EingangNuklearer Raketenmotor. Kernraketenmotoren und elektrische Antriebssysteme für Kernraketen
Die Idee, Atombomben hinter das Heck zu werfen, erwies sich als zu brutal, aber die Energiemenge, die die Kernspaltungsreaktion erzeugt, ganz zu schweigen von der Fusion, ist für die Raumfahrt äußerst attraktiv. Aus diesem Grund wurden viele Nicht-Puls-Systeme entwickelt, die die mühsame Lagerung Hunderter von Geräten überflüssig machten Atombomben an Bord und Zyklopenstoßdämpfer. Wir werden heute darüber sprechen.
Kernphysik zum Anfassen
Was ist eine Kernreaktion? Um es ganz einfach zu erklären: Das Bild wird ungefähr so aussehen. Aus dem Lehrplan erinnern wir uns, dass Materie aus Molekülen besteht, Moleküle aus Atomen bestehen und Atome aus Protonen, Elektronen und Neutronen bestehen (es gibt niedrigere Ebenen, aber das reicht uns). Einige schwere Atome haben eine interessante Eigenschaft: Wenn sie von einem Neutron getroffen werden, zerfallen sie in leichtere Atome und setzen mehrere Neutronen frei. Wenn diese freigesetzten Neutronen auf andere schwere Atome in der Nähe treffen, wiederholt sich der Zerfall und es kommt zu einer nuklearen Kettenreaktion. Die Bewegung von Neutronen mit hoher Geschwindigkeit führt dazu, dass diese Bewegung in Wärme umgewandelt wird, wenn die Neutronen langsamer werden. Daher ist ein Kernreaktor eine sehr leistungsstarke Heizung. Sie können Wasser kochen, den entstehenden Dampf zu einer Turbine leiten und ein Kernkraftwerk bauen. Oder Sie können Wasserstoff erhitzen und nach draußen werfen, wodurch ein nukleares Strahltriebwerk entsteht. Aus dieser Idee entstanden die ersten Motoren – NERVA und RD-0410.
NERVA
Projektgeschichte
Die formelle Urheberschaft (Patent) für die Erfindung des atomaren Raketentriebwerks liegt laut seinen Memoiren „You're Surely Joking, Mr. Feynman“ bei Richard Feynman. Das Buch ist übrigens eine sehr empfehlenswerte Lektüre. Das Los Alamos Laboratory begann 1952 mit der Entwicklung nuklearer Raketentriebwerke. 1955 wurde das Rover-Projekt gestartet. In der ersten Phase des Projekts KIWI wurden 8 Versuchsreaktoren gebaut und von 1959 bis 1964 wurde die Spülung des Arbeitsmediums durch den Reaktorkern untersucht. Zur Zeitreferenz: Das Orion-Projekt existierte von 1958 bis 1965. Rover hatte die Phasen zwei und drei zur Erforschung von Reaktoren mit höherer Leistung, aber NERVA basierte auf KIWI aufgrund der Pläne für den ersten Teststart im Weltraum im Jahr 1964 – es blieb keine Zeit, fortschrittlichere Optionen zu entwickeln. Die Fristen rückten nach und nach vor und der erste Bodenstart des NERVA NRX/EST-Motors (EST – Engine System Test – Test motorisches System) fand 1966 statt. Das Triebwerk lief zwei Stunden lang erfolgreich, davon 28 Minuten mit Vollschub. Der zweite NERVA XE-Motor wurde 28 Mal gestartet und lief insgesamt 115 Minuten. Der Motor wurde als für Weltraumanwendungen geeignet befunden und der Prüfstand war bereit, die neu zusammengebauten Motoren zu testen. Es schien, dass NERVA eine glänzende Zukunft vor sich hatte – ein Flug zum Mars im Jahr 1978, eine dauerhafte Basis auf dem Mond im Jahr 1981, Orbitalschlepper. Doch der Erfolg des Projekts löste im Kongress Panik aus – das Mondprogramm erwies sich für die USA als sehr teuer, das Marsprogramm wäre noch teurer. In den Jahren 1969 und 1970 wurde die Raumfahrtfinanzierung erheblich gekürzt – Apollo 18, 19 und 20 wurden gestrichen, und niemand stellte große Geldbeträge für das Marsprogramm bereit. Infolgedessen wurden die Arbeiten an dem Projekt ohne ernsthafte Finanzierung durchgeführt und es wurde 1972 eingestellt.Design
Wasserstoff aus dem Tank gelangte in den Reaktor, wurde dort erhitzt und herausgeschleudert, wodurch ein Strahlschub entstand. Als Arbeitsmedium wurde Wasserstoff gewählt, da er aus leichten Atomen besteht und sich leichter auf hohe Geschwindigkeit beschleunigen lässt. Je höher die Abgasgeschwindigkeit des Strahls, desto effizienter ist das Raketentriebwerk.
Ein Neutronenreflektor wurde verwendet, um sicherzustellen, dass Neutronen zum Reaktor zurückgeführt wurden, um eine nukleare Kettenreaktion aufrechtzuerhalten.
Zur Steuerung des Reaktors wurden Steuerstäbe verwendet. Jeder dieser Stäbe bestand aus zwei Hälften – einem Reflektor und einem Neutronenabsorber. Wenn der Stab durch den Neutronenreflektor gedreht wurde, nahm deren Strömung im Reaktor zu und der Reaktor erhöhte die Wärmeübertragung. Wenn der Stab durch den Neutronenabsorber gedreht wurde, verringerte sich deren Strömung im Reaktor und der Reaktor verringerte die Wärmeübertragung.
Wasserstoff wurde auch zum Kühlen der Düse verwendet, und warmer Wasserstoff aus dem Düsenkühlsystem drehte die Turbopumpe, um mehr Wasserstoff zu liefern.
Motor läuft. Am Austritt der Düse wurde Wasserstoff speziell gezündet, um die Gefahr einer Explosion zu vermeiden; im Weltraum würde es zu keiner Verbrennung kommen.
Das NERVA-Triebwerk erzeugte 34 Tonnen Schub, etwa eineinhalb Mal weniger als das J-2-Triebwerk, das die zweite und dritte Stufe der Saturn-V-Rakete antreibt. Der spezifische Impuls betrug 800–900 Sekunden, was doppelt so hoch war wie bei den besten Motoren, die das Sauerstoff-Wasserstoff-Kraftstoffpaar verwenden, aber weniger als beim elektrischen Antriebssystem oder dem Orion-Motor.
Ein wenig über Sicherheit
Ein gerade erst zusammengebauter und noch nicht in Betrieb genommener Kernreaktor mit neuen, noch nicht verwendeten Brennelementen ist recht sauber. Uran ist giftig, daher müssen Sie Handschuhe tragen, mehr jedoch nicht. Es sind keine Fernmanipulatoren, Bleiwände oder ähnliches erforderlich. Der gesamte strahlende Schmutz tritt nach dem Starten des Reaktors aufgrund der Streuung von Neutronen auf, wodurch die Atome des Gefäßes, des Kühlmittels usw. „verderbt“ werden. Daher wäre im Falle eines Raketenunfalls mit einem solchen Triebwerk die Strahlungsbelastung der Atmosphäre und der Oberfläche gering und natürlich viel geringer als beim normalen Orion-Start. Im Falle eines erfolgreichen Starts wäre die Kontamination minimal oder gänzlich weg, da das Triebwerk in den oberen Schichten der Atmosphäre oder bereits im Weltraum gestartet werden müsste.RD-0410
Der sowjetische RD-0410-Motor hat eine ähnliche Geschichte. Die Idee des Motors entstand Ende der 40er Jahre bei den Pionieren der Raketen- und Nukleartechnik. Wie beim Rover-Projekt war die ursprüngliche Idee ein nuklearer Luftatmungsmotor für die erste Stufe ballistische Rakete, dann verlagerte sich die Entwicklung auf die Raumfahrtindustrie. Der RD-0410 wurde langsamer entwickelt; inländische Entwickler ließen sich von der Idee eines Gasphasen-Kernantriebsmotors mitreißen (mehr dazu weiter unten). Das Projekt begann 1966 und dauerte bis Mitte der 80er Jahre. Ziel des Triebwerks war die Mission Mars 94, ein bemannter Flug zum Mars im Jahr 1994.
Das Design des RD-0410 ähnelt dem von NERVA – Wasserstoff strömt durch die Düse und die Reflektoren, kühlt diese, wird dem Reaktorkern zugeführt, dort erhitzt und freigesetzt.
Aufgrund seiner Eigenschaften war RD-0410 besser als NERVA – die Temperatur des Reaktorkerns betrug 3000 K statt 2000 K bei NERVA und der spezifische Impuls überstieg 900 s. RD-0410 war leichter und kompakter als NERVA und entwickelte zehnmal weniger Schub.
Motortests. Die Seitenfackel unten links zündet den Wasserstoff, um eine Explosion zu verhindern.
Entwicklung von Festphasen-Kernantriebsmotoren
Wir erinnern uns, dass je höher die Temperatur im Reaktor ist, desto größer ist die Durchflussrate des Arbeitsmediums und desto höher ist der spezifische Impuls des Motors. Was hindert Sie daran, die Temperatur in NERVA oder RD-0410 zu erhöhen? Tatsache ist, dass sich die Brennelemente bei beiden Motoren in einem festen Zustand befinden. Wenn Sie die Temperatur erhöhen, schmelzen sie und fliegen zusammen mit dem Wasserstoff heraus. Für höhere Temperaturen muss daher eine andere Möglichkeit gefunden werden, eine nukleare Kettenreaktion durchzuführen.Motor auf Salz Kernbrennstoff
In der Kernphysik gibt es so etwas wie eine kritische Masse. Denken Sie an die nukleare Kettenreaktion am Anfang des Beitrags. Wenn die spaltbaren Atome sehr nahe beieinander liegen (z. B. wurden sie durch den Druck einer speziellen Explosion komprimiert), wird dies der Fall sein Nukleare Explosion- viel Hitze in sehr kurzer Zeit. Wenn die Atome nicht so stark komprimiert werden, aber der Fluss neuer Neutronen aus der Spaltung zunimmt, kommt es zu einer thermischen Explosion. Ein herkömmlicher Reaktor würde unter solchen Bedingungen versagen. Stellen Sie sich nun vor, dass wir eine wässrige Lösung von spaltbarem Material (zum Beispiel Uransalze) nehmen und diese kontinuierlich in die Brennkammer einspeisen, sodass dort eine Masse vorhanden ist, die größer als die kritische ist. Das Ergebnis ist eine kontinuierlich brennende nukleare „Kerze“, deren Wärme die Reaktion des Kernbrennstoffs und des Wassers beschleunigt.
Die Idee wurde 1991 von Robert Zubrin vorgeschlagen und verspricht nach verschiedenen Schätzungen einen spezifischen Impuls von 1300 bis 6700 s bei einer in Tonnen gemessenen Schubkraft. Leider hat ein solches Schema auch Nachteile:
- Komplexität der Kraftstofflagerung – Kettenreaktionen im Tank müssen vermieden werden, indem der Kraftstoff beispielsweise in dünnen Röhren eines Neutronenabsorbers untergebracht wird, sodass die Tanks komplex, schwer und teuer werden.
- Der hohe Verbrauch an Kernbrennstoff ist darauf zurückzuführen, dass die Effizienz der Reaktion (Anzahl der zerfallenen/Anzahl der verbrauchten Atome) sehr gering sein wird. Selbst in Atombombe Das spaltbare Material „verbrennt“ nicht vollständig und der größte Teil des wertvollen Kernbrennstoffs wird sofort verschwendet.
- Bodentests sind praktisch unmöglich – der Auspuff eines solchen Motors wird sehr schmutzig sein, sogar schmutziger als der des Orion.
- Es gibt einige Fragen zur Steuerung der Kernreaktion – es ist keine Tatsache, dass ein Schema, das in der verbalen Beschreibung einfach ist, technisch leicht umzusetzen ist.
Gasphasen-Kernantriebsmotoren
Nächste Idee: Was wäre, wenn wir einen Arbeitsflüssigkeitswirbel erzeugen würden, in dessen Zentrum eine Kernreaktion stattfinden würde? In diesem Fall erreicht die hohe Temperatur des Kerns nicht die Wände, sondern wird vom Arbeitsmedium absorbiert und kann auf Zehntausende Grad ansteigen. So entstand die Idee eines Gasphasen-Kernantriebsmotors mit offenem Kreislauf:
Der Gasphasen-Kernantrieb verspricht einen spezifischen Impuls von bis zu 3000-5000 Sekunden. In der UdSSR wurde ein Projekt für einen Gasphasen-Kernantriebsmotor (RD-600) gestartet, der jedoch noch nicht einmal das Modellstadium erreichte.
„Offener Kreislauf“ bedeutet, dass der Kernbrennstoff nach außen freigesetzt wird, was natürlich die Effizienz verringert. Daher wurde die folgende Idee erfunden, die dialektisch zu NREs in fester Phase zurückkehrt: Lassen Sie uns den Kernreaktionsbereich mit einer ausreichend hitzebeständigen Substanz umgeben, die abgestrahlte Wärme überträgt. Als solcher Stoff wurde Quarz vorgeschlagen, da bei mehreren zehntausend Grad Wärme durch Strahlung übertragen wird und das Behältermaterial transparent sein muss. Das Ergebnis ist ein Gasphasen-Kernantriebsmotor mit geschlossenem Kreislauf oder eine „nukleare Glühbirne“:
In diesem Fall wird die Grenze der Kerntemperatur durch die thermische Festigkeit der „Glühbirnen“-Hülle bestimmt. Der Schmelzpunkt von Quarz liegt bei 1700 Grad Celsius, bei aktiver Kühlung kann die Temperatur erhöht werden, der spezifische Impuls ist jedoch in jedem Fall geringer als im offenen Kreislauf (1300-1500 s), der Kernbrennstoff wird jedoch sparsamer verbraucht , und der Auspuff wird sauberer.
Alternative Projekte
Neben der Entwicklung von Festphasen-Kernantriebsmotoren gibt es auch originelle Projekte.Spaltbarer Motor
Die Idee dieses Motors besteht darin, dass es kein Arbeitsmedium gibt – es ist der ausgestoßene abgebrannte Kernbrennstoff. Im ersten Fall werden unterkritische Scheiben aus spaltbaren Materialien hergestellt, die von selbst keine Kettenreaktion auslösen. Wenn die Scheibe jedoch in einer Reaktorzone mit Neutronenreflektoren platziert wird, kommt es zu einer Kettenreaktion. Und die Rotation der Scheibe und das Fehlen eines Arbeitsmediums führen dazu, dass die zerfallenen hochenergetischen Atome in die Düse fliegen und Schub erzeugen, und die nicht zerfallenen Atome bleiben auf der Scheibe und bekommen eine Chance dazu die nächste Umdrehung der Scheibe:
Sogar mehr interessante Idee besteht darin, aus spaltbaren Materialien ein staubiges Plasma (denken Sie an die ISS) zu erzeugen, in dem die Zerfallsprodukte von Kernbrennstoff-Nanopartikeln ionisiert werden elektrisches Feld und werden herausgeschleudert, wodurch Schub entsteht:
Sie versprechen einen fantastischen spezifischen Impuls von 1.000.000 Sekunden. Die Begeisterung wird dadurch gedämpft, dass sich die Entwicklung auf der Ebene theoretischer Forschung bewegt.
Kernfusionsmotoren
In einer noch ferneren Zukunft liegt die Entwicklung von Kernfusionsmotoren. Im Gegensatz zu nuklearen Zerfallsreaktionen, bei denen Atomreaktoren fast gleichzeitig mit der Bombe entstanden, sind thermonukleare Reaktoren noch nicht von „morgen“ auf „heute“ übergegangen und Fusionsreaktionen können nur im „Orion“-Stil eingesetzt werden – dem Werfen thermonuklearer Bomben.Nukleare Photonenrakete
Theoretisch ist es möglich, den Kern so stark zu erhitzen, dass durch die Reflexion von Photonen Schub erzeugt werden kann. Trotz fehlender technischer Einschränkungen sind solche Triebwerke auf dem aktuellen Stand der Technik unrentabel – der Schub wird zu gering sein.Radioisotopenrakete
Eine Rakete, die das Arbeitsmedium eines RTG erhitzt, wird voll funktionsfähig sein. Da ein RTG jedoch relativ wenig Wärme erzeugt, ist ein solcher Motor sehr ineffizient, obwohl er sehr einfach ist.Abschluss
Auf dem aktuellen Stand der Technik ist es möglich, einen Festkörper-Kernantriebsmotor im Stil von NERVA oder RD-0410 zusammenzubauen – die Technologien sind beherrscht. Aber ein solcher Motor wird gegenüber der Kombination „Kernreaktor + elektrischer Antrieb“ in Bezug auf den spezifischen Impuls verlieren, während er in Bezug auf den Schub gewinnt. Aber fortgeschrittenere Optionen gibt es immer noch nur auf dem Papier. Daher halte ich persönlich die Kombination „Reaktor + Elektroantrieb“ für erfolgsversprechender.Informationsquellen
Die Hauptinformationsquelle ist die englische Wikipedia und die dort als Links aufgeführten Ressourcen. Paradoxerweise gibt es interessante Artikel über NRE zur Tradition – Festphasen-NRE und Gasphasen-NRE. Artikel über Motoren anSergeev Alexey, 9. Klasse „A“, Städtische Bildungseinrichtung „Sekundarschule Nr. 84“
Wissenschaftlicher Berater: , Stellvertretender Direktor der gemeinnützigen Partnerschaft für wissenschaftliche und innovative Aktivitäten „Tomsk Atomic Center“
Leiter: , Physiklehrer, Städtische Bildungseinrichtung „Sekundarschule Nr. 84“ CATO Sewersk
Einführung
Antriebssysteme an Bord eines Raumfahrzeugs sind darauf ausgelegt, Schub oder Impuls zu erzeugen. Je nach Art des verwendeten Schubs wird das Antriebssystem in chemische (CHRD) und nichtchemische (NCRD) unterteilt. CRDs werden in Flüssigtreibstofftriebwerke (LPRE), Feststoffraketentriebwerke (Solid Propellant Engines) und kombinierte Raketentriebwerke (RCR) unterteilt. Nichtchemische Antriebssysteme werden wiederum in nukleare (NRE) und elektrische (EP) unterteilt. Der große Wissenschaftler Konstantin Eduardovich Tsiolkovsky schuf vor einem Jahrhundert das erste Modell eines Antriebssystems, das mit festen und flüssigen Brennstoffen betrieben wurde. Danach wurden in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts Tausende von Flügen hauptsächlich mit Flüssigtreibstofftriebwerken und Feststoffraketentriebwerken durchgeführt.
Derzeit wird jedoch für Flüge zu anderen Planeten, ganz zu schweigen von den Sternen, der Einsatz von Raketentriebwerken mit flüssigem Treibstoff und Raketentriebwerken mit festem Treibstoff immer unrentabler, obwohl viele Raketentriebwerke entwickelt wurden. Höchstwahrscheinlich sind die Fähigkeiten von Raketentriebwerken mit flüssigem Treibstoff und Raketentriebwerken mit festem Treibstoff völlig erschöpft. Der Grund dafür ist, dass der spezifische Impuls aller chemischen Triebwerke gering ist und 5000 m/s nicht überschreitet, was einen langfristigen Betrieb des Triebwerks erfordert, um ausreichend hohe Geschwindigkeiten und dementsprechend große Treibstoffreserven oder, wie üblich, zu entwickeln in der Raumfahrt das Notwendige große Werte Tsiolkovsky-Zahl, d. h. das Verhältnis der Masse einer betankten Rakete zur Masse einer leeren Rakete. So hat die Trägerrakete Energia, die 100 Tonnen Nutzlast in eine niedrige Umlaufbahn befördert, eine Startmasse von etwa 3.000 Tonnen, was der Tsiolkovsky-Zahl einen Wert innerhalb von 30 verleiht.
Für einen Flug zum Mars beispielsweise dürfte die Tsiolkovsky-Zahl sogar noch höher liegen und Werte von 30 bis 50 erreichen. Bei einer Nutzlast von etwa 1.000 Tonnen lässt sich das leicht abschätzen, und innerhalb dieser Grenzen liegt die Mindestmasse Der Bedarf, alles Nötige für die zum Mars startende Besatzung bereitzustellen, ist unterschiedlich. Unter Berücksichtigung der Treibstoffversorgung für den Rückflug zur Erde muss die Anfangsmasse des Raumfahrzeugs mindestens 30.000 Tonnen betragen, was deutlich über dem Entwicklungsstand der modernen Raumfahrt liegt. basierend auf der Verwendung von Flüssigtreibstoffmotoren und Feststoffraketenmotoren.
Damit bemannte Besatzungen auch die nächstgelegenen Planeten erreichen können, ist es notwendig, Trägerraketen zu entwickeln, deren Motoren auf anderen Prinzipien als dem chemischen Antrieb basieren. Am vielversprechendsten sind in dieser Hinsicht elektrische Strahltriebwerke (EPE), thermochemische Raketentriebwerke und nukleare Strahltriebwerke (NRE).
1. Grundkonzepte
Ein Raketentriebwerk ist ein Strahltriebwerk, das für seinen Betrieb nicht die Umgebung (Luft, Wasser) nutzt. Am weitesten verbreitet sind chemische Raketentriebwerke. Andere Arten von Raketentriebwerken werden entwickelt und getestet – elektrische, nukleare und andere. Die einfachsten, mit Druckgasen betriebenen Raketentriebwerke werden auch häufig auf Raumstationen und Fahrzeugen eingesetzt. Typischerweise verwenden sie Stickstoff als Arbeitsmedium. /1/
Klassifizierung von Antriebssystemen
2. Zweck von Raketentriebwerken
Je nach Zweck werden Raketentriebwerke in mehrere Haupttypen unterteilt: Beschleunigen (Starten), Bremsen, Antrieb, Steuerung und andere. Raketentriebwerke werden hauptsächlich in Raketen eingesetzt (daher der Name). Darüber hinaus werden manchmal Raketentriebwerke in der Luftfahrt eingesetzt. Raketentriebwerke sind die Haupttriebwerke der Raumfahrt.
Militärische (Kampf-)Raketen verfügen in der Regel über Feststoffantriebe. Dies liegt daran, dass ein solcher Motor im Werk betankt wird und während der gesamten Lager- und Lebensdauer der Rakete selbst keiner Wartung bedarf. Festtreibstoffmotoren werden häufig als Booster für Weltraumraketen eingesetzt. Besonders häufig werden sie in dieser Funktion in den USA, Frankreich, Japan und China eingesetzt.
Flüssigkeitsraketentriebwerke haben höhere Schubeigenschaften als Feststoffraketentriebwerke. Daher werden sie zum Start von Weltraumraketen in die Erdumlaufbahn und für interplanetare Flüge eingesetzt. Die wichtigsten flüssigen Treibstoffe für Raketen sind Kerosin, Heptan (Dimethylhydrazin) und flüssiger Wasserstoff. Für solche Kraftstoffarten ist ein Oxidationsmittel (Sauerstoff) erforderlich. Als Oxidationsmittel werden in solchen Motoren Salpetersäure und verflüssigter Sauerstoff verwendet. Salpetersäure ist hinsichtlich der Oxidationseigenschaften flüssigem Sauerstoff unterlegen, erfordert jedoch keine besondere Wartung Temperaturregime während der Lagerung, Betankung und Verwendung von Raketen
Triebwerke für Raumflüge unterscheiden sich von denen auf der Erde dadurch, dass sie bei möglichst geringer Masse und Volumen möglichst viel Leistung erbringen müssen. Darüber hinaus unterliegen sie Anforderungen wie einer außergewöhnlich hohen Effizienz und Zuverlässigkeit sowie einer langen Betriebszeit. Basierend auf der Art der verwendeten Energie werden die Antriebssysteme von Raumfahrzeugen in vier Typen unterteilt: thermochemische, nukleare, elektrische und Solarsegel-Antriebssysteme. Jeder der aufgeführten Typen hat seine eigenen Vor- und Nachteile und kann unter bestimmten Bedingungen eingesetzt werden.
Derzeit werden Raumschiffe, Orbitalstationen und unbemannte Erdsatelliten mit Raketen ins All geschossen, die mit leistungsstarken thermochemischen Motoren ausgestattet sind. Es gibt auch Miniaturmotoren mit geringem Schub. Dies ist eine kleinere Kopie leistungsstarker Motoren. Einige davon passen in Ihre Handfläche. Die Schubkraft solcher Motoren ist sehr gering, reicht aber aus, um die Position des Schiffes im Weltraum zu kontrollieren
3.Thermochemische Raketentriebwerke.
Es ist bekannt, dass in einem Verbrennungsmotor, dem Ofen eines Dampfkessels – überall dort, wo die Verbrennung stattfindet, Luftsauerstoff die aktivste Rolle spielt. Im Weltraum gibt es keine Luft, und damit Raketentriebwerke im Weltraum funktionieren können, sind zwei Komponenten erforderlich – Treibstoff und Oxidationsmittel.
Flüssige thermochemische Raketentriebwerke verwenden Alkohol, Kerosin, Benzin, Anilin, Hydrazin, Dimethylhydrazin und flüssigen Wasserstoff als Treibstoff. Als Oxidationsmittel werden flüssiger Sauerstoff, Wasserstoffperoxid und Salpetersäure verwendet. Vielleicht wird flüssiges Fluor in Zukunft als Oxidationsmittel verwendet, wenn Methoden zur Lagerung und Verwendung einer solchen aktiven Chemikalie erfunden werden
Kraftstoff und Oxidationsmittel für Flüssigkeitsstrahltriebwerke werden getrennt in speziellen Tanks gelagert und über Pumpen der Brennkammer zugeführt. Beim Zusammentreffen in der Brennkammer erreichen die Temperaturen 3000 – 4500 °C.
Die sich ausdehnenden Verbrennungsprodukte erreichen Geschwindigkeiten von 2500 bis 4500 m/s. Sie stoßen sich vom Triebwerkskörper ab und erzeugen einen Strahlschub. Gleichzeitig ist der Schub des Motors umso größer, je größer die Masse und Geschwindigkeit des Gasstroms ist.
Der spezifische Schub von Triebwerken wird normalerweise anhand der Schubmenge geschätzt, die pro Masseneinheit des in einer Sekunde verbrannten Kraftstoffs erzeugt wird. Diese Größe wird als spezifischer Impuls eines Raketentriebwerks bezeichnet und in Sekunden gemessen (kg Schub / kg verbrannter Treibstoff pro Sekunde). Die besten Feststoffraketentriebwerke haben einen spezifischen Impuls von bis zu 190 s, d. h. 1 kg Treibstoff, der in einer Sekunde verbrennt, erzeugt einen Schub von 190 kg. Ein Wasserstoff-Sauerstoff-Raketentriebwerk hat einen spezifischen Impuls von 350 s. Theoretisch kann ein Wasserstoff-Fluor-Motor einen spezifischen Impuls von mehr als 400 s entwickeln.
Der üblicherweise verwendete Flüssifunktioniert wie folgt. Komprimiertes Gas erzeugt in Tanks mit kryogenem Kraftstoff den nötigen Druck, um die Entstehung von Gasblasen in Rohrleitungen zu verhindern. Pumpen versorgen Raketentriebwerke mit Treibstoff. Der Kraftstoff wird über eine Vielzahl von Einspritzdüsen in den Brennraum eingespritzt. Durch die Düsen wird außerdem ein Oxidationsmittel in die Brennkammer eingespritzt.
In jedem Auto entstehen beim Verbrennen von Kraftstoff große Wärmeströme, die die Wände des Motors erhitzen. Wenn Sie die Wände der Kammer nicht kühlen, brennt sie schnell aus, egal aus welchem Material sie besteht. Ein Flüssigkeitsstrahltriebwerk wird typischerweise durch eine der Treibstoffkomponenten gekühlt. Zu diesem Zweck besteht die Kammer aus zwei Wänden. Der kalte Anteil des Kraftstoffs fließt im Spalt zwischen den Wänden.
Aluminium" href="/text/category/alyuminij/" rel="bookmark">Aluminium usw. Insbesondere als Zusatz zu herkömmlichen Kraftstoffen wie Wasserstoff-Sauerstoff. Solche „ternären Zusammensetzungen“ können für die höchstmögliche Geschwindigkeit bei Chemikalien sorgen Treibstoffe ausstoßen - bis zu 5 km/s. Dies ist jedoch praktisch die Grenze der chemischen Ressourcen. Mehr kann sie praktisch nicht leisten. Obwohl die vorgeschlagene Beschreibung immer noch von Flüssigkeitsraketentriebwerken dominiert wird, muss gesagt werden, dass dies die erste in der Geschichte ist Der Menschheit wurde ein thermochemischer Raketenmotor mit Festbrennstoff geschaffen – ein Feststoffraketenmotor. Treibstoff – zum Beispiel spezielles Schießpulver – befindet sich direkt in der Brennkammer. Eine mit Festbrennstoff gefüllte Brennkammer mit einer Strahldüse – das ist die ganze Konstruktion. Die Art der Verbrennung fester Brennstoffe hängt vom Zweck des Feststoffraketentriebwerks ab (Start-, Sustainer- oder kombinierte). Denn in militärischen Angelegenheiten eingesetzte Feststoffraketen zeichnen sich durch das Vorhandensein von Start- und Antriebsmotoren aus. Das Start-Feststoffraketentriebwerk entwickelt sich hoher Schub bei sehr eine kurze Zeit, die für den Abstieg der Rakete notwendig ist Startprogramm und seine anfängliche Beschleunigung. Der Sustainer-Feststoffraketenmotor ist darauf ausgelegt, eine konstante Fluggeschwindigkeit der Rakete im Hauptabschnitt (Antriebsabschnitt) der Flugbahn aufrechtzuerhalten. Die Unterschiede zwischen ihnen liegen hauptsächlich in der Gestaltung der Brennkammer und dem Profil der Verbrennungsoberfläche der Treibstoffladung, die die Geschwindigkeit der Treibstoffverbrennung bestimmen, von der die Betriebszeit und der Triebwerksschub abhängen. Im Gegensatz zu solchen Raketen gibt es Trägerraketen zum Start von Erdsatelliten, Orbitalstationen usw Raumschiffe sowie interplanetare Stationen arbeiten nur im Startmodus vom Start der Rakete bis zum Start des Objekts in die Umlaufbahn um die Erde oder auf eine interplanetare Flugbahn. Im Allgemeinen haben Feststoffraketenmotoren gegenüber Flüssigtreibstoffmotoren nicht viele Vorteile: Sie sind einfach herzustellen, lange Zeit lagerfähig, immer einsatzbereit, relativ explosionsgeschützt. Aber hinsichtlich des spezifischen Schubs sind Festbrennstoffmotoren Flüssigmotoren um 10–30 % unterlegen.
4. Elektrische Raketentriebwerke
Fast alle der oben besprochenen Raketentriebwerke entwickeln einen enormen Schub und sind darauf ausgelegt, Raumfahrzeuge in die Umlaufbahn um die Erde zu bringen und sie für interplanetare Flüge auf kosmische Geschwindigkeiten zu beschleunigen. Eine ganz andere Sache sind Antriebssysteme für Raumfahrzeuge, die bereits in die Umlaufbahn oder auf eine interplanetare Flugbahn gestartet sind. Hier benötigen wir in der Regel Motoren mit geringer Leistung (mehrere Kilowatt oder sogar Watt), die Hunderte und Tausende von Stunden laufen und immer wieder ein- und ausgeschaltet werden können. Sie ermöglichen es Ihnen, den Flug im Orbit oder entlang einer bestimmten Flugbahn aufrechtzuerhalten und so den Flugwiderstand auszugleichen, der durch die oberen Schichten der Atmosphäre und den Sonnenwind entsteht. Bei elektrischen Raketentriebwerken wird das Arbeitsmedium durch Erhitzen mit elektrischer Energie auf eine bestimmte Geschwindigkeit beschleunigt. Der Strom stammt aus Sonnenkollektoren oder einem Kernkraftwerk. Die Methoden zum Erhitzen des Arbeitsmediums sind unterschiedlich, in Wirklichkeit wird jedoch hauptsächlich ein Lichtbogen verwendet. Es hat sich als sehr zuverlässig erwiesen und hält einer großen Anzahl von Starts stand. Wasserstoff wird als Arbeitsmedium in Lichtbogenmotoren verwendet. Mittels eines Lichtbogens wird Wasserstoff auf eine sehr hohe Temperatur erhitzt und verwandelt sich in Plasma – eine elektrisch neutrale Mischung aus positiven Ionen und Elektronen. Die Geschwindigkeit des Plasmaaustritts aus dem Motor erreicht 20 km/s. Wenn Wissenschaftler das Problem der magnetischen Isolierung des Plasmas von den Wänden der Motorkammer lösen, wird es möglich sein, die Temperatur des Plasmas deutlich zu erhöhen und die Abgasgeschwindigkeit auf 100 km/s zu erhöhen. Der erste elektrische Raketentriebwerk wurde in den Jahren in der Sowjetunion entwickelt. unter der Leitung (später wurde er der Schöpfer von Triebwerken für sowjetische Weltraumraketen und Akademiker) am berühmten Gas Dynamics Laboratory (GDL)./10/
5.Andere Motortypen
Es gibt auch exotischere Konstruktionen für nukleare Raketentriebwerke, bei denen das spaltbare Material in einem flüssigen, gasförmigen oder sogar plasmatischen Zustand vorliegt, die Umsetzung solcher Konstruktionen ist jedoch auf dem aktuellen Stand der Technik und Technik unrealistisch. Die folgenden Raketentriebwerksprojekte existieren, noch im theoretischen oder Laborstadium:
Pulsierende Nuklearraketentriebwerke, die die Energie von Explosionen kleiner Nuklearladungen nutzen;
Thermonukleare Raketentriebwerke, die ein Wasserstoffisotop als Treibstoff verwenden können. Die Energieproduktivität von Wasserstoff in einer solchen Reaktion beträgt 6,8 * 1011 KJ/kg, also etwa zwei Größenordnungen höher als die Produktivität von Kernspaltungsreaktionen;
Solarsegelmotoren – die den Druck des Sonnenlichts (Sonnenwind) nutzen, dessen Existenz bereits 1899 von einem russischen Physiker empirisch nachgewiesen wurde. Durch Berechnungen haben Wissenschaftler festgestellt, dass ein 1 Tonne schweres Gerät, ausgestattet mit einem Segel mit einem Durchmesser von 500 m, in etwa 300 Tagen von der Erde zum Mars fliegen kann. Allerdings nimmt die Effizienz eines Sonnensegels mit der Entfernung von der Sonne rapide ab.
6. Nukleare Raketentriebwerke
Einer der Hauptnachteile von Raketentriebwerken, die mit flüssigem Treibstoff betrieben werden, ist die begrenzte Durchflussrate von Gasen. In nuklearen Raketentriebwerken scheint es möglich zu sein, die enorme Energie, die bei der Zersetzung von nuklearem „Brennstoff“ freigesetzt wird, zum Erhitzen der Arbeitssubstanz zu nutzen. Das Funktionsprinzip nuklearer Raketentriebwerke unterscheidet sich kaum vom Funktionsprinzip thermochemischer Triebwerke. Der Unterschied besteht darin, dass das Arbeitsmedium nicht aufgrund seiner eigenen chemischen Energie erhitzt wird, sondern aufgrund der „fremden“ Energie, die während einer intranuklearen Reaktion freigesetzt wird. Das Arbeitsmedium wird durch einen Kernreaktor geleitet, in dem die Spaltungsreaktion von Atomkernen (z. B. Uran) stattfindet, und erhitzt. Nukleare Raketentriebwerke machen ein Oxidationsmittel überflüssig und daher kann nur eine Flüssigkeit verwendet werden. Als Arbeitsflüssigkeit empfiehlt es sich, Stoffe zu verwenden, die es dem Motor ermöglichen, eine größere Zugkraft zu entwickeln. Diese Bedingung wird am besten von Wasserstoff erfüllt, gefolgt von Ammoniak, Hydrazin und Wasser. Die Prozesse, bei denen Kernenergie freigesetzt wird, werden in radioaktive Umwandlungen, Spaltungsreaktionen schwerer Kerne und Fusionsreaktionen leichter Kerne unterteilt. Radioisotopenumwandlungen werden in sogenannten Isotopenenergiequellen durchgeführt. Die spezifische Massenenergie (die Energie, die ein 1 kg schwerer Stoff freisetzen kann) künstlicher radioaktiver Isotope ist deutlich höher als die chemischer Kraftstoffe. Für 210Po beträgt er also 5*10 8 KJ/kg, während dieser Wert für den energieeffizientesten chemischen Brennstoff (Beryllium mit Sauerstoff) 3*10 4 KJ/kg nicht überschreitet. Leider ist es noch nicht sinnvoll, solche Motoren in Trägerraketen einzusetzen. Der Grund dafür sind die hohen Kosten der Isotopensubstanz und betriebliche Schwierigkeiten. Denn das Isotop setzt ständig Energie frei, auch beim Transport in einem Spezialbehälter und beim Parken der Rakete am Startplatz. Kernreaktoren verwenden energieeffizienteren Brennstoff. Somit beträgt die spezifische Massenenergie von 235U (dem spaltbaren Isotop von Uran) 6,75 * 10 9 KJ/kg, also etwa eine Größenordnung höher als die des 210Po-Isotops. Diese Motoren können „eingeschaltet“ und „ausgeschaltet“ werden; Kernbrennstoff (233U, 235U, 238U, 239Pu) ist viel billiger als Isotopenbrennstoff. In solchen Motoren kann als Arbeitsflüssigkeit nicht nur Wasser verwendet werden, sondern auch effizientere Arbeitsstoffe – Alkohol, Ammoniak, flüssiger Wasserstoff. Der spezifische Schub eines Motors mit flüssigem Wasserstoff beträgt 900 s. IN das einfachste Schema Bei einem nuklearen Raketentriebwerk mit einem Reaktor, der mit festem Kernbrennstoff betrieben wird, wird das Arbeitsmedium in einen Tank gegeben. Die Pumpe fördert es in den Motorraum. Über Düsen versprüht, kommt das Arbeitsmedium mit dem brennstofferzeugenden Kernbrennstoff in Kontakt, erwärmt sich, dehnt sich aus und wird mit hoher Geschwindigkeit durch die Düse ausgeschleudert. Kernbrennstoff ist hinsichtlich der Energiereserven jeder anderen Brennstoffart überlegen. Dann stellt sich die logische Frage: Warum haben Anlagen, die diesen Brennstoff verwenden, immer noch einen relativ geringen spezifischen Schub und eine große Masse? Tatsache ist, dass der spezifische Schub eines Festphasen-Kernraketentriebwerks durch die Temperatur des spaltbaren Materials begrenzt ist und das Kraftwerk während des Betriebs starke ionisierende Strahlung aussendet, die schädliche Auswirkungen auf lebende Organismen hat. Biologische Schutz gegen solche Strahlung hat schweres Gewicht im Weltraum nicht anwendbar Flugzeug. Die praktische Entwicklung nuklearer Raketentriebwerke mit festem Kernbrennstoff begann Mitte der 50er Jahre des 20. Jahrhunderts in der Sowjetunion und den USA, fast zeitgleich mit dem Bau der ersten Kernkraftwerke. Die Arbeiten wurden in einer Atmosphäre erhöhter Geheimhaltung durchgeführt, es ist jedoch bekannt, dass solche Raketentriebwerke in der Raumfahrt noch keinen wirklichen Einsatz gefunden haben. Bisher beschränkte sich alles auf die Nutzung isotopischer Stromquellen relativ geringer Leistung auf unbemannten künstlichen Erdsatelliten, interplanetaren Raumfahrzeugen und dem weltberühmten sowjetischen „Mondrover“.
7. Kernstrahltriebwerke, Funktionsprinzipien, Methoden zur Impulsgewinnung in einem Kernantriebsmotor.
Kernraketentriebwerke erhielten ihren Namen aufgrund der Tatsache, dass sie durch die Nutzung von Kernenergie, also der Energie, die bei Kernreaktionen freigesetzt wird, Schub erzeugen. Im Allgemeinen sind unter diesen Reaktionen alle Änderungen des Energiezustands von Atomkernen sowie Umwandlungen einiger Kerne in andere zu verstehen, die mit einer Umstrukturierung der Struktur der Kerne oder einer Änderung der Anzahl der in ihnen enthaltenen Elementarteilchen verbunden sind - Nukleonen. Darüber hinaus können Kernreaktionen bekanntermaßen entweder spontan (d. h. spontan) ablaufen oder künstlich verursacht werden, beispielsweise wenn einige Kerne von anderen (oder Elementarteilchen) bombardiert werden. Kernspaltungs- und Fusionsreaktionen übertreffen ihre Energiegrößen chemische Reaktionen Millionen bzw. Dutzende Millionen Mal. Dies erklärt sich aus der Tatsache, dass die chemische Bindungsenergie von Atomen in Molekülen um ein Vielfaches geringer ist als die Kernbindungsenergie von Nukleonen im Kern. Kernenergie in Raketentriebwerken kann auf zwei Arten genutzt werden:
1. Die freigesetzte Energie wird zur Erwärmung des Arbeitsmediums genutzt, das sich dann wie bei einem herkömmlichen Raketentriebwerk in der Düse ausdehnt.
2. Atomkraft in elektrische Energie umgewandelt und dann zur Ionisierung und Beschleunigung von Partikeln des Arbeitsmediums genutzt.
3. Schließlich wird der Impuls durch die dabei entstehenden Spaltprodukte selbst erzeugt (z. B. hochschmelzende Metalle - Wolfram, Molybdän), die dazu dienen, spaltbaren Stoffen besondere Eigenschaften zu verleihen.
Die Brennelemente eines Festphasenreaktors sind von Kanälen durchzogen, durch die das Arbeitsmedium des Kernantriebsmotors strömt und sich dabei allmählich erwärmt. Die Kanäle haben einen Durchmesser von etwa 1-3 mm und ihre Gesamtfläche beträgt 20-30 % Querschnitt aktive Zone. Der Kern ist an einem speziellen Gitter im Inneren des Kraftwerksbehälters aufgehängt, sodass er sich bei Erwärmung des Reaktors ausdehnen kann (sonst würde er aufgrund thermischer Spannungen kollabieren).
Der Kern ist hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt, die mit erheblichen hydraulischen Druckabfällen (bis zu mehreren zehn Atmosphären) durch das fließende Arbeitsmedium, thermischen Spannungen und Vibrationen einhergehen. Die Vergrößerung der aktiven Zone beim Aufheizen des Reaktors erreicht mehrere Zentimeter. Die aktive Zone und der Reflektor sind in einem robusten Antriebsgehäuse untergebracht, das den Druck des Arbeitsmediums und den von der Strahldüse erzeugten Schub absorbiert. Der Koffer wird mit einem robusten Deckel verschlossen. Es beherbergt pneumatische, federnde oder elektrische Mechanismen zum Antrieb der Regulierungsorgane, Befestigungspunkte für den Kernantriebsmotor am Raumfahrzeug und Flansche zum Anschluss des Kernantriebsmotors an die Versorgungsleitungen des Arbeitsmediums. Auf dem Deckel kann sich auch eine Turbopumpeneinheit befinden.
8 - Düse,
9 - expandierende Düsendüse,
10 - Auswahl des Arbeitsstoffs für die Turbine,
11 - Power Corps,
12 - Steuertrommel,
13 - Turbinenauspuff (wird zur Steuerung der Fluglage und zur Erhöhung des Schubs verwendet),
14 - Antriebsring für Steuertrommeln)
Anfang 1957 wurde die endgültige Arbeitsrichtung im Los Alamos Laboratory festgelegt und beschlossen, einen Graphit-Kernreaktor mit in Graphit dispergiertem Uranbrennstoff zu bauen. Der in dieser Richtung geschaffene Kiwi-A-Reaktor wurde am 1. Juli 1959 getestet.
Amerikanisches Festphasen-Atomstrahltriebwerk XE Prime auf einem Prüfstand (1968)
Neben dem Bau des Reaktors war das Los Alamos Laboratory mit dem Bau eines speziellen Testgeländes in Nevada in vollem Gange und führte auch eine Reihe von Sonderaufträgen der US-Luftwaffe in verwandten Bereichen (Entwicklung einzelner) aus TURE-Einheiten). Im Auftrag des Los Alamos Laboratory wurden alle Sonderaufträge zur Herstellung einzelner Komponenten von folgenden Unternehmen ausgeführt: Aerojet General, der Rocketdyne-Abteilung von North American Aviation. Im Sommer 1958 wurde die gesamte Kontrolle über das Rover-Programm von der US-Luftwaffe an die neu gegründete National Aeronautics and Space Administration (NASA) übertragen. Als Ergebnis einer Sondervereinbarung zwischen der AEC und der NASA im Hochsommer 1960 wurde das Space Nuclear Propulsion Office unter der Leitung von G. Finger gegründet, der anschließend das Rover-Programm leitete.
Die Ergebnisse von sechs „Heißtests“ nuklearer Strahltriebwerke waren sehr ermutigend, und Anfang 1961 wurde ein Bericht über Reaktorflugtests (RJFT) erstellt. Dann, Mitte 1961, wurde das Nerva-Projekt (die Verwendung eines Atommotors für Weltraumraketen) gestartet. Aerojet General wurde als Generalunternehmer und Westinghouse als Subunternehmer für den Bau des Reaktors ausgewählt.
10.2 Arbeit an TURE in Russland
Amerikanische" href="/text/category/amerikanetc/" rel="bookmark">Amerikaner und russische Wissenschaftler nutzten die wirtschaftlichsten und effektivsten Tests einzelner Brennelemente in Forschungsreaktoren. Das gesamte Spektrum der Arbeiten wurde in den 70er und 80er Jahren durchgeführt erlaubte dem Designbüro „ Salyut“, dem Design Bureau of Chemical Automatics, IAE, NIKIET und NPO „Luch“ (PNITI), verschiedene Projekte von Weltraum-Kernantriebsmotoren und Hybrid-Kernkraftwerken zu entwickeln. Im Design Bureau of Chemical Automatics unter der wissenschaftlichen Leitung Führung von NIITP (FEI, IAE, NIKIET, NIITVEL, NPO waren verantwortlich für die Reaktorelemente Luch“, MAI) wurden geschaffen YARD RD 0411 und Kernmotor minimaler Größe RD 0410 Schub 40 bzw. 3,6 Tonnen.
Als Ergebnis wurden ein Reaktor, ein „kalter“ Motor und ein Laborprototyp für Tests mit Wasserstoffgas hergestellt. Im Gegensatz zum amerikanischen Modell mit einem spezifischen Impuls von nicht mehr als 8250 m/s erreichte das sowjetische TNRE aufgrund der Verwendung hitzebeständigerer und fortschrittlicherer Brennelemente sowie der hohen Temperatur im Kern einen Wert von 9100 m /s und höher. Der Stützpunkt zum Testen der TURE der gemeinsamen Expedition der NPO „Luch“ befand sich 50 km südwestlich der Stadt Semipalatinsk-21. Sie begann 1962 zu arbeiten. In Auf dem Testgelände wurden Brennelemente von Prototypen nuklearbetriebener Raketentriebwerke in Originalgröße getestet. Dabei gelangte das Abgas in das geschlossene Abgassystem. Der Baikal-1-Prüfstandskomplex für Kernmotortests in Originalgröße liegt 65 km südlich von Semipalatinsk-21. Von 1970 bis 1988 wurden etwa 30 „Heißstarts“ von Reaktoren durchgeführt. Gleichzeitig überschritt die Leistung 230 MW bei einem Wasserstoffverbrauch von bis zu 16,5 kg/s und einer Temperatur am Reaktorausgang von 3100 K. Alle Starts verliefen erfolgreich, störungsfrei und nach Plan.
Der sowjetische TNRD RD-0410 ist der einzige funktionierende und zuverlässige industrielle Nuklearraketenmotor der Welt
Derzeit wurden solche Arbeiten am Standort eingestellt, obwohl die Ausrüstung in einem relativ funktionsfähigen Zustand gehalten wird. Die Prüfstandsbasis der NPO Luch ist der einzige Versuchskomplex weltweit, in dem es möglich ist, Elemente von Kernantriebsreaktoren ohne nennenswerten finanziellen und zeitlichen Aufwand zu testen. Es ist möglich, dass die Wiederaufnahme der Arbeiten an nuklearen Antriebsmotoren für Flüge zum Mond und zum Mars in den USA im Rahmen des Programms „Space Research Initiative“ unter geplanter Beteiligung von Spezialisten aus Russland und Kasachstan zur Wiederaufnahme der Aktivitäten bei führen wird der Stützpunkt Semipalatinsk und die Durchführung einer „Mars“-Expedition in den 2020er Jahren.
Hauptmerkmale
Spezifischer Impuls auf Wasserstoff: 910 - 980 Sek(theoretisch bis zu 1000 Sek).
· Ausströmgeschwindigkeit des Arbeitsmediums (Wasserstoff): 9100 - 9800 m/sec.
· Erreichbare Schubkraft: bis zu Hunderten und Tausenden Tonnen.
· Maximale Betriebstemperaturen: 3000 °C – 3700 °C (kurzfristiges Einschalten).
· Betriebsdauer: bis zu mehreren tausend Stunden (periodische Aktivierung). /5/
11.Gerät
Das Design des sowjetischen Festphasen-Atomraketenmotors RD-0410
1 - Leitung vom Arbeitsflüssigkeitstank
2 - Turbopumpeneinheit
3 - Trommelantrieb steuern
4 - Schutz vor Radioaktivität
5 - Regulierungstrommel
6 - Retarder
7 - Brennelement
8 - Reaktorkessel
9 - Feuerboden
10 - Düsenkühlleitung
11- Düsenkammer
12 - Düse
12. Funktionsprinzip
Nach seinem Funktionsprinzip ist ein TURE ein Hochtemperatur-Reaktor-Wärmetauscher, in den ein Arbeitsmedium (flüssiger Wasserstoff) unter Druck eingeleitet und beim Erhitzen auf hohe Temperaturen (über 3000 °C) durch einen ausgestoßen wird gekühlte Düse. Die Wärmeregeneration in der Düse ist sehr vorteilhaft, da Wasserstoff dadurch viel schneller erhitzt und recycelt werden kann signifikante Menge Wärmeenergie erhöht den spezifischen Impuls auf 1000 Sek. (9100-9800 m/s).
Nuklearer Raketentriebwerksreaktor
MsoNormalTable">
Arbeitsflüssigkeit
Dichte, g/cm3
Spezifischer Schub (bei angegebenen Temperaturen in der Heizkammer, °K), Sek
0,071 (flüssig)
0,682 (flüssig)
1.000 (flüssig)
Nein. Dann
Nein. Dann
Nein. Dann
(Hinweis: Der Druck in der Heizkammer beträgt 45,7 atm, Expansion auf einen Druck von 1 atm bei gleicher chemischer Zusammensetzung des Arbeitsmediums) /6/
15.Vorteile
Der Hauptvorteil von TNREs gegenüber chemischen Raketentriebwerken besteht in der Erzielung eines höheren spezifischen Impulses, erheblichen Energiereserven, der Kompaktheit des Systems und der Fähigkeit, einen sehr hohen Schub (Zehner, Hunderter und Tausende Tonnen im Vakuum) zu erzielen. Im Allgemeinen ist der Der im Vakuum erzielte spezifische Impuls ist um das 3- bis 4-fache größer als der von verbrauchtem chemischem Zweikomponenten-Raketentreibstoff (Kerosin-Sauerstoff, Wasserstoff-Sauerstoff) und bei Betrieb mit höchster thermischer Intensität um das 4- bis 5-fache. Derzeit in der Die USA und Russland verfügen über umfangreiche Erfahrung in der Entwicklung und dem Bau solcher Triebwerke, und bei Bedarf (spezielle Programme zur Erforschung des Weltraums) können solche Triebwerke in kurzer Zeit und zu angemessenen Kosten hergestellt werden. Im Falle der Verwendung von TNRE zur Beschleunigung von Raumfahrzeugen im Weltraum und vorbehaltlich der zusätzlichen Nutzung von Störungsmanövern unter Ausnutzung des Gravitationsfeldes große Planeten(Jupiter, Uranus, Saturn, Neptun) Die erreichbaren Grenzen der Erforschung des Sonnensystems erweitern sich erheblich und die Zeit, die erforderlich ist, um entfernte Planeten zu erreichen, wird erheblich verkürzt. Darüber hinaus können TNREs erfolgreich für Geräte eingesetzt werden, die in niedrigen Umlaufbahnen von Riesenplaneten arbeiten und deren verdünnte Atmosphäre als Arbeitsflüssigkeit nutzen, oder für den Betrieb in deren Atmosphäre. /8/
16.Nachteile
Der Hauptnachteil von TNRE ist das Vorhandensein eines starken Flusses durchdringender Strahlung (Gammastrahlung, Neutronen) sowie die Entfernung hochradioaktiver Uranverbindungen, feuerfester Verbindungen mit induzierter Strahlung und radioaktiver Gase mit dem Arbeitsmedium. In dieser Hinsicht ist TURE für Bodenstarts nicht akzeptabel, um eine Verschlechterung der Umweltsituation am Startplatz und in der Atmosphäre zu vermeiden. /14/
17.Verbesserung der Eigenschaften von TURD. Hybrid-Turboprop-Motoren
Wie jede Rakete oder jedes Triebwerk im Allgemeinen weist ein Festphasen-Kernstrahltriebwerk erhebliche Einschränkungen hinsichtlich der wichtigsten erreichbaren Eigenschaften auf. Diese Einschränkungen stellen die Unfähigkeit des Geräts (TJRE) dar, in einem Temperaturbereich zu arbeiten, der über dem Bereich der maximalen Betriebstemperaturen der Strukturmaterialien des Motors liegt. Um die Fähigkeiten zu erweitern und die Hauptbetriebsparameter des TJRE deutlich zu erhöhen, können verschiedene Hybridschemata verwendet werden, bei denen das TJRE die Rolle einer Wärme- und Energiequelle und darüber hinaus übernimmt physikalische Methoden Beschleunigung der Arbeitskörper. Am zuverlässigsten, praktikabelsten und mit hohen spezifischen Impuls- und Schubeigenschaften ist ein Hybridschema mit einem zusätzlichen MHD-Kreislauf (magnetohydrodynamischer Kreislauf) zur Beschleunigung des ionisierten Arbeitsmediums (Wasserstoff und spezielle Additive) geeignet. /13/
18. Strahlengefahr durch Kernantriebsmotoren.
Ein funktionierender Atommotor ist kraftvolle Quelle Strahlung - Gamma und Neutronenstrahlung. Ohne besondere Maßnahmen kann Strahlung zu einer unzulässigen Erwärmung des Arbeitsmediums und der Struktur in einem Raumfahrzeug, zur Versprödung metallischer Strukturmaterialien, zur Zerstörung von Kunststoff und zur Alterung von Gummiteilen, zu Schäden an der Isolierung von Elektrokabeln und zum Ausfall elektronischer Geräte führen. Strahlung kann eine induzierte (künstliche) Radioaktivität von Materialien verursachen – ihre Aktivierung.
Das Problem des Strahlenschutzes von Raumfahrzeugen mit Kernantriebsmotoren gilt derzeit als grundsätzlich gelöst. Auch grundlegende Fragen im Zusammenhang mit der Wartung von Kernantriebsmotoren an Prüfständen und Startplätzen wurden gelöst. Obwohl ein in Betrieb befindlicher NRE eine Gefahr für das Bedienpersonal darstellt, kann man bereits einen Tag nach Betriebsende des NRE ohne persönliche Schutzausrüstung mehrere Dutzend Minuten in einer Entfernung von 50 m vom NRE stehen und sich sogar nähern Die einfachsten Schutzmaßnahmen ermöglichen es dem Bedienpersonal, kurz nach den Prüfungen den Arbeitsbereich HOF zu betreten.
Verschmutzungsgrad von Startkomplexen und Umfeld Offensichtlich wird dies kein Hindernis für den Einsatz nuklearer Antriebsmotoren in den unteren Stufen von Weltraumraketen sein. Das Problem der Strahlengefährdung für Umwelt und Bedienpersonal wird weitgehend dadurch gemildert, dass der als Arbeitsmedium eingesetzte Wasserstoff beim Durchströmen des Reaktors praktisch nicht aktiviert wird. Daher ist der Strahl eines Atomtriebwerks nicht gefährlicher als der Strahl eines Flüssigtreibstoff-Raketentriebwerks./4/
Abschluss
Bei der Betrachtung der Aussichten für die Entwicklung und den Einsatz von Kernantriebsmotoren in der Raumfahrt sollte man von den erreichten und erwarteten Eigenschaften verschiedener Arten von Kernantriebsmotoren, davon, was ihre Anwendung für die Raumfahrt leisten kann, und schließlich von der engen Verbindung ausgehen des Problems der nuklearen Antriebsmotoren mit dem Problem der Energieversorgung im Weltraum und mit Fragen der Energieentwicklung überhaupt.
Wie oben erwähnt, sind von allen möglichen Arten von Kernantriebsmotoren der thermische Radioisotopenmotor und der Motor mit einem Festphasenspaltungsreaktor die am weitesten entwickelten. Aber wenn die Eigenschaften von Radioisotopen-Kernantriebsmotoren (zumindest in naher Zukunft) nicht auf ihren weit verbreiteten Einsatz in der Raumfahrt hoffen lassen, dann eröffnet die Entwicklung von Festphasen-Kernantriebsmotoren große Perspektiven für die Raumfahrt.
Beispielsweise wurde eine Vorrichtung mit einer Anfangsmasse von 40.000 Tonnen vorgeschlagen (d. h. etwa zehnmal größer als die der größten modernen Trägerraketen), wobei 1/10 dieser Masse auf die Nutzlast und 2/3 auf die Kernmasse entfällt Gebühren. Wenn Sie alle 3 Sekunden eine Ladung zur Explosion bringen, reicht ihr Vorrat für 10 Tage Dauerbetrieb des Kernantriebssystems. In dieser Zeit wird das Gerät auf eine Geschwindigkeit von 10.000 km/s beschleunigen und in Zukunft, nach 130 Jahren, den Stern Alpha Centauri erreichen können.
Kernkraftwerke zeichnen sich durch einzigartige Eigenschaften aus, zu denen eine praktisch unbegrenzte Energieintensität, Unabhängigkeit des Betriebs von der Umwelt und Immunität gegenüber äußeren Einflüssen (kosmische Strahlung, Meteoritenschäden, hohe und niedrige Temperaturen usw.) gehören. Allerdings ist die maximale Leistung nuklearer Radioisotopenanlagen auf einen Wert in der Größenordnung von mehreren hundert Watt begrenzt. Für Kernreaktorkraftwerke gibt es diese Einschränkung nicht, die die Rentabilität ihres Einsatzes bei Langzeitflügen schwerer Raumfahrzeuge im erdnahen Weltraum, bei Flügen zu fernen Planeten des Sonnensystems und in anderen Fällen bestimmt.
Die Vorteile von Festphasen- und anderen Kernantriebsmotoren mit Spaltreaktoren werden am deutlichsten bei der Untersuchung solch komplexer Raumfahrtprogramme wie bemannter Flüge zu den Planeten des Sonnensystems (zum Beispiel während einer Expedition zum Mars) deutlich. In diesem Fall ermöglicht eine Erhöhung des spezifischen Impulses des Triebwerks die Lösung qualitativ neuer Probleme. All diese Probleme werden erheblich gemildert, wenn ein Festphasen-Kernraketentriebwerk mit einem spezifischen Impuls verwendet wird, der doppelt so hoch ist wie der von modernen Flüssigtreibstoff-Raketentriebwerken. In diesem Fall ist es auch möglich, die Flugzeiten deutlich zu verkürzen.
Es ist sehr wahrscheinlich, dass Festphasen-Kernantriebsmotoren in naher Zukunft zu den am häufigsten verwendeten Raketentriebwerken gehören werden. Festphasen-Kernantriebsmotoren können als Geräte für Langstreckenflüge verwendet werden, beispielsweise zu Planeten wie Neptun, Pluto und sogar für Flüge über das Sonnensystem hinaus. Für Flüge zu den Sternen ist ein nuklearbetriebener Antrieb, der auf dem Kernspaltungsprinzip basiert, jedoch nicht geeignet. Vielversprechend sind in diesem Fall Kerntriebwerke, genauer gesagt thermonukleare Strahltriebwerke (TREs), die nach dem Prinzip der Fusionsreaktionen arbeiten, und photonische Strahltriebwerke (PREs), deren Impulsquelle die Vernichtungsreaktion von Materie und Antimaterie ist . Allerdings wird die Menschheit höchstwahrscheinlich eine andere Transportmethode nutzen, um im interstellaren Raum zu reisen, als den Jet.
Abschließend möchte ich eine Paraphrase von Einsteins berühmtem Satz geben: Um zu den Sternen zu reisen, muss sich die Menschheit etwas einfallen lassen, das in Komplexität und Wahrnehmung mit einem Kernreaktor für einen Neandertaler vergleichbar wäre!
LITERATUR
Quellen:
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2. http://www. lpre. de/energomash/index. htm
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4. L. Gilberg „Eroberung des Himmels“ – M: Znanie, 1994.
5. http://epizodsspace. *****/bibl/molodtsov
6. „Motor“, „Kernmotoren für Raumfahrzeuge“, Nr. 5 1999
7. „Motor“, „Gasphasen-Kernmotoren für Raumfahrzeuge“,
Nr. 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., Tschekalin-Transport der Zukunft.
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11. , Chekalin-Weltraumforschung. - M.:
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12. Gubanov B. „Energie – Buran“ – ein Schritt in die Zukunft // Wissenschaft und Leben.-
13. Gatland K. Weltraumtechnologie. - M.: Mir, 1986.
14., Sergeyuk und Handel. - M.: APN, 1989.
15.UdSSR im Weltraum. 2005 - M.: APN, 1989.
16. Auf dem Weg in den Weltraum // Energie. - 1985. - Nr. 6.
ANWENDUNG
Hauptmerkmale von Festphasen-Kernstrahltriebwerken
Herstellerland | Motor | Schub im Vakuum, kN | Spezifischer Impuls, Sek | Projektarbeit, Jahr |
|
NERVA/Lox-Mischzyklus |
Bereits am Ende dieses Jahrzehnts könnte in Russland ein nuklearbetriebenes Raumschiff für interplanetare Reisen entstehen. Und dies wird die Situation sowohl im erdnahen Weltraum als auch auf der Erde selbst dramatisch verändern.
Das Kernkraftwerk (KKW) wird 2018 flugbereit sein. Dies gab der Direktor des Keldysh Center, Akademiker, bekannt Anatoly Koroteev. „Wir müssen die erste Probe (einer Atombombe) vorbereiten Kraftwerk Megawatt-Klasse. – Ca. „Expert Online“) für Flugtests im Jahr 2018. Ob sie fliegen wird oder nicht, ist eine andere Sache, es kann eine Warteschlange geben, aber sie muss flugbereit sein“, berichtete RIA Novosti über seine Worte. Dies bedeutet, dass eines der ehrgeizigsten sowjetisch-russischen Projekte im Bereich der Weltraumforschung in die Phase der unmittelbaren praktischen Umsetzung eintritt.
Das ist der Kern dieses Projekts, dessen Wurzeln bis in die Mitte des letzten Jahrhunderts zurückreichen. Heutzutage werden Flüge in den erdnahen Weltraum mit Raketen durchgeführt, die sich durch die Verbrennung von flüssigem oder festem Brennstoff in ihren Triebwerken bewegen. Im Wesentlichen handelt es sich hierbei um den gleichen Motor wie in einem Auto. Nur in einem Auto drückt Benzin beim Verbrennen die Kolben in den Zylindern und überträgt seine Energie über sie auf die Räder. Und in einem Raketentriebwerk treibt brennendes Kerosin oder Heptyl die Rakete direkt vorwärts.
Im letzten halben Jahrhundert wurde diese Raketentechnologie auf der ganzen Welt bis ins kleinste Detail perfektioniert. Aber die Raketenwissenschaftler selbst geben das zu. Verbesserung – ja, sie ist notwendig. Der Versuch, die Nutzlast von Raketen von derzeit 23 Tonnen auf 100 und sogar 150 Tonnen zu erhöhen, basierend auf „verbesserten“ Verbrennungsmotoren – ja, das müssen Sie versuchen. Aus evolutionärer Sicht ist dies jedoch eine Sackgasse. " Egal wie hart Raketentriebwerksexperten auf der ganzen Welt arbeiten, maximale Wirkung, die wir erhalten, wird in Bruchteilen von Prozent berechnet. Grob gesagt wurde alles aus den bestehenden Raketentriebwerken herausgequetscht, egal ob flüssiger oder fester Treibstoff, und Versuche, den Schub und den spezifischen Impuls zu erhöhen, sind einfach vergeblich. Kernkraftantriebe sorgen für eine Steigerung um ein Vielfaches. Am Beispiel eines Fluges zum Mars: Der Hin- und Rückflug dauert heute eineinhalb bis zwei Jahre, ein Flug ist jedoch in zwei bis vier Monaten möglich „- Der ehemalige Chef der russischen Föderalen Raumfahrtbehörde hat die Situation einmal beurteilt Anatoli Perminow.
Daher bereits im Jahr 2010 der damalige Präsident Russlands und heutige Premierminister Dmitri Medwedew Bis zum Ende dieses Jahrzehnts wurde der Auftrag erteilt, in unserem Land ein Raumtransport- und Energiemodul auf Basis eines Kernkraftwerks der Megawattklasse zu schaffen. Es ist geplant, bis 2018 17 Milliarden Rubel aus dem Bundeshaushalt, Roskosmos und Rosatom für die Entwicklung dieses Projekts bereitzustellen. 7,2 Milliarden dieses Betrags wurden dem Staatskonzern Rosatom für die Errichtung einer Reaktoranlage zugewiesen (dies wird vom Dollezhal Research and Design Institute of Energy Engineering durchgeführt), 4 Milliarden - dem Keldysh Center für die Errichtung einer Kernkraftanlage Antriebsanlage. 5,8 Milliarden Rubel stellt RSC Energia für die Schaffung eines Transport- und Energiemoduls, also eines Raketenschiffs, bereit.
Natürlich geschieht diese ganze Arbeit nicht im luftleeren Raum. Von 1970 bis 1988 schickte allein die UdSSR mehr als drei Dutzend Spionagesatelliten ins All, die mit Kernkraftwerken geringer Leistung wie Buk und Topaz ausgestattet waren. Sie wurden verwendet, um ein Allwettersystem zur Überwachung von Oberflächenzielen im gesamten Weltmeer und zur Ausgabe von Zielbezeichnungen mit Übertragung an Waffenträger oder Kommandoposten zu schaffen – das Legend Naval Space Reconnaissance and Target Designation System (1978).
NASA und Amerikanische Unternehmen, die Raumfahrzeuge und ihre Trägerfahrzeuge herstellen, konnten in dieser Zeit keinen Kernreaktor bauen, der im Weltraum stabil funktionieren würde, obwohl sie es dreimal versuchten. Daher wurde 1988 durch die UN ein Verbot des Einsatzes von Raumfahrzeugen mit Atomantrieb erlassen und die Produktion von Satelliten des Typs US-A mit Atomantrieb an Bord in der Sowjetunion eingestellt.
Parallel dazu arbeitete das Keldysh-Zentrum in den 60er und 70er Jahren des letzten Jahrhunderts aktiv an der Entwicklung eines Ionenmotors (Elektroplasmamotors), der sich am besten für die Schaffung eines mit Kernbrennstoff betriebenen Hochleistungsantriebssystems eignet. Der Reaktor erzeugt Wärme, die von einem Generator in Strom umgewandelt wird. Mit Hilfe von Elektrizität wird in einem solchen Triebwerk zunächst das Edelgas Xenon ionisiert, anschließend werden positiv geladene Teilchen (positive Xenon-Ionen) in einem elektrostatischen Feld auf eine vorgegebene Geschwindigkeit beschleunigt und erzeugen beim Verlassen des Triebwerks Schub. Dies ist das Funktionsprinzip des Ionenmotors, von dem am Keldysh Center bereits ein Prototyp erstellt wurde.
« In den 90er Jahren des 20. Jahrhunderts nahmen wir am Keldysh Center die Arbeit an Ionenmotoren wieder auf. Für ein solch kraftvolles Projekt muss nun eine neue Kooperation geschaffen werden. Es gibt bereits einen Prototyp eines Ionenmotors, an dem grundlegende technologische und konstruktive Lösungen getestet werden können. Aber es müssen noch Standardprodukte geschaffen werden. Wir haben eine festgelegte Frist – bis 2018 soll das Produkt für Flugtests bereit sein und bis 2015 sollen die Haupttriebwerkstests abgeschlossen sein. Als nächstes folgen Lebenstests und Tests der gesamten Einheit.“, bemerkte letztes Jahr der Leiter der Abteilung für Elektrophysik des nach M.V. benannten Forschungszentrums. Keldysh, Professor, Fakultät für Aerophysik und Weltraumforschung, MIPT Oleg Gorschkow.
Welche praktischer Nutzen Russland von diesen Entwicklungen? Dieser Vorteil übersteigt bei weitem die 17 Milliarden Rubel, die der Staat bis 2018 für den Bau einer Trägerrakete mit einem Kernkraftwerk an Bord und einer Leistung von 1 MW ausgeben will. Erstens ist dies eine dramatische Erweiterung der Fähigkeiten unseres Landes und der Menschheit im Allgemeinen. Ein nuklearbetriebenes Raumschiff bietet Menschen echte Möglichkeiten, auf anderen Planeten etwas zu erreichen. Mittlerweile gibt es in vielen Ländern solche Schiffe. Auch in den USA wurden sie 2003 wieder aufgenommen, nachdem die Amerikaner zwei Proben russischer Satelliten mit Kernkraftwerken erhalten hatten.
Trotzdem ist er Mitglied der NASA-Sonderkommission für bemannte Flüge Edward Crowley Beispielsweise glaubt er, dass ein Schiff für einen internationalen Flug zum Mars über russische Atomantriebe verfügen sollte. " Russische Erfahrung in der Entwicklung von Nuklearmotoren ist gefragt. Ich denke, Russland verfügt sowohl in der Entwicklung von Raketentriebwerken als auch in der Nukleartechnologie über viel Erfahrung. Sie verfügt auch über umfangreiche Erfahrung in der Anpassung des Menschen an die Weltraumbedingungen, da russische Kosmonauten sehr lange Flüge unternahmen „“, sagte Crowley im vergangenen Frühjahr gegenüber Reportern nach einem Vortrag an der Moskauer Staatsuniversität über amerikanische Pläne zur bemannten Weltraumforschung.
Zweitens Solche Schiffe ermöglichen eine starke Intensivierung der Aktivitäten im erdnahen Weltraum und bieten eine echte Chance, mit der Kolonisierung des Mondes zu beginnen (es gibt bereits Projekte für den Bau von Kernkraftwerken auf dem Erdtrabanten). " Der Einsatz nuklearer Antriebssysteme wird eher für große bemannte Systeme als für kleine Raumfahrzeuge in Betracht gezogen, die mit Ionenantrieb oder Energie auf anderen Arten von Anlagen fliegen können Sonnenwind. Auf einem interorbitalen Mehrwegschlepper können nukleare Antriebssysteme mit Ionenmotoren eingesetzt werden. Transportieren Sie beispielsweise Fracht zwischen niedrigen und hohen Umlaufbahnen und fliegen Sie zu Asteroiden. Sie können einen wiederverwendbaren Mondschlepper bauen oder eine Expedition zum Mars schicken“, sagt Professor Oleg Gorshkov. Schiffe wie diese verändern die Wirtschaftlichkeit der Weltraumforschung dramatisch. Nach Berechnungen der Spezialisten von RSC Energia reduziert eine nuklearbetriebene Trägerrakete die Kosten für den Start einer Nutzlast in die Mondumlaufbahn im Vergleich zu Flüssigkeitsraketentriebwerken um mehr als die Hälfte.
Drittens Dabei handelt es sich um neue Materialien und Technologien, die bei der Umsetzung dieses Projekts entstehen und dann in andere Branchen eingeführt werden – Metallurgie, Maschinenbau usw. Das heißt, dies ist eines dieser bahnbrechenden Projekte, die sowohl die russische als auch die Weltwirtschaft wirklich voranbringen können.
Pulse YARD wurde nach dem 1945 von Dr. S. Ulam vom Los Alamos Research Laboratory vorgeschlagenen Prinzip entwickelt, wonach vorgeschlagen wird, eine Kernladung als Energiequelle (Brennstoff) eines hocheffizienten Weltraumraketenwerfers zu verwenden.
Damals wie auch in den vielen darauffolgenden Jahren waren nukleare und thermonukleare Ladungen im Vergleich zu allen anderen die leistungsstärksten und kompaktesten Energiequellen. Wie Sie wissen, stehen wir derzeit kurz davor, Möglichkeiten zu finden, eine noch konzentriertere Energiequelle zu steuern, da wir in der Entwicklung der ersten Einheit, die Antimaterie nutzt, bereits recht weit fortgeschritten sind. Wenn wir nur von der verfügbaren Energiemenge ausgehen, sorgen Kernladungen für einen spezifischen Schub von mehr als 200.000 Sekunden und thermonukleare Ladungen für bis zu 400.000 Sekunden. Diese spezifischen Schubwerte sind für die meisten Flüge innerhalb des Sonnensystems unerschwinglich hoch. Darüber hinaus treten bei der Nutzung von Kernbrennstoffen in „reiner“ Form viele Probleme auf, die auch heute noch nicht vollständig gelöst sind. Die bei der Explosion freigesetzte Energie muss also auf das Arbeitsmedium übertragen werden, das sich erwärmt und dann aus dem Triebwerk strömt und so Schub erzeugt. Gemäß herkömmlichen Methoden zur Lösung eines solchen Problems wird eine Kernladung in eine „Brennkammer“ gebracht, die mit einem Arbeitsmedium (z. B. Wasser oder einer anderen flüssigen Substanz) gefüllt ist, das verdampft und sich dann mehr oder weniger stark ausdehnt Diabatizität in der Düse.
Ein solches System, das wir als interner gepulster Kernantriebsmotor bezeichnen, ist sehr effektiv, da alle Produkte der Explosion und die gesamte Masse des Arbeitsmediums zur Schuberzeugung genutzt werden. Der instationäre Betriebszyklus ermöglicht die Weiterentwicklung eines solchen Systems hohe Drücke und Temperaturen im Brennraum und damit einen höheren spezifischen Schub im Vergleich zu einem kontinuierlichen Betriebszyklus. Allein die Tatsache, dass Explosionen innerhalb eines bestimmten Volumens auftreten, führt jedoch zu erheblichen Einschränkungen des Drucks und der Temperatur in der Kammer und damit auch des erreichbaren Werts des spezifischen Schubs. Vor diesem Hintergrund erwies sich trotz der vielen Vorteile eines internen gepulsten NRE ein externer gepulster NRE aufgrund der Nutzung der gigantischen Energiemenge, die bei nuklearen Explosionen freigesetzt wird, als einfacher und effizienter.
Bei einem außenwirkenden Kernantriebsmotor ist nicht die gesamte Masse des Brennstoffs und der Arbeitsflüssigkeit an der Erzeugung des Strahlschubs beteiligt. Allerdings hier sogar mit geringerem Wirkungsgrad. Es wird mehr Energie verbraucht, was zu einer effizienteren Systemleistung führt. Ein externes gepulstes Kernkraftwerk (im Folgenden einfach als gepulstes Kernkraftwerk bezeichnet) nutzt Explosionsenergie große Menge Kleine Atomsprengköpfe an Bord einer Rakete. Diese Nuklearladungen werden nacheinander aus der Rakete ausgestoßen und in einiger Entfernung dahinter detoniert ( Zeichnung unten). Bei jeder Explosion kollidieren einige der expandierenden gasförmigen Spaltfragmente in Form von Plasma mit hoher Dichte und Geschwindigkeit mit der Basis der Rakete – der Schubplattform. Der Impuls des Plasmas wird auf die Schubplattform übertragen, die sich mit großer Beschleunigung vorwärts bewegt. Die Beschleunigung wird durch eine Dämpfungseinrichtung auf ein Vielfaches reduziert G im Bugraum der Rakete, der die Ausdauergrenzen nicht überschreitet menschlicher Körper. Nach dem Kompressionszyklus bringt die Dämpfungsvorrichtung die Schubplattform in ihre Ausgangsposition zurück und ist dann bereit für den nächsten Impuls.
Die vom Raumfahrzeug erzielte Gesamtgeschwindigkeitssteigerung ( Zeichnung, von der Arbeit ausgeliehen ), hängt von der Anzahl der Explosionen ab und wird daher durch die Anzahl der während eines bestimmten Manövers verbrauchten Nuklearladungen bestimmt. Die systematische Entwicklung eines Entwurfs für ein solches Kernantriebssystem wurde von Dr. T. B. Taylor (General Atomics Division of General Dynamics) begonnen und mit Unterstützung des Büros fortgesetzt Vorausplanung Forschungsarbeit (ARPA), die US Air Force, die NASA und General Dynamics für neun Jahre, danach wurde die Arbeit in dieser Richtung vorübergehend eingestellt, um sie in Zukunft wieder aufzunehmen, da dieser Typ von Antriebssystem als einer der ausgewählt wurde zwei Hauptantriebe von Raumfahrzeugen, die im Sonnensystem fliegen.
Funktionsprinzip eines gepulsten außenwirkenden Kernantriebsmotors
Eine frühe Version der Anlage, die 1964–1965 von der NASA entwickelt wurde, war (im Durchmesser) mit der Saturn-5-Rakete vergleichbar und lieferte einen spezifischen Schub von 2500 Sekunden und einen effektiven Schub von 350 g; Das „trockene“ Gewicht (ohne Treibstoff) des Hauptmotorraums betrug 90,8 Tonnen. Die ursprüngliche Version des gepulsten Kernraketentriebwerks nutzte die zuvor erwähnten Kernladungen und es wurde angenommen, dass es in erdnahen Umlaufbahnen und in der Strahlung betrieben werden würde Gürtelzone aufgrund der Gefahr einer radioaktiven Kontamination der Atmosphäre durch Zerfallsprodukte, die bei Explosionen freigesetzt werden. Dann wurde der spezifische Schub von gepulsten Kerntriebwerken auf 10.000 Sekunden erhöht, und die potenziellen Fähigkeiten dieser Triebwerke ermöglichten es, diesen Wert in Zukunft zu verdoppeln.
Möglicherweise wurde bereits in den 70er Jahren ein gepulstes Kernantriebssystem entwickelt, um Anfang der 80er Jahre den ersten bemannten Raumflug zu den Planeten durchführen zu können. Die Entwicklung dieses Projekts wurde jedoch aufgrund der Genehmigung des Programms zur Schaffung eines Festphasen-Kernantriebsmotors nicht in vollem Umfang durchgeführt. Darüber hinaus war die Entwicklung gepulster Kernantriebsmotoren damit verbunden politisches Problem, da es nukleare Ladungen verwendete.
Erica K.A. (Krafft A. Ehricke)
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nuklearer Raketenmotor- 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
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- (RD) Ein Strahltriebwerk, das für seinen Betrieb nur Stoffe und Energiequellen nutzt, die in einem sich bewegenden Fahrzeug (Flugzeug, Boden, Unterwasser) in Reserve vorhanden sind. Im Gegensatz zu Luftstrahltriebwerken (siehe... ... Große sowjetische Enzyklopädie
Isotopenraketentriebwerk, ein Kernraketentriebwerk, das die Zerfallsenergie radioaktiver chemischer Isotope nutzt. Elemente. Diese Energie dient dazu, das Arbeitsmedium zu erhitzen, oder das Arbeitsmedium besteht aus den Zersetzungsprodukten selbst und bildet... ... Großes enzyklopädisches polytechnisches Wörterbuch