Moteurs nucléaires pour engins spatiaux. Moteurs nucléaires et fusées à plasma

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 poussées spécifiques sont excessivement élevées pour la plupart des vols à l'intérieur 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 résolus dans en entier. 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 un autre substance liquide), qui s'évapore puis se détend plus ou moins diabatiquement 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 fonctionnement non stationnaire permet à un tel système de développer des pressions et des températures plus élevées 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 les explosions se produisent à l'intérieur d'un certain volume impose des restrictions importantes sur la pression et la température dans la chambre, et donc sur la valeur réalisable de la poussée spécifique. De ce fait, malgré les nombreux avantages d'un NRE pulsé à action interne, un NRE pulsé action extérieure s'est avéré plus simple et plus efficace en raison de l'utilisation de la gigantesque quantité 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). A chaque explosion, une partie des fragments gazeux de fission en expansion sous forme de plasma avec haute densité et la 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 les travaux de recherche et développement (ARPA), l'US Air Force, la NASA et General Dynamics pendant neuf ans, après quoi les travaux dans ce sens ont été temporairement arrêtés pour reprendre à l'avenir, puisque ce type de système de propulsion a été choisi en 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. orbites terrestres 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 d'un NRE pulsé était associé à un problème politique, puisqu'il utilisait des charges nucléaires.

Erike K.A. (Krafft A. Ehricke)

Un moteur-fusée, dont le fluide de travail est soit une substance (par exemple, de l'hydrogène), chauffé en raison de l'énergie libérée pendant réaction nucléaire ou la désintégration radioactive, ou directement les produits de ces réactions. Distinguer… … Grand dictionnaire encyclopédique

Un moteur-fusée dans lequel le fluide de travail est soit une substance (par exemple, l'hydrogène) chauffée par l'énergie libérée lors d'une réaction nucléaire ou d'une désintégration radioactive, soit directement par les produits de ces réactions. Est dans… … Dictionnaire encyclopédique

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

- (NRE) un moteur-fusée dans lequel la poussée est créée en raison de l'énergie libérée lors de la désintégration radioactive ou d'une réaction nucléaire. Selon le type de réaction nucléaire se déroulant dans la NRE, un moteur-fusée à radio-isotopes est isolé, ... ...

- (YARD) moteur-fusée, dans lequel la source d'énergie est le combustible nucléaire. Dans le YARD avec un réacteur nucléaire. La chaleur dégagée à la suite d'une réaction nucléaire en chaîne est transférée au fluide de travail (par exemple, l'hydrogène). Le coeur d'un réacteur nucléaire ... ...

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Un moteur-fusée nucléaire (NRE) est un type de moteur-fusée qui utilise l'énergie de la fission ou de la fusion nucléaire pour créer une poussée de jet. Ils sont en fait réactifs (chauffant le fluide de travail dans un réacteur nucléaire et éliminant le gaz à travers ... ... Wikipedia

Un moteur à réaction dont la source d'énergie et le fluide de travail se trouvent dans le véhicule lui-même. Le moteur-fusée est le seul pratiquement maîtrisé pour lancer une charge utile sur l'orbite d'un satellite terrestre artificiel et l'utiliser dans ... ... Wikipedia

- (RD) Un moteur à réaction qui utilise pour son travail uniquement des substances et des sources d'énergie disponibles en stock sur un véhicule en mouvement (avion, sol, sous-marin). Ainsi, contrairement à l'air moteurs à réaction(Cm.… … Grande Encyclopédie soviétique

Moteur de fusée isotopique, un moteur de fusée nucléaire qui utilise l'énergie de la désintégration des isotopes radioactifs de produits chimiques. éléments. Cette énergie sert à chauffer le fluide de travail, ou les produits de désintégration eux-mêmes sont le fluide de travail, formant ... ... Grand dictionnaire polytechnique encyclopédique

À la fin de l'année dernière, les Forces de missiles stratégiques russes ont testé une toute nouvelle arme, dont l'existence, comme on le pensait auparavant, était impossible. Le missile de croisière à propulsion nucléaire, que les experts militaires appellent 9M730, est exactement la nouvelle arme dont le président Poutine a parlé dans son discours Assemblée fédérale. Le test de la fusée a été effectué vraisemblablement sur le site de test nouvelle terre, provisoirement à la fin de l'automne 2017, cependant, les données exactes ne seront pas déclassifiées de sitôt. Le développeur de la fusée, vraisemblablement également, est le Novator Experimental Design Bureau (Ekaterinbourg). Selon des sources compétentes, la fusée a atteint la cible en mode normal et les tests ont été reconnus comme totalement réussis. En outre, des photographies présumées du lancement (ci-dessus) d'un nouveau missile avec une centrale nucléaire sont apparues dans les médias, et même des preuves indirectes liées à la présence à l'heure estimée des essais à proximité immédiate du site d'essai du " vol laboratoire" Il-976 LII Gromov avec les marques Rosatom. Cependant, d'autres questions ont émergé. La capacité déclarée de la fusée à voler sur une distance illimitée est-elle réaliste et comment y parvient-elle ?

Caractéristiques d'un missile de croisière avec une centrale nucléaire

Les caractéristiques du missile de croisière à propulsion nucléaire qui sont apparues dans les médias immédiatement après le discours de Vladimir Poutine peuvent différer des vraies, qui seront connues plus tard. À ce jour, les données suivantes sur la taille et les caractéristiques de performance de la fusée sont devenues publiques :

Longueur
- domicile- pas moins de 12 mètres,
- marcher- pas moins de 9 mètres,

Diamètre du corps de la fusée- environ 1 mètre,
Largeur de coque- environ 1,5 mètre,
hauteur de la queue- 3,6 - 3,8 mètres

Le principe de fonctionnement du missile de croisière à propulsion nucléaire russe

Le développement de missiles avec une centrale nucléaire a été réalisé par plusieurs pays à la fois, et le développement a commencé dans les lointaines années 1960. Les conceptions proposées par les ingénieurs ne différaient que par des détails, le principe de fonctionnement peut être décrit de manière simplifiée comme suit: le réacteur nucléaire chauffe le mélange entrant dans des conteneurs spéciaux ( différentes variantes, de l'ammoniac à l'hydrogène) avec éjection ultérieure à travers des buses sous haute pression. Cependant, la version du missile de croisière mentionnée Président russe, ne correspond à aucun des exemples de conceptions développés précédemment.

Le fait est que, selon Poutine, le missile a une portée de vol presque illimitée. Ceci, bien sûr, ne peut pas être compris de telle manière qu'une fusée puisse voler pendant des années, mais cela peut être considéré comme indication directe le fait que la portée de son vol dépasse plusieurs fois la portée des missiles de croisière modernes. Le deuxième point, qui ne peut être négligé, est également associé à la plage de vol illimitée déclarée et, par conséquent, au fonctionnement de l'unité de puissance du missile de croisière. Par exemple, un réacteur à neutrons thermiques hétérogènes testé dans le moteur RD-0410, qui a été développé par Kurchatov, Keldysh et Korolev, avait une durée de vie de test de seulement 1 heure, et dans ce cas, il ne peut y avoir de plage de vol illimitée d'une telle croisière missile avec un moteur nucléaire.

Tout cela suggère que les scientifiques russes ont proposé un concept de structure complètement nouveau, jusque-là inconsidéré, dans lequel une substance est utilisée pour le chauffage et l'éjection ultérieure de la buse, qui dispose d'une ressource beaucoup plus économique pour les dépenses sur de longues distances. Par exemple, il pourrait s'agir d'une centrale nucléaire moteur d'avion(YaVRD) d'un tout nouveau modèle, dans lequel la masse de travail est air atmosphérique, pompé dans des réservoirs de travail par des compresseurs, chauffé par une installation nucléaire avec éjection ultérieure à travers des buses.

Il convient également de noter que le missile de croisière à centrale nucléaire annoncé par Vladimir Poutine est capable de survoler des zones actions actives systèmes de défense aérienne et antimissile, ainsi que pour garder le chemin vers la cible à basse et très basse altitude. Cela n'est possible qu'en équipant le missile de systèmes de suivi de terrain résistants aux interférences créées par les équipements de guerre électronique ennemis.

La déclaration faite par Vladimir Poutine lors de son allocution à l'Assemblée fédérale sur la présence en Russie d'un missile de croisière à propulsion nucléaire a provoqué un grand émoi dans la société et les médias. Dans le même temps, on savait peu de choses sur ce qu'est un tel moteur et sur les possibilités de son utilisation, tant pour le grand public que pour les spécialistes.

"Reedus" a essayé de comprendre ce dispositif technique le président pourrait-il parler et quelle est sa singularité.

Considérant que la présentation au Manège n'était pas destinée à un public de spécialistes techniques, mais au grand public, ses auteurs pouvant permettre une certaine substitution de concepts, le directeur adjoint de l'Institut n'exclut pas Physique nucléaire et technologie Université nationale de recherche nucléaire MEPhI Georgy Tikhomirov.

«Ce que le président a dit et montré, les experts appellent des centrales électriques compactes, des expériences avec lesquelles ont d'abord été menées dans l'aviation, puis lors de l'exploration de l'espace lointain. Il s'agissait de tentatives pour résoudre le problème insoluble d'un carburant suffisant pour des vols sur des distances illimitées. En ce sens, la présentation est absolument correcte : la présence d'un tel moteur fournit de l'énergie aux systèmes d'une fusée ou de tout autre appareil pendant une durée arbitrairement longue », a-t-il déclaré à Reedus.

Les travaux avec un tel moteur en URSS ont commencé il y a exactement 60 ans sous la direction des académiciens M. Keldysh, I. Kurchatov et S. Korolev. Dans les mêmes années, des travaux similaires ont été menés aux États-Unis, mais ont été interrompus en 1965. En URSS, les travaux se sont poursuivis pendant environ une décennie avant d'être également reconnus comme non pertinents. C'est peut-être pour cette raison que Washington n'a pas beaucoup grimacé, disant qu'ils n'étaient pas surpris par la présentation du missile russe.

En Russie, l'idée d'un moteur nucléaire n'est jamais morte - en particulier, depuis 2009, le développement pratique d'une telle installation est en cours. A en juger par le timing, les tests annoncés par le président s'inscrivent parfaitement dans ce projet commun de Roscosmos et Rosatom, puisque les développeurs prévoyaient de mener des tests sur le terrain du moteur en 2018. Peut-être que pour des raisons politiques, ils se sont un peu relevés et ont déplacé les délais « vers la gauche ».

« Technologiquement, il est agencé de manière à ce que la centrale nucléaire chauffe le gaz caloporteur. Et ce gaz chauffé fait tourner la turbine ou crée poussée du jet directement. Une certaine ruse dans la présentation de la fusée, que nous avons entendue, est que la portée de son vol n'est toujours pas infinie: elle est limitée par le volume du fluide de travail - le gaz liquide, qui peut physiquement être pompé dans les réservoirs de la fusée, », précise le spécialiste.

À la fois, Fusée spatiale et un missile de croisière sont des schémas de commande de vol fondamentalement différents, car ils ont des tâches différentes. Le premier vole dans un espace sans air, il n'a pas besoin de manœuvrer - il suffit de lui donner une impulsion initiale, puis il se déplace le long de la trajectoire balistique calculée.

Un missile de croisière, au contraire, doit continuellement changer sa trajectoire, pour laquelle il doit avoir suffisamment de carburant pour créer des impulsions. Ce combustible sera-t-il allumé par une centrale nucléaire ou une centrale traditionnelle - en ce cas pas fondamental. Seul l'approvisionnement en ce carburant est important, souligne Tikhomirov.

"Sens installation nucléaire lors d'un vol vers espace profond- c'est la présence d'une source d'énergie à bord pour alimenter les systèmes de l'appareil pendant une durée illimitée. En même temps, ce n'est peut-être pas seulement réacteur nucléaire, mais aussi des générateurs thermoélectriques à radio-isotopes. Et le sens d'une telle installation sur une fusée, dont le vol ne durera pas plus de quelques dizaines de minutes, ne m'est pas encore tout à fait clair », avoue le physicien.

Le rapport du Manège n'avait que quelques semaines de retard par rapport à l'annonce de la NASA le 15 février selon laquelle les Américains reprenaient les recherches sur la propulsion des fusées nucléaires qu'ils avaient abandonnées il y a un demi-siècle.

Soit dit en passant, en novembre 2017, la China Aerospace Science and Technology Corporation (CASC) a déjà annoncé qu'avant 2045, un vaisseau spatial à propulsion nucléaire serait créé en Chine. Par conséquent, nous pouvons aujourd'hui affirmer avec certitude que la course mondiale à la propulsion nucléaire a commencé.

Moteur de fusée nucléaire - un moteur de fusée dont le principe est basé sur une réaction nucléaire ou une désintégration radioactive, tandis que de l'énergie est libérée qui chauffe le fluide de travail, qui peut être des produits de réaction ou une autre substance, telle que l'hydrogène. Il existe plusieurs types de moteurs de fusée qui utilisent le principe de fonctionnement ci-dessus : nucléaire, radio-isotope, thermonucléaire. En utilisant des moteurs-fusées nucléaires, il est possible d'obtenir des valeurs d'impulsion spécifiques bien supérieures à celles que peuvent donner les moteurs-fusées chimiques. La valeur élevée de l'impulsion spécifique s'explique par la vitesse élevée d'expiration du fluide de travail - environ 8 à 50 km/s. La force de poussée d'un moteur nucléaire est comparable à celle des moteurs chimiques, ce qui permettra de remplacer à l'avenir tous les moteurs chimiques par des moteurs nucléaires.

Le principal obstacle sur le chemin remplacement complet est une contamination radioactive environnement causés par les moteurs de fusées nucléaires.

Ils sont divisés en deux types - en phase solide et en phase gazeuse. Dans le premier type de moteurs, la matière fissile est placée dans des assemblages de barres à surface développée. Cela permet de chauffer efficacement le fluide de travail gazeux, généralement l'hydrogène agit comme fluide de travail. Taux d'expiration limité Température maximale le fluide de travail, qui, à son tour, dépend directement de la température maximale admissible des éléments structurels, et il ne dépasse pas 3000 K. Dans les moteurs de fusée nucléaires à phase gazeuse, la substance fissile est à l'état gazeux. Son maintien dans zone de travail réalisée par l'impact Champ électromagnétique. Pour ce type de moteurs de fusées nucléaires, les éléments structurels ne sont pas dissuasifs, de sorte que la vitesse d'expiration du fluide de travail peut dépasser 30 km/s. Ils peuvent être utilisés comme moteurs de premier étage, malgré les fuites de matière fissile.

Dans les années 70. 20ième siècle aux États-Unis et en Union soviétique, des moteurs de fusée nucléaires contenant des matières fissiles en phase solide ont été activement testés. Aux États-Unis, un programme était en cours d'élaboration pour créer un moteur-fusée nucléaire expérimental dans le cadre du programme NERVA.

Les Américains ont mis au point un réacteur en graphite refroidi par de l'hydrogène liquide, qui était chauffé, évaporé et éjecté à travers une tuyère de fusée. Le choix du graphite était dû à sa résistance à la température. Selon ce projet, l'impulsion spécifique du moteur résultant devait être le double de la caractéristique indicatrice correspondante des moteurs chimiques, avec une poussée de 1100 kN. Le réacteur Nerva était censé fonctionner dans le cadre du troisième étage du lanceur Saturn V, mais en raison de la fermeture du programme lunaire et de l'absence d'autres tâches pour les moteurs-fusées de cette classe, le réacteur n'a jamais été testé en pratique.

À l'heure actuelle, un moteur de fusée nucléaire en phase gazeuse est au stade de développement théorique. Dans un moteur nucléaire en phase gazeuse, il est prévu d'utiliser du plutonium dont le jet de gaz lent est entouré d'un flux plus rapide d'hydrogène de refroidissement. En orbite stations spatiales MIR et ISS ont mené des expériences qui pourraient donner une impulsion à la poursuite du développement moteurs à phase gazeuse.

Aujourd'hui, on peut dire que la Russie a un peu "gelé" ses recherches dans le domaine des systèmes de propulsion nucléaire. Les travaux des scientifiques russes sont davantage axés sur le développement et l'amélioration des composants et assemblages de base des systèmes de propulsion nucléaires, ainsi que sur leur unification. Direction prioritaire la poursuite des recherches dans ce domaine est la création de centrales nucléaires capables de fonctionner selon deux modes. Le premier est le mode d'un moteur de fusée nucléaire, et le second est le mode d'installation de génération d'électricité pour alimenter les équipements installés à bord du vaisseau spatial.