Ядерні двигуни для космічних кораблів Ядерні та плазмові ракетні двигуни

Імпульсний ЯРДбув розроблений відповідно до принципу, запропонованого в 1945 р. д-ром С. Уламом з Лос-Аламоської науково-дослідної лабораторії, згідно з яким як джерело енергії (пального) високоефективної космічної ракетної установки пропонується використовувати ядерний заряд.

У ті дні, як і в наступні багато років, ядерні та термоядерні заряди були найпотужнішими та найкомпактнішими джерелами енергії порівняно з будь-якими іншими. Як відомо, в даний час ми перебуваємо на порозі відкриття способів управління ще більш концентрованим джерелом енергії, оскільки ми вже досить далеко просунулися в галузі розробки першого агрегату з використанням антиречовини. Якщо виходити лише з кількості наявної енергії, то ядерні заряди забезпечують питому тягу понад 200 000 сек, а термоядерні — до 400 000 сек. Такі значення питомих тяг надмірно високі для більшості польотів у межах сонячної системи. Більш того, при використанні ядерного пального в «чистому» вигляді виникає дуже багато проблем, які навіть в даний час ще не вирішені в повному обсязі. Отже, енергія, що виділяється під час вибуху, повинна передаватися робочому тілу, яке нагрівається і потім спливає з двигуна, створюючи тягу. Відповідно до звичайних методів вирішення такого завдання ядерний заряд міститься в «камеру згоряння», наповнену робочим тілом (наприклад, водою чи іншим рідкою речовиною), яке випаровується і потім розширюється з більшим або меншим ступенем діабатичності в соплі.

Така система, яку ми називаємо імпульсним ЯРД внутрішньої дії, є дуже ефективною, оскільки всі продукти вибуху і вся маса робочого тіла використовуються для створення тяги. Нестаціонарний цикл роботи дозволяє такій системі розвивати вищий тиск і температуру в камері згоряння, а як наслідок і більш високу питому тягу в порівнянні з безперервним циклом роботи. Однак сам факт, що вибухи відбуваються всередині деякого об'єму, накладає суттєві обмеження на тиск і температуру в камері, а отже, і досяжну величину питомої тяги. Зважаючи на це, незважаючи на багато переваг імпульсного ЯРД внутрішньої дії, імпульсний ЯРД зовнішньої діївиявився простіше та ефективніше завдяки використанню гігантської кількості енергії, що виділяється при ядерних вибухах.

У ЯРД зовнішньої дії не вся маса пального та робочого тіла бере участь у створенні реактивної тяги. Однак тут навіть за меншого к.п.д. використовується більша кількість енергії, що дозволяє отримати ефективніші характеристики систем. Імпульсний ЯРД зовнішньої дії (називається далі просто імпульсним ЯРД) використовує енергію вибуху великої кількостіневеликі ядерні заряди, що знаходяться на борту ракети. Ці ядерні заряди послідовно викидаються з ракети та підриваються за нею на деякій відстані ( креслення нижче). При кожному вибуху деяка частина газоподібних осколків поділу, що розширюються, у вигляді плазми з високою щільністюі швидкістю стикається з основою ракети - платформою, що штовхає. Кількість руху плазми передається платформі, що штовхає, яка рухається вперед з великим прискоренням. Прискорення зменшується демпфуючим пристроєм до кількох gу носовому відсіку ракети, що не перевищує меж витривалості людського організму. Після циклу стиснення демпфуючий пристрій повертає платформу, що штовхає, в початкове положення, після чого вона готова до впливу чергового імпульсу.

Сумарне збільшення швидкості, що купується космічним кораблем ( малюнок, запозичена з роботи ), залежить кількості вибухів і, отже, визначається кількістю ядерних зарядів, витрачених при даному маневрі. Систематична розробка проекту такого ЯРД була започаткована д-ром Т. Б. Тейлором (відділення «Дженерал атомік» фірми «Дженерал дайнемікс») і тривала за підтримки Управління перспективного плануваннянауково-дослідних робіт (ARPA), ВПС США, НАСА та фірми «Дженерал дайнемікс» протягом дев'яти років, після чого роботи в цьому напрямку були тимчасово припинені, щоб надалі відновитися знову, оскільки такий тип рухової установки був обраний в як один з двох основних рушіїв космічних кораблів, що здійснюють польоти в межах сонячної системи.

Принцип дії імпульсного ЯРД зовнішньої дії

Ранній варіант установки, розроблений НАСА в 1964-1965 рр., був порівняний (за діаметром) з ракетою «Сатурн-5» і забезпечував питому тягу 2500 сек і ефективну тягу 350 г; «суха» вага (без пального) основного рухового відсіку становила 90,8 т. У початковому варіанті імпульсного ЯРД використовувалися згадані раніше ядерні заряди, причому передбачалося, що він працюватиме на низьких земних орбітахта в зоні радіаційних поясів через небезпеку радіоактивного забруднення атмосфери продуктами розпаду, що виділяються під час вибухів. Потім питома тяга імпульсних ЯРД була доведена до 10 000 с, а потенційні можливості цих двигунів дозволяли в майбутньому подвоїти цю цифру.

Двигуна система з імпульсним ЯРД могла бути вже розроблена в 70-х роках, щоб здійснити перший пілотований космічний політ до планет на початку 80-х років. Проте розробки цього проекту не велися на повну силу через затвердження програми створення твердофазного ЯРД. Крім того, розробка імпульсного ЯРД була пов'язана з політичною проблемою, оскільки в ній використовували ядерні заряди.

Еріке К.А. (Krafft A. Ehricke)

Ракетний двигун, робочим тілом в якому служить або якась речовина (напр., водень), що нагрівається за рахунок енергії, що виділяється при ядерної реакціїабо радіоактивний розпад, або безпосередньо продукти цих реакцій. Розрізняють… Великий Енциклопедичний словник

Ракетний двигун, робочим тілом в якому служить або якась речовина (наприклад, водень), що нагрівається за рахунок енергії, що виділяється при ядерній реакції або радіоактивному розпаді, або безпосередньо продукти цих реакцій. Знаходиться в… … Енциклопедичний словник

ядерний ракетний двигун- branduolinis raketinis variklis statusas T sritis Gynyba apibrėžtis Raketinis variklis, kuriame reaktyvinė trauka sudaroma викстан branduolinei arba termobranduolinei reakcijai. Branduoliniams raketiniams varikliams sudaroma kur kas didesnė… … Artilerijos terminų žodynas

- (ЯРД) ракетний двигун, у якому тяга створюється рахунок енергії, що виділяється при радіоактивному розпаді чи ядерної реакції. Відповідно типу ядерної реакції, що відбувається в ЯРД, виділяють Радіоізотопний ракетний двигун,… …

- (ЯРД) ракетний двигун, в якому джерелом енергії є ядерне паливо. У ЯРД з ядерним реак. тором теплота, що виділяється в результаті ланцюгової ядерної реакції, повідомляється робочого тіла (напр., водню). Активна зона ядерного реактора.

Цю статтю слід вікіфікувати. Будь ласка, оформіть її згідно з правилами оформлення статей. Ядерний ракетний двигун на гомогенному розчині солей ядерного палива (англ. … Вікіпедія

Ядерний ракетний двигун (ЯРД) – різновид ракетного двигуна, що використовує енергію поділу або синтезу ядер для створення реактивної тяги. Бувають власне реактивними (нагрів робочого тіла в ядерному реакторі та виведення газу через… … Вікіпедія

Реактивний двигун, джерело енергії та робоче тіло якого знаходиться у самому засобі пересування. Ракетний двигун єдиний практично освоєний для виведення корисного навантаження на орбіту штучного супутника Землі та застосування в … Вікіпедія

- (РД) Реактивний двигун, який використовує для своєї роботи тільки речовини та джерела енергії, що є в запасі на апараті, що переміщається (літальному, наземному, підводному). Т. о., на відміну від повітряно реактивних двигунів(Див. … … Велика Радянська Енциклопедія

Ізотопний ракетний двигун, ядерний ракетний двигун, що використовує енергію розпаду радіоактивних ізотопів хім. елементів. Ця енергія служить для нагрівання робочого тіла, або робочим тілом є самі продукти розпаду, що утворюють… … Великий енциклопедичний політехнічний словник

Наприкінці минулого року російські ракетні війська стратегічного призначення зазнали абсолютно нової зброї, існування якої, як раніше вважалося, неможливе. Крилата ракета з ядерним двигуном, якою військові експерти дають позначення 9М730 - саме та нова зброя, про яку президент Путін говорив у своєму Посланні. Федеральним зборам. Випробування ракети проводилося приблизно на полігоні. Нова Земля, Орієнтовно наприкінці осені 2017 року, проте точні дані будуть розсекречені ще не скоро. Розробником ракети, також, ймовірно, є Досвідчене конструкторське бюро "Новатор" (місто Єкатеринбург). За заявою компетентних джерел, ракета в штатному режимі вразила ціль і випробування були визнані повністю успішними. Далі в ЗМІ з'явилися передбачувані фотографії пуску (вище) нової ракети з ядерною силовою установкою і навіть непрямі підтвердження, пов'язані з присутністю в можливий час випробувань в безпосередній близькості від полігону лабораторії, що "літає", Іл-976 ЛІІ Громова з відмітками "Росатома". Проте запитань виникло ще більше. Чи реальна заявлена ​​можливість ракети здійснювати політ необмеженої дальності та за рахунок чого вона досягається?

Характеристика крилатої ракети з ядерною силовою установкою

Характеристики крилатої ракети з ЯСО, які з'явилися в ЗМІ відразу після виступу Володимира Путіна, можуть відрізнятися від реальних, які будуть відомі пізніше. На сьогоднішній день надбанням громадськості стали такі дані за розмірами та ТТХ ракети:

Довжина
- стартова- не менше 12 метрів,
- маршова- не менше 9 метрів,

Діаметр корпусу ракети- близько 1 метра,
Ширина корпусу- близько 1.5 метрів,
Висота хвостового оперення- 3.6 – 3.8 метрів

Принцип роботи російської крилатої ракети з ядерним двигуном

Розробки ракет із ядерною силовою установкою вели одразу кілька країн, причому розробки почалися ще в далеких 1960-х роках. Конструкції, запропоновані інженерами відрізнялися лише в деталях, спрощено принцип роботи можна описати так: ядерний ректор нагріває суміш, що надходить у спеціальні ємності ( різні варіанти, від аміаку до водню) з наступним викидом через сопла під високим тиском. Однак варіант крилатої ракети, про яку говорив російський президент, не підходить ні під один із прикладів конструкцій, що розроблялися раніше.

Справа в тому, що, за словами Путіна, ракета має практично необмежену дальність польоту. Це, звичайно, не можна розуміти так, що ракета може літати роками, але можна розцінити як пряма вказівкате що, що дальність її польоту багаторазово перевищує дальність польоту сучасних крилатих ракет. Другий момент, який не можна не помітити, теж пов'язаний із заявленою необмеженою дальністю польоту та, відповідно, роботи силового агрегату крилатої ракети. Наприклад, гетерогенний реактор на теплових нейтронах, випробуваний у двигуні РД-0410, розробкою якого займалися Курчатов, Келдиш і Корольов, мав ресурс роботи на випробуваннях лише 1 годину і в цьому випадку про необмежену дальність польоту такої крилатої ракети з ядерним двигуном не може бути і промови.

Все це наводить на думку про те, що російські вчені запропонували зовсім нову, раніше не розглядається концепцію будови, в якій для нагрівання і подальшого викиду з сопла використовується речовина, що має економний ресурс витрати на великих відстанях. Як приклад, це може бути ядерний повітряно-реактивний двигун(ЯВРД) абсолютно нового зразка, в якому робочою масою є атмосферне повітря, що нагнітається в робочі ємності компресорами, нагрівається ядерною установкою з наступним викидом через сопла.

Також варто зазначити, що анонсована Володимиром Путіним крилата ракета з ядерним силовим агрегатом вміє облітати зони. активної діїсистем протиповітряної та протиракетної оборони, а також тримати шлях до мети на малих та надмалих висотах. Це можливо лише за рахунок оснащення ракети системами прямування ландшафту місцевості, стійкими до перешкод, створюваних засобами радіоелектронної боротьби супротивника.

© Оксана Вікторова/Колаж/Ridus

Заява, зроблена Володимиром Путіним у ході свого послання Федеральним зборам, про наявність у Росії крилатої ракети, що приводиться в рух двигуном на ядерній тязі, викликала бурхливий ажіотаж у суспільстві та ЗМІ. У той же час про те, що є таким двигуном, і про можливості його використання до останнього часу було відомо досить мало, як широкому загалу, так і фахівцям.

«Рідус» спробував розібратися, про яке технічному пристроїміг вести мову президент і в чому полягає його унікальність.

Зважаючи на те, що презентація в Манежі робилася не на аудиторію технічних фахівців, а для «спільної» публіки, її автори могли допустити певну заміну понять, не виключає заступник директора Інституту ядерної фізикита технологій НІЯУ МІФІ Георгій Тихомиров.

«Те, що говорив і показував президент, спеціалісти називають компактними силовими установками, експерименти з якими проводилися спочатку в авіації, а потім при освоєнні далекого космосу. Це були спроби вирішити проблему достатнього запасу палива при перельотах на необмежені дальності. У цьому сенсі презентація абсолютно коректна: наявність такого двигуна забезпечує енергопостачання систем ракети або будь-якого іншого апарату як завгодно довгий час», - сказав він «Рідусу».

Роботи з таким двигуном в СРСР почалися рівно 60 років тому під керівництвом академіків М. Келдиша, І. Курчатова та С. Корольова. В ті ж роки аналогічні роботи велися в США, але були згорнуті в 1965 році. У СРСР роботи тривали ще близько десятиліття, перш ніж також були визнані неактуальними. Можливо тому у Вашингтоні не сильно пересмикнули, заявивши, що не здивовані презентацією російської ракети.

У Росії ідея ядерного двигуна ніколи не вмирала – зокрема, з 2009 року ведеться практична розробка такої установки. Судячи з термінів, заявлені президентом випробування цілком укладаються саме у цей спільний проект Роскосмосу та Росатому – оскільки розробники і планували провести польові випробування двигуна у 2018 році. Можливо, у зв'язку з політичними причинами вони трохи напружилися і зрушили терміни «вліво».

«Технологічно це влаштовано так, що ядерний енергоблок нагріває газовий теплоносій. І цей розігрітий газ або обертає турбіну або створює реактивну тягубезпосередньо. Певна лукавство у презентації ракети, яку ми почули, полягає в тому, що дальність її польоту все-таки не є нескінченною: вона обмежена обсягом робочого тіла - рідкого газу, який фізично можна закачати в баки ракети», - каже фахівець.

При цьому у космічної ракетиі крилатої ракети принципово різні схеми управління польотом, оскільки вони різні завдання. Перша летить у безповітряному просторі, їй не треба маневрувати, - достатньо надати їй початкового імпульсу, і далі вона рухається розрахунковою балістичною траєкторією.

Крилата ракета, навпаки, повинна безперервно змінювати траєкторію, для чого в неї повинен бути достатній запас палива, щоб створювати імпульси. Чи буде це паливо спалахувати ядерною енергоустановкою або традиційною - в даному випадкуНе принципіально. Принциповим є лише запас цього палива, підкреслює Тихомиров.

«Сенс ядерної установкипри польотах в далекий космос- це наявність на борту джерела енергії для живлення систем апарату тривалий час. При цьому може бути не лише ядерний реактор, а й радіоізотопні термоелектричні генератори. А сенс такої установки на ракеті, політ якої не триватиме довше кількох десятків хвилин, мені поки що не зовсім зрозумілий», - зізнається фізик.

Доповідь у Манежі лише на кілька тижнів запізнилася порівняно із заявою NASA, зробленою 15 лютого, про те, що американці відновлюють науково-дослідні роботи з ядерного ракетного двигуна, покинуті ними півстоліття тому.

До речі, у листопаді 2017 року вже й Китайська корпорація аерокосмічної науки та техніки (CASC) повідомила, що до 2045 року у КНР буде створено космічний корабель на ядерному двигуні. Тому сьогодні можна сміливо говорити про те, що світові ядерно-рухові перегони почалися.

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 довкілля, який 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 впливу 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.