Ang isang nuclear rocket engine ay isang rocket engine na ang prinsipyo ng pagpapatakbo ay batay sa isang nuclear reaction o radioactive decay, na naglalabas ng enerhiya na nagpapainit sa gumaganang fluid, na maaaring mga produkto ng reaksyon o ilang iba pang sangkap, tulad ng hydrogen. Mayroong ilang mga uri ng mga rocket engine na gumagamit ng prinsipyo ng operasyon na inilarawan sa itaas: nuclear, radioisotope, thermonuclear. Gamit ang mga nuclear rocket engine, posible na makakuha ng mga tiyak na halaga ng impulse na makabuluhang mas mataas kaysa sa maaaring makamit ng mga kemikal na rocket engine. Ang mataas na halaga ng tiyak na salpok ay ipinaliwanag sa pamamagitan ng mataas na bilis ng pag-agos ng gumaganang likido - mga 8-50 km / s. Ang thrust force ng isang nuclear engine ay maihahambing sa mga kemikal na makina, na gagawing posible sa hinaharap na palitan ang lahat ng mga kemikal na makina ng mga nuklear.
Ang pangunahing balakid sa kumpletong pagpapalit ay ang radioactive na polusyon na dulot ng mga nuclear rocket engine.
Nahahati sila sa dalawang uri - solid at gas phase. Sa unang uri ng mga makina, ang materyal na fissile ay inilalagay sa mga pagtitipon ng baras na may nabuong ibabaw. Ginagawa nitong posible na epektibong magpainit ng gaseous working fluid, kadalasan ang hydrogen ay gumaganap bilang working fluid. Ang rate ng daloy ay limitado sa pinakamataas na temperatura ng gumaganang likido, na, sa turn, ay direktang nakasalalay sa maximum pinahihintulutang temperatura mga elemento ng istruktura, at hindi ito lalampas sa 3000 K. Sa gas-phase nuclear rocket engine, ang fissile matter ay nasa gaseous state. Ang pagpapanatili nito sa lugar ng pagtatrabaho ay isinasagawa sa pamamagitan ng impluwensya ng electric magnetic field. Para sa ganitong uri ng mga nuclear rocket engine, ang mga elemento ng istruktura ay hindi isang limitasyon na kadahilanan, kaya ang bilis ng tambutso ng gumaganang likido ay maaaring lumampas sa 30 km / s. Maaari silang magamit bilang mga unang yugto ng makina, sa kabila ng pagtagas ng fissile na materyal.
Noong dekada 70 XX siglo Sa USA at Unyong Sobyet, ang mga nuclear rocket engine na may fissile matter sa solid phase ay aktibong nasubok. Sa Estados Unidos, isang programa ang binuo upang lumikha ng isang eksperimentong nuclear rocket engine bilang bahagi ng programa ng NERVA.
Ang mga Amerikano ay bumuo ng isang graphite reactor na pinalamig ng likidong hydrogen, na pinainit, nag-evaporate at inilabas sa pamamagitan ng rocket nozzle. Ang pagpili ng grapayt ay dahil sa paglaban nito sa temperatura. Ayon sa proyektong ito, ang tiyak na salpok ng nagresultang makina ay dapat na dalawang beses na mas mataas kaysa sa kaukulang figure na katangian ng mga kemikal na makina, na may thrust na 1100 kN. Ang Nerva reactor ay dapat na gumana bilang bahagi ng ikatlong yugto ng Saturn V launch vehicle, ngunit dahil sa pagsasara ng lunar program at kakulangan ng iba pang mga gawain para sa mga rocket engine ng klase na ito, ang reaktor ay hindi nasubok sa pagsasanay.
Ang isang gas-phase nuclear rocket engine ay kasalukuyang nasa theoretical development stage. Ang isang gas-phase nuclear engine ay nagsasangkot ng paggamit ng plutonium, na ang mabagal na gumagalaw na gas stream ay napapalibutan ng mas mabilis na daloy ng cooling hydrogen. Ang mga eksperimento ay isinagawa sa MIR at ISS orbital space station na maaaring magbigay ng lakas sa karagdagang pag-unlad mga gas-phase na makina.
Ngayon ay masasabi natin na ang Russia ay bahagyang "nagyelo" sa pananaliksik nito sa larangan ng mga nuclear propulsion system. Ang gawain ng mga siyentipikong Ruso ay mas nakatuon sa pag-unlad at pagpapabuti ng mga pangunahing bahagi at pagtitipon ng mga nuclear power plant, pati na rin ang kanilang pag-iisa. Ang prayoridad na direksyon para sa karagdagang pananaliksik sa lugar na ito ay ang paglikha ng mga nuclear power propulsion system na may kakayahang gumana sa dalawang mode. Ang una ay ang mode ng nuclear rocket engine, at ang pangalawa ay ang mode ng pag-install ng pagbuo ng kuryente upang mapalakas ang kagamitan na naka-install sa spacecraft.
Alexander Losev
Ang mabilis na pag-unlad ng teknolohiya ng rocket at kalawakan noong ika-20 siglo ay natutukoy ng estratehikong militar, pampulitika at, sa isang tiyak na lawak, mga layunin at interes ng ideolohikal ng dalawang superpower - ang USSR at USA, at lahat ng mga programa sa espasyo ng estado ay isang pagpapatuloy ng kanilang mga proyektong militar, kung saan ang pangunahing gawain ay ang pangangailangan upang matiyak ang kakayahan sa pagtatanggol at estratehikong pagkakapantay-pantay sa isang potensyal na kaaway. Ang halaga ng paglikha ng kagamitan at mga gastos sa pagpapatakbo ay hindi mahalaga noon. Ang napakalaking mapagkukunan ay inilaan sa paglikha ng mga sasakyang panglunsad at spacecraft, at ang 108 minutong paglipad ni Yuri Gagarin noong 1961 at ang broadcast sa telebisyon nina Neil Armstrong at Buzz Aldrin mula sa ibabaw ng Buwan noong 1969 ay hindi lamang mga tagumpay ng siyentipiko at teknikal. naisip, itinuring din sila bilang mga estratehikong tagumpay sa mga labanan ng Cold War.
Ngunit pagkatapos na bumagsak ang Unyong Sobyet at huminto sa karera para sa pandaigdigang pamumuno, ang mga geopolitical na kalaban nito, pangunahin ang Estados Unidos, ay hindi na kailangan na magpatupad ng mga prestihiyoso ngunit napakamahal na mga proyekto sa kalawakan upang patunayan sa buong mundo ang higit na kahusayan ng Kanluranin. sistemang pang-ekonomiya at mga konseptong ideolohikal.
Noong dekada 90, ang mga pangunahing gawaing pampulitika ng mga nakaraang taon ay nawalan ng kaugnayan, ang paghaharap ng bloke ay napalitan ng globalisasyon, ang pragmatismo ay nanaig sa mundo, kaya karamihan sa mga programa sa kalawakan ay nabawasan o ipinagpaliban, mula sa malalaking proyekto Tanging ang ISS lamang ang nananatiling pamana ng nakaraan. Bilang karagdagan, ang Kanluraning demokrasya ay nagtustos ng lahat ng mahal mga programa ng pamahalaan depende sa mga cycle ng eleksyon.
Ang suporta ng botante, na kinakailangan upang makakuha o mapanatili ang kapangyarihan, ay nagpipilit sa mga pulitiko, parlyamento at pamahalaan na sumandal sa populismo at lutasin ang mga panandaliang problema, kaya ang paggasta sa paggalugad sa kalawakan ay nababawasan taon-taon.
Karamihan sa mga pangunahing pagtuklas ay ginawa sa unang kalahati ng ikadalawampu siglo, at sa kasalukuyan ang agham at teknolohiya ay umabot sa ilang mga limitasyon, at ang katanyagan ay bumaba sa buong mundo. siyentipikong kaalaman, at ang kalidad ng pagtuturo ng matematika, pisika at iba pa mga likas na agham. Ito ang naging dahilan ng pagwawalang-kilos, kabilang ang sektor ng kalawakan, nitong huling dalawang dekada.
Ngunit ngayon ay nagiging halata na ang mundo ay papalapit na sa katapusan ng isa pang teknolohikal na siklo batay sa mga natuklasan noong nakaraang siglo. Samakatuwid, ang anumang kapangyarihan na magtataglay ng panimula ng mga bagong promising na teknolohiya sa panahon ng pagbabago sa pandaigdigang teknolohikal na istraktura ay awtomatikong magsisiguro sa pandaigdigang pamumuno sa loob ng hindi bababa sa susunod na limampung taon.
Pangunahing disenyo ng isang nuclear propulsion engine na may hydrogen bilang isang gumaganang likido
Naisasakatuparan ito kapwa sa Estados Unidos, na nagtakda ng landas para sa muling pagbabangon ng kadakilaan ng Amerika sa lahat ng larangan ng aktibidad, at sa China, na humahamon sa hegemonya ng Amerika, at sa European Union, na buong lakas na nagsisikap na mapanatili ang timbang nito sa pandaigdigang ekonomiya.
Mayroong patakarang pang-industriya doon at seryoso silang nakikibahagi sa pagbuo ng kanilang sariling potensyal na siyentipiko, teknikal at produksyon, at ang space sphere ay maaaring maging pinakamahusay na lugar ng pagsubok para sa pagsubok ng mga bagong teknolohiya at para patunayan o pabulaanan ang mga siyentipikong hypotheses na maaaring maglagay ng pundasyon para sa paglikha ng isang panimula na naiiba, mas advanced na teknolohiya ng hinaharap.
At natural na asahan na ang Estados Unidos ang magiging unang bansa na ipagpatuloy ang mga proyekto ng deep exploration sa kalawakan na may layuning lumikha ng kakaiba. makabagong teknolohiya kapwa sa larangan ng armas, transportasyon at mga materyales sa pagtatayo, kapwa sa biomedicine at sa larangan ng telekomunikasyon
Totoo, kahit ang Estados Unidos ay hindi ginagarantiyahan ang tagumpay sa paglikha ng mga rebolusyonaryong teknolohiya. Kumain napakadelekado hanapin ang iyong sarili sa isang patay na dulo, pagpapabuti ng kalahating siglo gulang na rocket engine batay sa panggatong ng kemikal, gaya ng ginagawa ng SpaceX ni Elon Musk, o sa pamamagitan ng paglikha ng mga long-flight life support system na katulad ng mga ipinatupad na sa ISS.
Maaari bang ang Russia, na ang pagwawalang-kilos sa sektor ng kalawakan ay nagiging mas kapansin-pansin bawat taon, sa karera para sa hinaharap na pamumuno ng teknolohiya upang manatili sa club ng mga superpower, at hindi sa listahan ng mga umuunlad na bansa?
Oo, siyempre, magagawa ng Russia, at higit pa rito, ang isang kapansin-pansing hakbang pasulong ay nagawa na sa enerhiyang nuklear at sa mga teknolohiya ng makina ng nukleyar na rocket, sa kabila ng talamak na underfunding ng industriya ng espasyo.
Ang kinabukasan ng astronautics ay ang paggamit ng nuclear energy. Upang maunawaan kung paano konektado ang teknolohiyang nuklear at espasyo, kinakailangang isaalang-alang ang mga pangunahing prinsipyo ng jet propulsion.
Kaya, ang mga pangunahing uri ng mga modernong makina ng espasyo ay nilikha sa mga prinsipyo ng enerhiya ng kemikal. Ito ay mga solid fuel accelerators at liquid rocket engine, sa kanilang mga combustion chamber ang mga sangkap ng gasolina (fuel at oxidizer) ay pumapasok sa isang exothermic physical at chemical combustion reaction, na bumubuo ng isang jet stream na naglalabas ng toneladang substance mula sa engine nozzle bawat segundo. Ang kinetic energy ng working fluid ng jet ay na-convert sa isang reactive force na sapat upang itulak ang rocket. Ang tiyak na salpok (ang ratio ng thrust na nabuo sa masa ng gasolina na ginamit) ng naturang mga kemikal na makina ay nakasalalay sa mga sangkap ng gasolina, ang presyon at temperatura sa silid ng pagkasunog, pati na rin ang molekular na bigat ng pinaghalong gas na inilabas sa pamamagitan ng nozzle ng makina.
At kung mas mataas ang temperatura ng sangkap at ang presyon sa loob ng silid ng pagkasunog, at mas mababa ang molecular mass ng gas, mas mataas ang tiyak na salpok, at samakatuwid ay ang kahusayan ng makina. Ang partikular na impulse ay isang dami ng paggalaw at karaniwang sinusukat sa metro bawat segundo, tulad ng bilis.
Sa mga kemikal na makina, ang pinakamataas na tiyak na impulse ay ibinibigay ng oxygen-hydrogen at fluorine-hydrogen fuel mixtures (4500–4700 m/s), ngunit ang pinakasikat (at madaling gamitin) ay naging mga rocket engine na tumatakbo sa kerosene at oxygen, para sa halimbawa ang Soyuz at Musk's Falcon rockets, pati na rin ang mga makina na gumagamit ng unsymmetrical dimethylhydrazine (UDMH) na may oxidizer sa anyo ng pinaghalong nitrogen tetroxide at nitric acid (Soviet at Russian Proton, French Ariane, American Titan). Ang kanilang kahusayan ay 1.5 beses na mas mababa kaysa sa hydrogen fuel engine, ngunit ang isang salpok na 3000 m/s at kapangyarihan ay sapat na upang gawing matipid ang paglulunsad ng toneladang kargamento sa malapit sa mga orbit ng Earth.
Ngunit ang mga flight sa ibang mga planeta ay nangangailangan ng mas malaking spacecraft kaysa sa anumang nilikha ng sangkatauhan, kabilang ang modular ISS. Sa mga barkong ito kinakailangan upang matiyak ang pangmatagalang autonomous na pagkakaroon ng mga tripulante, at isang tiyak na supply ng gasolina at buhay ng serbisyo ng mga pangunahing makina at makina para sa mga maniobra at pagwawasto ng orbit, upang magbigay para sa paghahatid ng mga astronaut sa isang espesyal na module ng landing sa ibabaw ng isa pang planeta, at ang kanilang pagbabalik sa pangunahing barko ng transportasyon, at pagkatapos at ang pagbabalik ng ekspedisyon sa Earth.
Ang naipon na kaalaman sa engineering at kemikal na enerhiya ng mga makina ay ginagawang posible na bumalik sa Buwan at maabot ang Mars, kaya malaki ang posibilidad na bibisitahin ng sangkatauhan ang Red Planet sa susunod na dekada.
Kung umaasa lamang tayo sa mga umiiral na teknolohiya sa kalawakan, kung gayon ang pinakamababang masa ng habitable module para sa isang manned flight sa Mars o sa mga satellite ng Jupiter at Saturn ay magiging humigit-kumulang 90 tonelada, na 3 beses na mas mataas kaysa sa mga barko ng buwan noong unang bahagi ng 1970s , na nangangahulugan ng paglulunsad ng mga sasakyan para sa kanilang paglulunsad sa mga reference na orbit para sa karagdagang paglipad sa Mars ay magiging higit na mataas sa Saturn 5 (launch weight 2965 tons) ng Apollo lunar project o ang Soviet carrier Energia (launch weight 2400 tons). Kakailanganin na lumikha ng isang interplanetary complex sa orbit na tumitimbang ng hanggang 500 tonelada. Ang paglipad sa isang interplanetary ship na may mga chemical rocket engine ay mangangailangan mula 8 buwan hanggang 1 taon sa isang direksyon lamang, dahil kailangan mong gumawa ng gravity maneuvers, gamit ang gravitational force ng mga planeta at isang napakalaking supply ng gasolina upang mapabilis ang barko. .
Ngunit gamit ang kemikal na enerhiya ng mga rocket engine, ang sangkatauhan ay hindi lilipad nang higit pa kaysa sa orbit ng Mars o Venus. Kailangan namin ng iba't ibang bilis ng paglipad ng spacecraft at iba pang mas malakas na enerhiya ng paggalaw.
Modernong disenyo ng isang nuclear rocket engine na Princeton Satellite Systems
Upang galugarin ang malalim na espasyo, kinakailangan upang makabuluhang taasan ang thrust-to-weight ratio at kahusayan ng rocket engine, at samakatuwid ay dagdagan ang tiyak na salpok at buhay ng serbisyo nito. At upang gawin ito, kinakailangan na magpainit ng gas o gumaganang fluid substance na may mababang atomic mass sa loob ng engine chamber sa mga temperatura ng ilang beses na mas mataas kaysa sa kemikal na temperatura ng pagkasunog ng mga tradisyonal na pinaghalong gasolina, at ito ay maaaring gawin gamit ang isang nuclear reaction.
Kung, sa halip na isang maginoo na silid ng pagkasunog, ang isang nuclear reactor ay inilalagay sa loob ng isang rocket engine, sa aktibong zone kung saan ang isang sangkap sa likido o gas na anyo ay ibinibigay, kung gayon ito, na pinainit sa ilalim ng mataas na presyon hanggang sa ilang libong degree, ay magsisimula. na ilalabas sa pamamagitan ng nozzle channel, na lumilikha ng jet thrust. Ang tiyak na salpok ng naturang nuclear jet engine ay magiging ilang beses na mas malaki kaysa sa isang maginoo na may mga sangkap na kemikal, na nangangahulugan na ang kahusayan ng parehong makina mismo at ang paglulunsad ng sasakyan sa kabuuan ay tataas nang maraming beses. Sa kasong ito, ang isang oxidizer para sa pagkasunog ng gasolina ay hindi kinakailangan, at ang magaan na hydrogen gas ay maaaring gamitin bilang isang sangkap na lumilikha ng jet thrust; alam natin na mas mababa ang molecular mass ng gas, mas mataas ang impulse, at ito ay lubos na bawasan ang masa ng rocket na may mas mahusay na performance ng engine power.
Ang isang nuclear engine ay magiging mas mahusay kaysa sa isang maginoo, dahil sa reactor zone ang magaan na gas ay maaaring magpainit sa mga temperatura na higit sa 9 libong degrees Kelvin, at ang isang jet ng naturang sobrang init na gas ay magbibigay ng mas mataas na tiyak na salpok kaysa sa maginoo na mga kemikal na makina ay maaaring magbigay. . Ngunit ito ay nasa teorya.
Ang panganib ay hindi kahit na kapag naglulunsad ng isang paglulunsad ng sasakyan na may tulad pag-install ng nukleyar Maaaring mangyari ang radioactive na kontaminasyon ng atmospera at espasyo sa paligid ng launch pad; ang pangunahing problema ay na sa mataas na temperatura ang makina mismo ay maaaring matunaw kasama ng sasakyang pangkalawakan. Nauunawaan ito ng mga taga-disenyo at inhinyero at sinubukan nilang maghanap ng mga angkop na solusyon sa loob ng ilang dekada.
Ang mga nuclear rocket engine (NRE) ay mayroon nang sariling kasaysayan ng paglikha at operasyon sa kalawakan. Ang unang pag-unlad ng mga makinang nuklear ay nagsimula noong kalagitnaan ng 1950s, iyon ay, bago pa man ang paglipad ng tao sa kalawakan, at halos sabay-sabay sa parehong USSR at USA, at ang mismong ideya ng paggamit ng mga nuclear reactor upang mapainit ang gumagana. Ang sangkap sa isang rocket engine ay ipinanganak kasama ang mga unang rector noong kalagitnaan ng 40s, iyon ay, higit sa 70 taon na ang nakalilipas.
Sa ating bansa, ang nagpasimula ng paglikha ng nuclear propulsion ay ang thermal physicist na si Vitaly Mikhailovich Ievlev. Noong 1947, ipinakita niya ang isang proyekto na suportado ni S. P. Korolev, I. V. Kurchatov at M. V. Keldysh. Sa una, pinlano na gamitin ang mga naturang makina para sa mga cruise missiles, at pagkatapos ay i-install ang mga ito sa ballistic missiles. Ang pag-unlad ay isinagawa ng mga nangungunang tanggapan ng disenyo ng pagtatanggol ng Unyong Sobyet, pati na rin ang mga instituto ng pananaliksik na NIITP, CIAM, IAE, VNIINM.
Ang Soviet nuclear engine RD-0410 ay binuo noong kalagitnaan ng 60s sa Voronezh Chemical Automatics Design Bureau, kung saan nilikha ang karamihan sa mga likidong rocket engine para sa teknolohiya sa espasyo.
Ang RD-0410 ay gumamit ng hydrogen bilang isang gumaganang likido, na sa anyo ng likido ay dumaan sa isang "cooling jacket", inaalis ang labis na init mula sa mga dingding ng nozzle at pinipigilan itong matunaw, at pagkatapos ay pumasok sa reactor core, kung saan ito ay pinainit hanggang 3000K at inilabas sa pamamagitan ng mga channel nozzle, kaya na-convert ang thermal energy sa kinetic energy at lumilikha ng partikular na impulse na 9100 m/s.
Sa USA, ang nuclear propulsion project ay inilunsad noong 1952, at ang unang operating engine ay nilikha noong 1966 at pinangalanang NERVA (Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application). Noong dekada 60 at 70, sinubukan ng Unyong Sobyet at Estados Unidos na huwag sumuko sa isa't isa.
Totoo, pareho ang aming RD-0410 at ang American NERVA ay mga solid-phase nuclear propellant engine (ang nuclear fuel batay sa uranium carbide ay nasa solid state sa reactor), at ang kanilang operating temperature ay nasa hanay na 2300–3100K.
Upang mapataas ang temperatura ng core nang walang panganib ng pagsabog o pagtunaw ng mga pader ng reaktor, kinakailangan na lumikha ng gayong mga kondisyon ng reaksyong nukleyar kung saan ang gasolina (uranium) ay nagiging gaseous state o nagiging plasma at nasa loob ng reaktor. sa pamamagitan ng isang malakas na magnetic field, nang hindi hinahawakan ang mga dingding. At pagkatapos ay ang hydrogen na pumapasok sa reactor core ay "dumaloy sa paligid" ng uranium sa gas phase, at nagiging plasma, ay inilalabas sa napakataas na bilis sa pamamagitan ng nozzle channel.
Ang ganitong uri ng makina ay tinatawag na gas-phase nuclear propulsion engine. Ang mga temperatura ng gaseous uranium fuel sa naturang mga nuclear engine ay maaaring mula sa 10 libo hanggang 20 libong degrees Kelvin, at ang tiyak na salpok ay maaaring umabot sa 50,000 m/s, na 11 beses na mas mataas kaysa sa pinaka mahusay na kemikal na rocket engine.
Ang paglikha at paggamit ng mga gas-phase nuclear propulsion engine ng bukas at saradong mga uri sa teknolohiya sa kalawakan ay ang pinaka-promising na direksyon sa pagbuo ng mga space rocket engine at kung ano mismo ang kailangan ng sangkatauhan upang galugarin ang mga planeta solar system at ang kanilang mga kasama.
Ang unang pananaliksik sa gas-phase nuclear propulsion project ay nagsimula sa USSR noong 1957 sa Research Institute of Thermal Processes (National Research Center na pinangalanang M. V. Keldysh), at ang desisyon na bumuo ng nuclear space power plants batay sa gas-phase nuclear reactors ay ginawa noong 1963 ng Academician V. P. Glushko (NPO Energomash), at pagkatapos ay inaprubahan ng isang resolusyon ng CPSU Central Committee at ng Konseho ng mga Ministro ng USSR.
Ang pagbuo ng mga gas-phase nuclear propulsion engine ay isinagawa sa Unyong Sobyet sa loob ng dalawang dekada, ngunit, sa kasamaang-palad, ay hindi nakumpleto dahil sa hindi sapat na pondo at ang pangangailangan para sa karagdagang pangunahing pananaliksik sa larangan ng thermodynamics ng nuclear fuel at hydrogen plasma, neutron physics at magnetic hydrodynamics.
Ang mga siyentipikong nukleyar ng Sobyet at mga inhinyero ng disenyo ay nahaharap sa isang bilang ng mga problema, tulad ng pagkamit ng pagiging kritikal at pagtiyak ng katatagan ng pagpapatakbo ng isang gas-phase nuclear reactor, pagbabawas ng pagkawala ng molten uranium sa panahon ng pagpapalabas ng hydrogen na pinainit sa ilang libong degree, thermal protection ng nozzle at magnetic field generator, at ang akumulasyon ng mga produkto ng uranium fission , pagpili ng mga chemically resistant construction materials, atbp.
At nang magsimulang malikha ang sasakyang panglunsad ng Energia para sa programa ng Soviet Mars-94 para sa unang manned flight sa Mars, ang proyekto ng nuclear engine ay ipinagpaliban nang walang katiyakan. Uniong Sobyet Walang sapat na oras, at higit sa lahat, political will at economic efficiency para mapunta ang ating mga cosmonaut sa planetang Mars noong 1994. Ito ay isang hindi mapag-aalinlanganang tagumpay at patunay ng ating pamumuno sa mataas na teknolohiya sa susunod na ilang dekada. Ngunit ang espasyo, tulad ng maraming iba pang mga bagay, ay ipinagkanulo ng huling pamumuno ng USSR. Hindi na mababago ang kasaysayan, hindi na maibabalik ang mga yumaong siyentipiko at inhinyero, at hindi na maibabalik ang nawalang kaalaman. Marami ang kailangang likhain muli.
Ngunit ang space nuclear power ay hindi limitado lamang sa globo ng solid- at gas-phase nuclear propulsion engine. Upang lumikha ng pinainit na daloy ng bagay sa isang jet engine, maaari mong gamitin enerhiyang elektrikal. Ang ideyang ito ay unang ipinahayag ni Konstantin Eduardovich Tsiolkovsky noong 1903 sa kanyang akdang "Paggalugad ng mga espasyo sa mundo gamit ang mga instrumento ng jet."
At ang unang electrothermal rocket engine sa USSR ay nilikha noong 1930s ni Valentin Petrovich Glushko, isang hinaharap na akademiko ng USSR Academy of Sciences at pinuno ng NPO Energia.
Ang mga prinsipyo ng pagpapatakbo ng mga electric rocket engine ay maaaring magkakaiba. Karaniwan silang nahahati sa apat na uri:
- electrothermal (pagpainit o electric arc). Sa kanila, ang gas ay pinainit sa mga temperatura na 1000–5000K at inilalabas mula sa nozzle sa parehong paraan tulad ng sa isang nuclear rocket engine.
- ang mga electrostatic engine (colloidal at ionic), kung saan ang gumaganang substance ay unang na-ionize, at pagkatapos ay ang mga positibong ion (mga atom na walang mga electron) ay pinabilis sa isang electrostatic field at inilalabas din sa pamamagitan ng nozzle channel, na lumilikha ng jet thrust. Kasama rin sa mga electrostatic engine ang mga nakatigil na plasma engine.
- magnetoplasma at magnetodynamic rocket engine. Doon, ang plasma ng gas ay pinabilis dahil sa puwersa ng Ampere sa mga magnetic at electric field na intersecting patayo.
- pulse rocket engine, na gumagamit ng enerhiya ng mga gas na nagreresulta mula sa pagsingaw ng gumaganang likido sa isang electric discharge.
Ang bentahe ng mga electric rocket engine na ito ay ang kanilang mababang pagkonsumo ng working fluid, kahusayan hanggang 60% at mataas na bilis daloy ng particle, na maaaring makabuluhang bawasan ang masa ng spacecraft, ngunit mayroon ding isang minus - mababang thrust density, at samakatuwid ay mababa ang kapangyarihan, pati na rin ang mataas na halaga ng gumaganang likido (inert gas o alkali metal vapors) para sa paglikha ng plasma .
Ang lahat ng mga nakalistang uri ng mga de-koryenteng motor ay ipinatupad sa pagsasanay at paulit-ulit na ginagamit sa kalawakan sa parehong Soviet at American spacecraft mula noong kalagitnaan ng 60s, ngunit dahil sa kanilang mababang kapangyarihan ay ginamit ang mga ito pangunahin bilang mga orbit correction engine.
Mula 1968 hanggang 1988, inilunsad ng USSR ang isang buong serye ng mga satellite ng Cosmos na may mga instalasyong nukleyar sa board. Ang mga uri ng mga reactor ay pinangalanan: "Buk", "Topaz" at "Yenisei".
Ang Yenisei project reactor ay may thermal power na hanggang 135 kW at isang electrical power na halos 5 kW. Ang coolant ay sodium-potassium melt. Ang proyektong ito ay isinara noong 1996.
Ang isang tunay na propulsion rocket motor ay nangangailangan ng isang napakalakas na mapagkukunan ng enerhiya. AT pinakamahusay na pinagmulan Ang enerhiya para sa mga naturang space engine ay isang nuclear reactor.
Ang enerhiyang nuklear ay isa sa mga high-tech na industriya kung saan ang ating bansa ay nagpapanatili ng nangungunang posisyon. At ang isang panimula na bagong rocket engine ay nilikha na sa Russia at ang proyektong ito ay malapit na sa matagumpay na pagkumpleto sa 2018. Ang mga pagsubok sa paglipad ay naka-iskedyul para sa 2020.
At kung ang gas-phase nuclear propulsion ay isang paksa para sa mga susunod na dekada na kailangang ibalik pagkatapos ng pangunahing pananaliksik, kung gayon ang kahalili nito ngayon ay isang megawatt-class nuclear power propulsion system (NPPU), at ito ay nilikha na ni Rosatom at Roscosmos enterprise mula noong 2009.
Ang NPO Krasnaya Zvezda, na kasalukuyang nag-iisang developer at tagagawa ng space nuclear power plants sa mundo, pati na rin ang Research Center na pinangalanang A. M. V. Keldysh, NIKIET im. N.A. Dollezhala, Research Institute NPO "Luch", "Kurchatov Institute", IRM, IPPE, RIAR at NPO Mashinostroeniya.
Ang nuclear power propulsion system ay kinabibilangan ng high-temperature gas-cooled fast neutron nuclear reactor na may turbomachine system para sa pag-convert ng thermal energy sa electrical energy, isang sistema ng refrigerator-emitters para sa pag-alis ng sobrang init sa espasyo, isang instrumentation compartment, isang bloke ng sustainer plasma o ion electric motors, at isang lalagyan para sa pag-accommodate ng payload. .
Sa isang power propulsion system, ang isang nuclear reactor ay nagsisilbing pinagmumulan ng kuryente para sa pagpapatakbo ng mga electric plasma engine, habang ang gas coolant ng reactor na dumadaan sa core ay pumapasok sa turbine ng electric generator at compressor at bumabalik pabalik sa reactor sa isang closed loop, at hindi itinapon sa kalawakan tulad ng sa isang nuclear propulsion engine, na ginagawang mas maaasahan at ligtas ang disenyo, at samakatuwid ay angkop para sa manned space flight.
Plano na ang nuclear power plant ay gagamitin para sa isang reusable space tug upang matiyak ang paghahatid ng mga kargamento sa panahon ng paggalugad ng Buwan o ang paglikha ng mga multi-purpose orbital complex. Ang kalamangan ay hindi lamang ang magagamit muli ng mga elemento pamamaraang Transportasyon(kung ano ang sinusubukang makamit ni Elon Musk sa kanyang mga proyekto sa espasyo sa SpaceX), ngunit gayundin ang kakayahang maghatid ng tatlong beses na mas maraming kargamento kaysa sa mga rocket na may mga chemical jet engine na may maihahambing na kapangyarihan sa pamamagitan ng pagbawas sa masa ng paglulunsad ng sistema ng transportasyon. Ang espesyal na disenyo ng pag-install ay ginagawang ligtas para sa mga tao at kapaligiran sa Earth.
Noong 2014, sa OJSC Planta ng paggawa ng makina"Sa Elektrostal, ang unang elemento ng gasolina (elemento ng gasolina) ng isang karaniwang disenyo para sa nuclear electric propulsion system na ito ay binuo, at noong 2016, ang mga pagsubok ng isang simulator ng reactor core basket ay isinagawa.
Ngayon (sa 2017) ang trabaho ay isinasagawa sa paggawa ng mga elemento ng istruktura ng pag-install at pagsubok ng mga bahagi at pagtitipon sa mga mock-up, pati na rin ang autonomous na pagsubok ng mga turbomachine energy conversion system at prototype power units. Ang pagkumpleto ng trabaho ay naka-iskedyul para sa katapusan ng susunod na 2018, gayunpaman, mula noong 2015, ang backlog ng iskedyul ay nagsimulang maipon.
Kaya, sa sandaling malikha ang pag-install na ito, ang Russia ang magiging unang bansa sa mundo na nagtataglay ng mga teknolohiyang nuclear space, na magiging batayan hindi lamang para sa mga proyekto sa hinaharap para sa paggalugad ng Solar system, kundi pati na rin para sa terrestrial at extraterrestrial na enerhiya. . Maaaring gamitin ang mga space nuclear power plant upang lumikha ng mga sistema para sa malayuang paghahatid ng kuryente sa Earth o sa mga module ng espasyo gamit ang electromagnetic radiation. At ito rin ay magiging advanced na teknolohiya hinaharap, kung saan magkakaroon ng nangungunang posisyon ang ating bansa.
Batay sa mga plasma electric motors na binuo, ang mga makapangyarihang propulsion system ay malilikha para sa malayuang paglipad ng mga tao sa kalawakan at, una sa lahat, para sa paggalugad ng Mars, ang orbit nito ay maaaring maabot sa loob lamang ng 1.5 buwan, at hindi sa loob ng higit sa isang taon, tulad ng kapag gumagamit ng conventional chemical jet engine .
At ang hinaharap ay palaging nagsisimula sa isang rebolusyon sa enerhiya. At wala nang iba. Pangunahin ang enerhiya at ito ang dami ng pagkonsumo ng enerhiya na nakakaapekto sa teknikal na pag-unlad, kakayahan sa pagtatanggol at kalidad ng buhay ng mga tao.
NASA experimental plasma rocket engine
Ang astrophysicist ng Sobyet na si Nikolai Kardashev ay nagmungkahi ng isang sukat ng pag-unlad ng mga sibilisasyon noong 1964. Ayon sa sukat na ito, ang antas ng teknolohikal na pag-unlad ng mga sibilisasyon ay nakasalalay sa dami ng enerhiya na ginagamit ng populasyon ng planeta para sa mga pangangailangan nito. Kaya, ang uri ng sibilisasyon ay gumagamit ng lahat ng magagamit na mapagkukunan na magagamit sa planeta; Uri II sibilisasyon - tumatanggap ng enerhiya ng bituin nito sa sistema kung saan ito matatagpuan; at ang isang uri III na sibilisasyon ay gumagamit ng magagamit na enerhiya ng kalawakan nito. Ang sangkatauhan ay hindi pa matured sa uri ng sibilisasyon sa sukat na ito. Gumagamit lamang kami ng 0.16% ng kabuuang potensyal na reserbang enerhiya ng planetang Earth. Nangangahulugan ito na ang Russia at ang buong mundo ay may puwang na lumago, at ang mga teknolohiyang nuklear na ito ay magbubukas ng daan para sa ating bansa hindi lamang sa kalawakan, kundi pati na rin sa hinaharap na kaunlaran ng ekonomiya.
At, marahil, ang tanging pagpipilian para sa Russia sa larangan ng siyensya at teknikal ay ang gumawa na ngayon ng isang rebolusyonaryong tagumpay sa mga teknolohiyang nukleyar na espasyo upang malampasan ang maraming taon na pagkahuli sa likod ng mga pinuno sa isang "lukso" at maging tama sa pinagmulan ng isang bagong teknolohikal na rebolusyon sa susunod na siklo ng pag-unlad ng sibilisasyon ng tao. Ang gayong kakaibang pagkakataon ay nahuhulog sa isang partikular na bansa minsan lamang bawat ilang siglo.
Sa kasamaang palad, ang Russia, na hindi nagbigay ng sapat na atensyon sa mga pangunahing agham at kalidad ng mas mataas at sekondaryang edukasyon sa nakalipas na 25 taon, ay nanganganib na mawala ang pagkakataong ito magpakailanman kung ang programa ay nabawasan at ang isang bagong henerasyon ng mga mananaliksik ay hindi papalitan ang kasalukuyang mga siyentipiko at mga inhinyero. Ang mga geopolitical at teknolohikal na hamon na haharapin ng Russia sa loob ng 10–12 taon ay magiging napakaseryoso, maihahambing sa mga banta ng kalagitnaan ng ikadalawampu siglo. Upang mapangalagaan ang soberanya at integridad ng Russia sa hinaharap, kailangan na ngayong simulan ang pagsasanay sa mga espesyalista na may kakayahang tumugon sa mga hamong ito at lumikha ng isang panimula na bago.
Mayroon lamang mga 10 taon upang baguhin ang Russia sa isang pandaigdigang intelektwal at teknolohikal na sentro, at hindi ito magagawa nang walang malubhang pagbabago sa kalidad ng edukasyon. Para sa isang pang-agham at teknolohikal na tagumpay, kinakailangan na bumalik sa sistema ng edukasyon (parehong paaralan at unibersidad) na mga sistematikong pananaw sa larawan ng mundo, siyentipikong pundamentalidad at ideolohikal na integridad.
Tulad ng para sa kasalukuyang pagwawalang-kilos sa industriya ng espasyo, hindi ito nakakatakot. Ang mga pisikal na prinsipyo kung saan nakabatay ang mga modernong teknolohiya sa kalawakan ay hihingin nang mahabang panahon sa maginoo na sektor ng mga serbisyo ng satellite. Alalahanin natin na ang sangkatauhan ay gumamit ng layag sa loob ng 5.5 libong taon, at ang panahon ng singaw ay tumagal ng halos 200 taon, at noong ikadalawampu siglo lamang nagsimulang magbago ang mundo nang mabilis, dahil isa pa rebolusyong siyentipiko at teknolohikal, na naglunsad ng isang alon ng pagbabago at isang pagbabago sa mga istrukturang teknolohikal, na sa huli ay nagbago sa pandaigdigang ekonomiya at pulitika. Ang pangunahing bagay ay ang maging sa pinagmulan ng mga pagbabagong ito.
Ang mga siyentipiko ng Sobyet at Amerikano ay gumagawa ng mga nuclear-fueled rocket engine mula noong kalagitnaan ng ika-20 siglo. Ang mga pag-unlad na ito ay hindi umunlad sa kabila ng mga prototype at solong pagsubok, ngunit ngayon ang tanging rocket propulsion system na gumagamit ng nuclear energy ay nilikha sa Russia. Pinag-aralan ng "Reactor" ang kasaysayan ng mga pagtatangka na ipakilala ang mga nuclear rocket engine.
Nang ang sangkatauhan ay nagsimulang sakupin ang kalawakan, ang mga siyentipiko ay nahaharap sa gawain ng pagpapagana ng spacecraft. Itinuon ng mga mananaliksik ang kanilang pansin sa posibilidad ng paggamit ng nuclear energy sa kalawakan sa pamamagitan ng paglikha ng konsepto ng isang nuclear rocket engine. Ang nasabing makina ay dapat na gumamit ng enerhiya ng fission o pagsasanib ng nuclei upang lumikha ng jet thrust.
Sa USSR, na noong 1947, nagsimula ang trabaho sa paglikha ng isang nuclear rocket engine. Noong 1953, sinabi ng mga eksperto sa Sobyet na "ang paggamit ng atomic energy ay magiging posible upang makakuha ng halos walang limitasyong mga saklaw at kapansin-pansing bawasan ang bigat ng paglipad ng mga missile" (sinipi mula sa publikasyong "Nuclear Rocket Engines" na inedit ni A.S. Koroteev, M, 2001) . Noong panahong iyon, ang mga nuclear power propulsion system ay pangunahing inilaan upang magbigay ng mga ballistic missiles, kaya malaki ang interes ng gobyerno sa pag-unlad. Pinangalanan ni US President John Kennedy noong 1961 ang pambansang programa upang lumikha ng isang rocket na may nuclear rocket engine (Project Rover) na isa sa apat na prayoridad na lugar sa pananakop ng kalawakan.
KIWI reactor, 1959. Larawan: NASA.
Noong huling bahagi ng 1950s, lumikha ang mga Amerikanong siyentipiko ng mga reaktor ng KIWI. Maraming beses na silang nasubok, nagawa na ng mga developer malaking bilang ng mga pagbabago. Ang mga pagkabigo ay madalas na nangyari sa panahon ng pagsubok, halimbawa, kapag ang core ng engine ay nawasak at ang isang malaking hydrogen leak ay natuklasan.
Noong unang bahagi ng 1960s, parehong nilikha ng USA at USSR ang mga kinakailangan para sa pagpapatupad ng mga plano upang lumikha ng mga nuclear rocket engine, ngunit ang bawat bansa ay sumunod sa sarili nitong landas. Ang USA ay lumikha ng maraming mga disenyo ng solid-phase reactor para sa mga naturang makina at sinubukan ang mga ito sa mga bukas na stand. Sinusubukan ng USSR ang pagpupulong ng gasolina at iba pang mga elemento ng makina, inihahanda ang produksyon, pagsubok, at base ng tauhan para sa isang mas malawak na "offensive."
NERVA YARD diagram. Paglalarawan: NASA.
Sa Estados Unidos, na noong 1962, sinabi ni Pangulong Kennedy na "isang nuclear rocket ay hindi gagamitin sa mga unang paglipad patungo sa Buwan," kaya sulit na idirekta ang mga pondong inilalaan para sa paggalugad sa kalawakan sa iba pang mga pag-unlad. Sa pagliko ng 1960s at 1970s, dalawa pang reactor ang nasubok (PEWEE noong 1968 at NF-1 noong 1972) bilang bahagi ng programa ng NERVA. Ngunit ang pagpopondo ay nakatuon sa lunar program, kaya ang US nuclear propulsion program ay lumiit at isinara noong 1972.
NASA pelikula tungkol sa NERVA nuclear jet engine.
Sa Unyong Sobyet, ang pag-unlad ng mga nuclear rocket engine ay nagpatuloy hanggang sa 1970s, at pinamunuan sila ng sikat na triad ng mga domestic academic scientist: Mstislav Keldysh, Igor Kurchatov at. Tinasa nila ang mga posibilidad ng paglikha at paggamit ng mga nuclear-powered missiles na medyo optimistically. Tila ang USSR ay malapit nang maglunsad ng gayong rocket. Ang mga pagsubok sa sunog ay isinagawa sa site ng pagsubok ng Semipalatinsk - noong 1978, naganap ang paglulunsad ng kapangyarihan ng unang reaktor ng 11B91 nuclear rocket engine (o RD-0410), pagkatapos ay dalawa pang serye ng mga pagsubok - ang pangalawa at pangatlong aparato 11B91- IR-100. Ito ang una at huling mga makina ng nuclear rocket ng Sobyet.
M.V. Keldysh at S.P. Korolev na bumibisita sa I.V. Kurchatova, 1959
Sa huling bahagi ng nakaraang taon, sinubukan ng Russian Strategic Missile Forces ang isang ganap na bagong sandata, na ang pagkakaroon nito ay naisip na imposible. Ang nuclear-powered cruise missile, na itinalaga ng mga eksperto sa militar na 9M730, ay eksaktong bagong sandata na binanggit ni Pangulong Putin sa kanyang Address. Federal Assembly. Ang pagsubok ng misayl ay diumano'y isinagawa sa Novaya Zemlya test site, humigit-kumulang sa katapusan ng taglagas 2017, ngunit ang eksaktong data ay hindi malalaman sa lalong madaling panahon. Ang rocket developer ay marahil din ang Novator Experimental Design Bureau (Ekaterinburg). Ayon sa mga karampatang mapagkukunan, ang misayl ay tumama sa target sa normal na mode at ang mga pagsubok ay itinuturing na ganap na matagumpay. Dagdag pa, ang mga di-umano'y larawan ng paglulunsad (sa itaas) ng isang bagong rocket na may isang nuclear power plant at kahit na hindi direktang kumpirmasyon na may kaugnayan sa presensya sa inaasahang oras ng pagsubok sa agarang paligid ng site ng pagsubok ng Il-976 LII Gromov "na lumilipad. laboratoryo” na may mga markang Rosatom ay lumabas sa media. Gayunpaman, mas maraming tanong ang lumitaw. Makatotohanan ba ang ipinahayag na kakayahan ng misayl na lumipad sa isang walang limitasyong hanay at paano ito nakakamit?
Mga katangian ng cruise missile na may nuclear power plant
Ang mga katangian ng isang cruise missile na may mga sandatang nuklear, na lumitaw sa media kaagad pagkatapos ng talumpati ni Vladimir Putin, ay maaaring naiiba sa mga tunay, na malalaman sa ibang pagkakataon. Sa ngayon, ang mga sumusunod na data sa laki at mga katangian ng pagganap ng rocket ay naging pampubliko:Ang haba
- home page- hindi bababa sa 12 metro,
- nagmamartsa- hindi bababa sa 9 metro,
diameter ng katawan ng rocket- humigit-kumulang 1 metro,
Lapad ng case- mga 1.5 metro,
Taas ng buntot- 3.6 - 3.8 metro
Ang prinsipyo ng pagpapatakbo ng isang Russian nuclear-powered cruise missile
Ang pagbuo ng mga nuclear-powered missiles ay isinagawa ng ilang mga bansa nang sabay-sabay, at nagsimula ang pag-unlad noong malayong 1960s. Ang mga disenyo na iminungkahi ng mga inhinyero ay naiiba lamang sa mga detalye; sa isang pinasimple na paraan, ang prinsipyo ng operasyon ay maaaring inilarawan bilang mga sumusunod: ang nuclear reactor ay nagpapainit ng pinaghalong pumapasok sa mga espesyal na lalagyan ( iba't ibang variant, mula sa ammonia hanggang hydrogen) na sinusundan ng paglabas sa pamamagitan ng mga nozzle sa ilalim mataas na presyon. Gayunpaman, ang bersyon ng cruise missile na sinabi niya Pangulo ng Russia, ay hindi umaangkop sa alinman sa mga halimbawa ng mga disenyo na binuo dati.Ang katotohanan ay, ayon kay Putin, ang misayl ay may halos walang limitasyong saklaw ng paglipad. Siyempre, hindi ito mauunawaan na ang misayl ay maaaring lumipad nang maraming taon, ngunit maaari itong ituring bilang isang direktang indikasyon na ang saklaw ng paglipad nito ay maraming beses na mas malaki kaysa sa hanay ng paglipad ng mga modernong cruise missiles. Ang pangalawang punto, na hindi maaaring balewalain, ay nauugnay din sa idineklarang walang limitasyong hanay ng paglipad at, nang naaayon, ang pagpapatakbo ng power unit ng cruise missile. Halimbawa, ang isang heterogenous thermal neutron reactor, na nasubok sa RD-0410 engine, na binuo ni Kurchatov, Keldysh at Korolev, ay may buhay ng pagsubok na 1 oras lamang, at sa kasong ito ay hindi maaaring magkaroon ng isang walang limitasyong hanay ng paglipad ng naturang isang nuclear-powered cruise missile.pagsasalita.
Ang lahat ng ito ay nagmumungkahi na ang mga siyentipikong Ruso ay nagmungkahi ng isang ganap na bago, dati nang hindi isinasaalang-alang na konsepto ng istraktura, kung saan ang isang sangkap ay ginagamit para sa pagpainit at kasunod na pagbuga mula sa nozzle, na may maraming matipid na mapagkukunan ng pagkonsumo. malalayong distansya. Bilang isang halimbawa, ito ay maaaring isang nuclear air-breathing engine (NARE) ng isang ganap na bagong uri, kung saan ang gumaganang masa ay hangin sa atmospera, na ipinobomba sa gumaganang mga lalagyan ng mga compressor, pinainit ng isang nukleyar na pag-install at pagkatapos ay inilabas sa pamamagitan ng mga nozzle. .
Kapansin-pansin din na ang cruise missile na may nuclear power unit na inihayag ni Vladimir Putin ay maaaring lumipad sa paligid ng mga aktibong zone ng air at missile defense system, pati na rin panatilihin ang landas nito patungo sa target sa mababa at napakababang altitude. Ito ay posible lamang sa pamamagitan ng pagbibigay ng missile ng mga sistemang sumusunod sa terrain na lumalaban sa interference na nilikha ng mga electronic warfare system ng kaaway.
Ang ideya ng paghahagis ng mga atomic bomb sa likod ng popa ay naging masyadong brutal, ngunit ang dami ng enerhiya na ginawa ng reaksyon ng nuclear fission, hindi banggitin ang pagsasanib, ay lubhang kaakit-akit para sa mga astronautics. Samakatuwid, maraming mga non-pulse system ang nilikha, na napalaya mula sa mga problema ng pag-iimbak ng daan-daang nuclear bomb sa board at cyclopean shock absorbers. Pag-uusapan natin sila ngayon.
Nuclear physics sa iyong mga kamay
Ano ang isang nuclear reaction? Upang ipaliwanag ito nang napakasimple, ang larawan ay magiging katulad nito. Mula sa kurikulum ng paaralan naaalala natin na ang bagay ay binubuo ng mga molekula, ang mga molekula ay gawa sa mga atomo, at ang mga atomo ay gawa sa mga proton, mga electron at mga neutron (may mga mas mababang antas, ngunit ito ay sapat na para sa atin). Ang ilang mabibigat na atomo ay may kawili-wiling pag-aari - kung sila ay natamaan ng isang neutron, sila ay nabubulok sa mas magaan na mga atomo at naglalabas ng ilang mga neutron. Kung ang mga inilabas na neutron ay tumama sa iba pang mabibigat na atomo sa malapit, ang pagkabulok ay mauulit, at magkakaroon tayo ng nuclear chain reaction. Ang paggalaw ng mga neutron sa mataas na bilis ay nangangahulugan na ang paggalaw na ito ay nagiging init kapag bumagal ang mga neutron. Samakatuwid, ang isang nuclear reactor ay isang napakalakas na pampainit. Maaari silang magpakulo ng tubig, ipadala ang nagresultang singaw sa turbine, at kumuha ng nuclear power plant. O maaari kang magpainit ng hydrogen at itapon ito sa labas, na lumilikha ng isang nuclear jet engine. Mula sa ideyang ito ay ipinanganak ang mga unang makina - NERVA at RD-0410.
NERVA
Kasaysayan ng proyekto
Ang pormal na pag-akda (patent) para sa pag-imbento ng atomic rocket engine ay kay Richard Feynman, ayon sa kanyang mga memoir na "You're Surely Joking, Mr. Feynman." Ang libro, sa pamamagitan ng paraan, ay lubos na inirerekomendang basahin. Ang Los Alamos Laboratory ay nagsimulang bumuo ng mga nuclear rocket engine noong 1952. Noong 1955, sinimulan ang proyekto ng Rover. Sa unang yugto ng proyekto, KIWI, 8 pang-eksperimentong reaktor ang itinayo at mula 1959 hanggang 1964, pinag-aralan ang paglilinis ng gumaganang fluid sa pamamagitan ng reactor core. Para sa sanggunian sa oras, umiral ang proyekto ng Orion mula 1958 hanggang 1965. Ang Rover ay nagkaroon ng dalawa at tatlong yugto sa paggalugad ng mas matataas na power reactor, ngunit ang NERVA ay batay sa KIWI dahil sa mga plano para sa unang pagsubok na paglulunsad sa kalawakan noong 1964 - walang oras upang bumuo ng mas advanced na mga opsyon. Ang mga deadline ay unti-unting umusad at ang unang ground launch ng NERVA NRX/EST engine (EST - Engine System Test) ay naganap noong 1966. Matagumpay na umandar ang makina sa loob ng dalawang oras, kung saan ang 28 minuto ay nasa buong thrust. Ang pangalawang NERVA XE engine ay sinimulan ng 28 beses at tumakbo sa kabuuang 115 minuto. Ang makina ay itinuring na angkop para sa mga aplikasyon sa espasyo, at ang test bench ay handa na upang subukan ang mga bagong binuong makina. Tila ang NERVA ay may magandang kinabukasan sa unahan nito - isang paglipad patungong Mars noong 1978, isang permanenteng base sa Buwan noong 1981, mga orbital tug. Ngunit ang tagumpay ng proyekto ay nagdulot ng gulat sa Kongreso - ang lunar program ay naging napakamahal para sa Estados Unidos, ang Mars program ay magiging mas mahal. Noong 1969 at 1970, ang pagpopondo sa espasyo ay seryosong nabawasan - ang Apollos 18, 19 at 20 ay kinansela, at walang sinuman ang maglalaan ng malaking halaga ng pera para sa programa ng Mars. Bilang resulta, ang gawain sa proyekto ay isinagawa nang walang seryosong pagpopondo at ito ay isinara noong 1972.Disenyo
Ang hydrogen mula sa tangke ay pumasok sa reaktor, pinainit doon, at itinapon palabas, na lumilikha ng jet thrust. Ang hydrogen ay pinili bilang gumaganang likido dahil mayroon itong magaan na mga atomo at mas madaling mapabilis sa mataas na bilis. Paano mas bilis jet exhaust - mas mahusay ang rocket engine.
Ang isang neutron reflector ay ginamit upang matiyak na ang mga neutron ay ibinalik pabalik sa reaktor upang mapanatili ang isang nuclear chain reaction.
Ang mga control rod ay ginamit upang kontrolin ang reaktor. Ang bawat naturang baras ay binubuo ng dalawang halves - isang reflector at isang neutron absorber. Kapag ang baras ay pinaikot ng neutron reflector, ang kanilang daloy sa reactor ay tumaas at ang reactor ay tumaas ang paglipat ng init. Kapag ang baras ay pinaikot ng neutron absorber, ang kanilang daloy sa reactor ay bumaba, at ang reactor ay nabawasan ang paglipat ng init.
Ginamit din ang hydrogen para palamig ang nozzle, at pinaikot ng mainit na hydrogen mula sa nozzle cooling system ang turbopump para magbigay ng mas maraming hydrogen.
Umaandar ang makina. Espesyal na sinindihan ang hydrogen sa labasan ng nozzle upang maiwasan ang banta ng pagsabog; hindi magkakaroon ng pagkasunog sa kalawakan.
Ang NERVA engine ay gumawa ng 34 tonelada ng thrust, halos isa at kalahating beses na mas mababa kaysa sa J-2 engine na nagpapagana sa ikalawa at ikatlong yugto ng Saturn V rocket. Ang tiyak na impulse ay 800-900 segundo, na dalawang beses na mas mataas kaysa sa pinakamahusay na mga makina na gumagamit ng oxygen-hydrogen fuel pair, ngunit mas mababa kaysa sa electric propulsion system o ang Orion engine.
Medyo tungkol sa seguridad
Ang isang nuclear reactor na kaka-assemble pa lang at hindi pa nasisimulan, na may mga bagong fuel assemblies na hindi pa nagagamit, ay medyo malinis. Ang uranium ay lason, kaya kailangan mong magsuot ng guwantes, ngunit wala nang iba pa. Walang mga remote manipulator, lead wall o anumang bagay ang kailangan. Ang lahat ng nag-iilaw na dumi ay lumilitaw pagkatapos magsimula ang reaktor dahil sa pagkalat ng mga neutron, "nasisira" ang mga atomo ng sisidlan, coolant, atbp. Samakatuwid, kung sakaling magkaroon ng isang aksidente sa rocket na may tulad na makina, ang kontaminasyon ng radiation ng atmospera at ibabaw ay magiging maliit, at, siyempre, ito ay magiging mas mababa kaysa sa normal na paglulunsad ng Orion. Sa kaganapan ng isang matagumpay na pagsisimula, ang kontaminasyon ay magiging minimal o wala sa kabuuan, dahil ang makina ay kailangang magsimula sa itaas na mga layer kapaligiran o nasa kalawakan na.RD-0410
Ang makina ng Soviet RD-0410 ay may katulad na kasaysayan. Ang ideya ng makina ay ipinanganak noong huling bahagi ng 40s sa mga pioneer ng rocket at nuclear technology. Tulad ng proyekto ng Rover, ang orihinal na ideya ay isang nuclear-powered air-breathing engine para sa unang yugto ng ballistic missile, pagkatapos ay lumipat ang pag-unlad sa industriya ng kalawakan. Ang RD-0410 ay binuo nang mas mabagal; ang mga domestic developer ay nadala ng ideya ng isang gas-phase nuclear propulsion engine (higit pa dito sa ibaba). Nagsimula ang proyekto noong 1966 at nagpatuloy hanggang kalagitnaan ng dekada 80. Ang target para sa makina ay ang Mars 94 mission, isang manned flight papuntang Mars noong 1994.
Ang disenyo ng RD-0410 ay katulad ng NERVA - ang hydrogen ay dumadaan sa nozzle at mga reflector, pinalamig ang mga ito, ay ibinibigay sa reactor core, pinainit doon at inilabas.
Ayon sa mga katangian nito, ang RD-0410 ay mas mahusay kaysa sa NERVA - ang temperatura ng reactor core ay 3000 K sa halip na 2000 K para sa NERVA, at ang tiyak na salpok ay lumampas sa 900 s. Ang RD-0410 ay mas magaan at mas compact kaysa sa NERVA at bumuo ng sampung beses na mas kaunting thrust.
Mga pagsubok sa makina. Ang sulo sa gilid sa ibabang kaliwa ay nag-aapoy sa hydrogen upang maiwasan ang pagsabog.
Pag-unlad ng solid-phase nuclear propulsion engine
Naaalala namin na mas mataas ang temperatura sa reaktor, mas malaki ang daloy ng daloy ng gumaganang likido at mas mataas ang tiyak na salpok ng makina. Ano ang pumipigil sa iyo na tumaas ang temperatura sa NERVA o RD-0410? Ang katotohanan ay sa parehong mga makina ang mga elemento ng gasolina ay nasa isang solidong estado. Kung tataas mo ang temperatura, matutunaw sila at lilipad kasama ng hydrogen. Samakatuwid para sa mas mataas na temperatura ito ay kinakailangan upang makabuo ng ilang iba pang paraan upang magsagawa ng isang nuclear chain reaction.Nuclear fuel salt engine
Sa nuclear physics mayroong isang bagay bilang kritikal na masa. Tandaan ang nuclear chain reaction sa simula ng post. Kung ang mga fissile atoms ay napakalapit sa isa't isa (halimbawa, sila ay na-compress ng presyon mula sa isang espesyal na pagsabog), pagkatapos ito ay lalabas pagsabog ng nuklear- maraming init sa napakaikling panahon. Kung ang mga atom ay hindi na-compress nang mahigpit, ngunit ang daloy ng mga bagong neutron mula sa fission ay tumataas, isang thermal explosion ang magreresulta. Ang isang maginoo na reaktor ay mabibigo sa ilalim ng gayong mga kundisyon. Ngayon isipin natin na kukuha tayo solusyon sa tubig fissile na materyal (halimbawa, uranium salts) at patuloy na ipakain ang mga ito sa combustion chamber, na nagbibigay doon ng mass na mas malaki kaysa sa kritikal. Ang resulta ay isang patuloy na nasusunog na "kandila" ng nukleyar, ang init mula sa kung saan pinabilis ang reacted na nuclear fuel at tubig.
Ang ideya ay iminungkahi noong 1991 ni Robert Zubrin at, ayon sa iba't ibang mga pagtatantya, ay nangangako ng isang tiyak na salpok na 1300 hanggang 6700 s na may thrust na sinusukat sa tonelada. Sa kasamaang palad, ang gayong pamamaraan ay mayroon ding mga kawalan:
- Ang pagiging kumplikado ng pag-iimbak ng gasolina - ang reaksyon ng kadena sa tangke ay dapat na iwasan sa pamamagitan ng paglalagay ng gasolina sa, halimbawa, mga manipis na tubo mula sa isang neutron absorber, kaya ang mga tangke ay magiging kumplikado, mabigat at mahal.
- Ang mataas na pagkonsumo ng nuclear fuel ay dahil sa ang katunayan na ang kahusayan ng reaksyon (ang bilang ng mga nabulok / bilang ng mga atom na ginugol) ay magiging napakababa. Kahit na sa isang atomic bomb, ang fissile material ay hindi ganap na "nasusunog"; kaagad, karamihan sa mahalagang nuclear fuel ay masasayang.
- Ang mga pagsubok sa lupa ay halos imposible - ang tambutso ng naturang makina ay magiging napakarumi, mas marumi kaysa sa Orion.
- Mayroong ilang mga katanungan tungkol sa pagkontrol sa reaksyong nukleyar - ito ay hindi isang katotohanan na ang isang pamamaraan na simple sa pandiwang paglalarawan ay madaling ipatupad sa teknikal.
Gas-phase nuclear propulsion engine
Susunod na ideya: paano kung lumikha tayo ng gumaganang fluid vortex, sa gitna kung saan magaganap ang isang nuclear reaction? Sa kasong ito init ang aktibong zone ay hindi makakarating sa mga dingding, na hinihigop ng gumaganang likido, at maaari itong itaas sa sampu-sampung libong degree. Ito ay kung paano ipinanganak ang ideya ng isang open-cycle na gas-phase nuclear propulsion engine:
Ang gas-phase nuclear propulsion engine ay nangangako ng isang tiyak na salpok na hanggang 3000-5000 segundo. Sa USSR, sinimulan ang isang proyekto ng isang gas-phase nuclear propulsion engine (RD-600), ngunit hindi man lang ito umabot sa yugto ng mock-up.
"Open cycle" ay nangangahulugan na ang nuclear fuel ay ilalabas sa labas, na, siyempre, binabawasan ang kahusayan. Samakatuwid, ang sumusunod na ideya ay naimbento, dialectically bumabalik sa solid-phase NREs - palibutan natin ang rehiyon ng reaksyong nukleyar na may sapat na sangkap na lumalaban sa init na magpapadala ng radiated na init. Ang kuwarts ay iminungkahi bilang isang sangkap, dahil sa sampu-sampung libong degree, ang init ay inililipat ng radiation at ang materyal na lalagyan ay dapat na transparent. Ang resulta ay isang gas-phase closed-cycle nuclear propulsion engine, o isang "nuclear light bulb":
Sa kasong ito, ang limitasyon sa pangunahing temperatura ay ang thermal strength ng shell ng "light bulb". Ang punto ng pagkatunaw ng kuwarts ay 1700 degrees Celsius, na may aktibong paglamig ang temperatura ay maaaring tumaas, ngunit, sa anumang kaso, ang tiyak na salpok ay mas mababa kaysa sa bukas na circuit (1300-1500 s), ngunit ang nuclear fuel ay mas matipid. , at magiging mas malinis ang tambutso.
Mga alternatibong proyekto
Bilang karagdagan sa pagbuo ng solid-phase nuclear propulsion engine, mayroon ding mga orihinal na proyekto.Fissile engine
Ang ideya ng makina na ito ay walang gumaganang likido - ito ay ang inilabas na ginastos na nuclear fuel. Sa unang kaso, ang mga subcritical disk ay ginawa mula sa mga fissile na materyales, na hindi nagsisimula ng isang chain reaction sa kanilang sarili. Ngunit kung ang disk ay inilagay sa isang reactor zone na may neutron reflectors, ito ay magsisimula chain reaction. At ang pag-ikot ng disk at ang kawalan ng gumaganang likido ay hahantong sa katotohanan na ang bulok na mga atomo na may mataas na enerhiya ay lilipad palayo sa nozzle, na bumubuo ng thrust, at ang mga hindi nabubulok na atomo ay mananatili sa disk at magkakaroon ng pagkakataon na ang susunod na rebolusyon ng disk:
Higit pa kawili-wiling ideya binubuo ng paglikha ng maalikabok na plasma (tandaan sa ISS) mula sa mga fissile na materyales, kung saan ang mga nabubulok na produkto ng nuclear fuel nanoparticle ay ionized electric field at itinapon, lumilikha ng thrust:
Nangangako sila ng kamangha-manghang tiyak na salpok na 1,000,000 segundo. Ang sigasig ay nababawasan ng katotohanan na ang pag-unlad ay nasa antas ng teoretikal na pananaliksik.