История создания ядерных ракетных двигателей в США и в России. Ядерный двигатель для космических кораблей

Двигатель
Ядерный двигатель для космических кораблей - Тепловая тяга на Западе Зачем нужен ядерный двигатель для космического корабля Российская разработка ядерного двигателя и авария на полигоне «Нионокса» под Северодвинском Разработки ядерных ракетных двигателей в США «ПРОМЕТЕЙ» (США, 2002–2005)

Другими словами, мы имеем дело с классическими техническими ограничениями, которые невозможно преодолеть. Если, конечно, мы не сможем создать радикально иные двигатели для космических полетов, например, ядерные!

На Марс полетим на ядерных кораблях? Говорим с экспертом о перспективах применения ядерной энергии

Мировые лидеры в освоении космоса снова говорят о ядерной энергии. Он окажется ключом к эффективному завоеванию ближнего космоса, колонизации Луны и высадке людей на Марс. Так считают и Россия, и США. Мы спросили Егора Задебе, доктора физико-математических наук, доцента Института ядерной физики и технологий Национального исследовательского ядерного университета, о ядерной энергии в космической отрасли и перспективных разработках в этой области.

Долгое время ядерные ракеты существовали только на бумаге, только в произведениях писателей-фантастов. И Советский Союз, и США в разгар космической борьбы развивались в этом направлении позитивно. В Советском Союзе они были включены в оригинальный двигатель РД-0410, а в США — в программу «Нерва».

Однако это не единственное применение ядерной энергии в космической отрасли. А пока спросите Егора Задебу о том, где используются столь перспективные ядерные технологии в освоении космоса.

— С самого начала освоения космоса технологии и знания, полученные в ходе развития ядерной физики, использовались при проектировании космических аппаратов (КЛА). В основном это связано с устойчивостью электронного компонента космического аппарата к радиации. На поверхности Земли мы надежно защищены частицами солнечного ветра и светящимися лучами из атмосферы и магнитного поля планеты. Даже на низких орбитах радиационный фон более высокого класса, чем на Земле, и в этих условиях обычная электронная компонента распадается за секунды. Без технологии, разработанной и усовершенствованной благодаря исследованиям в области ядерной физики, разработка радиационно-стойких элементных баз была бы невозможна.

Но, конечно, ядерные технологии сыграли самую большую роль в снабжении космических аппаратов. Речь идет о двух типах источников: «ядерной батарейке» riteg (радиоизотопный термоэлектрический генератор) и оргазмическом реакторе.

В первой категории устройств к устройству присоединяется радиоактивный источник, расщепление природных изотопов — постоянный источник тепла (обычно выделяемое тепло не превышает 1 кВт), а термоэлектрические генераторы преобразуют тепловую энергию в электрическую. Такие устройства отличаются, с одной стороны, простотой и надежностью (электрогенераторы на основе плутония-238, которые были установлены на космических кораблях «Вояджер» в течение почти 30 лет). (7%).

Если космическому аппарату требуется высокая выходная мощность, можно разместить компактные реакторы. Советский Союз добился больших успехов в разработке атомных электростанций, оснащенных более чем 30 космическими аппаратами (в США в космосе был испытан только один). При тепловой мощности около 100 кВт эти установки обеспечивали более 5 кВт мощности. Будущие ядерные установки мощностью в мегаватты станут полноценной заменой классическим ракетным двигателям и проложат путь к освоению Луны и Марса.

«Взрыволеты» и реальность

О том, что покорить Солнечную систему с помощью химических ракет будет сложно, было известно еще со времен Циолковского. А альтернативные варианты топлива существуют уже давно. Когда человек приручил мирного человека, возник вопрос, как он может применить его для продвижения в космосе. Были также идеи об использовании атомных бомб. Идея заключается в том, чтобы сбросить его с корабля, запустить с расстояния и использовать импульс организма через систему амортизации.

Такие «взрывные устройства» (ядерные космические корабли) даже испытывались в США в конце 1950-х годов. Метр в диаметре и весом 105 кг — хотя это было сделано без взрыва ядерной бомбы. Они были заменены взрывными шариками C4 весом 1 кг. По крайней мере, это было интересно.

Но, конечно, даже во времена холодной войны испытания и даже запуск в атмосферу Земли аппарата, требующего тысячи ядерных взрывов, считались слишком дорогостоящими. А потенциальных эксплуатационных проблем у «взрывных аппаратов» было много — от эрозии крыльчатки до воздействия электромагнитных импульсов от взрывов на земле и на орбитальных объектах.

Хотя от жестокой идеи сбросить ядерную бомбу на космический корабль отказались, количество энергии, которое может дать реакция деления, продолжало интересовать инженеров. Так появились вышеупомянутые NERVA и RD-0410. Они предусматривали нагрев водорода с помощью ядерной энергии для усиления ядерных ракетных двигателей.

Вернер фон Браун, отец лунной программы США, был очень оптимистичен в том, что три двигательные установки ракеты NERVA смогут доставить американских астронавтов прямо на Марс уже в августе 1982 года. Однако план, предложенный в 1969 году, так и не был реализован. Интерес сверхдержав к космической гонке ослабевал, бюджеты сокращались, и к концу 1972 года разработка ядерных двигателей в США прекратилась.

Советский РД-0410 мог бы стать двигателем для доставки советских космонавтов на Марс к 1994 году. Однако это не помогло. Реактор был испытан в конце 1970-х и начале 1980-х годов на Семипалатинском ядерном полигоне (ныне в Казахстане). Рост постепенно прекратился в середине 1980-х годов.

Егор продолжил: «Существует обширный список перспективных, вымышленных и даже термоядерных космических реакторов.» Реактивные двигатели сами по себе являются расщепляющимся материалом. Ядерные ракетные двигатели, использующие водород или другие газы в качестве топлива, необходимо хранить в больших количествах, из-за ограничений по массе это не получится.

Наиболее перспективной является ядерная двигательная установка (ЯДУ), которая использует ядерный реактор в качестве единственного источника энергии, а движение обеспечивается ионным или плазменным двигателем. Основными препятствиями для разработки ядерной двигательной установки этого типа являются ограничения по массе запускаемых космических аппаратов, максимально высокие требования к надежности компонентов и отсутствие теплообмена с внешней средой.

Ядерная электродвигательная установка мегаваттного класса

В ядерном двигателе, описанном выше, реактор «непосредственно вращает колеса» для приведения в движение, в то время как в MAC он ограничивается выработкой энергии для «колесовращающей» установки. В двух словах, это работает потому, что газы из реактора вращают турбину, турбина вращает генератор, а генератор вырабатывает электричество для плазменного двигателя. Кроме того, в отличие от прямоточных ядерных двигателей, на выходе из двигателя нет радиоактивных струй.

-На Земле большие водоемы, такие как озера и реки, могут быть использованы в качестве третьего контура для реактора. Ядерные реактивные двигатели также охлаждаются входящими потоками воздуха. В космосе устройство находится в вакууме и является хладагентом. Они охлаждаются только за счет излучения. Для этого необходимо использовать гигантские излучатели (ГИ), которые являются самыми тяжелыми элементами в ядерных установках.

Около 15 лет назад произошла революция в развитии орбитальных электростанций. Ученые предложили использовать так называемые CI-капли. Это установка, похожая на душ, по принципу, когда жидкий теплоноситель во втором контуре не циркулирует в трубах, а распыляется в виде капель прямо на улицу, где выделяет тепло, которое затем улавливается и рециркулируется. В настоящее время эта технология готовится к испытаниям на орбите.

В 2009 году Россия объявила, что Роскосмос и Росатом работают над мегаваттной ядерной двигательной установкой. Прототип должен был быть испытан в космосе 30 марта этого года, но до сих пор ничего не слышно. Россия намерена использовать аппарат для начала исследования Солнечной системы.

В качестве хладагента для оборудования будет использоваться смесь гелия и ксенона. Уже был испытан генератор с турбонаддувом для преобразования тепла в электричество, а в 2016 году была испытана серия новых электроионных ракетных двигателей. Только главный производитель завода, Научно-исследовательский центр имени Келдыша, был оштрафован год назад за нарушение сроков. Согласно государственному контракту, строительство должно быть завершено к 25 ноября 2018 года.

Создание двигательной установки мегаваттной мощности станет крупным открытием для освоения человеком Солнечной системы. Будет построено несколько межпланетных автобусов. Соотношение мощности и дальности полета позволит им достичь Марса и вернуться без дозаправки всего за три месяца. Для сравнения, космическому кораблю с самыми современными химическими двигателями на ближайшей к нам планете пришлось бы лететь более года, а главное, не хватило бы топлива для возвращения.

В настоящее время у властей нет препятствий для строительства мегаваттных станций. Наибольшие трудности остаются в создании трех ключевых элементов двигательной установки. Во-первых, это генератор с турбонаддувом, который работает при температуре 1500 градусов Цельсия и имеет скорость вращения турбины 60 000 об/мин. Такая система может нормально функционировать на Земле, но подготовить генератор к длительной эксплуатации без технического обслуживания в космосе в условиях гравитации нелегко. Во-вторых, это система капельного охлаждения, которую я описал выше. Такая система никогда ранее не использовалась и является нашей единственной эволюцией, которую практически невозможно испытать в наземных условиях. Наконец, в-третьих, важной задачей является сборка и механизация космических аппаратов. Он помещается под крышкой полезной нагрузки ракеты-носителя и должен быть развернут на орбите в огромную, сложную конструкцию, состоящую из множества мачт и щитов. Как и все традиционные системы ориентации, маневрирования и телеметрии.

Оцените статью