čvrsto gorivo je dizajniran da održava konstantnu brzinu leta rakete na glavnom (pogonskom) dijelu putanje leta. Razlike između njih leže uglavnom u dizajnu komore za sagorijevanje i profilu površine sagorijevanja punjenja goriva, koji određuju brzinu sagorijevanja goriva o kojoj ovisi vrijeme rada i potisak motora. Za razliku od ovakvih raketa, svemirske rakete za lansiranje Zemljinih satelita, orbitalnih stanica i svemirski brodovi, kao i međuplanetarne stanice rade samo u startnom režimu od lansiranja rakete do lansiranja objekta u orbitu oko Zemlje ili na međuplanetarnu putanju. Generalno, raketni motori na čvrsto gorivo nemaju mnogo prednosti u odnosu na motore na tekuće gorivo: jednostavni su za proizvodnju, dugo vrijeme može se skladištiti, uvijek spreman za akciju, relativno otporan na eksploziju. Ali u pogledu specifičnog potiska, motori na čvrsto gorivo su 10-30% inferiorniji od motora na tečna goriva.

4. Električni raketni motori

Gotovo svi raketni motori o kojima se govorilo razvijaju ogroman potisak i dizajnirani su da lansiraju svemirske letjelice u orbitu oko Zemlje i ubrzaju ih do kosmičkih brzina za međuplanetarne letove. Sasvim druga stvar su pogonski sistemi za letelice koje su već lansirane u orbitu ili na međuplanetarnu putanju. Ovdje su nam, po pravilu, potrebni motori male snage (nekoliko kilovata ili čak vati) koji mogu raditi stotine i hiljade sati i koji se više puta uključuju i gase. Omogućuju vam da održite let u orbiti ili duž date putanje, kompenzujući otpor leta koji stvaraju gornji slojevi atmosfere i solarni vjetar. U električnim raketnim motorima radni fluid se ubrzava do određene brzine zagrijavanjem električnom energijom. Struja dolazi iz solarnih panela ili nuklearne elektrane. Metode zagrijavanja radnog fluida su različite, ali u stvarnosti se uglavnom koristi električni luk. Pokazao se kao vrlo pouzdan i može izdržati veliki broj pokretanja. Vodik se koristi kao radni fluid u elektrolučnim motorima. Koristeći električni luk, vodonik se zagrijava na vrlo visoku temperaturu i pretvara se u plazmu - električno neutralnu mješavinu pozitivnih jona i elektrona. Brzina istjecanja plazme iz motora doseže 20 km/s. Kada naučnici riješe problem magnetske izolacije plazme od zidova komore motora, tada će biti moguće značajno povećati temperaturu plazme i povećati brzinu ispuha na 100 km/s. Prvi električni raketni motor razvijen je u Sovjetskom Savezu u godinama. pod vodstvom (kasnije je postao tvorac motora za sovjetske svemirske rakete i akademik) u čuvenoj Gas Dynamics Laboratory (GDL)./10/

5.Druge vrste motora

Postoje i egzotičniji dizajni nuklearnih raketnih motora, u kojima je fisioni materijal u tekućem, plinovitom ili čak plazma stanju, ali je implementacija takvih dizajna na sadašnjem nivou tehnologije i tehnologije nerealna. Postoje sljedeći projekti raketnih motora, koji su još u teorijskoj ili laboratorijskoj fazi:

Pulsni nuklearni raketni motori koji koriste energiju eksplozija malih nuklearnih punjenja;

Termonuklearni raketni motori, koji mogu koristiti izotop vodonika kao gorivo. Energetska produktivnost vodika u takvoj reakciji je 6,8 * 1011 KJ/kg, odnosno približno dva reda veličine veća od produktivnosti reakcija nuklearne fisije;

Motori sa solarnim jedrom - koji koriste pritisak sunčeve svjetlosti (solarni vjetar), čije je postojanje empirijski dokazao ruski fizičar još 1899. godine. Proračunom, naučnici su ustanovili da uređaj težak 1 tonu, opremljen jedrom prečnika 500 m, može odletjeti od Zemlje do Marsa za oko 300 dana. Međutim, efikasnost solarnog jedra brzo opada sa udaljenosti od Sunca.

6. Nuklearni raketni motori

Jedan od glavnih nedostataka raketnih motora koji rade na tečno gorivo je povezan sa ograničenim protokom gasova. U nuklearnim raketnim motorima, čini se da je moguće koristiti kolosalnu energiju koja se oslobađa tokom razgradnje nuklearnog „goriva“ za zagrijavanje radne tvari. Princip rada nuklearnih raketnih motora gotovo se ne razlikuje od principa rada termohemijskih motora. Razlika je u tome što se radni fluid zagrijava ne zbog vlastite kemijske energije, već zbog "strane" energije koja se oslobađa tijekom intranuklearne reakcije. Radni fluid prolazi kroz nuklearni reaktor, u kojem dolazi do reakcije fisije atomskih jezgri (na primjer, uranijuma), te se zagrijava. Nuklearni raketni motori eliminišu potrebu za oksidantom i stoga se može koristiti samo jedna tečnost. Kao radni fluid preporučljivo je koristiti supstance koje omogućavaju motoru da razvije veću vučnu silu. Ovaj uslov najpotpunije zadovoljava vodonik, zatim amonijak, hidrazin i voda. Procesi u kojima se oslobađa nuklearna energija dijele se na radioaktivne transformacije, reakcije fisije teških jezgara i reakcije fuzije lakih jezgara. Radioizotopske transformacije se ostvaruju u takozvanim izotopskim izvorima energije. Specifična masena energija (energija koju može osloboditi supstanca težine 1 kg) umjetnih radioaktivnih izotopa je znatno veća nego kod kemijskih goriva. Tako je za 210Po jednaka 5*10 8 KJ/kg, dok za energetski najefikasnije hemijsko gorivo (berilij sa kiseonikom) ova vrednost ne prelazi 3*10 4 KJ/kg. Nažalost, još uvijek nije racionalno koristiti takve motore na svemirskim raketama. Razlog tome je visoka cijena izotopske tvari i poteškoće u radu. Uostalom, izotop neprestano oslobađa energiju, čak i kada se transportuje u posebnom kontejneru i kada je raketa parkirana na mjestu lansiranja. Nuklearni reaktori koriste energetski efikasnije gorivo. Tako je specifična energija mase 235U (fisivnog izotopa uranijuma) jednaka 6,75 * 10 9 KJ/kg, odnosno otprilike za red veličine veća od one izotopa 210Po. Ovi motori se mogu „uključiti“ i „isključiti“; nuklearno gorivo (233U, 235U, 238U, 239Pu) je mnogo jeftinije od izotopskog goriva. U takvim motorima ne samo da se voda može koristiti kao radni fluid, već i efikasnije radne tvari - alkohol, amonijak, tečni vodonik. Specifični potisak motora sa tečnim vodonikom je 900 s. IN najjednostavnija šema nuklearnog raketnog motora sa reaktorom koji radi na čvrsto nuklearno gorivo, radni fluid se stavlja u rezervoar. Pumpa ga dovodi u komoru motora. Raspršen pomoću mlaznica, radni fluid dolazi u kontakt sa nuklearnim gorivom koje stvara gorivo, zagrijava se, širi i izbacuje se velikom brzinom kroz mlaznicu. Nuklearno gorivo je superiornije u energetskim rezervama od bilo koje druge vrste goriva. Tada se postavlja logično pitanje: zašto instalacije koje koriste ovo gorivo i dalje imaju relativno mali specifični potisak i veliku masu? Činjenica je da je specifični potisak čvrstofaznog nuklearnog raketnog motora ograničen temperaturom fisionog materijala, a elektrana tokom rada emituje jako jonizujuće zračenje koje štetno djeluje na žive organizme. Biološku zaštitu od takvog zračenja ima teška težina nije primjenjivo u svemiru aviona. Praktični razvoj nuklearnih raketnih motora na čvrsto nuklearno gorivo započeo je sredinom 50-ih godina 20. stoljeća u Sovjetskom Savezu i SAD-u, gotovo istovremeno s izgradnjom prvih nuklearnih elektrana. Rad je obavljen u atmosferi povećane tajnosti, ali je poznato da takvi raketni motori još nisu dobili stvarnu upotrebu u astronautici. Sve je do sada bilo ograničeno na korištenje izotopskih izvora električne energije relativno male snage na bespilotnim umjetnim Zemljinim satelitima, međuplanetarnim svemirskim letjelicama i svjetski poznatom sovjetskom “lunarnom roveru”.

7. Nuklearni mlazni motori, principi rada, metode dobijanja impulsa u nuklearnom pogonskom motoru.

Nuklearni raketni motori dobili su ime po tome što stvaraju potisak korištenjem nuklearne energije, odnosno energije koja se oslobađa kao rezultat nuklearnih reakcija. Uopšteno govoreći, ove reakcije znače bilo kakve promjene energetskog stanja atomskih jezgara, kao i transformacije nekih jezgara u druge, povezane s restrukturiranjem strukture jezgri ili promjenom broja elementarnih čestica sadržanih u njima - nukleoni. Štaviše, nuklearne reakcije, kao što je poznato, mogu se dogoditi ili spontano (tj. spontano) ili uzrokovane umjetno, na primjer, kada neke jezgre bombardiraju druge (ili elementarne čestice). Reakcije nuklearne fisije i fuzije premašuju energetsku veličinu hemijske reakcije milione i desetine miliona puta, respektivno. To se objašnjava činjenicom da je energija kemijske veze atoma u molekulima mnogo puta manja od energije nuklearne veze nukleona u jezgri. Nuklearna energija u raketnim motorima može se koristiti na dva načina:

1. Oslobođena energija se koristi za zagrijavanje radnog fluida, koji se zatim širi u mlaznici, baš kao kod konvencionalnog raketnog motora.

2. Nuklearne energije pretvara u električnu energiju i zatim se koristi za jonizaciju i ubrzavanje čestica radnog fluida.

3. Konačno, impuls stvaraju sami proizvodi fisije, koji nastaju u procesu (na primjer, vatrostalni metali - volfram, molibden) se koriste za davanje posebnih svojstava fisionim tvarima.

Gorivni elementi reaktora na čvrstoj fazi prožeti su kanalima kroz koje struji radni fluid nuklearnog pogonskog motora, postepeno se zagrijavajući. Kanali imaju prečnik od oko 1-3 mm, a njihova ukupna površina je 20-30% presjek aktivna zona. Jezgro je ovješeno posebnom rešetkom unutar posude za napajanje tako da se može proširiti kada se reaktor zagrije (inače bi se srušio zbog toplinskih naprezanja).

Jezgro doživljava velika mehanička opterećenja povezana sa značajnim padovima hidrauličkog pritiska (do nekoliko desetina atmosfera) od tekućeg radnog fluida, termičkih naprezanja i vibracija. Povećanje veličine aktivne zone kada se reaktor zagrije dostiže nekoliko centimetara. Aktivna zona i reflektor smješteni su unutar izdržljivog kućišta za napajanje koje apsorbira pritisak radnog fluida i potisak koji stvara mlaznica. Kućište je zatvoreno izdržljivim poklopcem. Sadrži pneumatske, opružne ili električne mehanizme za pokretanje regulatornih tijela, pričvrsne tačke za nuklearni pogonski motor na svemirsku letjelicu i prirubnice za povezivanje nuklearnog pogonskog motora na dovodne cjevovode radnog fluida. Na poklopcu se može nalaziti i jedinica turbopumpe.

8 - mlaznica,

9 - Mlaznica za proširenje,

10 - Izbor radne materije za turbinu,

11 - Power Corps,

12 - Kontrolni bubanj,

13 - Izduvni gas turbine (koristi se za kontrolu položaja i povećanje potiska),

14 - Pogonski prsten za kontrolne bubnjeve)

Početkom 1957. godine određen je konačni smjer rada Laboratorije u Los Alamosu i donesena je odluka o izgradnji grafitnog nuklearnog reaktora s uranijumskim gorivom dispergovanim u grafitu. Reaktor Kiwi-A, stvoren u ovom pravcu, testiran je 1959. 1. jula.

Američki nuklearni mlazni motor u čvrstoj fazi XE Prime na ispitnoj klupi (1968.)

Pored izgradnje reaktora, Laboratorija iz Los Alamosa bila je u punom jeku na izgradnji posebnog poligona u Nevadi, a izvršila je i niz specijalnih naloga američkog ratnog vazduhoplovstva u srodnim oblastima (razvoj pojedinačnih TURE jedinica). U ime Laboratorije u Los Alamosu, sve specijalne narudžbe za proizvodnju pojedinačnih komponenti izvršile su sledeće kompanije: Aerojet General, Rocketdyne divizija North American Aviation. U ljeto 1958. sva kontrola nad programom Rovera prebačena je sa američkog ratnog zrakoplovstva na novoorganiziranu Nacionalnu upravu za aeronautiku i svemir (NASA). Kao rezultat posebnog sporazuma između AEC-a i NASA-e sredinom ljeta 1960. godine, formiran je Ured za svemirski nuklearni pogon pod vodstvom G. Fingera, koji je kasnije vodio program Rovera.

Rezultati dobijeni šest "vrućih testova" nuklearnih mlaznih motora bili su vrlo ohrabrujući, a početkom 1961. godine pripremljen je izvještaj o testiranju leta reaktora (RJFT). Zatim je sredinom 1961. pokrenut projekat Nerva (upotreba nuklearnog motora za svemirske rakete). Za generalnog izvođača radova izabran je Aerojet General, a za podizvođača odgovornog za izgradnju reaktora Westinghouse.

10.2 Rad na TURE u Rusiji

Američki" href="/text/category/amerikanetc/" rel="bookmark">Amerikanci, ruski naučnici koristili su najekonomičnije i najefikasnije testove pojedinačnih gorivnih elemenata u istraživačkim reaktorima. Čitav opseg radova obavljen 70-80-ih godina dozvolio projektantskom birou "Saljut", Projektnom birou za hemijsku automatiku, IAE, NIKIET i NPO "Luch" (PNITI) da razviju različite projekte svemirskih nuklearnih pogonskih motora i hibridnih nuklearnih elektrana. U Konstruktorskom birou za hemijsku automatiku pod naučnim stvoreno je vodstvo NIITP-a (FEI, IAE, NIKIET, NIITVEL, NPO su bili odgovorni za elemente reaktora Luch", MAI) DVORIŠTE RD 0411 i nuklearni motor minimalne veličine RD 0410 potisak 40 i 3,6 tona, respektivno.

Kao rezultat toga, proizvedeni su reaktor, "hladni" motor i prototip klupe za ispitivanje na vodikovom plinu. Za razliku od američkog, sa specifičnim impulsom ne većim od 8250 m/s, sovjetski TNRE je, zbog upotrebe otpornijih na toplinu i naprednijeg dizajna gorivnih elemenata i visoke temperature u jezgru, imao ovu cifru jednaku 9100 m /s i više. Klupna baza za ispitivanje TURE zajedničke ekspedicije NPO "Luch" nalazila se 50 km jugozapadno od grada Semipalatinsk-21. Počela je da radi 1962. U Na poligonu su testirani puni gorivi elementi prototipova raketnih motora na nuklearni pogon. U tom slučaju, izduvni gasovi su ušli u zatvoreni izduvni sistem. Kompleks ispitne stanice Bajkal-1 za testiranje nuklearnih motora u punoj veličini nalazi se 65 km južno od Semipalatinska-21. Od 1970. do 1988. izvedeno je oko 30 "vrućih startova" reaktora. Istovremeno, snaga nije prelazila 230 MW sa potrošnjom vodonika do 16,5 kg/sec i temperaturom na izlazu iz reaktora od 3100 K. Sva lansiranja su bila uspješna, bez problema i po planu.

Sovjetski TNRD RD-0410 jedini je radni i pouzdan industrijski nuklearni raketni motor na svijetu

Trenutno je takav rad na gradilištu zaustavljen, iako se oprema održava u relativno radnom stanju. Ispitna baza NPO Luch jedini je eksperimentalni kompleks u svijetu u kojem je moguće bez značajnih financijskih i vremenskih troškova testirati elemente nuklearnih pogonskih reaktora. Moguće je da će nastavak rada u Sjedinjenim Državama na nuklearnim pogonskim motorima za letove na Mjesec i Mars u okviru programa Inicijative za svemirska istraživanja uz planirano učešće stručnjaka iz Rusije i Kazahstana dovesti do nastavka aktivnosti na baza Semipalatinsk i realizacija „Marsovske“ ekspedicije 2020-ih.

Glavne karakteristike

Specifični impuls na vodonik: 910 - 980 sec(teoretski do 1000 sec).

· Brzina istjecanja radnog fluida (vodonik): 9100 - 9800 m/sec.

· Ostvarljivi potisak: do stotine i hiljade tona.

· Maksimalne radne temperature: 3000°S - 3700°S (kratkotrajno uključivanje).

· Radni vek: do nekoliko hiljada sati (periodično aktiviranje). /5/

11.Uređaj

Dizajn sovjetskog čvrstofaznog nuklearnog raketnog motora RD-0410

1 - vod iz rezervoara radne tečnosti

2 - turbopumpna jedinica

3 - upravljački pogon bubnja

4 - zaštita od zračenja

5 - regulacioni bubanj

6 - usporivač

7 - sklop goriva

8 - posuda reaktora

9 - vatreno dno

10 - linija za hlađenje mlaznice

11- komora mlaznica

12 - mlaznica

12. Princip rada

Po svom principu rada, TURE je reaktor-izmjenjivač topline visoke temperature u koji se radni fluid (tečni vodonik) uvodi pod pritiskom, a kako se zagrije na visoke temperature (preko 3000°C) izbacuje se kroz hlađena mlaznica. Regeneracija toplote u mlaznici je veoma korisna, jer omogućava da se vodonik mnogo brže zagreje i reciklira značajan iznos toplotna energija povećava specifični impuls na 1000 sekundi (9100-9800 m/s).

Reaktor nuklearnog raketnog motora

MsoNormalTable">

Radni fluid

Gustina, g/cm3

Specifični potisak (pri određenim temperaturama u komori za grijanje, °K), sec

0,071 (tečnost)

0,682 (tečnost)

1.000 (tečnost)

br. Dann

(Napomena: Pritisak u komori za grejanje je 45,7 atm, ekspanzija na pritisak od 1 atm sa istim hemijskim sastavom radnog fluida) /6/

15.Benefits

Glavna prednost TNRE u odnosu na hemijske raketne motore je postizanje većeg specifičnog impulsa, značajne rezerve energije, kompaktnost sistema i mogućnost dobijanja veoma velikog potiska (desetine, stotine i hiljade tona u vakuumu. Specifični impuls postignut u vakuumu veći je od istrošenog dvokomponentnog hemijskog raketnog goriva (kerozin-kiseonik, vodonik-kiseonik) za 3-4 puta, a pri radu na najvećem toplotnom intenzitetu 4-5 puta. SAD i Rusija imaju značajno iskustvo u razvoju i konstrukciji ovakvih motora, a po potrebi (posebni programi istraživanja svemira) takvi motori se mogu proizvesti u kratkom vremenu i imaće razumnu cijenu. U slučaju korištenja TNRE za ubrzanje svemirskih letjelica u prostoru, i podložan dodatnoj upotrebi perturbacionih manevara pomoću gravitacionog polja glavne planete(Jupiter, Uran, Saturn, Neptun) dostižne granice proučavanja Sunčevog sistema se značajno šire, a vrijeme potrebno da se stigne do udaljenih planeta značajno se smanjuje. Osim toga, TNRE se mogu uspješno koristiti za uređaje koji rade u niskim orbitama džinovskih planeta koristeći njihovu razrijeđenu atmosferu kao radni fluid, ili za rad u njihovoj atmosferi. /8/

16.Nedostaci

Glavni nedostatak TNRE je prisustvo snažnog protoka prodornog zračenja (gama zračenje, neutroni), kao i uklanjanje visoko radioaktivnih jedinjenja uranijuma, vatrostalnih jedinjenja sa indukovanim zračenjem i radioaktivnih gasova sa radnim fluidom. U tom smislu, TURE je neprihvatljiv za zemaljska lansiranja kako bi se izbjeglo pogoršanje ekološke situacije na mjestu lansiranja i u atmosferi. /14/

17.Poboljšanje karakteristika TURD-a. Hibridni turboelisni motori

Kao i svaka raketa ili bilo koji motor općenito, nuklearni mlazni motor u čvrstoj fazi ima značajna ograničenja u pogledu najvažnijih karakteristika koje se mogu postići. Ova ograničenja predstavljaju nemogućnost uređaja (TJRE) da radi u temperaturnom rasponu koji prelazi raspon maksimalnih radnih temperatura konstrukcijskih materijala motora. Za proširenje mogućnosti i značajno povećanje glavnih radnih parametara TJRE, mogu se koristiti različite hibridne sheme u kojima TJRE igra ulogu izvora topline i energije i dodatnih fizičke metode ubrzanje radnih tijela. Najpouzdanija, praktično izvediva i koja ima visoke specifične karakteristike impulsa i potiska je hibridna shema s dodatnim MHD krugom (magnetohidrodinamički krug) za ubrzavanje joniziranog radnog fluida (vodik i specijalni aditivi). /13/

18. Opasnost od zračenja nuklearnih pogonskih motora.

Radni nuklearni motor je moćan izvor zračenje - gama i neutronsko zračenje. Bez preduzimanja posebnih mjera, zračenje može uzrokovati neprihvatljivo zagrijavanje radnog fluida i konstrukcije u svemirskom brodu, krhkost metalnih konstrukcijskih materijala, uništavanje plastike i starenje gumenih dijelova, oštećenje izolacije električnih kablova i kvar elektronske opreme. Zračenje može izazvati indukovanu (vještačku) radioaktivnost materijala – njihovu aktivaciju.

Trenutno se problem zaštite od zračenja letjelica s nuklearnim pogonskim motorima smatra načelno riješenim. Također su riješena temeljna pitanja vezana za održavanje nuklearnih pogonskih motora na ispitnim štandovima i lansirnim mjestima. Iako operativni NRE predstavlja opasnost za operativno osoblje, već jedan dan nakon završetka rada NRE može se bez ikakve lične zaštitne opreme stajati nekoliko desetina minuta na udaljenosti od 50 m od NRE, pa čak i prići Najjednostavniji način zaštite omogućava operativnom osoblju da uđe u radni prostor DVORIŠTA ubrzo nakon testiranja.

Nivo kontaminacije lansirnih kompleksa i okruženje, po svemu sudeći, neće biti prepreka za upotrebu nuklearnih pogonskih motora na nižim stepenicama svemirskih raketa. Problem opasnosti od zračenja za okolinu i operativno osoblje u velikoj meri je ublažen činjenicom da se vodonik, koji se koristi kao radni fluid, praktično ne aktivira prilikom prolaska kroz reaktor. Prema tome, mlaz motora na nuklearni pogon nije ništa opasniji od mlaza raketnog motora na tekuće gorivo./4/

Zaključak

Pri razmatranju perspektiva razvoja i upotrebe nuklearnih pogonskih motora u astronautici treba polaziti od postignutih i očekivanih karakteristika različitih tipova nuklearnih pogonskih motora, od onoga što njihova primjena može dati astronautici i, konačno, od uske povezanosti. problema nuklearnih pogonskih motora sa problemom snabdijevanja energijom u svemiru i s pitanjima razvoja energetike uopće.

Kao što je već spomenuto, od svih mogućih tipova nuklearnih pogonskih motora, najrazvijeniji su termički radioizotopski motor i motor sa čvrstofaznim fisijskim reaktorom. Ali ako nam karakteristike radioizotopnih nuklearnih pogonskih motora ne dopuštaju da se nadamo njihovoj širokoj upotrebi u astronautici (barem u bliskoj budućnosti), onda stvaranje nuklearnih pogonskih motora u čvrstoj fazi otvara velike izglede za astronautiku.

Na primjer, predložen je uređaj s početnom masom od 40.000 tona (tj., otprilike 10 puta većom od one kod najvećih modernih lansirnih vozila), pri čemu 1/10 te mase otpada na nosivost, a 2/3 na nuklearno optužbe. Ako detonirate jedno punjenje svake 3 sekunde, tada će njihova zaliha biti dovoljna za 10 dana neprekidnog rada nuklearnog pogonskog sistema. Za to vrijeme uređaj će ubrzati do brzine od 10.000 km/s i u budućnosti, nakon 130 godina, može doći do zvijezde Alpha Centauri.

Nuklearne elektrane imaju jedinstvene karakteristike, koje uključuju gotovo neograničen energetski intenzitet, neovisnost rada od okoline i otpornost na vanjske utjecaje (kosmičko zračenje, oštećenja meteorita, visoke i niske temperature itd.). Međutim, maksimalna snaga nuklearnih radioizotopskih instalacija ograničena je na vrijednost od nekoliko stotina vati. Ovo ograničenje ne postoji za nuklearne reaktorske elektrane, što određuje isplativost njihove upotrebe tokom dugotrajnih letova teških letjelica u svemiru blizu Zemlje, tokom letova na udaljene planete Sunčevog sistema i u drugim slučajevima.

Prednosti čvrstofaznih i drugih nuklearnih pogonskih motora s fisijskim reaktorima najpotpunije se otkrivaju u proučavanju tako složenih svemirskih programa kao što su letovi s ljudskom posadom do planeta Sunčevog sustava (na primjer, tijekom ekspedicije na Mars). U ovom slučaju, povećanje specifičnog impulsa potisnika omogućava rješavanje kvalitativno novih problema. Svi ovi problemi se uvelike ublažavaju upotrebom raketnog motora sa nuklearnim gorivom u čvrstoj fazi sa dvostruko većim specifičnim impulsom od modernih raketnih motora na tečno gorivo. U ovom slučaju također postaje moguće značajno smanjiti vrijeme leta.

Najvjerovatnije je da će u bliskoj budućnosti čvrstofazni nuklearni pogonski motori postati jedan od najčešćih raketnih motora. Čvrstofazni nuklearni pogonski motori mogu se koristiti kao uređaji za letove na velike udaljenosti, na primjer, do planeta kao što su Neptun, Pluton, pa čak i za letenje izvan Sunčevog sistema. Međutim, za letove do zvijezda, motor na nuklearni pogon zasnovan na principima fisije nije prikladan. U ovom slučaju obećavajuće su nuklearni motori ili, tačnije, termonuklearni mlazni motori (TRE), koji rade na principu fuzijskih reakcija, i fotonski mlazni motori (PREs), izvor impulsa u kojima je reakcija anihilacije materije i antimaterije. . Međutim, najvjerovatnije će čovječanstvo koristiti drugačiji način transporta za putovanje u međuzvjezdani prostor, različit od mlaznog.

U zaključku ću dati parafrazu poznate Einsteinove fraze – da bi putovalo do zvijezda, čovječanstvo mora smisliti nešto što bi po složenosti i percepciji bilo usporedivo s nuklearnim reaktorom za neandertalca!

LITERATURA

Izvori:

1. "Rakete i ljudi. Knjiga 4 Mjesečeva trka" - M: Znanie, 1999.
2. http://www. lpre. de/energomash/index. htm
3. Pervušin "Bitka za zvijezde. Kosmička konfrontacija" - M: znanje, 1998.
4. L. Gilberg “Osvajanje neba” - M: Znanie, 1994.
5. http://epizodsspace. *****/bibl/molodtsov
6. “Motor”, “Nuklearni motori za svemirske letjelice”, br. 5 1999.

7. "Motor", "Nuklearni motori u gasnoj fazi za svemirske letjelice",

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

M.: Znanje, 1983.

11. , Čekalinovo istraživanje svemira - M.:

Znanje, 1988.

12. Gubanov B. “Energija - Buran” - korak u budućnost // Nauka i život.-

13. Gatland K. Svemirska tehnologija - M.: Mir, 1986.

14., Sergejuk i trgovina - M.: APN, 1989.

15.SSSR u svemiru. 2005 - M.: APN, 1989.

16. Na putu u duboki svemir // Energija. - 1985. - br. 6.

PRIMJENA

Glavne karakteristike čvrstofaznih nuklearnih mlaznih motora

Zemlja proizvođača	Motor	Potisak u vakuumu, kN	Specifični impuls, sec	Projektni rad, god
























	NERVA/Lox mješoviti ciklus

Već krajem ove decenije u Rusiji bi mogla biti stvorena svemirska letelica na nuklearni pogon za međuplanetarna putovanja. A to će dramatično promijeniti situaciju kako u svemiru blizu Zemlje, tako i na samoj Zemlji.

Nuklearna elektrana (NPP) će biti spremna za let 2018. To je najavio direktor Keldysh centra, akademik Anatolij Korotejev. “Moramo pripremiti prvi uzorak (nuklearne elektrana megavatna klasa. – Pribl. "Expert Online") za testove leta 2018. Da li će ona leteti ili ne, to je druga stvar, možda će biti u redu, ali ona mora da bude spremna da leti“, prenele su njegove reči RIA Novosti. Navedeno znači da jedan od najambicioznijih sovjetsko-ruskih projekata u oblasti istraživanja svemira ulazi u fazu neposredne praktične implementacije.

Suština ovog projekta, čiji korijeni sežu do sredine prošlog stoljeća, je ovo. Sada se letovi u svemir blizu Zemlje izvode na raketama koje se kreću zbog sagorevanja tečnog ili čvrstog goriva u njihovim motorima. U suštini, ovo je isti motor kao u automobilu. Samo u automobilu benzin, kada izgori, gura klipove u cilindrima, prenoseći svoju energiju kroz njih na točkove. A u raketnom motoru, goreći kerozin ili heptil direktno gura raketu naprijed.

U proteklih pola stoljeća ova raketna tehnologija je usavršena u cijelom svijetu do najsitnijih detalja. Ali i sami raketni naučnici to priznaju. Poboljšanje - da, neophodno je. Pokušavajući povećati nosivost raketa sa sadašnjih 23 tone na 100, pa čak i 150 tona na osnovu "poboljšanih" motora s unutarnjim izgaranjem - da, morate pokušati. Ali ovo je ćorsokak sa evolucijske tačke gledišta. " Koliko god stručnjaci za teške raketne motore širom svijeta radili, maksimalan efekat, koje dobijemo izračunat ćemo u dijelovima postotka. Grubo rečeno, iz postojećih raketnih motora sve je istisnuto, bilo na tečno ili čvrsto gorivo, a pokušaji povećanja potiska i specifičnog impulsa jednostavno su uzaludni. Nuklearni pogonski sistemi pružaju višestruko povećanje. Na primjeru leta do Marsa, sada je potrebno godinu i po do dvije godine da se leti tamo i nazad, ali će se moći letjeti za dva do četiri mjeseca “ – ocijenio je svojevremeno situaciju bivši šef ruske Federalne svemirske agencije Anatolij Perminov.

Dakle, još 2010. godine tadašnji predsjednik Rusije, a sada premijer Dmitry Medvedev Do kraja ove decenije dat je nalog da se u našoj zemlji napravi svemirski transportno-energetski modul na bazi nuklearne elektrane klase megavat. Planirano je da se za razvoj ovog projekta do 2018. godine izdvoji 17 milijardi rubalja iz federalnog budžeta, Roskosmosa i Rosatoma. Od ovog iznosa 7,2 milijarde dodijeljeno je državnoj korporaciji Rosatom za stvaranje reaktorske elektrane (ovo radi Dollezhal istraživački i projektantski institut za energetski inženjering), 4 milijarde - Keldysh centru za stvaranje nuklearne energije pogonsko postrojenje. RSC Energia izdvaja 5,8 milijardi rubalja za izradu transportnog i energetskog modula, odnosno raketnog broda.

Naravno, sav ovaj posao se ne obavlja u vakuumu. Od 1970. do 1988. samo SSSR je lansirao više od tri desetine špijunskih satelita u svemir, opremljenih nuklearnim elektranama male snage kao što su Buk i Topaz. Korišćeni su za kreiranje sistema za praćenje površinskih ciljeva širom Svetskog okeana za sve vremenske uslove i izdavanje ciljne oznake sa prenosom na nosače oružja ili komandna mesta - Legend pomorski sistem za izviđanje i označavanje ciljeva (1978).

NASA i američke kompanije, koji proizvode svemirske letjelice i njihova vozila za dostavu, nisu uspjeli stvoriti nuklearni reaktor koji bi stabilno funkcionisao u svemiru za to vrijeme, iako su pokušali tri puta. Stoga je 1988. kroz UN donesena zabrana korištenja svemirskih letjelica s nuklearnim pogonskim sustavima, a proizvodnja satelita tipa US-A s nuklearnim pogonom na brodu u Sovjetskom Savezu je prekinuta.

Paralelno, 60-70-ih godina prošlog stoljeća, Keldysh centar je vodio aktivan rad na stvaranju ionskog motora (elektroplazma motora), koji je najpogodniji za stvaranje pogonskog sistema velike snage koji radi na nuklearno gorivo. Reaktor proizvodi toplinu, koju generator pretvara u električnu energiju. Uz pomoć električne energije inertni plin ksenon u takvom motoru se prvo ionizira, a zatim se pozitivno nabijene čestice (pozitivni ioni ksenona) ubrzavaju u elektrostatičkom polju do određene brzine i stvaraju potisak pri izlasku iz motora. Ovo je princip rada jonskog motora, čiji je prototip već kreiran u Keldysh centru.

« Devedesetih godina 20. vijeka mi u Keldysh centru smo nastavili rad na jonskim motorima. Sada se mora stvoriti nova saradnja za tako moćan projekat. Već postoji prototip ionskog motora na kojem se mogu testirati osnovna tehnološka i dizajnerska rješenja. Ali standardne proizvode još uvijek treba kreirati. Imamo određen rok - do 2018. proizvod bi trebao biti spreman za letna testiranja, a do 2015. bi trebalo da bude završeno glavno testiranje motora. Dalje - životni testovi i testovi cijele jedinice u cjelini.“, napomenuo je prošle godine šef odjela za elektrofiziku Istraživačkog centra M.V. Keldysh, profesor, Fakultet za aerofiziku i svemirska istraživanja, MIPT Oleg Gorshkov.

Koji praktična upotreba Rusija od ovih dešavanja? Ova korist daleko premašuje 17 milijardi rubalja koje država namjerava potrošiti do 2018. godine na stvaranje rakete-nosača s nuklearnom elektranom na brodu kapaciteta 1 MW. Prvo, ovo je dramatično proširenje mogućnosti naše zemlje i čovječanstva općenito. Svemirska letjelica na nuklearni pogon pruža stvarne mogućnosti ljudima da postignu stvari na drugim planetama. Sada mnoge zemlje imaju takve brodove. Nastavljeni su i u Sjedinjenim Državama 2003. godine, nakon što su Amerikanci dobili dva uzorka ruskih satelita s nuklearnim elektranama.

Međutim, unatoč tome, član NASA-ine posebne komisije za letove s posadom Edward Crowley na primjer, on smatra da bi brod za međunarodni let na Mars trebao imati ruske nuklearne motore. " Rusko iskustvo u razvoju nuklearnih motora je traženo. Mislim da Rusija ima dosta iskustva kako u razvoju raketnih motora tako iu nuklearnoj tehnologiji. Takođe ima veliko iskustvo u prilagođavanju ljudi na svemirske uslove, budući da su ruski kosmonauti imali veoma duge letove. “, rekao je Crowley novinarima prošlog proljeća nakon predavanja na Moskovskom državnom univerzitetu o američkim planovima za istraživanje svemira s ljudskom posadom.

Drugo, takvi brodovi omogućavaju naglo intenziviranje aktivnosti u svemiru blizu Zemlje i pružaju pravu priliku za početak kolonizacije Mjeseca (već postoje projekti za izgradnju nuklearnih elektrana na Zemljinom satelitu). " Razmatra se upotreba nuklearnih pogonskih sistema za velike sisteme s ljudskom posadom, a ne za male svemirske letjelice, koje mogu letjeti na drugim tipovima instalacija koristeći jonski pogon ili snagu solarni vetar. Nuklearni pogonski sistemi sa jonskim motorima mogu se koristiti na interorbitalnom tegljaču za višekratnu upotrebu. Na primjer, prevozite teret između niske i visoke orbite i letite do asteroida. Možete kreirati lunarni tegljač za višekratnu upotrebu ili poslati ekspediciju na Mars“, kaže profesor Oleg Gorškov. Ovakvi brodovi dramatično mijenjaju ekonomiju istraživanja svemira. Prema proračunima stručnjaka RSC Energia, raketa-nosač na nuklearni pogon smanjuje troškove lansiranja korisnog tereta u lunarnu orbitu za više od pola u odnosu na tečne raketne motore.

Treće, radi se o novim materijalima i tehnologijama koje će se stvarati tokom realizacije ovog projekta, a potom uvoditi u druge industrije - metalurgiju, mašinstvo itd. Odnosno, ovo je jedan od onih prodornih projekata koji zaista mogu pogurati i rusku i globalnu ekonomiju naprijed.

Pulse YARD razvijen je u skladu sa principom koji je 1945. predložio dr. S. Ulam iz Los Alamos Research Laboratory, prema kojem se predlaže korištenje nuklearnog punjenja kao izvora energije (goriva) visokoefikasnog raketnog bacača.

U to vrijeme, kao iu mnogim godinama koje su uslijedile, nuklearna i termonuklearna naboja bili su najmoćniji i najkompaktniji izvori energije u usporedbi s bilo kojim drugim. Kao što znate, trenutno smo na ivici otkrivanja načina za kontrolu još koncentriranijeg izvora energije, budući da smo već prilično napredni u polju razvoja prve jedinice koja koristi antimateriju. Ako polazimo samo od količine raspoložive energije, tada nuklearni naboji daju specifičan potisak veći od 200.000 sekundi, a termonuklearni naboji - do 400.000 sekundi. Ove specifične vrijednosti potiska su previsoke za većinu letova unutar Sunčevog sistema. Štoviše, pri korištenju nuklearnog goriva u njegovom „čistom“ obliku nastaju mnogi problemi koji ni u ovom trenutku još uvijek nisu u potpunosti riješeni. Dakle, energija oslobođena tokom eksplozije mora se prenijeti na radnu tekućinu, koja se zagrijava i zatim istječe iz motora stvarajući potisak. U skladu sa konvencionalnim metodama za rješavanje takvog problema, nuklearno punjenje se stavlja u „komoru za sagorijevanje“ ispunjenu radnim fluidom (na primjer, vodom ili drugom tekućom tvari), koja isparava, a zatim se širi s većim ili manjim stepenom dijabatičnost u mlaznici.

Takav sistem, koji nazivamo unutrašnji pulsni nuklearni pogonski motor, vrlo je efikasan, jer se za stvaranje potiska koriste svi proizvodi eksplozije i cjelokupna masa radnog fluida. Nestacionarni ciklus rada omogućava takvom sistemu da se više razvija visokog pritiska i temperature u komori za sagorevanje, i kao rezultat, veći specifični potisak u poređenju sa kontinuiranim radnim ciklusom. Međutim, sama činjenica da se eksplozije dešavaju unutar određene zapremine nameće značajna ograničenja na pritisak i temperaturu u komori, a samim tim i na dostižnu vrednost specifičnog potiska. S obzirom na to, uprkos brojnim prednostima unutrašnjeg impulsnog NRE, eksterni impulsni NRE se pokazao jednostavnijim i efikasnijim zbog korišćenja gigantske količine energije oslobođene tokom nuklearnih eksplozija.

U nuklearnom pogonskom motoru s vanjskim djelovanjem ne učestvuje cjelokupna masa goriva i radnog fluida u stvaranju mlaznog potiska. Međutim, ovdje čak i sa nižom efikasnošću. Više energije se koristi, što rezultira efikasnijim performansama sistema. Eksterna impulsna NPP (u daljem tekstu jednostavno impulsna NPP) koristi energiju eksplozije velika količina male nuklearne bojeve glave na raketi. Ova nuklearna punjenja se uzastopno izbacuju iz rakete i detoniraju iza nje na određenoj udaljenosti ( crtež ispod). Sa svakom eksplozijom, neki od ekspandiranih gasovitih fisionih fragmenata u obliku plazme velike gustine i brzine sudaraju se sa osnovom rakete - platformom za potiskivanje. Zamah plazme se prenosi na platformu za guranje, koja se kreće naprijed velikim ubrzanjem. Ubrzanje se smanjuje pomoću uređaja za prigušivanje na nekoliko g u nosnom dijelu rakete, koji ne prelazi granice izdržljivosti ljudsko tijelo. Nakon ciklusa kompresije, prigušni uređaj vraća platformu za potiskivanje u početni položaj, nakon čega je spremna da primi sljedeći impuls.

Ukupno povećanje brzine ostvareno od strane svemirske letjelice ( crtanje, pozajmljena sa posla ), zavisi od broja eksplozija i stoga je određen brojem nuklearnih punjenja utrošenih tokom datog manevra. Sistematski razvoj dizajna takvog nuklearnog pogonskog sistema započeo je dr. T. B. Taylor (General Atomics Division of General Dynamics) i nastavljen uz podršku Ureda planiranje unapred istraživački rad (ARPA), Ratnog vazduhoplovstva SAD-a, NASA-e i General Dynamics-a devet godina, nakon čega su radovi u ovom pravcu privremeno obustavljeni da bi se ponovo nastavio u budućnosti, budući da je ovaj tip pogonskog sistema izabran kao jedan od dva glavna pogona svemirskih letelica koje lete unutar Sunčevog sistema.

Princip rada impulsnog nuklearnog pogonskog motora vanjskog djelovanja

Rana verzija instalacije, koju je razvila NASA 1964-1965, bila je uporediva (u prečniku) sa raketom Saturn 5 i pružala je specifičan potisak od 2500 sekundi i efektivni potisak od 350 g; "suha" težina (bez goriva) glavnog motornog prostora iznosila je 90,8 tona.Inicijalna verzija pulsnog nuklearnog raketnog motora koristila je prethodno spomenuta nuklearna punjenja, a pretpostavljalo se da će raditi u niskim Zemljinim orbitama iu zračenju pojasa zbog opasnosti od radioaktivne kontaminacije atmosfere produktima raspadanja koji se oslobađaju prilikom eksplozije. Tada je specifični potisak impulsnih motora na nuklearni pogon povećan na 10.000 sekundi, a potencijalne mogućnosti ovih motora omogućile su udvostručenje ove brojke u budućnosti.

Impulsni nuklearni pogonski sistem je možda već razvijen 70-ih godina, s ciljem da se izvrši prvi svemirski let s ljudskom posadom do planeta početkom 80-ih. Međutim, izrada ovog projekta nije izvršena punom snagom zbog odobrenja programa za izradu čvrstofaznog nuklearnog pogonskog motora. Osim toga, bio je povezan i razvoj impulsnih nuklearnih pogonskih motora politički problem, budući da je koristio nuklearna punjenja.

Erica K.A. (Krafft A. Ehricke)

Raketni motor u kojem je radni fluid ili supstanca (na primjer, vodonik) zagrijana energijom oslobođenom tijekom nuklearne reakcije ili radioaktivnog raspada, ili direktno produkti tih reakcija. Razlikovati ... ... Veliki enciklopedijski rječnik

nuklearni raketni motor- branduolinis raketinis variklis statusas T sritis Gynyba apibrėžtis Raketinis variklis, kuriame reaktyvinė trauka sudaroma vykstant branduolinei arba termobranduolinei reakcijai. Branduoliniams raketiniams varikliams sudaroma kur kas didesnė… … Artilerijos terminų žodynas

- (Nuclear Jet) raketni motor kod kojeg se potisak stvara zbog energije oslobođene tijekom radioaktivnog raspada ili nuklearne reakcije. Prema vrsti nuklearne reakcije koja se odvija u nuklearnom motoru, razlikuje se radioizotopski raketni motor ... ...

- (YRD) raketni motor, u kojem je izvor energije nuklearno gorivo. U motoru na nuklearni pogon s nuklearnim reaktorom. Toplina torusa koja se oslobađa kao rezultat nuklearne lančane reakcije prenosi se na radni fluid (na primjer, vodik). Jezgro nuklearnog reaktora ... ...

Ovaj članak bi trebao biti vikifikovan. Formatirajte ga u skladu s pravilima oblikovanja članka. Nuklearni raketni motor koji koristi homogenu otopinu soli nuklearnog goriva (engleski... Wikipedia

Nuklearni raketni motor (NRE) je tip raketnog motora koji koristi energiju fisije ili fuzije jezgri za stvaranje mlaznog potiska. Oni su zapravo reaktivni (zagrijavanje radnog fluida u nuklearnom reaktoru i otpuštanje plina kroz... ... Wikipediju

Mlazni motor, čiji se izvor energije i radni fluid nalazi u samom vozilu. Raketni motor je jedini praktično savladan za lansiranje korisnog tereta u orbitu veštačkog Zemljinog satelita i za upotrebu u ... ... Wikipedia

- (RD) Mlazni motor koji za svoj rad koristi samo supstance i izvore energije dostupne u rezervi na vozilu u pokretu (zrakoplov, zemlja, podvodno). Dakle, za razliku od zračnih mlaznih motora (vidi ... ... Velika sovjetska enciklopedija

Izotopski raketni motor, nuklearni raketni motor koji koristi energiju raspada radioaktivnih hemijskih izotopa. elementi. Ova energija služi za zagrevanje radnog fluida, ili radni fluid su sami produkti raspadanja, formirajući ... ... Veliki enciklopedijski politehnički rječnik