Крилаті ракети з ядерним двигуном. Принцип роботи, фото. Ядерні ракетні двигуни та ядерні ракетні електродвигунні установки

Безпечний спосіб використання ядерної енергії в космосі винайдено ще в СРСР, і зараз ведуться роботи зі створення на його основі ядерної установки. генеральний директорДержавного наукового центруРФ «Дослідний центр імені Келдиша», академік Анатолій Коротєєв.

«Зараз інститут активно у цьому напрямі працює у великій кооперації підприємств Роскосмосу та Росатому. І я сподіваюся, що у встановлений термін ми тут отримаємо позитивний ефект», – заявив А.Коротеєв на щорічних «Королівських читаннях» у МДТУ імені Баумана у вівторок.

За його словами, «Центр імені Келдиша» винайшов схему безпечного використанняядерної енергії в космічному просторі, що дозволяє обійтися без викидів і працює за замкнутою схемою, що робить установку безпечною навіть у разі відмови та падіння її на Землю.

«Ця схема значною мірою знижує ризик використання ядерної енергії, особливо з урахуванням того, що одним із основних моментів є експлуатація цієї системи на орбітах вище 800-1000 км. Тоді, у разі відмови, час «висвічування» такий, що він убезпечує повернення через великий проміжок часу цих елементів на Землю», — уточнив учений.

А.Коротєєв повідомив, що раніше в СРСР вже застосовувалися космічні апарати, що працюють на ядерній енергії, але вони були потенційно небезпечними для Землі, і згодом від них довелося відмовитись. «СРСР використав ядерну енергію у космосі. У космосі було 34 космічні апарати з ядерною енергією, з яких 32 радянські і два американські», — нагадав академік.

За його словами, ядерна установка, що розробляється в Росії, буде полегшена за рахунок використання безкаркасної системи охолодження, при якій охолоджувач ядерного реактора циркулюватиме безпосередньо в космічному просторі без системи трубопроводів.

Адже ще на початку 1960-х років конструктори розглядали ядерні ракетні двигуни як єдину реальну альтернативу для подорожі до інших планет Сонячної системи. Давайте дізнаємось історію цього питання.

Змагання між СРСР та США, у тому числі й у космосі, відбувалося в цей час повним ходом, Інженери і вчені вступили в гонку зі створення ЯРД, військові теж підтримали спочатку проект ядерного ракетного двигуна. Спочатку завдання здавалося дуже простим – треба тільки зробити реактор, розрахований на охолодження воднем, а не водою, прилаштувати до нього сопло, і – вперед, до Марса! Американці збиралися на Марс років через десять після Місяця і не могли навіть подумати про те, що астронавти його колись досягнуть без ядерних двигунів.

Американці дуже швидко збудували перший реактор-прототип і вже в липні 1959 року провели його випробування (вони називалися KIWI-A). Ці випробування лише показали, що реактор можна використовувати для нагрівання водню. Конструкція реактора - із незахищеним паливом із оксиду урану - не годилася для високих температур, і водень нагрівався всього до півтори тисячі градусів.

У міру накопичення досвіду конструкція реакторів для ядерного ракетного двигуна – ЯРД – ускладнювалася. Оксид урану було замінено більш термостійкий карбід, до того ж його почали покривати карбідом ніобію, але за спробах досягти проектної температури реактор починав руйнуватися. Більше того, навіть за відсутності макроскопічних руйнувань відбувалася дифузія уранового палива в водень, що охолоджує, і втрата маси досягала 20% за п'ять годин роботи реактора. Так і не було знайдено матеріал, здатний працювати при 2700-3000 0 С та протистояти руйнуванню гарячим воднем.

Тому американці вирішили пожертвувати ефективністю і в проект льотного двигуна заклали питомий імпульс (тяга в кілограмах сили, що досягається при щосекундному викиді одного кілограма маси робочого тіла; одиниця вимірів - секунда). 860 секунд. Це вдвічі перевищувало відповідний показник кисень-водневих двигунів на той час. Але коли в американців стало щось виходити, інтерес до пілотованих польотів вже впав, програма «Аполлон» була згорнута, а в 1973 остаточно закрили проект «NERVA» (так назвали двигун для пілотованої експедиції на Марс). Вигравши місячну гонку, американці не захотіли влаштовувати марсіанську.

Але уроки, що були зроблені з десятка побудованих реакторів і кількох десятків проведених випробувань, полягали в тому, що американські інженери надто захопилися натурними ядерними випробуваннями, замість відпрацьовувати ключові елементи без залучення ядерної технології там, де цього можна уникнути. А де не можна – використовувати стенди меншого розміру. Американці майже всі реактори «ганяли» на повній потужності, але не змогли дістатися проектної температури водню - реактор починав руйнуватися раніше. Усього з 1955 по 1972 роки на програму ядерних ракетних двигунів було витрачено $1,4 млрд - приблизно 5% вартості місячної програми.

Також у США було придумано проект «Оріон», який поєднував у собі обидва варіанти ЯРД (реактивний та імпульсний). Зроблено це було так: з хвостової частини корабля викидалися невеликі ядерні заряди потужністю близько 100 тонн у тротиловому еквіваленті. Слідом за ними відстрілювалися металеві диски. На відстані від корабля проводився підрив заряду, диск випаровувався, і речовина розліталася в різні боки. Частина його потрапляла до посиленої хвостової частини корабля і рухала його вперед. Невеликий додаток до тяги мало давати випаровування плити, що приймає на себе удари. Питома вартість такого польоту мала бути лише 150 тодішніх. доларівна кілограм корисного навантаження.

Дійшло навіть до випробувань: досвід показав, що рух за допомогою послідовних імпульсів можливий, як і виробництво кормової плити достатньої міцності. Але проект «Оріон» було закрито 1965 року як неперспективний. Проте це поки що єдина існуюча концепція, яка може дозволити здійснювати експедиції хоча б за Сонячною системою.

У першій половині 1960-х років радянські інженери розглядали експедицію на Марс як логічне продовження програми польоту людини на Місяць. На хвилі наснаги, викликаної пріоритетом СРСР у космосі, навіть такі надзвичайно складні проблемиоцінювалися з підвищеним оптимізмом.

Однією з найголовніших проблем була (і залишається досі) проблема енергорухового забезпечення. Було ясно, що ЖРД, навіть перспективні киснево-водневі, якщо й можуть у принципі забезпечити пілотований політ на Марс, то лише за величезних стартових мас міжпланетного комплексу, з великою кількістю стикувань окремих блоків на монтажній навколоземній орбіті.

У пошуках оптимальних рішень вчені та інженери звернулися до ядерної енергії, поступово придивляючись до цієї проблеми.

У СРСР дослідження з проблем використання енергії ядра в ракетно-космічній техніці розпочалися у другій половині 50-х років, ще до запуску перших ШСЗ. У кількох науково-дослідних інститутах виникли невеликі групи ентузіастів, які поставили за мету створення ракетних та космічних ядерних двигунів та енергоустановок.

Конструктори ОКБ-11 С.П.Королева разом із фахівцями НДІ-12 під керівництвом В.Я.Лихушина розглядали кілька варіантів космічних і бойових (!) ракет, оснащених ядерними ракетними двигунами (ЯРД). В якості робочого тіла оцінювалися вода та скраплені гази– водень, аміак та метан.

Перспектива була перспективною; Поступово роботи знайшли розуміння та фінансове забезпечення в уряді СРСР.

Вже перший аналіз показав, що серед безлічі можливих схем космічних ядерних енергорухових установок (ЯЕДУ) найбільші перспективи мають три:

• з твердофазним ядерним реактором;
• з газофазним ядерним реактором;
• електроядерні ракетні ЕДУ.

Схеми відрізнялися принципово; з кожної з них намітили кілька варіантів для розгортання теоретичних та експериментальних робіт.

Найбільш близьким до реалізації був твердофазний ЯРД. Стимулом до розгортання робіт у цьому напрямку послужили аналогічні розробки, що проводилися в США з 1955 р. за програмою ROVER, а також перспективи (як тоді здавалося) створення вітчизняного міжконтинентального літака-бомбардувальника, що пілотується, з ЯЕДУ.

Твердофазний ЯРД працює як прямоточний двигун. Рідкий водень надходить у соплову частину, охолоджує корпус реактора, тепловиділяючі зборки (ТВЗ), сповільнювач, а далі розгортається і потрапляє всередину ТВС, де нагрівається до 3000 К і викидається в сопло, прискорюючись до високих швидкостей.

Принципи роботи ЯРД не викликали сумнівів. Однак конструктивне виконання (і характеристики) його багато в чому залежали від «серця» двигуна – ядерного реактора та визначалися, насамперед, його «начинкою» – активною зоною.

Розробники перших американських (і радянських) ЯРД стояли за гомогенний реактор із графітовою активною зоною. Декілька особняком йшли роботи пошукової групи з нових видів високотемпературного палива, створеної 1958 р. в лабораторії №21 (керівник – Г.А.Меєрсон) НДІ-93 (директор – А.А.Бочвар). Під впливом розгорнутих у той час робіт з реактора для літака (соти з оксиду берилію) в групі зробили спроби (знову ж таки пошукові) отримати матеріали на основі карбіду кремнію і цирконію, стійкі до окислення.

За спогадами Р.Б. Котельникова, співробітника НДІ-9, навесні 1958 р. у керівника лабораторії №21 відбулася зустріч із представником НДІ-1 В.Н.Богіним. Він розповів, що як основний матеріал для тепловиділяючих елементів (твелів) реактора в їхньому інституті (до речі, на той час головному в ракетній галузі; начальник інституту В.Я.Ліхушин, науковий керівник М.В.Келдиш, начальник лабораторії В.М . Євлєв) застосовують графіт. Зокрема вже навчилися наносити на зразки покриття для захисту від водню. З боку НДІ-9 було запропоновано розглянути можливість застосування карбідів UC-ZrC як основи твелів.

Через короткий час з'явився ще один замовник на твели – ОКБ М.М.Бондарюка, що ідейно конкурувало з НДІ-1. Якщо останній стояв за багатоканальну цільноблочну конструкцію, то ОКБ М.М.Бондарюка взяло курс на розбірний пластинчастий варіант, орієнтуючись на легкість механообробки графіту та не бентежачись складністю деталей – пластин міліметрової товщини з такими ж реберцями. Карбіди обробляються набагато складніше; тоді з них неможливо було виготовити такі деталі, як багатоканальні блоки та пластини. Стала зрозумілою необхідність створення якоїсь іншої конструкції, що відповідає специфіці карбідів.

Наприкінці 1959 р. – початку 1960 р. було знайдено вирішальне умова для твелів ЯРД – стрижневий тип сердечника, який задовольняє замовників – НДІ Ліхушина та ОКБ Бондарюка. Як основну їм обгрунтували схему гетерогенного реактора на теплових нейтронах; її основні переваги (порівняно з альтернативним гомогенним графітовим реактором) такі:

• можливо використовувати низькотемпературний водневмісний сповільнювач, що дозволяє створити ЯРД з високою масовою досконалістю;
• можна розробити малорозмірний прототип ЯРД тягою близько 30...50 кН з високим ступенем наступності для двигунів і ЯЕДУ наступного покоління;
• можливо широко застосовувати в твелах та інших деталях конструкції реактора тугоплавкі карбіди, що дозволяє максимально збільшити температуру нагрівання робочого тіла та забезпечити підвищений питомий імпульс;
• можливо поелементно автономно відпрацювати основні вузли та системи ЯРД (ЯЕДУ), такі як тепловиділяючі зборки, сповільнювач, відбивач, турбонасосний агрегат (ТНА), систему керування, сопло та ін; це дозволяє проводити відпрацювання паралельно, скорочуючи обсяг дорогих комплексних випробувань енергоустановки загалом.

Приблизно у 1962–1963 роках. роботи з проблеми ЯРД очолив НДІ-1, що має потужну експериментальну базу та чудові кадри. Їм не вистачало лише технології з урану, а також ядерників. Із залученням НДІ-9, а потім і ФЕІ склалася кооперація, яка взяла за ідеологію створення мінімального по тязі (близько 3.6 тс), але справжнього літнього двигуна з прямоточним реактором ІР-100 (випробувальний або дослідний, потужністю 100 МВт, головний конструктор - Ю.А.Трескін). Підтриманий постановами уряду, НДІ-1 будував електродугові стенди, що незмінно вражали – десятки балонів по 6–8 м висоти, величезні горизонтальні камери потужністю понад 80 кВт, броньове скло у боксах. Учасників нарад надихали барвисті плакати із схемами польотів до Місяця, Марса тощо. Передбачалося, що у процесі створення та випробувань ЯРД буде вирішено питання конструкторського, технологічного, фізичного плану.

На думку Р.Котельникова, справа, на жаль, ускладнювалася не дуже чіткою позицією ракетників. Міністерство загального машинобудування (МОМ) з великими труднощами фінансувало програму випробувань та будівництво стендової бази. Здавалося, що МОМ немає бажання чи можливостей просувати програму ЯРД.

До кінця 1960-х років підтримка конкурентів НДІ-1 – ІАЕ, ПНІТІ та НДІ-8 – була значно серйознішою. Міністерство середнього машинобудування («атомники») активно підтримувало їхню розробку; «петльовий» реактор ІВГ (з активною зоною та складаннями центрального каналу стрижневого типу розробки НДІ-9) у результаті до початку 70-х років вийшов на перший план; у ньому почалися випробування ТВС.

Тепер, через 30 років, видається, що лінія ІАЕ була більш правильною: спочатку - надійна «земна» петля - відпрацювання твелів і збірок, а потім створення льотного ЯРД необхідної потужності. Але тоді здавалося, що можна дуже швидко зробити справжній двигун, нехай маленький… Однак, оскільки життя показало, що об'єктивної (або навіть суб'єктивної) потреби в такому двигуні не було (до цього можна додати, що серйозність негативних моментів цього напрямку, наприклад міжнародних угод про ядерні пристрої в космосі, спочатку сильно недооцінювалася), то відповідно більш правильною і продуктивною виявилася фундаментальна програма, цілі якої були вузькими і конкретними.

1 липня 1965 р. було розглянуто ескізний проект реактора ІР-20-100. Кульмінацією став випуск техпроекту тепловиділяючих збірок ІР-100 (1967 р.), що складаються зі 100 стрижнів (UC-ZrC-NbC та UC-ZrC-C для вхідних секцій та UC-ZrC-NbC для вихідний). НДІ-9 був готовий до випуску великої партії стрижневих елементів майбутньої активної зони ІР-100. Проект був дуже прогресивний: приблизно через 10 років практично без істотних змін він був використаний в зоні апарату 11Б91, і навіть зараз всі основні рішення зберігаються в збірках подібних реакторів іншого призначення, вже зовсім з іншим ступенем розрахункового та експериментального обґрунтування.

«Ракетна» частина першого вітчизняного ядерного РД-0410 була розроблена у воронезькому Конструкторському бюро хімічної автоматики (КБХА), «реакторна» (нейтронний реактор та питання радіаційної безпеки) – Інститутом фізики та енергії (Обнінськ) та Курчатівським інститутом атомної енергії.

КБХА відоме своїми роботами в галузі ЗРД для балістичних ракет, КА та РН. Тут було розроблено близько 60 зразків, 30 з яких доведено до серійного виробництва. У КБХА до 1986 р. був створений і найпотужніший у країні однокамерний киснево-водневий двигун РД-0120 тягою 200 тс, використаний як маршовий на другому ступені комплексу «Енергія-Буран». Ядерний РД-0410 створювався спільно з багатьма оборонними підприємствами, КБ та НДІ.

Згідно з прийнятою концепцією, рідкі водень і гексан (інгібуюча присадка, що знижує наводження карбідів та збільшує ресурс твелів) подавалися за допомогою ТНА в гетерогенний реактор на теплових нейтронах з ТВС, оточеними сповільнювачем з гідриду цирконію. Їхні оболонки охолоджувалися воднем. Відбивач мав приводи для повороту поглинальних елементів (циліндрів з бору карбіду). ТНА включав триступінчастий відцентровий насос і одноступінчасту осьову турбіну.

За п'ять років, з 1966 по 1971 рр., було створено основи технології реакторів-двигунів, а ще через кілька років було введено в дію потужну експериментальну базу під назвою «експедиція №10», згодом дослідна експедиція НВО «Промінь» на Семипалатинському ядерному полігоні. .
Особливі проблеми зустрілися під час випробувань. Звичайні стенди для запуску повномасштабного ЯРД використати було неможливо через радіацію. Випробування реактора вирішили проводити на атомному полігоні в Семипалатинську, а «ракетній частині» – до НДІхіммашу (Загорськ, нині Сергієв Посад).

Для вивчення внутрішньокамерних процесів було виконано понад 250 випробувань на 30 холодних двигунах (без реактора). Як модельний нагрівальний елемент використовувалася камера згоряння киснево-водневого ЗРД 11Д56 розробки КБхіммаш (головний конструктор - А.М.Ісаєв). Максимальний час напрацювання становив 13 тис сек при оголошеному ресурсі 3600 сек.

Для випробувань реактора на Семипалатинському полігоні було збудовано дві спеціальні шахти з підземними службовими приміщеннями. Одна із шахт з'єднувалася з підземним резервуаром для стисненого газоподібного водню. Від використання рідкого водню відмовилися із фінансових міркувань.

У 1976 р. було проведено перший енергетичний запуск реактора ИВГ-1. Паралельно в ОЕ створювався стенд для випробування «рухового» варіанта реактора ІР-100, і через кілька років було проведено його випробування на різній потужності (один із ІР-100 згодом був переобладнаний у матеріалознавчий дослідний реактор малої потужності, який працює досі).

Перед експериментальним запуском реактор опускався до шахти за допомогою встановленого на поверхні козлового крана. Після запуску реактора водень надходив знизу в «котел», розжарювався до 3000 К і вогняним струменем виривався з шахти назовні. Незважаючи на незначну радіоактивність газів, протягом доби перебувати зовні в радіусі півтора кілометра від місця випробувань не дозволялося. До самої шахти не можна було підходити протягом місяця. Півторакілометровий підземний тунель вів із безпечної зони спочатку до одного бункеру, а з нього – до іншого, що знаходиться біля шахт. Цими своєрідними «коридорами» і пересувалися фахівці.

Євлєв Віталій Михайлович

Результати експериментів, проведених з реактором у 1978–1981 рр., підтвердили правильність конструктивних рішень. У принципі ЯРД було створено. Залишалося поєднати дві частини та провести комплексні випробування.

Приблизно в 1985 році РД-0410 (за іншою системою позначень 11Б91) міг би здійснити свій перший космічний політ. Але для цього потрібно було розробити розгінний блок на його основі. На жаль, ця робота не була замовлена ​​жодному космічному КБ, тому є безліч причин. Головна з них – так звана Перебудова. Необдумані кроки призвели до того, що вся космічна галузь миттєво виявилася «в опалі» і 1988 року роботи з ЯРД у СРСР (тоді ще існував СРСР) було припинено. Сталося це не через технічні проблеми, а з нагальних ідеологічних міркувань. А в 1990-му році помер ідейний натхненникпрограм ЯРД у СРСР Віталій Михайлович Євлєв…

Яких основних успіхів досягли розробники, створюючи ЯРД схеми «А»?

Проведено більше півтора десятка натурних випробувань на реакторі ІВГ-1, і отримані наступні результати: максимальна температура водню – 3100 К, питомий імпульс – 925 сек, питоме тепловиділення до 10 МВт/л, загальний ресурс понад 4000 сек при послідовних 10 включений. Ці підсумки значно перевершують американські здобутки на графітових зонах.

Слід зазначити, що за весь час випробувань ЯРД, незважаючи на відкритий вихлоп, вихід радіоактивних уламків поділу не перевищував допустимі норми ні на полігоні, ні за його межами і не був зареєстрований на території суміжних держав.

Найважливішим результатом роботи стало створення вітчизняної технології таких реакторів, отримання нових тугоплавких матеріалів, а факт створення реактора-двигуна породив низку нових проектів та ідей.

Хоча подальший розвиток таких ЯРД було припинено, отримані досягнення є унікальними не лише в нашій країні, а й у світі. Це неодноразово підтверджено останніми роками на міжнародних симпозіумах з космічної енергетики, а також на зустрічах вітчизняних та американських фахівців (на останніх було визнано, що реактор-стенд ІВГ – єдиний на сьогодні у світі працездатний випробувальний апарат, який може відіграти важливу роль в експериментальному відпрацюванні ТВС та атомних ЕДУ).

джерела
http://newsreaders.ru
http://marsiada.ru
http://vpk-news.ru/news/14241

Оригінал статті знаходиться на сайті ІнфоГлаз.рфПосилання на статтю, з якою зроблено цю копію -

Радянські та американські вчені розробляли ракетні двигуни на ядерному паливі із середини XX століття. Далі прототипів та одиничних випробувань ці розробки не просунулися, але зараз єдина ракетна рухова установка, яка використовує ядерну енергію, створюється у Росії. "Реактор" вивчив історію спроб впровадження ядерних ракетних двигунів.

Коли людство тільки почало підкорювати космос, перед вченими постало завдання енергозабезпечення космічних апаратів. Дослідники звернули увагу на можливість використання ядерної енергії у космосі, створивши концепцію ядерного ракетного двигуна. Такий двигун мав використовувати енергію поділу чи синтезу ядер до створення реактивної тяги.

У СРСР вже 1947 року розпочалися роботи зі створення ядерного ракетного двигуна. У 1953 році радянські фахівці зазначали, що «використання атомної енергії дозволить отримати практично необмежені дальності та різко знизити політну вагу ракет» (цитата за виданням «Ядерні ракетні двигуни» за редакцією А.С. Коротєєва, М, 2001). Тоді рухові установки на ядерній енергії призначалися насамперед для оснащення балістичних ракет, тому інтерес уряду до розробок був більшим. Президент США Джон Кеннеді в 1961 році назвав національну програму створення ракети з ядерним ракетним двигуном (Project Rover) одним з чотирьох пріоритетних напрямків у завоюванні космосу.

Реактор KIWI, 1959 рік. Фото: NASA.

Наприкінці 1950-х американські вчені створили реактори KIWI. Вони багато разів були випробувані, розробники зробили багато модифікацій. Часто при випробуваннях відбувалися невдачі, наприклад, одного разу сталося руйнування активної зони двигуна і виявився великий витік водню.

На початку 1960-х як у США, так і в СРСР були створені передумови для реалізації планів створення ядерних ракетних двигунів, але кожна країна йшла своєю дорогою. США створювали багато конструкцій твердофазних реакторів для таких двигунів та випробовували їх на відкритих стендах. СРСР вів відпрацювання тепловиділяючої збірки та інших елементів двигуна, готуючи виробничу, випробувальну, кадрову базу для ширшого «наступу».

Схема ЯРД NERVA. Ілюстрація: NASA.

У США вже в 1962 році президент Кеннеді заявив, що «ядерна ракета не буде застосовуватися в перших польотах на Місяць», тому варто спрямовувати кошти, які виділяються на освоєння космосу, на інші розробки. На рубежі 1960-1970-х були випробувані ще два реактори (PEWEE у 1968 році та NF-1 у 1972 році) у рамках програми NERVA. Але фінансування було зосереджено на місячній програмі, тому програма США створення ядерних двигунів скорочувалася обсягом, й у 1972 року було закрито.

Фільм NASA для ядерного реактивного двигуна NERVA.

У Радянському Союзі розробки ядерних ракетних двигунів тривали до 1970-х років, а керувала ними найвідоміша нині тріада вітчизняних вчених-академіків: Мстислав Келдиш, Ігор Курчатов та . Вони оцінювали можливості створення та застосування ракет з ядерними двигунами досить оптимістично. Здавалося, що ось-ось і СРСР запустить таку ракету. Пройшли вогневі випробуванняна Семипалатинському полігоні – у 1978 році відбувся енергетичний пуск першого реактора ядерного ракетного двигуна 11Б91 (або РД-0410), потім ще дві серії випробувань – другого та третього апаратів 11Б91-ІР-100. Це були перші та останні радянські ядерно-ракетні двигуни.

М.В. Келдиш та С.П. Корольов у гостях у І.В. Курчатова, 1959 р.

Олександр Лосєв

Швидкий розвиток ракетно-космічної техніки у XX століттібуло зумовлено військово-стратегічними, політичними і, певною мірою, ідеологічними цілями та інтересами двох наддержав - СРСР і США, а всі державні космічні програми були продовженням їхніх військових проектів, де головним завданням була необхідність забезпечити обороноздатність та стратегічний паритет із ймовірним супротивником. Вартість створення техніки та витрати на експлуатацію тоді не мали принципового значення. На створення ракет-носіїв та космічних апаратів виділялися колосальні ресурси, а 108 хвилин польоту Юрія Гагаріна у 1961 році та телетрансляція Ніла Армстронга та Базза Олдріна з поверхні Місяця у 1969 році були не просто тріумфами науково-технічної думки, вони ще розглядалися як стратегічні перемоги битвах «Холодної війни».

Але після того, як Радянський Союз розпався і вибув із гонки за світове лідерство, у його геополітичних противників, насамперед у США, зникла необхідність реалізовувати престижні, але вкрай витратні космічні проекти, щоб доводити усьому світові перевагу західної економічної системи та ідеологічних концепцій.
У 90-х роках основні політичні завдання минулих років втратили актуальність, блокове протистояння змінилося глобалізацією, у світі взяв гору прагматизм, тому більшість космічних програм було згорнуто або відкладено, від масштабних проектів минулого залишилася, як спадщина, тільки МКС. До того ж, західна демократія поставила всі дорогі. державні програмизалежність від електоральних циклів.
Підтримка виборців, необхідна для отримання чи збереження влади, змушує політиків, парламенти та уряди схилятися до популізму та вирішувати нагальні завдання, тому витрати на дослідження космосу скорочуються з року в рік.
Більшість фундаментальних відкриттів було зроблено ще в першій половині ХХ століття, а в наші дні наука та технології досягли певних меж, до того ж у всьому світі знизилася популярність наукових знань та погіршилася якість викладання математики, фізики та інших природничих наук. Це і стало причиною застою, зокрема й у космічній сфері, останніх двох десятиліть.
Але зараз стає очевидним, що світ наближається до кінця чергового технологічного циклузаснований на відкриттях минулого століття. Тому будь-яка держава, яка матиме принципово нові перспективні технології в момент зміни глобального технологічного укладу, автоматично забезпечить собі світове лідерство як мінімум на наступні п'ятдесят років.

Принциповий пристрій ЯРД з воднем як робоче тіло

Це усвідомлюють і в Сполучених Штатах, де взято курс на відродження американської величі у всіх сферах діяльності, і в Китаї, який кидає виклик американській гегемонії, і в Євросоюзі, який намагається зберегти свою вагу в глобальній економіці.
Там існує промислова політика і всерйоз займаються розвитком власного науково-технічного та виробничого потенціалу, а космічна сфера може стати найкращим полігоном для відпрацювання нових технологій та для доказу чи спростування наукових гіпотез, здатних закласти основу для створення принципово іншої більш досконалої техніки майбутнього.
І цілком природно очікувати, що США буде першою країною, де відновляться проекти дослідження далекого космосу з метою створення унікальних інноваційних технологій як в галузі озброєнь, транспорту та конструкційних матеріалів, так і в біомедичній та у сфері телекомунікацій
Щоправда, ні навіть Сполученим Штатам успіх на шляху створення революційних технологій не гарантований. Є високий ризик опинитися в глухому куті, удосконалюючи ракетні двигуни півстолітньої давності на основі хімічного палива, як це робить компанія SpaceX Ілона Маска, або, створюючи системи життєзабезпечення тривалого перельоту схожі на ті, що вже реалізовані на МКС.
Чи може Росія, чия стагнація в космічній сфері з кожним роком стає помітнішою, зробити ривок у гонці за майбутнє технологічне лідерство, щоб залишатися в клубі наддержав, а не в списку країн, що розвиваються?
Так, безумовно, Росія може, і більше, помітний крок уперед уже зроблено в ядерній енергетиці і в технологіях ядерних ракетних двигунів, незважаючи на хронічне недофінансування космічної галузі.
Майбутнє космонавтики – це використання ядерної енергії. Щоб зрозуміти, як пов'язані ядерні технології та космос, необхідно розглянути основні засади реактивного руху.
Отже, основні типи сучасних космічних двигунів створено за принципами хімічної енергетики. Це твердопаливні прискорювачі та рідинні ракетні двигуни, в їх камерах згоряння компоненти палива (пальне та окислювач) вступаючи в екзотермічну фізико- хімічну реакціюгоріння, формують реактивний струмінь, щосекундно викидає з сопла двигуна тонни речовини. Кінетична енергія робочого тіла струменя перетворюється на реактивну силу, достатню для руху ракети. Питомий імпульс (ставлення створюваної тяги до маси палива, що використовується) таких хімічних двигунів залежить від компонентів палива, тиску і температури в камері згоряння, а також від молекулярної маси газоподібної суміші, що викидається через сопло двигуна.
І чим вища температура речовини та тиск усередині камери згоряння, і чим нижча молекулярна масагазу, тим вищий питомий імпульс, отже, і ефективність двигуна. Питома імпульс - це кількість руху, і його прийнято вимірювати в метрах на секунду, як і швидкість.
У хімічних двигунах найбільший питомий імпульс дають паливні суміші кисень-водень і фтор-водень (4500-4700 м/с), але найпопулярнішими (і зручними в експлуатації) стали ракетні двигуни, що працюють на гасі та кисні, наприклад двигуни «Союзів» та ракет «Falcon» Маска, а також двигуни на несиметричному диметилгідразині (НДМГ) з окислювачем у вигляді суміші тетраоксиду азоту та азотної кислоти (радянський та російський «Протон», французький «Аріан», американський «Титан»). Їхня ефективність в 1.5 рази нижча, ніж у двигунів на водневому паливі, але й імпульсу в 3000 м/с і потужності цілком достатньо, для того, щоб було економічно вигідно виводити тонни корисного навантаження на навколоземні орбіти.
Але польоти до інших планет вимагають набагато більшого розміру космічних кораблів, ніж все, що були створені людством раніше, включаючи модульну МКС. У цих кораблях необхідно забезпечувати і тривале автономне існування екіпажів, і певний запас палива та ресурс роботи маршових двигунів та двигунів для маневрів та корекції орбіт, передбачити доставку космонавтів у спеціальному посадковому модулі на поверхню іншої планети та повернення їх на основний транспортний корабель, а потім та повернення експедиції на Землю.
Накопичені інженерно-технічні знання та хімічна енергетика двигунів дозволяють повернутися на Місяць і досягти Марса, тому велика ймовірність, що в наступному десятилітті людство побуває на Червоній планеті.
Якщо спиратися тільки на наявні космічні технології, то мінімальна маса модуля для пілотованого польоту до Марса або до супутників Юпітера і Сатурна складе приблизно 90 тонн, що в 3 рази більше, ніж місячні кораблі початку 1970-х, а значить, ракети-носії для їх виведення на опорні орбіти для подальшого польоту до Марса набагато перевершуватиме Сатурн-5 (стартова маса 2965 тонн) місячного проекту «Аполлон» або радянський носій «Енергія» (стартова маса 2400 тонн). Потрібно створити на орбіті міжпланетний комплекс вагою до 500 тонн. Політ на міжпланетному кораблі з хімічними ракетними двигунами вимагатиме від 8 місяців до 1 року часу лише в один бік, тому що доведеться робити гравітаційні маневри, використовуючи для додаткового розгону корабля силу тяжіння планет та колосального запасу палива.
Але використовуючи хімічну енергію ракетних двигунів далі орбіти Марса чи Венери людство не відлетить. Потрібні інші швидкості польоту космічних кораблів та інша потужніша енергетика руху.

Сучасний проект ядерного ракетного двигуна Princeton Satellite Systems

Для освоєння далекого космосу необхідно значно підвищити тягоозброєність та ефективність ракетного двигуна, а значить збільшити його питомий імпульс та ресурс роботи. А для цього необхідно всередині камери двигуна нагріти газ або речовину робочого тіла з низькою атомною масою до температур, що в кілька разів перевершують температуру хімічного горіннятрадиційних паливних сумішей, і зробити це можна за допомогою ядерної реакції.
Якщо замість звичайної камери згоряння всередину ракетного двигуна помістити ядерний реактор, в активну зону якого подаватиметься речовина в рідкому або газоподібному вигляді, воно, розігріваючись під великим тиском до декількох тисяч градусів, почне викидатися через канал сопла, створюючи реактивну тягу. Питомий імпульс такого ядерного реактивного двигуна буде у кілька разів більшим, ніж у звичайного на хімічних компонентах, а отже, багаторазово збільшиться ефективність як самого двигуна, так і ракети-носія в цілому. Окислювач для горіння палива при цьому не буде потрібний, а як речовина, що створює реактивну тягу, може бути використаний легкий газ водень, ми ж знаємо, що чим менше молекулярна маса газу, тим вище імпульс, а це дозволить набагато зменшити масу ракети при кращих характеристиках потужності двигуна.
Ядерний двигун буде кращим за звичайний, оскільки в зоні реактора легкий газ може нагріватися до температур, що перевищують 9 тисяч градусів Кельвіна, і струмінь такого перегрітого газу забезпечить набагато більший питомий імпульс, ніж можуть дати звичайні хімічні двигуни. Але це теоретично.
Небезпека навіть не в тому, що при старті ракети-носія з такою ядерною установкою може статися радіоактивне забруднення атмосфери та простору навколо пускового майданчика, основна проблема, що за високих температур може розплавитися сам двигун разом із космічним кораблем. Конструктори та інженери це розуміють і вже кілька десятиліть намагаються знайти відповідні рішення.
У ядерних ракетних двигунів (ЯРД) є вже своя історія створення та експлуатації у космосі. Перші розробки ядерних двигунів почалися в середині 1950-х років, тобто ще до польоту людини в космос, і практично одночасно і в СРСР і в США, а сама ідея використовувати ядерні реактори для нагрівання робочої речовини в ракетному двигуні народилася разом з першими ректорами середині 40-х років, тобто понад 70 років тому.
У нашій країні ініціатором створення ЯРД став вчений теплофізик Віталій Михайлович Євлєв. У 1947 році він представив проект, який був підтриманий С. П. Королевим, І. В. Курчатовим і М. В. Келдишем. Спочатку планувалося використовувати такі двигуни для крилатих ракет, а потім ставити і балістичні ракети. Розробкою зайнялися провідні оборонні КБ Радянського Союзу, а також науково-дослідні інститути НДІТП, ЦІАМ, ІАЕ, ВНІІНМ.
Радянський ядерний двигун РД-0410 був зібраний у середині 60-х воронезькому «Конструкторському бюро хімавтоматики», де створювалася більшість рідинних ракетних двигунів для космічної техніки.
Як робоче тіло в РД-0410 використовувався водень, який у рідкому вигляді проходив через «сорочку охолодження», відводячи зайве тепло від стінок сопла і не даючи йому розплавитися, а потім надходив в активну зону реактора, де нагрівався до 3000К і викидався через канал сопла, перетворюючи, таким чином, теплову енергію в кінетичну і створюючи питомий імпульс 9100 м/с.
У США проект ЯРД був запущений в 1952 році, а перший двигун, що діє, був створений в 1966 році і отримав назву NERVA (Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application). У 60-х - 70-х роках Радянський Союз та США намагалися не поступатися один одному.
Правда і наш РД-0410, і американський NERVA були твердофазними ЯРД (ядерне паливо на основі карбідів урану знаходилося в реакторі в твердому стані), і їхня робоча температура була в межах 2300-3100К.
Щоб збільшити температуру активної зони без ризику вибуху або розплавлення стінок реактора, необхідно створити такі умови ядерної реакції, за яких паливо (уран) переходить у газоподібний стан або перетворюється на плазму та утримується всередині реактора за рахунок сильного магнітного поля, не торкаючись при цьому стін. А далі водень, що надходить в активну зону реактора, «обтікає» уран, що знаходиться в газовій фазі, і перетворюючись на плазму, з дуже високою швидкістю викидається через канал сопла.
Цей тип двигуна отримав назву газофазного ЯРД. Температури газоподібного уранового палива в таких ядерних двигунах можуть бути в діапазоні від 10 тисяч до 20 тисяч градусів Кельвіна, а питомий імпульс досягатиме 50000 м/с, що в 11 разів вище, ніж у найефективніших хімічних ракетних двигунів.
Створення та використання в космічній техніці газофазних ЯРД відкритого та закритого типів - це найбільше перспективний напрямокрозвитку космічних ракетних двигунів і саме те, що необхідно людству для освоєння планет Сонячної системи та їх супутників.
Перші дослідження з проекту газофазного ЯРД розпочалися в СРСР у 1957 році в НДІ теплових процесів (НДЦ імені М. В. Келдиша), а саме рішення про розробку ядерних космічних енергоустановок на основі газофазних ядерних реакторів було прийнято в 1963 академіком В. П. Глушко (НВО Енергомаш), а потім затверджено постановою ЦК КПРС та Ради міністрів СРСР.
Розробка газофазного ЯРД велася в Радянському Союзі два десятиліття, але, на жаль, так і не була завершена через недостатнє фінансування та необхідність додаткових фундаментальних дослідженьв області термодинаміки ядерного пального та водневої плазми, нейтронної фізики та магнітної гідродинаміки.
Радянські вчені-ядерники та інженери-конструктори зіткнулися з низкою проблем, таких як досягнення критичності та забезпечення стійкості роботи газофазного ядерного реактора, зниження втрат розплавленого урану при викиді водню, розігрітого до декількох тисяч градусів, теплозахист сопла та генератора магнітного поля, накопичення продуктів , вибір хімічно стійких конструкційних матеріалів та ін.
А коли для радянської програми "Марс-94" першого пілотованого польоту на Марс почала створюватися ракета-носій "Енергія", проект ядерного двигуна було відкладено на невизначений термін. Радянському Союзуне вистачило зовсім небагато часу, а головне політичної волі та ефективності економіки, щоб здійснити висадку наших космонавтів на планету Марс у 1994 році. Це було б безперечним досягненням та доказом нашого лідерства у високих технологіяхпротягом наступних кількох десятиліть. Але космос, як і багато іншого, був відданий останнім керівництвом СРСР. Історію вже не змінити, учених та інженерів, що пішли, не повернути, а втрачені знання не відновити. Дуже багато доведеться створювати заново.
Але космічна ядерна енергетика не обмежується лише сферою твердо- та газофазних ЯРД. Для створення нагрітого потоку речовини у реактивному двигуні можна використовувати електричну енергію. Цю ідею першим висловив Костянтин Едуардович Ціолковський ще 1903 року у своїй роботі «Дослідження світових просторів реактивними приладами».
А перший електротермічний ракетний двигун у СРСР був створений у 1930-х роках Валентином Петровичем Глушком – майбутнім академіком АН СРСР та керівником НВО «Енергія».
Принципи роботи електричних ракетних двигунів можуть бути різними. Зазвичай їх прийнято ділити на чотири типи:

• електротермічні (нагрівні або електродугові). Вони газ нагрівається до температур 1000–5000К і викидається з сопла так само як і в ЯРД.
• електростатичні двигуни (колоїдні та іонні), в яких спочатку відбувається іонізація робочої речовини, а потім позитивні іони (атоми, позбавлені електронів) прискорюються в електростатичному полі і викидаються через канал сопла, створюючи реактивну тягу. До електростатичних належать також і стаціонарні плазмові двигуни.
• магнітоплазмові та магнітодинамічні ракетні двигуни. Там газова плазма прискорюється за рахунок сили Ампера в перпендикулярно магнітному і електричному полях, що перетинаються.
• імпульсні ракетні двигуни, в яких використовується енергія газів, що виникають при випаровуванні робочого тіла електричному розряді.

Плюсом цих електричних ракетних двигунів є низька витрата робочого тіла, ККД до 60% та висока швидкість потоку частинок, що дозволяє значно скоротити масу космічного апарату, але є й мінус – мала щільність тяги, а відповідно низька потужність, а також дорожнеча робочого тіла (інертні) гази чи пари лужних металів) для створення плазми.
Всі перелічені типи електродвигунів реалізовані на практиці і багаторазово використовувалися в космосі і на радянських і на американських апаратах починаючи з середини 60-х років, але через свою малу потужність застосовувалися в основному як двигуни корекції орбіт.
З 1968 по 1988 роки в СРСР було запущено цілу серію супутників «Космос» з ядерними установками на борту. Типи реакторів мали назви: «Бук», «Топаз» та «Єнісей».
Реактор проекту «Єнісей» мав теплову потужність до 135 кВт та електричну потужність близько 5 кВт. Теплоносієм був натрій-калієвий розплав. Цей проект було закрито у 1996 році.
Для цього маршового ракетного електродвигуна потрібно дуже потужне джерело енергії. І найкращим джереломЕнергія для таких космічних двигунів є ядерним реактором.
Ядерна енергетика – одна з високотехнологічних галузей, де наша країна зберігає лідируючі позиції. І принципово новий ракетний двигун у Росії вже створюється і цей проект близький до успішного завершення у 2018 році. Літні випробування намічено на 2020 рік.
І якщо газофазний ЯРД – це тема майбутніх десятиліть до якої належить повернутися після проведення фундаментальних досліджень, то його сьогоднішня альтернатива – це ядерна енергорухова установка мегаватного класу (ЯЕДУ), і вона вже створюється підприємствами Росатому та Роскосмосу з 2009 року.
У створенні ядерного енергодвигуна та транспортно-енергетичного модуля беруть участь НВО «Червона зірка», яке на сьогоднішній день є єдиним у світі розробником та виробником космічних ядерних енергетичних установок, а також Дослідницьким центром ім. М. В. Келдиша, НІКІЕТ ім. Н. А.Доллежаля, «НДІ НВО «Промінь», «Курчатівський інститут», ІРМ, ФЕІ, НДІАР та НВО Машинобудування.
Ядерна енергорухова установка включає високотемпературний газоохолоджувальний ядерний реактор на швидких нейтронах з системою турбомашинного перетворення теплової енергії в електричну, систему холодильників-випромінювачів для відведення надлишкового тепла в космос, приладно-агрегатний відсік, блок маршових плазмових або контейнерних .
В енергорухової установки ядерний реактор служить джерелом електроенергії для роботи електричних плазмових двигунів, при цьому газовий теплоносій реактора, що проходить через активну зону, потрапляє в турбіну електрогенератора і компресора і повертається назад в реактор по замкнутому контуру, а не викидається в простір як в ЯРД, що робить конструкцію більш надійною та безпечною, а значить придатною для пілотованої космонавтики.
Планується, що ядерна енергорухова установка застосовуватиметься для багаторазового космічного буксиру для забезпечення доставки вантажів при освоєнні Місяця або створення багатоцільових орбітальних комплексів. Плюсом буде не тільки багаторазове використання елементів транспортної системи (чого намагається добитися Ілон Маск у своїх космічних проектах SpaceX), але й можливість доставки втричі більшої маси вантажів, ніж на ракетах з хімічними реактивними двигунами порівнянної потужності за рахунок зменшення стартової маси транспортної системи . Особлива конструкція установки робить її безпечною для людей та навколишнього середовища на Землі.
У 2014 році на ВАТ «Машинобудівний завод» у м.Електросталь було зібрано перший тепловиділяючий елемент (тел) штатної конструкції для цієї ядерної електрорухової установки, а у 2016 проведено випробування імітатора кошика активної зони реактора.
Наразі (у 2017 році) ведуться роботи з виготовлення елементів конструкції встановлення та тестування вузлів та агрегатів на макетах, а також автономні випробування систем турбомашинного перетворення енергії та прототипів енергоблоків. Завершення робіт заплановано на кінець наступного 2018 року, щоправда, з 2015 року почало накопичуватися відставання від графіка.
Отже, як тільки ця установка буде створена, Росія стане першою у світі країною з ядерними космічними технологіями, які ляжуть в основу не тільки майбутніх проектів освоєння Сонячної системи, а й земної та позаземної енергетики. Космічні ядерні енергетичні установки можна використовувати для створення систем дистанційної передачі електроенергії на Землю або на космічні модулі за допомогою електромагнітного випромінювання. І це теж стане передовою технологієюмайбутнього, де наша країна матиме лідируючі позиції.
На основі плазмових електродвигунів, що розробляються, будуть створені потужні рухові установки для далеких польотів людини в космос і в першу чергу для освоєння Марса, досягти орбіти якого можна буде всього за 1,5 місяці, а не за рік з гаком, як при використанні звичайних хімічних реактивних двигунів .
А майбутнє завжди починається з революції в енергетиці. І ніяк інакше. Енергетика первинна і саме величина енергоспоживання впливає на технічний прогрес, на обороноздатність та якість життя людей.

Експериментальний плазмовий ракетний двигун NASA

Радянський астрофізик Микола Кардашев ще 1964 року запропонував шкалу розвитку цивілізацій. Згідно з цією шкалою, рівень технологічного розвитку цивілізацій залежить від кількості енергії, яку населення планети використовує для своїх потреб. Так цивілізація типу використовує всі доступні ресурси, наявні на планеті; цивілізаціяII типу - отримує енергію своєї зірки, у системі якої перебуває; а цивілізація III типу користується доступною енергією своєї галактики. Людство поки не доросло до цивілізації типу за цією шкалою. Ми використовуємо лише 0.16% всього обсягу потенційного енергетичного запасу планети Земля. А отже, і Росії і всьому світу є куди зростати, і ці ядерні технології відкриють нашій країні дорогу не лише в космос, а й у майбутнє економічне процвітання.
І, можливо, єдиний варіант для Росії в науково-технічній сфері - це зробити зараз революційний прорив у ядерних космічних технологіях для того, щоб одним «стрибком» подолати багаторічне відставання від лідерів і опинитися одразу біля витоків нової технологічної революції в черговому циклі розвитку людської цивілізації. Такий унікальний шанс випадає тій чи іншій країні лише один раз на кілька століть.
На жаль, Росія, яка не приділяла в останні 25 років належної уваги фундаментальним наукам та якості вищої та середньої освіти, ризикує назавжди згаяти цей шанс, якщо програма виявиться згорнутою, а на зміну нинішнім ученим та інженерам не прийде нове покоління дослідників. Геополітичні та технологічні виклики, з якими зіткнеться Росія вже через 10–12 років, будуть дуже серйозними, порівнянними з загрозами середини ХХ століття. Щоб зберегти суверенітет і цілісність Росії у майбутньому вже зараз необхідно терміново розпочинати підготовку фахівців, здатних на ці виклики відповідати та створювати щось нове.
Є лише приблизно 10 років на те, щоб перетворити Росію на світовий інтелектуально-технологічний центр, і без серйозної зміни якості освіти це зробити неможливо. Для науково-технологічного прориву необхідно повернути системі освіти (і шкільної та ВУЗівської) системність поглядів на картину світу, наукову фундаментальність та світоглядну цілісність.
А щодо нинішнього застою в космічній галузі, то це не страшно. Фізичні принципи, на яких засновані сучасні космічні технології, будуть ще довго затребувані сектором звичайних супутникових послуг. Згадаймо, що людство використовувало вітрило протягом 5.5 тисяч років, а епоха пари тривала майже 200 років, і лише у ХХ столітті світ почав стрімко змінюватись, бо відбулася чергова науково-технічна революція, яка запустила хвилю інновацій та зміну технологічних укладів, що у результаті змінило і світову економіку та політику. Головне, опинитися біля витоків цих змін.

Ракетні двигуни на рідкому паливі дали людині можливість вийти в космос – на навколоземні орбіти. Проте такі ракети спалюють 99% палива за перші кілька хвилин польоту. Залишку палива може не вистачити для подорожі на інші планети, та й швидкість буде настільки малою, що вояж займе десятки чи сотні років. Вирішити проблему можуть ядерні двигуни. Як? Розбиратимемося разом.

Принцип роботи реактивного двигуна дуже простий: він переводить паливо в кінетичну енергію струменя (закон збереження енергії), рахунок напряму цього струменя ракета рухається у просторі (закон збереження імпульсу). Важливо розуміти, що ми не можемо розігнати ракету чи літак до швидкості більшої, ніж швидкість витікання палива — розпеченого газу, що викидається назад.

Космічний апарат New Horizons

Що ж відрізняє ефективний двигун від невдалого чи застарілого аналога?Насамперед те, скільки палива знадобиться двигуну, щоб розігнати ракету до потрібної швидкості. Цей найважливіший параметр ракетного двигуна називається питомий імпульс, Який визначається як відношення загального імпульсу до витрати палива: що більший цей показник, то ефективніший ракетний двигун. Якщо ракета практично повністю складається з палива (це означає, що в ній немає місця для корисного вантажу, граничний випадок), питомий імпульс вважатимуться рівним швидкості закінчення палива (робочого тіла) з ракетного сопла. Запуск ракети — вкрай дорогий захід, враховується кожен грам не лише корисного вантажу, а й палива, яке також важить і займає місце. Тому інженери підбирають дедалі більше активне пальне, одиниця якої давала б максимальну віддачу, збільшуючи питомий імпульс.

Переважна більшість ракет в історії та сучасності була обладнана двигунами, які використовують хімічну реакцію горіння (окислення) палива.

Вони дозволили досягти Місяця, Венери, Марса і навіть планет далекого поясу - Юпітера, Сатурна та Нептуна. Щоправда, космічні експедиції зайняли місяці та роки (автоматичні станції Pioneer, Voyager, New Horizons та ін.). Необхідно відзначити, що всі подібні ракети витрачають значну частину палива для відриву від Землі, і далі продовжують політ інерції з рідкісними моментами включення двигуна.

Космічний апарат Pioneer

Подібні двигуни підходять для виведення ракет на навколоземну орбіту, але щоб її розігнати хоча б до чверті швидкості світла, знадобиться неймовірна кількість палива (розрахунки показують, що потрібно 103200 грам палива, при тому, що маса нашої Галактики не більше 1056 грама). Очевидно, що для досягнення найближчих планет, а тим більше зірок, нам потрібні досить великі швидкості, забезпечити які рідкопаливні ракети не в змозі.

‚Газофазний ядерний двигун

Далекий космос- Справа зовсім інша. Взяти хоча б Марс, «обжитий» фантастами вздовж і впоперек: він добре вивчений і науково перспективний, а найголовніше — близький, як ніхто інший. Справа — за «космічним автобусом», який зможе доставити туди екіпаж за розумний час, тобто якнайшвидше. Але із міжпланетним транспортом є проблеми. Його складно розігнати до потрібної швидкості, зберігши при цьому прийнятні розміри та витративши розумну кількість палива.

RS-25 (Rocket System 25) - рідинний ракетний двигун компанії Рокетдайн, США. Застосовувався на планері космічної транспортної системи Space Shuttle, на кожному з яких було встановлено три таких двигуни. Найбільш відомий як двигун SSME (англ. Space Shuttle Main Engine - головний двигун космічного човника). Основними компонентами палива є рідкий кисень (окислювач) та водень (пальне). RS-25 використовує схему закритого циклу (з допалюванням генераторного газу).

Рішенням може бути "мирний атом", що штовхає космічні кораблі. Про створення легкого та компактного пристрою, здатного вивести на орбіту хоча б самого себе, інженери замислилися ще наприкінці 50-х років минулого століття. Головна відмінність ядерних двигунів від ракет з двигунами внутрішнього згоряння у цьому, що кінетична енергія виходить поза рахунок згоряння палива, а й за рахунок теплової енергії розпаду радіоактивних елементів. Порівняємо ці підходи.

З рідинних двигуніввиходить розпечений «коктейль» вихлопних газів (закон збереження імпульсу), що утворюються при реакції палива та окислювача (закон збереження енергії). Найчастіше це комбінація кисню і водню (результат горіння водню — звичайна вода). H2O має набагато більшу молярну масу, ніж водень або гелій, тому її важче розігнати, питомий імпульс для подібного двигуна 4-500 м/с.

Наземні випробування NASA нової системи запуску космічних ракет, 2016 (штат Юта, США). Ці двигуни будуть встановлені на космічний корабель Orion, де планується місія на Марс.

У ядерних двигунахпропонується використовувати тільки водень і розганяти його за рахунок енергії ядерного розпаду. Тим самим йде економія на окислювачі (кисні), що вже чудово, але не все. Так як у водню відносно мала питома маса, нам простіше розігнати його до більш високих швидкостей. Звичайно, можна використовувати й інші теплосприйнятливі гази (гелій, аргон, аміак і метан), але всі вони не менш ніж удвічі програють водню в найголовнішому — питомому імпульсі (понад 8 км/c).

Тож чи варто його втрачати? Виграш настільки великий, що інженерів не зупиняє ні складність конструкції та управління реактором, ні його велику вагу, ні навіть радіаційна небезпека. Тим більше ніхто й не збирається стартувати з поверхні Землі — збирання таких кораблів вестиметься на орбіті.

‚Літаючий» реактор

Як працює ядерний двигун? Реактор у космічному двигуні набагато менший і компактніший за свої наземні аналоги, але всі основні компоненти та механізми управління принципово ті ж. Реактор виступає в ролі нагрівача, який подається рідкий водень. Температури в активній зоні сягають (і можуть перевищувати) 3000 градусів. Потім розігрітий газ випускають через сопло.

Однак такі реактори випромінюють шкідливі радіаційні випромінювання. Для захисту екіпажу та численного електронного обладнаннявід радіації потрібні ґрунтовні заходи. Тому проекти міжпланетних кораблів з атомним двигуном часто нагадують парасольку: двигун розташовується в екранованому окремому блоці, з'єднаному з основним модулем довгою фермою або трубою.

"Камерою згоряння"ядерного двигуна служить активна зона реактора, в якій водень, що подається під великим тиском, нагрівається до 3000 і більше градусів. Ця межа визначається лише жароміцністю матеріалів реактора та властивостями палива, хоча підвищення температури збільшує питомий імпульс.

Тепловиділяючі елементи- це жароміцні ребристі (для підвищення площі тепловіддачі) циліндри-«склянки», заповнені урановими пігулками. Вони «омиваються» потоком газу, що грає роль робочого тіла, і охолоджувача реактора. Вся конструкція ізольована бериллієвими екранами-відбивачами, які не випускають небезпечне радіаційне випромінювання назовні. Для керування виділенням тепла поруч із екранами розташовані спеціальні поворотні барабани.

Існує ряд перспективних конструкцій ядерних ракетних двигунів, реалізація яких чекає свого часу. Адже в основному вони будуть застосовуватись у міжпланетних подорожах, які, зважаючи на все, вже не за горами.

Проекти ядерних двигунів

Ці проекти були заморожені з різних причин — брак грошей, складність конструкції чи навіть необхідність збирання та встановлення у відкритому космосі.

"ОРІОН" (США, 1950-1960)

Проект пілотованого ядерно-імпульсного космічного корабля(«вибухоліт») для дослідження міжпланетного та міжзоряного простору.

Принцип роботи.З двигуна корабля, у протилежному напрямку, викидається ядерний заряд невеликого еквівалента і підривається на порівняно малій дистанції від корабля (до 100 м). Ударна силавідбивається від масивної відбиває плити в хвості корабля, «штовхаючи» його вперед.

«ПРОМЕТЕЙ» (США, 2002–2005)

Проект космічної агенції NASA з розробки ядерного двигуна для космічних апаратів.

Принцип роботи.Двигун космічного корабля повинен був складатися з іонізованих частинок, що створюють тягу, та компактного ядерного реактора, що забезпечує встановлення енергією. Іонний двигун створює тягу близько 60 грамів, але зможе працювати постійно. Зрештою, корабель поступово зможе набрати величезну швидкість - 50 км/сек, витративши мінімальну кількість енергії.

"ПЛУТОН" (США, 1957-1964)

Проект із розробки ядерного прямоточного повітряно-реактивного двигуна.

Принцип роботи.Повітря через передню частину транспортного засобупотрапляє у ядерний реактор, у якому нагрівається. Гаряче повітря розширюється, набуває великої швидкості і вивільняється через сопло, забезпечуючи необхідну тягу.

NERVA (США, 1952-1972)

(англ. Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application) - спільна програма Комісії з атомної енергії США та NASA щодо створення ядерного ракетного двигуна.

Принцип роботи.Рідкий гідрогель подається до спеціального відсіку, в якому відбувається його нагрівання ядерним реактором. Гарячий газ розширюється і вивільняється в соплі, створюючи тягу.

Ядерний ракетний двигун - ракетний двигун, принцип дії якого заснований на ядерній реакції або радіоактивному розпаді, при цьому виділяється енергія, що нагріває робоче тіло, яким можуть служити продукти реакцій або якась інша речовина, наприклад водень. Існує кілька різновидів ракетних двигунів, які використовують вищеописаний принцип дії: ядерний, радіоізотопний, термоядерний. Використовуючи ядерні ракетні двигуни, можна отримати значення питомого імпульсу значно вищі за ті, які можуть дати хімічні ракетні двигуни. Високе значення питомого імпульсу пояснюється швидкістю закінчення робочого тіла - близько 8-50 км/с. Сила тяги ядерного двигуна можна порівняти з показниками хімічних двигунів, що дозволить у майбутньому замінити всі хімічні двигуни на ядерні.

Основною перешкодою на шляху повної заміниє радіоактивне забруднення навколишнього середовища, яке завдають ядерні ракетні двигуни.

Їх поділяють на два типи – твердо- та газофазні. У першому типі двигунів речовина, що ділиться, розміщується в збірках-стрижнях з розвиненою поверхнею. Це дозволяє ефективно нагрівати газоподібне робоче тіло, зазвичай як робоче тіло виступає водень. Швидкість закінчення обмежена максимальною температуроюробочого тіла, яка, у свою чергу, безпосередньо залежить від максимально допустимої температури елементів конструкції, а вона не перевищує 3000 К. У газофазних ядерних ракетних двигунах речовина, що ділиться, знаходиться в газоподібному стані. Його утримання у робочій зоніздійснюється за допомогою дії електромагнітного поля. Для цього типу ядерних ракетних двигунів елементи конструкції є стримуючим фактором, тому швидкість закінчення робочого тіла може перевищувати 30 км/с. Можуть бути використані як двигуни першого ступеня, незважаючи на витік речовини, що ділиться.

У 70-х роках. XX ст. у США та Радянському Союзі активно випробовувалися ядерні ракетні двигуни з речовиною, що ділиться в твердій фазі. У США розроблялася програма створення досвідченого ядерного ракетного двигуна в рамках програми NERVA.

Американцями був розроблений графітовий реактор, що охолоджується рідким воднем, який нагрівався, випаровувався та викидався через ракетне сопло. Вибір графіту був зумовлений його температурною стійкістю. За цим проектом питомий імпульс отриманого двигуна повинен був удвічі перевищувати відповідний показник, характерний для хімічних двигунів, при тязі 1100 кН. Реактор Nerva повинен був працювати у складі третього ступеня ракети-носія «Сатурн V», але у зв'язку із закриттям місячної програми та відсутністю інших завдань для ракетних двигунів цього класу реактор так і не був випробуваний на практиці.

В даний час у стадії теоретичної розробки знаходиться газофазний ядерний ракетний двигун. У газофазному ядерному двигуні мається на увазі використовувати плутоній, газовий струмінь, що повільно рухається, якого оточена більш швидким потоком охолоджуючого водню. На орбітальних космічних станціяхСВІТ та МКС проводилися експерименти, які можуть дати поштовх до подальшого розвиткугазофазних двигунів

Сьогодні можна сказати, що Росія трохи «заморозила» свої дослідження в галузі ядерних рухових установок. Робота російських вчених більше орієнтована на розробку та вдосконалення базових вузлів та агрегатів ядерних енергорухових установок, а також їх уніфікацію. Пріоритетним напрямомподальших досліджень у цій галузі є створення ядерних енергорухових установок, здатних працювати у двох режимах. Першим є режим ядерного ракетного двигуна, а другим - режим установки електроенергії, що генерує, для живлення апаратури, встановленої на борту космічного апарату.