Moteur de fusée nucléaire. Moteurs de fusées nucléaires et systèmes de propulsion électrique de fusées nucléaires

L'idée de lancer des bombes atomiques à l'arrière s'est avérée trop brutale, mais la quantité d'énergie que donne une réaction de fission nucléaire, sans parler de la fusion, est extrêmement attrayante pour l'astronautique. Par conséquent, de nombreux systèmes non impulsionnels ont été créés, sans les problèmes de stockage de centaines de bombes nucléaires amortisseurs embarqués et cyclopéens. Nous en parlerons aujourd'hui.

La physique nucléaire à portée de main

Qu'est-ce qu'une réaction nucléaire ? Si pour expliquer très simplement, l'image sera approximativement la suivante. Du programme scolaire, nous rappelons que la matière est constituée de molécules, de molécules d'atomes et d'atomes - de protons, d'électrons et de neutrons (il existe des niveaux inférieurs, mais cela nous suffit). Certains atomes lourds ont une propriété intéressante : si un neutron les frappe, ils se désintègrent en atomes plus légers et libèrent quelques neutrons. Si ces neutrons libérés frappent d'autres atomes lourds à proximité, la désintégration se répétera et nous aurons une réaction nucléaire en chaîne. Le mouvement des neutrons à grande vitesse signifie que ce mouvement est converti en chaleur lorsque les neutrons ralentissent. Par conséquent, un réacteur nucléaire est un appareil de chauffage très puissant. Ils peuvent faire bouillir de l'eau, envoyer la vapeur qui en résulte dans une turbine et obtenir une centrale nucléaire. Et vous pouvez chauffer de l'hydrogène et le jeter, obtenir un moteur à réaction nucléaire. De cette idée, les premiers moteurs sont nés - NERVA et RD-0410.

NERVE

Historique du projet

La paternité officielle (brevet) de l'invention du moteur de fusée atomique appartient à Richard Feynman, selon ses mémoires "Vous plaisantez, bien sûr, M. Feynman". Soit dit en passant, le livre est une lecture fortement recommandée. Los Alamos a commencé à développer des moteurs de fusée nucléaires en 1952. En 1955, le projet Rover a été lancé. Lors de la première étape du projet, KIWI, 8 réacteurs expérimentaux ont été construits et de 1959 à 1964, le soufflage du fluide de travail à travers le cœur du réacteur a été étudié. Pour référence temporelle, le projet Orion a existé de 1958 à 1965. Rover avait des phases deux et trois explorant des réacteurs plus grands, mais NERVA était basé à KIWI en raison de plans pour un premier lancement d'essai spatial en 1964 - les options les plus avancées n'ont pas eu le temps de fonctionner. Les délais se sont progressivement abaissés et le premier lancement au sol du moteur NERVA NRX / EST (EST - Engine System Test - test système moteur) a eu lieu en 1966. Le moteur a fonctionné avec succès pendant deux heures, dont 28 minutes à pleine poussée. Le deuxième moteur NERVA XE a été tiré 28 fois et a fonctionné pendant un total de 115 minutes. Le moteur a été jugé apte aux applications spatiales et le banc d'essai était prêt à tester les moteurs nouvellement assemblés. NERVA semblait promis à un bel avenir - un vol vers Mars en 1978, une base permanente sur la Lune en 1981, des remorqueurs orbitaux. Mais le succès du projet a semé la panique au Congrès - le programme lunaire s'est avéré très coûteux pour les États-Unis, le programme martien aurait été encore plus cher. En 1969 et 1970, le financement spatial a été sérieusement réduit - Apollos 18, 19 et 20 ont été annulés et personne n'allouerait d'énormes sommes d'argent au programme Mars. En conséquence, les travaux sur le projet ont été réalisés sans financement sérieux et il a été fermé en 1972.

Concevoir

L'hydrogène du réservoir est entré dans le réacteur, y a chauffé et a été rejeté, créant une poussée de jet. L'hydrogène a été choisi comme fluide de travail car il contient des atomes légers et il est plus facile de les disperser à grande vitesse. Plus la vitesse d'échappement du jet est élevée, plus le moteur-fusée est efficace.
Le réflecteur de neutrons a été utilisé pour s'assurer que les neutrons retournaient au réacteur pour maintenir la réaction nucléaire en chaîne.
Des barres de contrôle ont été utilisées pour contrôler le réacteur. Chacune de ces tiges se composait de deux moitiés - un réflecteur et un absorbeur de neutrons. Lorsque la tige était tournée par un réflecteur de neutrons, leur flux dans le réacteur augmentait et le réacteur augmentait le transfert de chaleur. Lorsque la tige était tournée par l'absorbeur de neutrons, leur flux dans le réacteur diminuait et le réacteur diminuait le transfert de chaleur.
L'hydrogène a également été utilisé pour refroidir la buse, et l'hydrogène chaud du système de refroidissement de la buse a fait tourner la turbopompe pour fournir plus d'hydrogène.

Le moteur est au travail. L'hydrogène était allumé spécialement à la sortie de la buse afin d'éviter la menace d'une explosion ; il n'y aurait pas de combustion dans l'espace.

Le moteur NERVA produisait 34 tonnes de poussée, soit environ une fois et demie moins que le moteur J-2 qui propulsait les deuxième et troisième étages de la fusée Saturn-V. L'impulsion spécifique était de 800 à 900 secondes, soit deux fois plus que les meilleurs moteurs oxygène-hydrogène, mais moins que l'ERE ou le moteur Orion.

Un peu de sécurité

Un réacteur nucléaire qui vient d'être assemblé et qui n'a pas été lancé, avec de nouveaux assemblages combustibles qui n'ont pas encore fonctionné, est suffisamment propre. L'uranium est toxique, il faut donc travailler avec des gants, mais pas plus. Aucun manipulateur à distance, mur de plomb et autres éléments ne sont nécessaires. Toutes les saletés rayonnantes apparaissent après le lancement du réacteur en raison des neutrons volants qui "gâchent" les atomes de la cuve, du liquide de refroidissement, etc. Par conséquent, en cas d'accident de fusée avec un tel moteur, la contamination radioactive de l'atmosphère et de la surface serait faible, et bien sûr, elle serait bien inférieure au lancement régulier d'Orion. Dans le cas d'un lancement réussi, cependant, la contamination serait minime ou inexistante, car le moteur devrait être lancé dans la haute atmosphère ou déjà dans l'espace.

RD-0410

Le moteur soviétique RD-0410 a une histoire similaire. L'idée du moteur est née à la fin des années 40 chez les pionniers de la technologie des fusées et du nucléaire. Comme dans le projet Rover, l'idée initiale était un moteur nucléaire aérobie pour le premier étage. missile balistique, puis le développement s'est déplacé vers l'industrie spatiale. Le RD-0410 a été développé plus lentement, les développeurs nationaux ont été emportés par l'idée d'un NRE en phase gazeuse (cela sera discuté ci-dessous). Le projet a débuté en 1966 et s'est poursuivi jusqu'au milieu des années 1980. La cible du moteur était la mission "Mars-94" - un vol habité vers Mars en 1994.
Le schéma RD-0410 est similaire à NERVA - l'hydrogène passe à travers la buse et les réflecteurs, les refroidissant, est introduit dans le cœur du réacteur, y est chauffé et rejeté.
Selon ses caractéristiques, le RD-0410 était meilleur que NERVA - la température du cœur du réacteur était de 3000 K au lieu de 2000 K pour NERVA, et l'impulsion spécifique dépassait 900 s. Le RD-0410 était plus léger et plus compact que le NERVA et développait dix fois moins de poussée.

Essais moteur. La torche latérale en bas à gauche enflamme l'hydrogène pour éviter une explosion.

Développement de NRE en phase solide

Nous rappelons que plus la température dans le réacteur est élevée, plus la vitesse de sortie du fluide de travail est élevée et plus l'impulsion spécifique du moteur est élevée. Qu'est-ce qui vous empêche d'augmenter la température dans NERVA ou RD-0410 ? Le fait est que dans les deux moteurs, les éléments combustibles sont à l'état solide. Si vous augmentez la température, ils fondront et s'envoleront avec l'hydrogène. Par conséquent, pour des températures plus élevées, il est nécessaire de trouver un autre moyen de réaliser une réaction nucléaire en chaîne.

Moteur au sel combustible nucléaire

En physique nucléaire, il existe une masse critique. Rappelez-vous la réaction nucléaire en chaîne au début du message. Si les atomes fissiles sont très proches les uns des autres (par exemple, ils ont été comprimés par la pression d'une explosion spéciale), alors nous obtenons explosion nucléaire- beaucoup de chaleur en très peu de temps. Si les atomes ne sont pas comprimés aussi étroitement, mais que le flux de nouveaux neutrons provenant de la fission augmente, une explosion thermique en résultera. Un réacteur conventionnel tombera en panne dans de telles conditions. Et maintenant, imaginons que nous prenions une solution aqueuse de matière fissile (par exemple, des sels d'uranium) et que nous les introduisions en continu dans la chambre de combustion, en y fournissant une masse supérieure à la masse critique. Une "bougie" nucléaire à combustion continue sera obtenue, dont la chaleur accélère le combustible nucléaire et l'eau ayant réagi.

L'idée a été proposée en 1991 par Robert Zubrin et, selon diverses estimations, promet une impulsion spécifique de 1300 à 6700 s avec des tonnes de poussée. Malheureusement, ce schéma présente également des inconvénients :

• Difficulté de stockage du carburant - une réaction en chaîne dans le réservoir doit être évitée en plaçant le carburant, par exemple, dans des tubes minces d'un absorbeur de neutrons, de sorte que les réservoirs seront complexes, lourds et coûteux.


• Grande consommation de combustible nucléaire - le fait est que l'efficacité de la réaction (nombre d'atomes décomposés / nombre d'atomes usés) sera très faible. Même dans bombe atomique la matière fissile "ne brûle" pas complètement, immédiatement la majeure partie du précieux combustible nucléaire sera jetée.


• Les tests au sol sont pratiquement impossibles - l'échappement d'un tel moteur sera très sale, encore plus sale que l'Orion.


• Il y a quelques questions sur le contrôle d'une réaction nucléaire - ce n'est pas un fait qu'un schéma dont la description verbale est simple sera facile à mettre en œuvre techniquement.

YRD en phase gazeuse

Idée suivante : et si on créait un vortex du corps travaillant, au centre duquel se produirait une réaction nucléaire ? Dans ce cas, la température élevée du noyau n'atteindra pas les parois, étant absorbée par le fluide de travail, et elle peut être portée à des dizaines de milliers de degrés. C'est ainsi qu'est née l'idée d'un cycle ouvert en phase gazeuse NRE :

Le YARD en phase gazeuse promet une impulsion spécifique allant jusqu'à 3000-5000 secondes. En URSS, un projet de YARD en phase gazeuse (RD-600) a été lancé, mais il n'a même pas atteint le stade de la maquette.
"Cycle ouvert" signifie que le combustible nucléaire sera jeté, ce qui, bien sûr, réduit l'efficacité. Par conséquent, l'idée suivante a été inventée, qui revient dialectiquement aux NRE en phase solide - entourons la zone de réaction nucléaire d'une substance suffisamment résistante à la chaleur qui laissera passer la chaleur rayonnée. Le quartz a été proposé comme une telle substance, car à des dizaines de milliers de degrés, la chaleur est transférée par rayonnement et le matériau du récipient doit être transparent. Le résultat était un YARD en phase gazeuse d'un cycle fermé, ou une "ampoule nucléaire":

Dans ce cas, la limitation de la température à cœur sera la résistance thermique de l'enveloppe "ampoule". La température de fusion du quartz est de 1700 degrés Celsius, avec un refroidissement actif, la température peut être augmentée, mais, dans tous les cas, l'impulsion spécifique sera inférieure à celle du circuit ouvert (1300-1500 s), mais le combustible nucléaire sera dépensé de manière plus économique , et l'échappement sera plus propre.

Projets alternatifs

Outre le développement des ENR en phase solide, il existe également des projets originaux.

Moteur à fragments fissiles

L'idée de ce moteur est l'absence de fluide de travail - c'est le combustible nucléaire usé éjecté. Dans le premier cas, les disques sous-critiques sont constitués de matières fissiles, qui ne déclenchent pas de réaction en chaîne par elles-mêmes. Mais si le disque est placé dans une zone de réacteur avec des réflecteurs de neutrons, une réaction en chaîne se déclenchera. Et la rotation du disque et l'absence de fluide de travail conduiront au fait que les atomes à haute énergie décomposés voleront dans la buse, générant une poussée, et les atomes non décomposés resteront sur le disque et auront une chance de la prochaine rotation du disque :

Encore plus idée intéressante consiste à créer un plasma poussiéreux (rappelez-vous sur l'ISS) à partir de matières fissiles, dans lequel les produits de désintégration des nanoparticules de combustible nucléaire sont ionisés champ électrique et jeté, créant une poussée:

Ils promettent une fantastique impulsion spécifique de 1 000 000 secondes. L'enthousiasme est refroidi par le fait que le développement se situe au niveau de la recherche théorique.

Moteurs de fusion nucléaire

Dans un futur encore plus lointain, la création de moteurs basés sur la fusion nucléaire. Contrairement aux réactions de fission nucléaire, où les réacteurs nucléaires ont été créés presque simultanément avec la bombe, les réacteurs thermonucléaires ne sont pas encore passés de "demain" à "aujourd'hui" et les réactions de fusion ne peuvent être utilisées que dans le style Orion - lancer des bombes thermonucléaires.

Fusée à photons nucléaires

Théoriquement, il est possible de chauffer le noyau à un point tel que la poussée peut être créée en réfléchissant les photons. Malgré l'absence de limitations techniques, de tels moteurs au niveau technologique actuel sont désavantageux - la poussée sera trop faible.

fusée radio-isotopique

La fusée chauffant le fluide de travail du RTG fonctionnera assez bien. Mais le RTG émet relativement peu de chaleur, donc un tel moteur sera très inefficace, bien que très simple.

Conclusion

Au niveau technologique actuel, il est possible d'assembler un YRD à semi-conducteurs dans le style de NERVA ou RD-0410 - les technologies sont maîtrisées. Mais un tel moteur perdra face à la combinaison "réacteur nucléaire + propulsion électrique" en termes d'impulsion spécifique, gagnant en termes de poussée. Et les options plus avancées ne sont encore que sur papier. Donc, personnellement, le bundle "réacteur + propulsion électrique" me semble plus prometteur.

Sources d'informations

La principale source d'information est Wikipédia en anglais et les ressources répertoriées sous forme de liens. Paradoxalement, Tradition propose des articles intéressants sur les NRE - NRE en phase solide et NRE en phase gazeuse. Article sur les moteurs

Sergeev Alexey, 9 "A" classe MOU "Secondary School No. 84"

Consultant scientifique : , Directeur adjoint du partenariat à but non lucratif pour les activités scientifiques et innovantes "Tomsk Atomic Center"

Superviseur: , professeur de physique, MOU "Secondary School No. 84" ZATO Seversk

Introduction

Les systèmes de propulsion à bord d'un vaisseau spatial sont conçus pour générer de la poussée ou de l'élan. Selon le type de poussée utilisée par le système de propulsion, elles sont divisées en poussées chimiques (CRD) et non chimiques (NCRD). Les HRD sont divisés en liquides (LRE), combustibles solides (RDTT) et combinés (KRD). À leur tour, les systèmes de propulsion non chimiques sont divisés en nucléaire (NRE) et électrique (EP). Le grand scientifique Konstantin Eduardovich Tsiolkovsky, il y a un siècle, a créé le premier modèle d'un système de propulsion fonctionnant aux combustibles solides et liquides. Ensuite, dans la seconde moitié du XXe siècle, des milliers de vols ont été effectués en utilisant principalement des moteurs-fusées LRE et à propergol solide.

Cependant, à l'heure actuelle, pour les vols vers d'autres planètes, sans parler des étoiles, l'utilisation de moteurs-fusées à propergol liquide et de moteurs-fusées à propergol solide devient de moins en moins rentable, bien que de nombreux moteurs-fusées aient été développés. Très probablement, les possibilités des LRE et des moteurs-fusées à propergol solide se sont complètement épuisées. La raison en est que l'impulsion spécifique de tous les moteurs de fusée chimiques est faible et ne dépasse pas 5000 m/s, ce qui nécessite un fonctionnement à long terme du système de propulsion et, par conséquent, de grandes réserves de carburant ou, comme il est d'usage en astronautique , pour développer des vitesses suffisamment élevées. grandes valeurs le nombre de Tsiolkovsky, c'est-à-dire le rapport de la masse d'une fusée alimentée à la masse d'une fusée vide. Ainsi, RN Energia, qui met 100 tonnes de charge utile en orbite basse, a une masse au lancement d'environ 3 000 tonnes, ce qui donne au nombre de Tsiolkovsky une valeur de l'ordre de 30.

Pour un vol vers Mars, par exemple, le nombre de Tsiolkovsky devrait être encore plus élevé, atteignant des valeurs de 30 à 50. Il est facile d'estimer qu'avec une charge utile d'environ 1 000 tonnes, à savoir la masse minimale requise pour fournir tout le nécessaire pour un équipage partant vers Mars compte tenu de l'approvisionnement en carburant pour le vol de retour vers la Terre, la masse initiale de l'engin spatial doit être d'au moins 30 000 tonnes, ce qui dépasse clairement le niveau de développement de l'astronautique moderne basée sur l'utilisation de liquide moteurs-fusées à propergol et moteurs-fusées à propergol solide.

Ainsi, pour que des équipages habités atteignent les planètes même les plus proches, il est nécessaire de développer des lanceurs sur des moteurs fonctionnant sur des principes différents de la propulsion chimique. Les plus prometteurs à cet égard sont les moteurs à réaction électriques (EP), les moteurs-fusées thermochimiques et les moteurs à réaction nucléaires (NJ).

1.Concepts de base

Un moteur-fusée est un moteur à réaction qui n'utilise pas l'environnement (air, eau) pour fonctionner. Les moteurs de fusée chimiques les plus utilisés. D'autres types de moteurs de fusée sont en cours de développement et de test - électriques, nucléaires et autres. Dans les stations spatiales et les véhicules, les moteurs de fusée les plus simples fonctionnant aux gaz comprimés sont également largement utilisés. Ils utilisent généralement l'azote comme fluide de travail. /une/

Classification des systèmes de propulsion

2. But des moteurs de fusée

Selon leur objectif, les moteurs-fusées sont divisés en plusieurs types principaux : accélération (démarrage), freinage, soutien, contrôle et autres. Les moteurs de fusée sont principalement utilisés sur les fusées (d'où le nom). De plus, les moteurs de fusée sont parfois utilisés dans l'aviation. Les moteurs de fusée sont les principaux moteurs de l'astronautique.

Les missiles militaires (de combat) ont généralement des moteurs à propergol solide. Cela est dû au fait qu'un tel moteur est ravitaillé en usine et ne nécessite pas d'entretien pendant toute la période de stockage et de service de la fusée elle-même. Les moteurs à propergol solide sont souvent utilisés comme propulseurs pour les fusées spatiales. Particulièrement largement, à ce titre, ils sont utilisés aux États-Unis, en France, au Japon et en Chine.

Les moteurs-fusées à propergol liquide ont des caractéristiques de poussée supérieures à celles des moteurs à propergol solide. Par conséquent, ils sont utilisés pour lancer des fusées spatiales en orbite autour de la Terre et lors de vols interplanétaires. Les principaux propulseurs liquides pour fusées sont le kérosène, l'heptane (diméthylhydrazine) et l'hydrogène liquide. Pour ces carburants, un agent oxydant (oxygène) est nécessaire. L'acide nitrique et l'oxygène liquéfié sont utilisés comme agent oxydant dans ces moteurs. L'acide nitrique est inférieur à l'oxygène liquéfié en termes de propriétés oxydantes, mais ne nécessite pas d'entretien particulier. régime de température lors du stockage, du ravitaillement et de l'utilisation de missiles

Les moteurs pour les vols spatiaux diffèrent des moteurs terrestres en ce sens qu'ils doivent, avec la masse et le volume les plus petits possibles, produire le plus de puissance possible. De plus, ils sont soumis à des exigences telles qu'un rendement et une fiabilité exceptionnellement élevés, un temps de fonctionnement important. Selon le type d'énergie utilisée, les systèmes de propulsion des engins spatiaux sont divisés en quatre types : thermochimique, nucléaire, électrique, solaire à voile. Chacun de ces types a ses propres avantages et inconvénients et peut être utilisé dans certaines conditions.

Actuellement, les engins spatiaux, les stations orbitales et les satellites terrestres sans pilote sont lancés dans l'espace par des fusées équipées de puissants moteurs thermochimiques. Il existe également des moteurs miniatures à faible poussée. Il s'agit d'une copie réduite de puissants moteurs. Certains d'entre eux peuvent tenir dans la paume de votre main. La force de poussée de ces moteurs est très faible, mais suffisante pour contrôler la position du navire dans l'espace.

3. Moteurs-fusées thermochimiques.

On sait que dans le moteur à combustion interne, le four d'une chaudière à vapeur - partout où la combustion a lieu, l'oxygène atmosphérique joue le rôle le plus actif. Il n'y a pas d'air dans l'espace et pour le fonctionnement des moteurs de fusée dans l'espace, il est nécessaire d'avoir deux composants - du carburant et un comburant.

Dans les moteurs de fusée thermochimiques liquides, l'alcool, le kérosène, l'essence, l'aniline, l'hydrazine, la diméthylhydrazine, l'hydrogène liquide sont utilisés comme carburant. L'oxygène liquide, le peroxyde d'hydrogène, l'acide nitrique sont utilisés comme agent oxydant. Il est possible que le fluor liquide soit utilisé comme agent oxydant à l'avenir, lorsque des méthodes de stockage et d'utilisation d'un tel produit chimique actif seront inventées.

Le carburant et le comburant pour les moteurs à réaction à propergol liquide sont stockés séparément, dans des réservoirs spéciaux et pompés dans la chambre de combustion. Lorsqu'ils sont combinés dans la chambre de combustion, une température allant jusqu'à 3000 - 4500 ° C se développe.

Les produits de combustion, en expansion, acquièrent une vitesse de 2500 à 4500 m/s. À partir du carter du moteur, ils créent une poussée de jet. Dans le même temps, plus la masse et la vitesse de l'écoulement des gaz sont importantes, plus la force de poussée du moteur est élevée.

Il est d'usage d'estimer la poussée spécifique des moteurs par la quantité de poussée créée par une unité de masse de carburant brûlée en une seconde. Cette valeur s'appelle l'impulsion spécifique du moteur-fusée et est mesurée en secondes (kg de poussée / kg de carburant brûlé par seconde). Les meilleurs moteurs-fusées à propergol solide ont une impulsion spécifique allant jusqu'à 190 s, c'est-à-dire que 1 kg de carburant brûlant en une seconde crée une poussée de 190 kg. Le moteur-fusée hydrogène-oxygène a une impulsion spécifique de 350 s. Théoriquement, un moteur hydrogène-fluor peut développer une impulsion spécifique de plus de 400 s.

Le schéma couramment utilisé d'un moteur-fusée à propergol liquide fonctionne comme suit. Le gaz comprimé crée la pression nécessaire dans les réservoirs avec du carburant cryogénique pour éviter l'apparition de bulles de gaz dans les canalisations. Les pompes alimentent en carburant les moteurs de fusée. Le carburant est injecté dans la chambre de combustion par un grand nombre d'injecteurs. De plus, un agent oxydant est injecté dans la chambre de combustion par les buses.

Dans toute voiture, lors de la combustion du carburant, de grands flux de chaleur se forment qui chauffent les parois du moteur. Si vous ne refroidissez pas les parois de la chambre, elle s'éteindra rapidement, quel que soit le matériau dont elle est faite. Un moteur à réaction à ergol liquide est généralement refroidi avec l'un des composants de l'ergol. Pour cela, la chambre est réalisée à deux parois. Le composant combustible froid s'écoule dans l'interstice entre les parois.

Aluminium" href="/text/category/aluminij/" rel="bookmark">aluminium, etc. Surtout en tant qu'additif aux carburants conventionnels, tels que l'hydrogène-oxygène. De telles "compositions triples" sont capables de fournir la vitesse la plus élevée possible pour la sortie de carburants chimiques - jusqu'à 5 km / s. Mais c'est pratiquement la limite des ressources de la chimie. Il ne peut pratiquement pas faire plus. Bien que la description proposée soit encore dominée par les moteurs de fusée à liquide, il faut dire que le premier en l'histoire de l'humanité a été créée un moteur-fusée thermochimique à combustible solide - moteur-fusée à propergol solide. Le carburant - par exemple, la poudre à canon spéciale - est situé directement dans la chambre de combustion. Une chambre de combustion avec une buse à jet remplie de combustible solide - c'est tout Le mode de combustion du combustible solide dépend de la fonction du moteur-fusée à propergol solide (démarrage, marche ou combiné), car les fusées à propergol solide utilisées dans les affaires militaires se caractérisent par la présence de moteurs de démarrage et de soutien. New York un temps limité, qui est nécessaire pour que la fusée descende de lanceur et son accélération initiale. Un moteur-fusée à propergol solide en marche est conçu pour maintenir une vitesse de vol de fusée constante dans la section principale (de croisière) de la trajectoire de vol. Les différences entre eux résident principalement dans la conception de la chambre de combustion et le profil de la surface de combustion de la charge de carburant, qui déterminent la vitesse de combustion du carburant, dont dépendent le temps de fonctionnement et la poussée du moteur. Contrairement à ces fusées, les lanceurs spatiaux pour le lancement de satellites terrestres, de stations orbitales et vaisseaux spatiaux, ainsi que les stations interplanétaires, fonctionnent uniquement en mode démarrage depuis le lancement de la fusée jusqu'à la mise en orbite de l'objet autour de la Terre ou sur une trajectoire interplanétaire. En général, les moteurs-fusées à propergol solide n'ont pas beaucoup d'avantages par rapport aux moteurs à propergol liquide : ils sont faciles à fabriquer, Longtemps peut être stocké, toujours prêt à l'emploi, relativement antidéflagrant. Mais en termes de poussée spécifique, les moteurs à propergol solide sont inférieurs de 10 à 30% aux moteurs liquides.

4. Moteurs-fusées électriques

Presque tous les moteurs de fusée mentionnés ci-dessus développent une poussée énorme et sont conçus pour mettre des engins spatiaux en orbite autour de la Terre et les accélérer à des vitesses spatiales pour des vols interplanétaires. Il s'agit d'une tout autre affaire : les systèmes de propulsion des engins spatiaux déjà lancés en orbite ou sur une trajectoire interplanétaire. Ici, en règle générale, des moteurs de faible puissance (plusieurs kilowatts ou même watts) sont nécessaires qui peuvent fonctionner des centaines et des milliers d'heures et s'allumer et s'éteindre à plusieurs reprises. Ils permettent de maintenir le vol en orbite ou selon une trajectoire donnée, en compensant la résistance au vol créée par la haute atmosphère et le vent solaire. Dans les moteurs de fusée électriques, le fluide de travail est accéléré à une certaine vitesse en le chauffant avec de l'énergie électrique. L'électricité provient de panneaux solaires ou d'une centrale nucléaire. Les méthodes de chauffage du fluide de travail sont différentes, mais en réalité, il s'agit principalement d'arc électrique. Il s'est avéré très fiable et résiste à un grand nombre d'inclusions. L'hydrogène est utilisé comme fluide de travail dans les moteurs à arc électrique. À l'aide d'un arc électrique, l'hydrogène est chauffé à très haute température et se transforme en plasma - un mélange électriquement neutre d'ions positifs et d'électrons. La vitesse de sortie du plasma du propulseur atteint 20 km/s. Lorsque les scientifiques résoudront le problème de l'isolation magnétique du plasma des parois de la chambre du moteur, il sera alors possible d'augmenter considérablement la température du plasma et de porter la vitesse d'écoulement à 100 km/s. Le premier moteur de fusée électrique a été développé en Union soviétique au cours des années. sous la direction (plus tard, il est devenu le créateur de moteurs pour les fusées spatiales soviétiques et un académicien) dans le célèbre laboratoire de dynamique des gaz (GDL). / 10 /

5.Autres types de moteurs

Il existe également des projets plus exotiques de moteurs de fusées nucléaires, dans lesquels la matière fissile est à l'état liquide, gazeux ou même plasma, mais la mise en œuvre de telles conceptions au niveau actuel de la technologie et de la technologie est irréaliste. Il existe, alors qu'ils sont au stade théorique ou de laboratoire, les projets suivants de moteurs de fusée

Moteurs-fusées nucléaires à impulsions utilisant l'énergie des explosions de petites charges nucléaires ;

Moteurs-fusées thermonucléaires pouvant utiliser un isotope de l'hydrogène comme carburant. Le rendement énergétique de l'hydrogène dans une telle réaction est de 6,8*1011 kJ/kg, c'est-à-dire environ deux ordres de grandeur supérieur à la productivité des réactions de fission nucléaire ;

Moteurs à voile solaires - qui utilisent la pression de la lumière du soleil (vent solaire), dont l'existence a été prouvée expérimentalement par un physicien russe en 1899. Par calcul, les scientifiques ont établi qu'un appareil pesant 1 tonne, équipé d'une voile d'un diamètre de 500 m, peut voler de la Terre à Mars en 300 jours environ. Cependant, l'efficacité d'une voile solaire diminue rapidement avec la distance au Soleil.

6. Moteurs-fusées nucléaires

L'un des principaux inconvénients des moteurs-fusées à propergol liquide est lié à la vitesse limitée de l'écoulement des gaz. Dans les moteurs de fusées nucléaires, il semble possible d'utiliser l'énergie colossale libérée lors de la décomposition du "combustible" nucléaire pour chauffer la substance active. Le principe de fonctionnement des moteurs de fusées nucléaires est presque le même que le principe de fonctionnement des moteurs thermochimiques. La différence réside dans le fait que le fluide de travail est chauffé non pas en raison de sa propre énergie chimique, mais en raison de l'énergie "étrangère" libérée lors de la réaction intranucléaire. Le fluide de travail passe à travers un réacteur nucléaire, dans lequel se produit la réaction de fission des noyaux atomiques (par exemple, l'uranium), et en même temps il se réchauffe. Les moteurs de fusées nucléaires éliminent le besoin d'un oxydant et donc un seul liquide peut être utilisé. En tant que fluide de travail, il est conseillé d'utiliser des substances qui permettent au moteur de développer une force de traction importante. L'hydrogène satisfait le mieux cette condition, suivi de l'ammoniac, de l'hydrazine et de l'eau. Les processus dans lesquels l'énergie nucléaire est libérée sont divisés en transformations radioactives, réactions de fission de noyaux lourds et réactions de fusion de noyaux légers. Les transformations radio-isotopiques sont réalisées dans les sources d'énergie dites isotopiques. L'énergie de masse spécifique (l'énergie qu'une substance pesant 1 kg peut libérer) des isotopes radioactifs artificiels est bien supérieure à celle des combustibles chimiques. Ainsi, pour 210Ро, elle est égale à 5*10 8 KJ/kg, alors que pour le combustible chimique le plus économe en énergie (béryllium avec oxygène), cette valeur ne dépasse pas 3*10 4 KJ/kg. Malheureusement, il n'est pas encore rationnel d'utiliser de tels moteurs sur des lanceurs spatiaux. La raison en est le coût élevé de la substance isotopique et la difficulté de fonctionnement. Après tout, l'isotope libère constamment de l'énergie, même lorsqu'il est transporté dans un conteneur spécial et lorsque la fusée est garée au départ. Les réacteurs nucléaires utilisent un combustible plus économe en énergie. Ainsi, l'énergie de masse spécifique de 235U (l'isotope fissile de l'uranium) est de 6,75 * 10 9 kJ / kg, soit environ un ordre de grandeur supérieur à celui de l'isotope 210Ро. Ces moteurs peuvent être « allumés » et « éteints », le combustible nucléaire (233U, 235U, 238U, 239Pu) est beaucoup moins cher que l'isotope. Dans de tels moteurs, non seulement l'eau peut être utilisée comme fluide de travail, mais également des substances de travail plus efficaces - alcool, ammoniac, hydrogène liquide. La poussée spécifique d'un moteur à hydrogène liquide est de 900 s. À le circuit le plus simple moteur de fusée nucléaire avec un réacteur fonctionnant au combustible nucléaire solide, le fluide de travail est placé dans le réservoir. La pompe le refoule dans le compartiment moteur. Pulvérisé à l'aide de buses, le fluide de travail entre en contact avec le combustible nucléaire produisant de la chaleur, se réchauffe, se dilate et est éjecté à grande vitesse à travers la buse. Le combustible nucléaire en termes de réserves d'énergie surpasse tout autre type de combustible. Alors une question naturelle se pose - pourquoi les installations sur ce combustible ont-elles encore une poussée spécifique relativement faible et une masse importante ? Le fait est que la poussée spécifique d'un moteur-fusée nucléaire à phase solide est limitée par la température de la matière fissile et que la centrale électrique émet un fort rayonnement ionisant pendant son fonctionnement, ce qui a un effet nocif sur les organismes vivants. La protection biologique contre ces rayonnements a gros poids non applicable à l'espace avion. Le développement pratique des moteurs de fusée nucléaires utilisant du combustible nucléaire solide a commencé au milieu des années 1950 en Union soviétique et aux États-Unis, presque simultanément avec la construction des premières centrales nucléaires. Les travaux ont été menés dans une atmosphère de grand secret, mais on sait que de tels moteurs-fusées n'ont pas encore reçu d'utilisation réelle en astronautique. Jusqu'à présent, tout s'est limité à l'utilisation de sources d'électricité isotopiques de puissance relativement faible sur des satellites artificiels sans pilote de la Terre, des engins spatiaux interplanétaires et le célèbre "rover lunaire" soviétique.

7. Moteurs à réaction nucléaires, principe de fonctionnement, méthodes d'obtention d'une impulsion dans un moteur-fusée nucléaire.

Les NRE tirent leur nom du fait qu'elles créent une poussée grâce à l'utilisation de l'énergie nucléaire, c'est-à-dire l'énergie libérée à la suite de réactions nucléaires. D'une manière générale, ces réactions signifient tout changement dans l'état énergétique des noyaux atomiques, ainsi que la transformation de certains noyaux en d'autres, associés au réarrangement de la structure des noyaux ou à un changement du nombre de particules élémentaires qu'ils contiennent. - nucléons. De plus, les réactions nucléaires, comme on le sait, peuvent se produire soit spontanément (c'est-à-dire spontanément) soit induites artificiellement, par exemple, lorsque certains noyaux sont bombardés par d'autres (ou par des particules élémentaires). Les réactions nucléaires de fission et de fusion en termes d'énergie dépassent réactions chimiques respectivement des millions et des dizaines de millions de fois. Cela s'explique par le fait que l'énergie de liaison chimique des atomes dans les molécules est plusieurs fois inférieure à l'énergie de liaison nucléaire des nucléons dans le noyau. L'énergie nucléaire dans les moteurs de fusée peut être utilisée de deux manières :

1. L'énergie libérée est utilisée pour chauffer le fluide de travail, qui se dilate ensuite dans la tuyère, tout comme dans un moteur de fusée conventionnel.

2. Pouvoir nucléaire est converti en énergie électrique puis utilisé pour ioniser et accélérer les particules du fluide de travail.

3. Enfin, l'impulsion est créée par les produits de fission eux-mêmes, formés au cours du processus, par exemple, les métaux réfractaires - tungstène, molybdène) sont utilisés pour conférer des propriétés particulières aux substances fissiles.

Les éléments combustibles du réacteur en phase solide sont percés de canaux à travers lesquels s'écoule le fluide de travail du NRE, en s'échauffant progressivement. Les canaux ont un diamètre d'environ 1 à 3 mm et leur surface totale est de 20 à 30 %. la Coupe transversale zone active. Le cœur est suspendu par une grille spéciale à l'intérieur du boîtier de puissance afin qu'il puisse se dilater lorsque le réacteur est chauffé (sinon il s'effondrerait sous l'effet des contraintes thermiques).

Le cœur subit des sollicitations mécaniques importantes liées à l'action de pertes de charges hydrauliques importantes (jusqu'à plusieurs dizaines d'atmosphères) du fluide de travail en circulation, de contraintes thermiques et de vibrations. L'augmentation de la taille du coeur lors du chauffage du réacteur atteint plusieurs centimètres. La zone active et le réflecteur sont placés à l'intérieur d'un boîtier de forte puissance, qui perçoit la pression du fluide de travail et la poussée créée par la tuyère. L'étui est fermé par une couverture solide. Il accueille des mécanismes pneumatiques, à ressort ou électriques d'entraînement des organes de régulation, des points de fixation du NRE à l'engin spatial, des brides de raccordement du NRE aux canalisations d'alimentation en fluide de travail. Un groupe turbopompe peut également être situé sur le couvercle.

8 - Buse,

9 - Buse expansible,

10 - Sélection de la substance de travail à la turbine,

11 - Corps de Puissance,

12 - Tambour de contrôle

13 - Échappement de la turbine (servant à contrôler l'attitude et à augmenter la poussée),

14 - Anneau entraîne les tambours de contrôle)

Au début de 1957, la direction finale des travaux du laboratoire de Los Alamos a été déterminée et la décision a été prise de construire un réacteur nucléaire en graphite avec du combustible à l'uranium dispersé dans du graphite. Le réacteur Kiwi-A créé dans ce sens a été testé en 1959 le 1er juillet.

Moteur à réaction nucléaire américain en phase solide XE Premier sur un banc d'essai (1968)

Outre la construction du réacteur, le laboratoire de Los Alamos battait son plein sur la construction d'un site d'essai spécial au Nevada, et a également exécuté un certain nombre de commandes spéciales de l'US Air Force dans des domaines connexes (développement de TNRE individuels unités). Au nom du laboratoire de Los Alamos, toutes les commandes spéciales pour la fabrication de composants individuels ont été exécutées par les entreprises : Aerojet General, la division Rocketdyne de North American Aviation. À l'été 1958, tout le contrôle du programme Rover est passé de l'US Air Force à la nouvelle National Aeronautics and Space Administration (NASA). À la suite d'un accord spécial entre l'AEC et la NASA au milieu de l'été 1960, le Bureau des moteurs nucléaires spatiaux a été formé sous la direction de G. Finger, qui a dirigé le programme Rover à l'avenir.

Les résultats de six "essais à chaud" de moteurs à réaction nucléaires furent très encourageants et, au début de 1961, un rapport sur les essais en vol des réacteurs (RJFT) fut préparé. Puis, au milieu de 1961, le projet Nerva (l'utilisation d'un moteur nucléaire pour des fusées spatiales) est lancé. Aerojet General a été choisi comme entrepreneur général et Westinghouse comme sous-traitant responsable de la construction du réacteur.

10.2 Travaux TNRD en Russie

Américain" href="/text/category/amerikanetc/" rel="bookmark">Américains Les scientifiques russes ont utilisé les tests les plus économiques et les plus efficaces des éléments combustibles individuels dans les réacteurs de recherche. Salyut", Bureau de conception de l'automatisation chimique, IAE, NIKIET et NPO "Luch" (PNITI) pour développer divers projets de moteurs de fusées nucléaires spatiaux et de centrales nucléaires hybrides. Luch", MAI) ont été créés CHEMIN DE COUR 0411 et un moteur nucléaire de dimension minimale DR 0410 poussée de 40 et 3,6 tonnes, respectivement.

Ainsi, un réacteur, un moteur « froid » et un prototype de banc d'essais sur l'hydrogène gazeux ont été fabriqués. Contrairement à l'américain, avec une impulsion spécifique ne dépassant pas 8250 m/s, le TNRE soviétique, en raison de l'utilisation d'éléments combustibles plus résistants à la chaleur et avancés et d'une température élevée dans le cœur, avait cet indicateur égal à 9100 m/ s et plus. La base de test pour tester le TNRD de l'expédition conjointe de NPO Luch était située à 50 km au sud-ouest de la ville de Semipalatinsk-21. Elle a commencé à travailler en 1962. Dans les années des éléments combustibles grandeur nature de prototypes NRE ont été testés sur le site d'essai. Dans le même temps, les gaz d'échappement sont entrés dans le système d'émission fermé. Le complexe de bancs pour les essais à grande échelle des moteurs nucléaires "Baïkal-1" est situé à 65 km au sud de la ville de Semipalatinsk-21. De 1970 à 1988, une trentaine de "démarrages à chaud" de réacteurs ont été réalisés. Dans le même temps, la puissance n'a pas dépassé 230 MW à un débit d'hydrogène allant jusqu'à 16,5 kg/s et sa température en sortie de réacteur de 3100 K. Tous les lancements ont été réussis, sans accident, et selon le plan.

TYARD RD-0410 soviétique - le seul moteur de fusée nucléaire industriel fonctionnel et fiable au monde

Actuellement, ces travaux à la décharge ont été arrêtés, bien que l'équipement soit maintenu dans un état relativement opérationnel. La base de bancs de NPO Luch est le seul complexe expérimental au monde où il est possible de tester des éléments de réacteurs NRE sans coûts financiers et délais importants. Il est possible que la reprise aux États-Unis des travaux sur TNRE pour les vols vers la Lune et Mars dans le cadre du programme Space Research Initiative avec la participation prévue de spécialistes de Russie et du Kazakhstan entraîne la reprise des activités du Semipalatinsk base et la mise en place de l'expédition « martienne » dans les années 2020.

Caractéristiques principales

Impulsion spécifique sur l'hydrogène : 910 - 980 seconde(théor. jusqu'à 1000 seconde).

· Vitesse d'expiration d'un corps de travail (hydrogène) : 9100 - 9800 m/sec.

· Poussée réalisable : jusqu'à des centaines et des milliers de tonnes.

· Températures maximales de travail : 3000°С - 3700°С (inclusion à court terme).

· Durée de vie : jusqu'à plusieurs milliers d'heures (activation périodique). /5/

11.Appareil

L'appareil du moteur-fusée nucléaire à phase solide soviétique RD-0410

1 - ligne du réservoir du fluide de travail

2 - groupe turbopompe

3 - contrôler l'entraînement du tambour

4 - protection contre les radiations

5 - tambour de contrôle

6 - ralentisseur

7 - assemblage combustible

8 - cuve de réacteur

9 - fond de feu

10 - Ligne de refroidissement des buses

11- chambre de buse

12 - buse

12. Principe de fonctionnement

Le TNRD, de par son principe de fonctionnement, est un réacteur-échangeur à haute température, dans lequel un fluide de travail (hydrogène liquide) est introduit sous pression, et comme il est chauffé à haute température (plus de 3000°C), il est éjecté par une buse refroidie. La récupération de chaleur dans la buse est très bénéfique, car elle permet de chauffer beaucoup plus rapidement l'hydrogène et d'utiliser un montant significatif l'énergie thermique pour augmenter l'impulsion spécifique à 1000 sec (9100-9800 m/s).

Réacteur de moteur de fusée nucléaire

MsoTable Normale">

corps de travail

Densité, g/cm3

Poussée spécifique (aux températures indiquées dans la chambre de chauffe, °K), seconde

0,071 (liquide)

0,682 (liquide)

1 000 (liquide)

non. Les données

non. Les données

non. Les données

(Remarque : la pression dans la chambre de chauffage est de 45,7 atm, expansion à une pression de 1 atm avec la composition chimique du fluide de travail inchangée) /6/

15.Avantages

Le principal avantage du TNRD par rapport aux moteurs-fusées chimiques est d'obtenir une impulsion spécifique plus élevée, une réserve d'énergie importante, un système compact et la possibilité d'obtenir des poussées très élevées (dizaines, centaines et milliers de tonnes dans le vide. En général, l'impulsion spécifique atteint dans le vide est supérieur à celui du carburant de fusée chimique à deux composants usé (kérosène-oxygène, hydrogène-oxygène) de 3 à 4 fois, et lorsqu'il fonctionne à l'intensité thermique la plus élevée de 4 à 5 fois. À l'heure actuelle, aux États-Unis et la Russie, il existe une expérience considérable dans le développement et la construction de tels moteurs et, si nécessaire (programmes spéciaux d'exploration spatiale), ces moteurs peuvent être produits en peu de temps et auront un coût raisonnable.Dans le cas de l'utilisation de TNRD pour accélérer les engins spatiaux dans l'espace, et sous réserve de l'utilisation supplémentaire de manœuvres de perturbation utilisant le champ gravitationnel planètes majeures(Jupiter, Uranus, Saturne, Neptune) les limites réalisables de l'étude du système solaire s'élargissent considérablement et le temps nécessaire pour atteindre les planètes lointaines est considérablement réduit. De plus, le TNRD peut être utilisé avec succès pour les véhicules opérant sur des orbites basses de planètes géantes en utilisant leur atmosphère raréfiée comme fluide de travail, ou pour travailler dans leur atmosphère. /huit/

16. Inconvénients

Le principal inconvénient du TNRD est la présence d'un puissant flux de rayonnement pénétrant (rayonnement gamma, neutrons), ainsi que l'élimination des composés d'uranium hautement radioactifs, des composés réfractaires à rayonnement induit et des gaz radioactifs avec le fluide de travail. A cet égard, le TNRD est inacceptable pour les lancements au sol afin d'éviter la détérioration de la situation environnementale sur le site de lancement et dans l'atmosphère. /Quatorze/

17. Amélioration des caractéristiques du TJARD. TNRD hybride

Comme toute fusée ou tout moteur en général, un moteur à réaction nucléaire à phase solide présente des limitations importantes sur les caractéristiques critiques réalisables. Ces restrictions représentent l'impossibilité pour le dispositif (TNRD) de fonctionner dans la plage de température dépassant la plage des températures maximales de fonctionnement des matériaux de structure du moteur. Pour étendre les capacités et augmenter considérablement les principaux paramètres de fonctionnement du TNRD, divers schémas hybrides peuvent être appliqués dans lesquels le TNRD joue le rôle de source de chaleur et d'énergie et utilise des moyens physiques accélération des organes de travail. Le plus fiable, pratiquement réalisable et présentant des caractéristiques élevées en termes d'impulsion et de poussée spécifiques est un schéma hybride avec un circuit MHD supplémentaire (circuit magnétohydrodynamique) pour accélérer le fluide de travail ionisé (hydrogène et additifs spéciaux). /treize/

18. Risque de rayonnement de YARD.

Une cour de travail est source puissante rayonnement - gamma et rayonnement neutronique. Sans prendre de mesures spéciales, le rayonnement peut provoquer un échauffement inacceptable du fluide de travail et de la structure de l'engin spatial, la fragilisation des matériaux de structure métalliques, la destruction du plastique et le vieillissement des pièces en caoutchouc, la violation de l'isolation des câbles électriques et la défaillance des équipements électroniques. Le rayonnement peut provoquer une radioactivité induite (artificielle) des matériaux - leur activation.

À l'heure actuelle, le problème de la radioprotection des engins spatiaux avec NRE est considéré comme résolu en principe. Les problèmes fondamentaux liés à la maintenance des moteurs de fusées nucléaires sur les bancs d'essai et les sites de lancement ont également été résolus. Bien qu'un NRE en fonctionnement présente un danger pour le personnel d'exploitation, « dès le lendemain de la fin de l'opération NRE, il est possible de rester plusieurs dizaines de minutes à une distance de 50 m du NRE sans aucun équipement de protection individuelle et Les moyens de protection les plus simples permettent au personnel de maintenance d'entrer dans la zone de travail YARD peu de temps après le test.

Le niveau de contamination des complexes de lancement et environnement, apparemment, ne sera pas un obstacle à l'utilisation des NRE sur les étages inférieurs des fusées spatiales. Le problème du risque radiologique pour l'environnement et le personnel d'exploitation est largement atténué par le fait que l'hydrogène, utilisé comme fluide de travail, n'est pratiquement pas activé lors de son passage dans le réacteur. Par conséquent, le jet NRE n'est pas plus dangereux que le jet LRE. / 4 /

Conclusion

Lorsque l'on considère les perspectives de développement et d'utilisation des NRE en astronautique, il convient de partir des caractéristiques atteintes et attendues des différents types de NRE, de ce qu'elles peuvent apporter à l'astronautique, de leur application, et, enfin, de la présence d'un environnement proche lien entre le problème NRE et le problème de l'approvisionnement énergétique dans l'espace et avec le développement de l'énergie en général.

Comme mentionné ci-dessus, de tous les types de NRE possibles, les plus développés sont le moteur thermique à radio-isotopes et le moteur à réacteur à fission en phase solide. Mais si les caractéristiques des NRE radio-isotopes ne permettent pas d'espérer leur large application en astronautique (au moins dans un avenir proche), alors la création de NRE en phase solide ouvre de grandes perspectives pour l'astronautique.

Par exemple, un engin d'une masse initiale de 40 000 tonnes (soit environ 10 fois supérieure à celle des plus gros lanceurs modernes) a été proposé, 1/10 de cette masse tombant sur la charge utile, et 2/3 sur le nucléaire frais. Si toutes les 3 secondes une charge explose, leur alimentation sera suffisante pour 10 jours de fonctionnement continu du moteur-fusée nucléaire. Pendant ce temps, l'appareil accélérera à une vitesse de 10 000 km/s et dans le futur, après 130 ans, il pourra atteindre l'étoile Alpha du Centaure.

Les centrales nucléaires ont des caractéristiques uniques, notamment une consommation d'énergie pratiquement illimitée, un fonctionnement indépendant de l'environnement et une résistance aux influences extérieures (rayonnement cosmique, dommages causés par les météorites, hautes et basses températures, etc.). Cependant, la puissance maximale des installations de radio-isotopes nucléaires est limitée à une valeur de l'ordre de quelques centaines de watts. Cette restriction n'existe pas pour les centrales à réacteurs nucléaires, ce qui prédétermine la rentabilité de leur utilisation lors de vols de longue durée d'engins spatiaux lourds dans l'espace proche de la Terre, lors de vols vers des planètes éloignées du système solaire, et dans d'autres cas.

Les avantages des NRE en phase solide et autres avec des réacteurs à fission se révèlent le plus pleinement dans l'étude de programmes spatiaux complexes tels que les vols habités vers les planètes du système solaire (par exemple, lors d'une expédition sur Mars). Dans ce cas, une augmentation de l'impulsion spécifique du RD permet de résoudre des problèmes qualitativement nouveaux. Tous ces problèmes sont grandement facilités par l'utilisation d'un NRE en phase solide avec une impulsion spécifique deux fois supérieure à celle des LRE modernes. Dans ce cas, il devient également possible de réduire considérablement les temps de vol.

Très probablement, dans un proche avenir, les NRE en phase solide deviendront l'un des RD les plus courants. Le NRE en phase solide peut être utilisé comme véhicule pour des vols à longue distance, par exemple vers des planètes telles que Neptune, Pluton, et même voler hors du système solaire. Cependant, pour les vols vers les étoiles, le NRE, basé sur les principes de la fission, n'est pas adapté. Dans ce cas, les NRE ou plus précisément les turboréacteurs thermonucléaires (TRD) fonctionnant sur le principe des réactions de fusion et les turboréacteurs photoniques (PRD), dans lesquels la réaction d'annihilation de la matière et de l'antimatière est à l'origine de la quantité de mouvement, sont prometteurs. Cependant, il est fort probable que l'humanité voyageant dans l'espace interstellaire utilisera une méthode de déplacement différente, différente du jet.

En conclusion, je reformulerai la célèbre phrase d'Einstein - pour voyager vers les étoiles, l'humanité doit trouver quelque chose qui serait comparable en complexité et en perception à un réacteur nucléaire pour un Néandertalien !

LITTÉRATURE

Sources:

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16. En route vers l'espace lointain // Énergie. - 1985. - N° 6.

ANNEXE

Principales caractéristiques des turboréacteurs nucléaires en phase solide

Pays du fabricant	Moteur	Poussée dans le vide, kN	impulsion spécifique, seconde		Travail de projet, année
	Cycle mixte NERVA/Lox

Déjà à la fin de cette décennie, un vaisseau spatial à propulsion nucléaire pour les voyages interplanétaires peut être créé en Russie. Et cela changera radicalement la situation à la fois dans l'espace proche de la Terre et sur la Terre elle-même.

La centrale nucléaire (CNP) sera prête à voler dès 2018. Cela a été annoncé par le directeur du Keldysh Center, académicien Anatoly Koroteev. « Nous devons préparer le premier échantillon (nucléaire centrale électrique classe mégawatt. - Environ. "Expert Online") pour les essais de conception de vol en 2018. Qu'elle vole ou non, c'est une autre affaire, il peut y avoir une file d'attente, mais elle doit être prête à voler », a rapporté RIA Novosti. Cela signifie que l'un des projets soviéto-russes les plus ambitieux dans le domaine de l'exploration spatiale entre dans la phase de mise en œuvre pratique immédiate.

L'essence de ce projet, dont les racines remontent au milieu du siècle dernier, est la suivante. Désormais, les vols vers l'espace proche de la Terre sont effectués sur des fusées qui se déplacent en raison de la combustion de carburant liquide ou solide dans leurs moteurs. En fait, c'est le même moteur que dans la voiture. Seulement dans une voiture, l'essence, en brûlant, pousse les pistons dans les cylindres, transférant son énergie aux roues à travers eux. Et dans un moteur de fusée, la combustion de kérosène ou d'heptyle pousse directement la fusée vers l'avant.

Au cours du dernier demi-siècle, cette technologie de fusée a été élaborée dans le monde entier dans les moindres détails. Mais les spécialistes des fusées eux-mêmes l'admettent. Amélioration - oui, il est nécessaire. Essayer d'augmenter la capacité de charge des fusées des 23 tonnes actuelles à 100 et même 150 tonnes sur la base de moteurs à combustion "améliorés" - oui, vous devez essayer. Mais c'est une impasse en termes d'évolution. " Peu importe la quantité de travail des spécialistes des moteurs de fusée dans le monde, effet maximal, que nous recevrons, sera calculé en fractions de pour cent. En gros, tout a été extrait des moteurs-fusées existants, qu'il s'agisse de propergol liquide ou solide, et les tentatives d'augmentation de la poussée et de l'impulsion spécifique sont tout simplement vaines. Les centrales nucléaires, en revanche, donnent une augmentation de plusieurs fois. Sur l'exemple d'un vol vers Mars - maintenant, vous devez voler un an et demi à deux ans aller-retour, mais il sera possible de voler en deux à quatre mois ", - l'ex-chef de l'Agence spatiale fédérale de Russie a une fois évalué la situation Anatoly Perminov.

Par conséquent, en 2010, le président de la Russie de l'époque, et aujourd'hui le Premier ministre Dmitri Medvedev l'ordre a été donné à la fin de cette décennie de créer dans notre pays un module de transport spatial et d'énergie basé sur une centrale nucléaire de classe mégawatt. Il est prévu d'allouer 17 milliards de roubles du budget fédéral, Roskosmos et Rosatom pour le développement de ce projet jusqu'en 2018. 7,2 milliards de ce montant ont été alloués à la société d'État Rosatom pour la création d'une centrale nucléaire (ceci est fait par le Dollezhal Research and Design Institute of Power Engineering), 4 milliards - au Keldysh Center pour la création d'une centrale nucléaire plante. 5,8 milliards de roubles sont alloués à RSC Energia pour la création d'un module de transport et d'énergie, c'est-à-dire une fusée.

Naturellement, tout ce travail ne se fait pas dans le vide. De 1970 à 1988, seule l'URSS a lancé plus de trois douzaines de satellites espions dans l'espace, équipés de centrales nucléaires de faible puissance de type Buk et Topaz. Ils ont été utilisés pour créer un système tout temps pour surveiller les cibles de surface dans les océans et émettre une désignation de cible avec transmission aux porteurs d'armes ou aux postes de commandement - le système de reconnaissance spatiale et de désignation de cible Legenda (1978).

NASA et Entreprises américaines, produisant des engins spatiaux et leurs vecteurs, n'ont pas été en mesure pendant cette période, bien qu'ils aient essayé à trois reprises, de créer un réacteur nucléaire qui fonctionnerait de manière stable dans l'espace. Par conséquent, en 1988, l'ONU a interdit l'utilisation d'engins spatiaux équipés de systèmes de propulsion nucléaire et la production de satellites de type US-A équipés de centrales nucléaires a été interrompue en Union soviétique.

Parallèlement, dans les années 60-70 du siècle dernier, le Centre Keldysh a mené des travaux actifs sur la création d'un moteur ionique (moteur à électroplasme), qui convient le mieux à la création d'un système de propulsion de haute puissance fonctionnant au combustible nucléaire. Le réacteur génère de la chaleur, qui est convertie en électricité par le générateur. À l'aide de l'électricité, le gaz inerte au xénon d'un tel moteur est d'abord ionisé, puis les particules chargées positivement (ions xénon positifs) sont accélérées dans un champ électrostatique à une vitesse prédéterminée et créent une poussée, quittant le moteur. C'est le principe de fonctionnement du moteur ionique, dont le prototype a déjà été créé au Keldysh Center.

« Dans les années 1990, nous, au Keldysh Center, avons repris nos travaux sur les moteurs ioniques. Maintenant, une nouvelle coopération devrait être créée pour un projet aussi puissant. Il existe déjà un prototype de moteur ionique, sur lequel il est possible d'élaborer les principales solutions technologiques et de conception. Et des produits réguliers doivent encore être créés. Nous avons une date limite - d'ici 2018, le produit devrait être prêt pour les essais en vol, et d'ici 2015, le développement principal du moteur devrait être terminé. Suivant - tests de durée de vie et tests de l'ensemble de l'unité dans son ensemble", - a noté l'année dernière le chef du département d'électrophysique du Centre de recherche nommé d'après M.V. Keldysha, professeur, Faculté d'aérophysique et de recherche spatiale, Institut de physique et de technologie de Moscou Oleg Gorchkov.

Qui utilisation pratique Russie de ces développements ? Ce bénéfice dépasse de loin les 17 milliards de roubles que l'Etat entend consacrer jusqu'en 2018 à la création d'un lanceur avec à son bord une centrale nucléaire d'une capacité de 1 MW. Premièrement, c'est une forte expansion des possibilités de notre pays et de l'humanité en général. Un vaisseau spatial avec un moteur nucléaire donne de réelles opportunités aux gens de s'engager sur d'autres planètes. Maintenant, de nombreux pays ont de tels navires. Ils ont repris aux États-Unis en 2003, après que les Américains ont obtenu deux échantillons de satellites russes dotés de centrales nucléaires.

Cependant, malgré cela, un membre de la commission spéciale de la NASA sur les vols habités Edouard Crowley, par exemple, il pense qu'un navire pour un vol international vers Mars devrait avoir des moteurs nucléaires russes. " L'expérience russe dans le développement de moteurs nucléaires est demandée. Je pense que la Russie a beaucoup d'expérience à la fois dans le développement de moteurs de fusée et dans la technologie nucléaire. Elle possède également une vaste expérience de l'adaptation humaine aux conditions spatiales, puisque les cosmonautes russes effectuaient de très longs vols. ", a déclaré Crowley aux journalistes au printemps dernier après une conférence à l'Université d'État de Moscou sur les plans américains d'exploration spatiale habitée.

Deuxièmement, de tels navires permettent d'intensifier fortement l'activité dans l'espace proche de la Terre et offrent une réelle opportunité pour le début de la colonisation de la Lune (il existe déjà des projets de construction de centrales nucléaires sur le satellite terrestre). " L'utilisation de systèmes de propulsion nucléaire est envisagée pour les grands systèmes habités, et non pour les petits engins spatiaux pouvant voler sur d'autres types d'installations utilisant la propulsion ou la puissance ionique. vent solaire. Il est possible d'utiliser des centrales nucléaires avec des moteurs ioniques sur un remorqueur réutilisable interorbital. Par exemple, pour transporter du fret entre les orbites basse et haute, pour voler vers des astéroïdes. Vous pouvez créer un remorqueur lunaire réutilisable ou envoyer une expédition sur Mars", - dit le professeur Oleg Gorshkov. Ces navires changent radicalement l'économie de l'exploration spatiale. Selon les calculs des spécialistes de RSC Energia, un lanceur à propulsion nucléaire réduit de plus de deux fois le coût de lancement d'une charge utile sur une orbite circumlunaire par rapport aux moteurs de fusée à propergol liquide.

Troisièmement, ce sont de nouveaux matériaux et technologies qui seront créés lors de la mise en œuvre de ce projet puis introduits dans d'autres industries - métallurgie, génie mécanique, etc. C'est-à-dire qu'il s'agit de l'un de ces projets révolutionnaires qui peuvent vraiment faire avancer à la fois l'économie russe et l'économie mondiale.

Cour d'impulsion a été développé conformément au principe proposé en 1945 par le Dr S. Ulam du Laboratoire de recherche de Los Alamos, selon lequel il est proposé d'utiliser une charge nucléaire comme source d'énergie (carburant) pour un lanceur de fusée spatiale à haute performance.

À cette époque, comme dans de nombreuses années à venir, les armes nucléaires et thermonucléaires étaient les sources d'énergie les plus puissantes et les plus compactes par rapport à toutes les autres. Comme vous le savez, nous sommes actuellement sur le point de découvrir des moyens de contrôler une source d'énergie encore plus concentrée, puisque nous avons déjà avancé assez loin dans le développement de la première unité utilisant l'antimatière. Si nous procédons uniquement à partir de la quantité d'énergie disponible, les charges nucléaires fournissent une poussée spécifique de plus de 200 000 secondes, et les thermonucléaires - jusqu'à 400 000 secondes. De telles valeurs de poussée spécifique sont excessivement élevées pour la plupart des vols à l'intérieur du système solaire. De plus, lors de l'utilisation du combustible nucléaire sous sa forme "pure", de nombreux problèmes se posent qui, même à l'heure actuelle, n'ont pas encore été entièrement résolus. Ainsi, l'énergie libérée lors de l'explosion doit être transférée au fluide de travail, qui se réchauffe puis s'écoule du moteur, créant une poussée. Conformément aux méthodes habituelles pour résoudre un tel problème, une charge nucléaire est placée dans une "chambre de combustion" remplie d'un fluide de travail (par exemple, de l'eau ou une autre substance liquide), qui s'évapore puis se dilate plus ou moins de diabaticité dans la tuyère.

Un tel système, que nous appelons un NRE pulsé interne, est très efficace, car tous les produits de l'explosion et toute la masse du fluide de travail sont utilisés pour créer une poussée. Un cycle de travail non stationnaire permet à un tel système de se développer davantage hautes pressions et température dans la chambre de combustion, et par conséquent, une poussée spécifique plus élevée par rapport à un cycle de fonctionnement continu. Cependant, le fait même que des explosions se produisent à l'intérieur d'un certain volume impose des restrictions importantes sur la pression et la température dans la chambre, et, par conséquent, sur la valeur réalisable de la poussée spécifique. Compte tenu de cela, malgré les nombreux avantages d'un NRE à impulsion interne, un NRE à impulsion externe s'est avéré plus simple et plus efficace en raison de l'utilisation de la quantité gigantesque d'énergie libérée lors des explosions nucléaires.

Dans le NRE d'action externe, la masse entière du carburant et du fluide de travail ne participe pas à la création de la poussée du jet. Cependant, ici, même avec une efficacité moindre. plus d'énergie est utilisée, ce qui améliore les performances du système. Une impulsion externe NRE (ci-après simplement appelée impulsion NRE) utilise l'énergie d'une explosion un grand nombre petites ogives nucléaires à bord de la fusée. Ces charges nucléaires sont séquentiellement éjectées de la fusée et explosées derrière elle à une certaine distance ( dessin ci-dessous). À chaque explosion, une partie des fragments de fission gazeux en expansion sous forme de plasma à haute densité et vitesse entre en collision avec la base de la fusée - la plate-forme de poussée. L'élan du plasma est transféré à la plate-forme de poussée, qui avance à une accélération élevée. L'accélération est réduite par un dispositif d'amortissement à quelques g dans le compartiment avant de la fusée, qui ne dépasse pas les limites d'endurance corps humain. Après le cycle de compression, le dispositif d'amortissement ramène la plate-forme de poussée dans sa position initiale, après quoi elle est prête pour l'impulsion suivante.

L'incrément de vitesse total acquis par l'engin spatial ( image, emprunté au travail ), dépend du nombre d'explosions et, par conséquent, est déterminé par le nombre de charges nucléaires dépensées dans une manœuvre donnée. Le développement systématique d'une conception pour un tel NRE a été initié par le Dr T. B. Taylor (Division General Atomic de General Dynamics) et s'est poursuivi avec le soutien du planification avancée(ARPA), l'US Air Force, la NASA et General Dynamics pendant neuf ans, après quoi les travaux dans ce sens ont été temporairement suspendus pour reprendre à l'avenir, puisque ce type de système de propulsion a été choisi en tant qu'un des deux hélices principales pour les engins spatiaux volant dans le système solaire.

Le principe de fonctionnement d'un YARD pulsé d'action extérieure

Une première version de l'installation, développée par la NASA en 1964-1965, était comparable (en diamètre) à la fusée Saturn-5 et fournissait une poussée spécifique de 2500 s et une poussée effective de 350 g ; le poids «sec» (sans carburant) du compartiment moteur principal était de 90,8 tonnes.Dans la version originale du moteur-fusée nucléaire pulsé, les charges nucléaires mentionnées précédemment étaient utilisées et on supposait qu'il fonctionnerait sur des orbites terrestres basses et dans la zone des ceintures de rayonnement en raison du danger de contamination radioactive de l'atmosphère par les produits de désintégration libérés lors des explosions. Ensuite, la poussée spécifique des moteurs de fusée nucléaires pulsés a été portée à 10 000 secondes, et les capacités potentielles de ces moteurs ont permis de doubler ce chiffre à l'avenir.

Un système de propulsion NRE pulsé a peut-être déjà été développé dans les années 1970 afin d'effectuer le premier vol spatial habité vers les planètes au début des années 1980. Cependant, le développement de ce projet n'a pas été mené à bien en raison de l'approbation du programme de création d'une NRE en phase solide. De plus, le développement de la NRE pulsée a été associé à problème politique parce qu'il a utilisé des armes nucléaires.

Erike K.A. (Krafft A. Ehricke)

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moteur de fusée nucléaire- 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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