Neuer Motor für das Raumschiff. "Girlanden" V.A
Lesen Sie auch
Ende letzten Jahres die russischen Raketentruppen strategischer Zweck testete eine völlig neue Waffe, deren Existenz, wie bisher angenommen, unmöglich war. Marschflugkörper mit Atommotor, dem Militärexperten die Bezeichnung 9M730 geben - genau die neue Waffe, von der Präsident Putin in seiner Rede vor der Bundesversammlung gesprochen hat. Der Test der Rakete wurde vermutlich auf dem Testgelände durchgeführt Neue Erde, voraussichtlich Ende Herbst 2017, die genauen Daten werden jedoch nicht so bald freigegeben. Der Entwickler der Rakete ist vermutlich auch das Novator Experimental Design Bureau (Jekaterinburg). Laut kompetenten Quellen traf die Rakete im Normalmodus das Ziel und die Tests wurden als vollständig erfolgreich anerkannt. Darüber hinaus tauchten in den Medien angebliche Fotos des Starts (oben) einer neuen Rakete mit einem Kernkraftwerk auf, und sogar indirekte Beweise im Zusammenhang mit der Anwesenheit zum voraussichtlichen Testzeitpunkt in unmittelbarer Nähe des Testgeländes des "Flying Labor" Il-976 LII Gromov mit Rosatom-Markierungen. Es tauchten jedoch weitere Fragen auf. Ist die erklärte Fähigkeit der Rakete, eine unbegrenzte Reichweite zu haben, realistisch und wie wird sie erreicht?
Eigenschaften eines Marschflugkörpers mit einem Kernkraftwerk
Die Eigenschaften der atomgetriebenen Marschflugkörper, die unmittelbar nach der Rede von Wladimir Putin in den Medien erschienen, können sich von den tatsächlichen unterscheiden, die später bekannt werden. Bisher sind folgende Daten zu Größe und Leistungsmerkmalen der Rakete öffentlich bekannt geworden:Länge
- Heimat- nicht weniger als 12 Meter,
- marschieren- nicht weniger als 9 Meter,
Raketenkörper Durchmesser- etwa 1 Meter,
Rumpfbreite- etwa 1,5 Meter,
Schwanzhöhe- 3,6 - 3,8 Meter
Das Funktionsprinzip des russischen Marschflugkörpers mit Atomantrieb
Die Entwicklung von Raketen mit einem Kernkraftwerk wurde von mehreren Ländern gleichzeitig durchgeführt, und die Entwicklung begann bereits in den fernen 1960er Jahren. Die von den Ingenieuren vorgeschlagenen Konstruktionen unterschieden sich nur in Details, das Funktionsprinzip lässt sich vereinfacht beschreiben auf die folgende Weise: Der Kernreaktor erhitzt das Gemisch, das in spezielle Behälter eintritt ( verschiedene Varianten, von Ammoniak zu Wasserstoff) mit anschließendem Ausstoß durch Düsen unter hoher Druck. Allerdings die Version des Marschflugkörpers, die erwähnt wurde Russischer Präsident, passt zu keinem der zuvor entwickelten Designbeispiele.Tatsache ist, dass die Rakete laut Putin eine nahezu unbegrenzte Flugreichweite hat. Das ist natürlich nicht so zu verstehen, dass eine Rakete jahrelang fliegen kann, aber es kann als direktes Indiz dafür gewertet werden, dass ihre Flugreichweite um ein Vielfaches größer ist als die Flugreichweite moderner Marschflugkörper. Der zweite nicht zu übersehende Punkt hängt auch mit der deklarierten unbegrenzten Flugreichweite und dementsprechend dem Betrieb des Triebwerks des Marschflugkörpers zusammen. Beispielsweise hatte ein im RD-0410-Triebwerk getesteter heterogener thermischer Neutronenreaktor, der von Kurchatov, Keldysh und Korolev entwickelt wurde, eine Testlebensdauer von nur 1 Stunde, und in diesem Fall kann es keine unbegrenzte Flugreichweite einer solchen Kreuzfahrt geben Rakete mit Atomantrieb Rede.
All dies deutet darauf hin, dass russische Wissenschaftler ein völlig neues, bisher unberücksichtigtes Konzept der Struktur vorgeschlagen haben, bei dem eine Substanz zum Erhitzen und anschließenden Ausstoßen aus der Düse verwendet wird, die eine viel wirtschaftlichere Ressource für den Verbrauch über große Entfernungen bietet. Als Beispiel könnte es eine nukleare Luft sein Düsentriebwerk(YaVRD) eines völlig neuen Modells, in dem sich die Arbeitsmasse befindet atmosphärische Luft, von Kompressoren in Arbeitstanks gepumpt, von einer Nuklearanlage erhitzt und anschließend durch Düsen ausgestoßen.
Es ist auch erwähnenswert, dass der von Wladimir Putin angekündigte Marschflugkörper mit einem Kernkraftwerk in der Lage ist, die Zonen des aktiven Betriebs von Luftverteidigungs- und Raketenabwehrsystemen zu umfliegen und den Weg zum Ziel auf niedrigem und ultra-niedrigem Niveau zu halten. niedrige Höhen. Dies ist nur möglich, indem die Rakete mit Geländeverfolgungssystemen ausgestattet wird, die resistent gegen Interferenzen sind, die durch feindliche elektronische Kriegsausrüstung erzeugt werden.
Man könnte diesen Artikel mit einer traditionellen Passage darüber beginnen, wie Science-Fiction-Autoren kühne Ideen vorbringen und Wissenschaftler sie dann zum Leben erwecken. Es ist möglich, aber ich möchte nicht mit Stempeln schreiben. Es ist besser, sich an diese Moderne zu erinnern Raketentriebwerke, Festtreibstoff und Flüssigkeit, haben mehr als unbefriedigende Eigenschaften für Flüge über längere Distanzen. Sie ermöglichen es Ihnen, Fracht in die Erdumlaufbahn zu bringen, etwas zum Mond zu liefern - auch, obwohl ein solcher Flug teurer ist. Aber mit solchen Triebwerken zum Mars zu fliegen, ist nicht mehr einfach. Geben Sie ihnen Brennstoff und Oxidationsmittel in den richtigen Mengen. Und diese Volumina sind direkt proportional zur zu überwindenden Distanz.
Eine Alternative zu herkömmlichen chemischen Raketentriebwerken sind Elektro-, Plasma- und Nukleartriebwerke. Von allen alternativen Antrieben hat nur ein System das Stadium der Motorenentwicklung erreicht - Nuklear (NRE). In der Sowjetunion und den Vereinigten Staaten wurde bereits in den 1950er Jahren mit der Entwicklung von Atomraketentriebwerken begonnen. Die Amerikaner arbeiteten an beiden Optionen für ein solches Kraftwerk: Jet und Impuls. Das erste Konzept beinhaltet das Erhitzen des Arbeitsmediums mit einem Kernreaktor, gefolgt von einem Ausstoß durch Düsen. Der Impuls NRE wiederum treibt das Raumfahrzeug durch aufeinanderfolgende Explosionen einer kleinen Menge Kernbrennstoff an.
Ebenfalls in den USA wurde das Orion-Projekt erfunden, das beide Versionen des YARD kombiniert. Dies geschah wie folgt: Vom Heck des Schiffes wurden kleine Atomladungen mit einer Kapazität von etwa 100 Tonnen TNT geworfen. Hinter ihnen wurden Metallscheiben abgefeuert. In einiger Entfernung vom Schiff wurde die Ladung gezündet, die Scheibe verdampfte und die Substanz in verschiedene Richtungen zerstreut. Ein Teil davon traf das verstärkte Heckteil des Schiffes und bewegte es nach vorne. Eine kleine Schuberhöhung sollte durch die Verdunstung der Platte, die die Schläge aufnimmt, gegeben sein. Die Stückkosten eines solchen Fluges sollten nur noch 150 Dollar pro Kilogramm Nutzlast betragen.
Es kam sogar zu Tests: Die Erfahrung hat gezeigt, dass eine Bewegung mit Hilfe aufeinanderfolgender Impulse möglich ist, ebenso wie die Schaffung einer Heckplatte mit ausreichender Festigkeit. Aber das Orion-Projekt wurde 1965 als aussichtslos eingestellt. Dies ist jedoch bisher das einzige existierende Konzept, das Expeditionen zumindest ins Sonnensystem ermöglichen kann.
Vor dem Bau eines Prototyps konnte nur ein Jet YARD erreicht werden. Dies waren die sowjetische RD-0410 und die amerikanische NERVA. Sie arbeiteten nach dem gleichen Prinzip: In einem "konventionellen" Kernreaktor wird die Arbeitsflüssigkeit erhitzt, die beim Ausstoß aus den Düsen Schub erzeugt. Das Arbeitsmedium beider Motoren war flüssiger Wasserstoff, aber im sowjetischen wurde Heptan als Hilfsstoff verwendet.
Der Schub des RD-0410 betrug 3,5 Tonnen, NERVA gab fast 34, hatte aber auch große Abmessungen: 43,7 Meter Länge und 10,5 Meter Durchmesser gegenüber 3,5 bzw. 1,6 Metern für den sowjetischen Motor. Gleichzeitig verlor der amerikanische Motor dreimal an Ressourcen gegenüber dem sowjetischen - der RD-0410 konnte eine Stunde lang arbeiten.
Beide Motoren blieben jedoch trotz des Versprechens auch auf der Erde und flogen nirgendwo hin. Der Hauptgrund für die Schließung beider Projekte (NERVA Mitte der 70er, RD-0410 1985) ist Geld. Die Eigenschaften von Chemiemotoren sind schlechter als die von Atommotoren, aber der Preis für einen Start eines Schiffes mit einem Atomraketenmotor mit derselben Nutzlast kann 8-12 Mal höher sein als der Start desselben Sojus mit einem Raketenmotor. Und dies ohne Berücksichtigung aller Kosten, die notwendig sind, um Nuklearmotoren zur Praxistauglichkeit zu bringen.
Die Stilllegung von "billigen" Shuttles und das Fehlen von In letzter Zeit Revolutionäre Durchbrüche in der Weltraumtechnologie erfordern neue Lösungen. Im April dieses Jahres gab der damalige Leiter von Roscosmos, A. Perminov, seine Absicht bekannt, ein komplett neues NRE zu entwickeln und in Betrieb zu nehmen. Dies sollte laut Roskosmos die "Situation" in der gesamten Welt der Raumfahrt radikal verbessern. Nun ist klar, wer die nächsten Revolutionäre der Kosmonautik werden sollen: Das FSUE „Keldysh Center“ wird sich an der Entwicklung des NRE beteiligen. Der Generaldirektor des Unternehmens A. Koroteev hat die Öffentlichkeit bereits erfreut, dass der Entwurf des Raumfahrzeugs für den neuen Atomraketenmotor im nächsten Jahr fertig sein wird. Das Motordesign soll bis 2019 fertig sein, die Tests sind für 2025 geplant.
Der Komplex wurde TEM - Transport- und Energiemodul genannt. Er wird tragen Kernreaktor mit Gaskühlung. Der Direktantrieb ist noch nicht entschieden: Entweder wird es ein Strahltriebwerk wie das RD-0410 oder ein elektrisches Raketentriebwerk (EP). Der letztere Typ wurde jedoch noch nirgendwo auf der Welt massenhaft eingesetzt: Nur drei Raumschiffe wurden damit ausgestattet. Aber auch die Tatsache, dass der Reaktor nicht nur den Motor, sondern auch viele andere Aggregate antreiben oder sogar das gesamte TEM als Weltraumkraftwerk nutzen kann, spricht für das EJE.
Skeptiker argumentieren, dass die Schaffung eines Atommotors kein bedeutender Fortschritt auf dem Gebiet von Wissenschaft und Technologie ist, sondern nur eine „Modernisierung eines Dampfkessels“, bei dem Uran anstelle von Kohle und Brennholz als Brennstoff und Wasserstoff als Brennstoff fungiert Arbeitsflüssigkeit. Ist das NRE (Nuclear Jet Engine) so wenig vielversprechend? Versuchen wir es herauszufinden.
Erste Raketen
Alle Verdienste der Menschheit bei der Entwicklung des erdnahen Weltraums können sicher chemischen Strahltriebwerken zugeschrieben werden. Der Betrieb solcher Kraftwerke basiert auf Energieumwandlung chemische Reaktion Brennen von Kraftstoff im Oxidationsmittel in die kinetische Energie des Strahlstroms und damit der Rakete. Der verwendete Treibstoff ist Kerosin, flüssiger Wasserstoff, Heptan (für Flüssigtreibstoff-Raketentriebwerke (LTE)) und eine polymerisierte Mischung aus Ammoniumperchlorat, Aluminium und Eisenoxid (für Festtreibstoff (RDTT)).
Es ist bekannt, dass die ersten Raketen, die für Feuerwerkskörper verwendet wurden, bereits im zweiten Jahrhundert vor Christus in China auftauchten. Sie stiegen dank der Energie von Pulvergasen in den Himmel. Die theoretischen Forschungen des deutschen Büchsenmachers Konrad Haas (1556), des polnischen Generals Kazimir Semenovich (1650) und des russischen Generalleutnants Alexander Zasyadko leisteten einen wesentlichen Beitrag zur Entwicklung der Raketentechnologie.
Ein Patent für die Erfindung des ersten Flüssigtreibstoff-Raketentriebwerks erhielt der amerikanische Wissenschaftler Robert Goddard. Sein Apparat mit einem Gewicht von 5 kg und einer Länge von etwa 3 m, der mit Benzin und flüssigem Sauerstoff betrieben wurde, wurde 1926 für 2,5 s. flog 56 Meter.
Auf der Suche nach Geschwindigkeit
ernst experimentelle Arbeit Die Entwicklung von seriellen chemischen Strahltriebwerken begann in den 30er Jahren des letzten Jahrhunderts. In der Sowjetunion gelten V. P. Glushko und F. A. Zander als Pioniere des Raketenantriebsbaus. Mit ihrer Beteiligung wurden die Triebwerke RD-107 und RD-108 entwickelt, die der UdSSR den Vorrang in der Weltraumforschung verschafften und den Grundstein für die zukünftige Führung Russlands auf dem Gebiet der bemannten Kosmonautik legten.
Mit der Modernisierung des Flüssigtreibstoffmotors wurde klar, dass die theoretische Höchstgeschwindigkeit des Jetstreams 5 km/s nicht überschreiten konnte. Das mag ausreichen, um den erdnahen Weltraum zu untersuchen, aber Flüge zu anderen Planeten und noch mehr Sternen werden für die Menschheit ein unerfüllbarer Traum bleiben. Infolgedessen tauchten bereits Mitte des letzten Jahrhunderts Projekte alternativer (nicht chemischer) Raketentriebwerke auf. Am beliebtesten und vielversprechendsten waren Anlagen, die die Energie von Kernreaktionen nutzen. Die ersten Versuchsmuster nuklearer Weltraumtriebwerke (NRE) in der Sowjetunion und den USA wurden 1970 getestet. Allerdings nach Tschernobyl Katastrophe Auf Druck der Öffentlichkeit wurden die Arbeiten in diesem Bereich eingestellt (in der UdSSR 1988, in den USA - seit 1994).
Die Funktionsweise von Kernkraftwerken basiert auf den gleichen Prinzipien wie die von thermochemischen. Der einzige Unterschied besteht darin, dass die Erwärmung des Arbeitsmediums durch die Energie des Zerfalls oder der Fusion von Kernbrennstoff erfolgt. Die Energieeffizienz solcher Motoren ist viel höher als bei chemischen. Beispielsweise beträgt die Energie, die von 1 kg des besten Brennstoffs (einer Mischung aus Beryllium mit Sauerstoff) freigesetzt werden kann, 3 × 107 J, während dieser Wert für Po210-Poloniumisotope 5 × 1011 J beträgt.
Die freigesetzte Energie in einem Nuklearmotor kann auf vielfältige Weise genutzt werden:
Erhitzen des durch die Düsen ausgestoßenen Arbeitsmediums, wie bei einem herkömmlichen Raketentriebwerk, nachdem es in ein elektrisches umgewandelt wurde, Ionisieren und Beschleunigen der Teilchen des Arbeitsmediums, Erzeugen eines direkten Impulses durch Spalt- oder Fusionsprodukte.Sogar gewöhnliches Wasser kann als solches wirken eine Arbeitsflüssigkeit, aber die Verwendung von Alkohol ist viel effektiver, Ammoniak oder flüssiger Wasserstoff. Abhängig von Aggregatzustand Brennstoff für den Reaktor, Kernraketentriebwerke werden in Fest-, Flüssig- und Gasphase unterteilt. Der am weitesten entwickelte NRE mit einem Festphasenspaltungsreaktor, der in Kernkraftwerken verwendete Brennstäbe (Brennelemente) als Brennstoff verwendet. Der erste derartige Motor im Rahmen des amerikanischen Projekts Nerva bestand 1966 Bodentests, nachdem er etwa zwei Stunden gearbeitet hatte.
Design-Merkmale
Das Herzstück jedes nuklearen Weltraumtriebwerks ist ein Reaktor, der aus einer aktiven Zone und einem Berylliumreflektor besteht, der sich in einem Energiegebäude befindet. In der aktiven Zone erfolgt die Spaltung der Atome der brennbaren Substanz, in der Regel Uran U238, angereichert mit U235-Isotopen. Um den Prozess des nuklearen Zerfalls zu geben bestimmte Eigenschaften Hier befinden sich auch Moderatoren - feuerfestes Wolfram oder Molybdän. Wenn der Moderator in der Zusammensetzung der Brennelemente enthalten ist, wird der Reaktor als homogen bezeichnet, und wenn er separat platziert wird, als heterogen. Der Nuklearmotor enthält auch eine Arbeitsflüssigkeitsversorgungseinheit, Steuerungen, Schattenstrahlungsschutz und eine Düse. Strukturelemente thermisch hochbelastete Reaktoreinheiten werden durch das Arbeitsfluid gekühlt, das dann von einer Turbopumpeneinheit in die Brennelemente eingespritzt wird. Hier wird es auf fast 3000˚С erhitzt. Das durch die Düse ausströmende Arbeitsfluid erzeugt Strahlschub.
Typische Reaktorsteuerungen sind Steuerstäbe und Drehtrommeln aus einem Neutronen absorbierenden Stoff (Bor oder Cadmium). Die Stäbe werden direkt im Kern oder in speziellen Nischen des Reflektors platziert, und die Drehtrommeln werden an der Peripherie des Reaktors platziert. Durch Bewegen der Stäbe oder Drehen der Trommeln wird die Anzahl der spaltbaren Kerne pro Zeiteinheit verändert, wodurch die Energiefreisetzung des Reaktors und damit seine Wärmeleistung angepasst werden.
Um die für alle Lebewesen gefährliche Intensität der Neutronen- und Gammastrahlung zu reduzieren, werden im Kraftwerksgebäude Elemente des primären Reaktorschutzes aufgestellt.
Effizienz verbessern
Ein Flüssigphasen-Kernmotor ist im Prinzip und in der Vorrichtung dem Festphasenmotor ähnlich, aber der flüssige Zustand des Brennstoffs ermöglicht es, die Reaktionstemperatur und folglich den Schub des Triebwerks zu erhöhen. Wenn also für chemische Einheiten (LTE- und Feststoffraketentriebwerke) der maximale spezifische Impuls (Strahlgeschwindigkeit) 5.420 m/s beträgt, für Festphasennuklear und 10.000 m/s weit von der Grenze entfernt ist, dann ist der Durchschnittswert von dieser Indikator für Gasphasen-NRE liegt im Bereich von 30.000 - 50.000 m/s.
Es gibt zwei Arten von Gasphasen-Kernmotorenprojekten:
Offener Kreislauf, bei dem die Kernreaktion innerhalb der Plasmawolke aus dem enthaltenen Arbeitsmedium stattfindet elektromagnetisches Feld und Absorbieren der gesamten erzeugten Wärme. Die Temperatur kann mehrere zehntausend Grad erreichen. In diesem Fall ist der aktive Bereich von einer hitzebeständigen Substanz (z. B. Quarz) umgeben - einer Kernlampe, die Strahlungsenergie frei überträgt.In Anlagen des zweiten Typs wird die Reaktionstemperatur durch die Schmelztemperatur der begrenzt Birnenmaterial. Gleichzeitig nimmt die Energieeffizienz eines nuklearen Weltraumtriebwerks etwas ab (spezifischer Impuls bis 15.000 m/s), aber Effizienz und Strahlensicherheit steigen.
Praktische Erfolge
Formal gilt der amerikanische Naturwissenschaftler und Physiker Richard Feynman als Erfinder des Atomkraftwerks. Der Beginn groß angelegter Arbeiten zur Entwicklung und Herstellung von Kernmotoren für Raumfahrzeuge im Rahmen des Rover-Programms wurde 1955 am Los Alamos Research Center (USA) gegeben. Amerikanische Erfinder bevorzugten Anlagen mit einem homogenen Kernreaktor. Die erste experimentelle Probe von "Kiwi-A" wurde im Werk des Atomzentrums in Albuquerque (New Mexico, USA) zusammengebaut und 1959 getestet. Der Reaktor wurde senkrecht mit der Düse nach oben auf den Ständer gestellt. Während der Tests wurde ein erhitzter Strahl aus verbrauchtem Wasserstoff direkt in die Atmosphäre emittiert. Und das obwohl der Rektor für arbeitete geringer Strom Nur etwa 5 Minuten, der Erfolg beflügelte die Entwickler.
In der Sowjetunion gab das Treffen der "drei großen K", das 1959 am Institut für Atomenergie stattfand - dem Schöpfer der Atombombe I. V. Kurchatov, dem Haupttheoretiker der russischen Kosmonautik M. V. Keldysh - einen starken Impuls für solche Forschungen und der Generalkonstrukteur der sowjetischen Raketen S.P. Queen. Im Gegensatz zum amerikanischen Modell hatte der sowjetische RD-0410-Motor, der im Konstruktionsbüro des Khimavtomatika-Vereins (Voronezh) entwickelt wurde, einen heterogenen Reaktor. Brandversuche fanden 1978 auf einem Übungsgelände in der Nähe der Stadt Semipalatinsk statt.
Es ist erwähnenswert, dass ziemlich viele theoretische Projekte erstellt wurden, aber die Angelegenheit nie zur praktischen Umsetzung kam. Die Gründe dafür waren das Vorhandensein einer Vielzahl von Problemen in der Materialwissenschaft, der Mangel an personellen und finanziellen Ressourcen.
Zur Anmerkung: Eine wichtige praktische Errungenschaft war die Durchführung von Flugtests von Flugzeugen mit Atommotor. In der UdSSR war der experimentelle strategische Bomber Tu-95LAL der vielversprechendste, in den USA die B-36.
Orion Project oder Pulse NREs
Für Flüge im Weltraum wurde erstmals 1945 von einem amerikanischen Mathematiker polnischer Herkunft, Stanislav Ulam, ein gepulster Atommotor vorgeschlagen. In den nächsten zehn Jahren wurde die Idee von T. Taylor und F. Dyson entwickelt und verfeinert. Die Quintessenz ist, dass die Energie kleiner Kernladungen, die in einiger Entfernung von der Schubplattform am Boden der Rakete gezündet werden, ihr eine große Beschleunigung verleiht.
Im Zuge des 1958 gestarteten Orion-Projekts sollte eine Rakete, die Menschen auf die Marsoberfläche oder in die Umlaufbahn des Jupiter befördern kann, mit einem solchen Triebwerk ausgestattet werden. Die im vorderen Abteil stationierte Besatzung würde durch eine Dämpfungseinrichtung vor den schädlichen Auswirkungen gigantischer Beschleunigungen geschützt. Das Ergebnis der detaillierten Ingenieursarbeit waren Marschtests eines großmaßstäblichen Modells des Schiffes, um die Stabilität des Fluges zu untersuchen (statt Atomladungen wurden herkömmliche Sprengstoffe verwendet). Aufgrund der hohen Kosten wurde das Projekt 1965 eingestellt.
Ähnliche Ideen zur Schaffung eines "Sprengstoffs" wurden von geäußert Sowjetischer Akademiker A. Sacharow im Juli 1961. Um das Schiff in die Umlaufbahn zu bringen, schlug der Wissenschaftler vor, herkömmliche Flüssigtreibstoffmotoren zu verwenden.
Alternative Projekte
Eine große Anzahl von Projekten ist nicht über die theoretische Forschung hinausgegangen. Darunter waren viele originelle und vielversprechende. Bestätigung ist die Idee der Macht Kernanlageüber das Teilen von Fragmenten. Design-Merkmale und die Konstruktion dieses Motors macht es möglich, ganz auf ein Arbeitsfluid zu verzichten. Der Jetstream, der die notwendigen Vortriebseigenschaften liefert, wird aus verbrauchtem Kernmaterial gebildet. Der Reaktor basiert auf rotierenden Scheiben mit einer unterkritischen Kernmasse (der Spaltungskoeffizient von Atomen ist kleiner als eins). Beim Drehen in dem Sektor der Scheibe, der sich in der aktiven Zone befindet, wird eine Kettenreaktion gestartet und zerfallende hochenergetische Atome werden zur Triebwerksdüse geschickt und bilden einen Strahlstrom. Die überlebenden ganzen Atome werden bei den nächsten Umdrehungen der Brennstoffscheibe an der Reaktion teilnehmen.
Projekte eines Atommotors für Schiffe, die bestimmte Aufgaben im erdnahen Weltraum auf der Grundlage von RTGs (radioisotope thermoelectric generators) ausführen, sind durchaus praktikabel, aber solche Installationen sind für interplanetare und noch mehr interstellare Flüge nicht sehr vielversprechend.
Kernfusionsmotoren haben ein enormes Potenzial. Bereits im derzeitigen Stadium der Entwicklung von Wissenschaft und Technologie ist eine Impulsinstallation durchaus machbar, bei der wie beim Orion-Projekt thermonukleare Ladungen unter dem Boden der Rakete gezündet werden. Viele Experten sehen die Umsetzung der kontrollierten Kernfusion jedoch in naher Zukunft.
Vor- und Nachteile von YARD
Zu den unbestreitbaren Vorteilen der Verwendung von Kernmotoren als Antriebseinheiten für Raumfahrzeuge gehört ihre Höhe Energieeffizienz, bietet einen hohen spezifischen Impuls und eine gute Traktionsleistung (bis zu tausend Tonnen im luftlosen Raum), eine beeindruckende Energiereserve während des autonomen Betriebs. Der aktuelle Stand der wissenschaftlichen und technologischen Entwicklung ermöglicht es, die vergleichsweise Kompaktheit einer solchen Anlage zu gewährleisten.
Der Hauptnachteil des NRE, der die Einschränkung der Design- und Forschungsarbeit verursachte, ist eine hohe Strahlengefährdung. Dies gilt insbesondere bei der Durchführung von Bodenbrandversuchen, bei denen radioaktive Gase, Verbindungen von Uran und seinen Isotopen zusammen mit dem Arbeitsmedium in die Atmosphäre gelangen können, und die zerstörerische Wirkung von eindringender Strahlung. Aus den gleichen Gründen ist es nicht akzeptabel, ein mit einem Atommotor ausgestattetes Raumschiff direkt von der Erdoberfläche zu starten.
Gegenwart und Zukunft
Laut dem Akademiker der Russischen Akademie der Wissenschaften, Vorsitzender"Center of Keldysh" von Anatoly Koroteev im Prinzip neuer Typ Nuklearmotor in Russland wird in naher Zukunft erstellt werden. Der Kern des Ansatzes besteht darin, dass die Energie des Weltraumreaktors nicht auf die direkte Erwärmung des Arbeitsmediums und die Bildung eines Jetstreams gerichtet wird, sondern auf die Stromerzeugung. Die Rolle des Antriebs in der Anlage wird dem Plasmatriebwerk zugewiesen, dessen spezifischer Schub 20-mal höher ist als der Schub der derzeit existierenden chemischen Raketenfahrzeuge. Das Hauptunternehmen des Projekts ist eine Unterabteilung der staatlichen Korporation "Rosatom" JSC "NIKIET" (Moskau).
Auf der Grundlage von NPO Mashinostroeniya (Reutov) wurden bereits 2015 umfassende Mock-up-Tests erfolgreich bestanden. Der November dieses Jahres wurde als Starttermin für die Flugdesigntests des Kernkraftwerks festgelegt. Wesentliche Elemente und Systeme müssen getestet werden, auch an Bord der ISS.
Der Betrieb des neuen russischen Atommotors erfolgt in einem geschlossenen Kreislauf, der das Eindringen radioaktiver Stoffe in den umgebenden Raum vollständig ausschließt. Die Masse und die Gesamteigenschaften der Hauptelemente des Kraftwerks gewährleisten die Verwendung mit vorhandenen inländischen Trägerraketen Proton und Angara.
Russland hat das Kühlsystem für ein Kernkraftwerk (NPP) getestet - eines der Schlüsselelemente des Raumfahrzeugs der Zukunft, das interplanetare Flüge durchführen kann. Warum ein Nuklearmotor im Weltraum benötigt wird, wie er funktioniert und warum Roskosmos diese Entwicklung als den wichtigsten russischen Weltraumtrumpf betrachtet, sagt Iswestija.
Geschichte des Atoms
Wenn Sie Ihre Hand auf Ihr Herz legen, dann haben sich die Trägerraketen, die für Flüge ins All verwendet werden, seit Korolev nicht grundlegend verändert. Das allgemeine Funktionsprinzip - chemisch, basierend auf der Verbrennung von Kraftstoff mit einem Oxidationsmittel - bleibt gleich. Motoren, Steuerungssystem, Kraftstoffarten ändern sich. Die Grundlage der Raumfahrt bleibt gleich – der Düsenantrieb treibt eine Rakete oder ein Raumschiff voran.
Man hört oft, dass ein großer Durchbruch nötig ist, eine Entwicklung, die das Düsentriebwerk ersetzen kann, um die Effizienz zu steigern und Flüge zum Mond und zum Mars realistischer zu machen. Tatsache ist, dass derzeit fast der größte Teil der Masse interplanetarer Raumfahrzeuge Brennstoff und Oxidationsmittel ist. Aber was wäre, wenn wir den chemischen Motor ganz aufgeben und die Energie des Atommotors nutzen würden?
Die Idee, ein nukleares Antriebssystem zu schaffen, ist nicht neu. In der UdSSR wurde bereits 1958 ein detaillierter Regierungserlass zum Problem der Schaffung eines Atomraketentriebwerks unterzeichnet. Schon damals wurden Studien durchgeführt, die zeigten, dass man mit einem Atomraketentriebwerk mit ausreichender Leistung in sechs Monaten (zwei hin und vier zurück) zum Pluto (der seinen planetarischen Status noch nicht verloren hat) und zurück gelangen kann, wenn man 75 ausgibt Tonnen Treibstoff auf der Reise.
Sie waren an der Entwicklung eines Atomraketentriebwerks in der UdSSR beteiligt, aber die Wissenschaftler näherten sich erst jetzt dem echten Prototyp. Es geht nicht um Geld, das Thema stellte sich als so kompliziert heraus, dass bisher keines der Länder einen funktionierenden Prototypen erstellen konnte, und in den meisten Fällen endete alles mit Plänen und Zeichnungen. In den Vereinigten Staaten wurde das Antriebssystem für einen Flug zum Mars im Januar 1965 getestet. Aber das NERVA-Projekt zur Eroberung des Mars mit einem Atommotor ging nicht über die KIWI-Tests hinaus und war viel einfacher als die aktuelle russische Entwicklung. China hat in seine Weltraumentwicklungspläne die Schaffung eines Nuklearmotors näher an 2045 aufgenommen, was auch sehr, sehr nicht bald ist.
In Russland eine neue Runde der Arbeit am Atomprojekt elektrisches Antriebssystem(NPP) der Megawattklasse für Raumtransportsysteme begann 2010. Das Projekt wird gemeinsam von Roscosmos und Rosatom erstellt und kann als eines der ernsthaftesten und ehrgeizigsten Weltraumprojekte der letzten Zeit bezeichnet werden. Hauptauftragnehmer für Kernkraftwerke ist das Forschungszentrum. MV Keldysch.
Nukleare Bewegung
Während der gesamten Entwicklungszeit sickern Nachrichten über die Bereitschaft des einen oder anderen Teils des zukünftigen Atommotors an die Presse. Gleichzeitig stellen sich im Allgemeinen außer Spezialisten nur wenige Menschen vor, wie und aufgrund dessen es funktionieren wird. Tatsächlich ist die Essenz eines Weltraum-Atommotors ungefähr dieselbe wie auf der Erde. Energie Kernreaktion für Heizung und Betrieb des Turbogenerator-Kompressors verwendet. Vereinfacht gesagt wird zur Stromerzeugung eine Kernreaktion genutzt, fast genauso wie in einem konventionellen Kernkraftwerk. Und mit Hilfe von Elektrizität funktionieren elektrische Raketentriebwerke. Bei dieser Installation handelt es sich um Hochleistungs-Ionentriebwerke.
In Ionentriebwerken wird Schub erzeugt, indem Strahlschub basierend auf ionisiertem Gas erzeugt wird, das auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigt wird elektrisches Feld. Ionentriebwerke sind noch da, sie werden im Weltraum getestet. Bisher haben sie nur ein Problem - fast alle haben sehr wenig Schub, obwohl sie sehr wenig Treibstoff verbrauchen. Zum Raumfahrt Solche Motoren sind eine großartige Option, insbesondere wenn Sie das Problem der Stromerzeugung im Weltraum lösen, was eine Kernanlage tun wird. Darüber hinaus können Ionenmotoren lange arbeiten, maximale Laufzeit kontinuierliche Arbeit Die modernsten Muster von Ionenmotoren sind mehr als drei Jahre alt.
Wenn Sie sich das Diagramm ansehen, können Sie sehen, dass die Kernenergie ihren Anfang nimmt nützliche Arbeitüberhaupt nicht sofort. Zuerst wird der Wärmetauscher aufgeheizt, dann wird Strom erzeugt, der bereits zur Schuberzeugung für das Ionentriebwerk genutzt wird. Leider hat die Menschheit noch nicht gelernt, Nuklearanlagen einfacher und effizienter für die Fortbewegung zu nutzen.
In der UdSSR wurden Satelliten mit einer Nuklearanlage als Teil des Zielbestimmungskomplexes Legend für die Luftfahrt mit Marineraketen gestartet, aber dies waren sehr kleine Reaktoren, und ihre Arbeit reichte nur aus, um Strom für die am Satelliten aufgehängten Geräte zu erzeugen. Sowjetische Raumfahrzeuge hatten eine Installationskapazität von drei Kilowatt, aber jetzt arbeiten russische Spezialisten daran, eine Installation mit einer Kapazität von mehr als einem Megawatt zu schaffen.
Kosmische Probleme
Natürlich hat eine Nuklearanlage im Weltraum viel mehr Probleme als auf der Erde, und das wichtigste davon ist die Kühlung. Unter normalen Bedingungen wird dafür Wasser verwendet, das die Motorwärme sehr effizient aufnimmt. Im Weltraum ist dies nicht möglich, und Atommotoren erfordern effizientes System Kühlung - und die Wärme von ihnen muss in den Weltraum abgeführt werden, dh dies kann nur in Form von Strahlung erfolgen. Üblicherweise werden zu diesem Zweck in Raumfahrzeugen eingesetzt Plattenheizkörper- aus Metall, durch die ein Kühlmittel zirkuliert. Leider haben solche Heizkörper in der Regel ein großes Gewicht und große Abmessungen, außerdem sind sie in keiner Weise vor Meteoriten geschützt.
Im August 2015 wurde auf der MAKS-Flugschau ein Modell der Tropfenkühlung von Kernkraftantriebssystemen gezeigt. Darin fliegt die in Tropfenform verteilte Flüssigkeit ins Freie Weltraum, gekühlt und dann in der Anlage wieder zusammengebaut. Stellen Sie sich ein riesiges Raumschiff vor, in dessen Mitte sich eine riesige Duschinstallation befindet, aus der Milliarden mikroskopisch kleiner Wassertropfen ausbrechen, ins All fliegen und dann in den riesigen Mund eines Weltraumstaubsaugers gesaugt werden.
In jüngerer Zeit wurde bekannt, dass das Tropfenkühlsystem eines Kernantriebssystems unter terrestrischen Bedingungen getestet wurde. Gleichzeitig ist das Kühlsystem Meilenstein beim Einrichten der Anlage.
Jetzt geht es darum, seine Leistung unter Schwerelosigkeit zu testen, und erst danach kann versucht werden, ein Kühlsystem in den für den Einbau erforderlichen Dimensionen zu erstellen. Jeder dieser erfolgreichen Tests bringt russische Spezialisten der Schaffung einer Nuklearanlage ein Stück näher. Wissenschaftler haben es eilig, weil man glaubt, dass der Start eines Atommotors ins All Russland helfen kann, seine Führungsposition im Weltraum zurückzugewinnen.
Nukleares Weltraumzeitalter
Angenommen, es gelingt, und in ein paar Jahren wird ein Atommotor im Weltraum zu arbeiten beginnen. Wie wird es helfen, wie kann es verwendet werden? Zunächst sollte klargestellt werden, dass ein nukleares Antriebssystem in der Form, in der es heute existiert, nur im Weltraum funktionieren kann. Es kann in dieser Form auf keinen Fall von der Erde abheben und landen, bisher ist es unmöglich, auf herkömmliche chemische Raketen zu verzichten.
Warum im Weltall? Nun, die Menschheit fliegt schnell zum Mars und zum Mond, und das war's? So sicher nicht. Derzeit sind alle Projekte von Orbitalfabriken und Fabriken, die in der Erdumlaufbahn betrieben werden, aufgrund des Mangels an Rohstoffen für die Arbeit ins Stocken geraten. Es macht keinen Sinn, irgendetwas im Weltraum zu bauen, bis ein Weg gefunden wird, eine große Menge der benötigten Rohstoffe wie Metallerz in die Umlaufbahn zu bringen.
Aber warum sie von der Erde aufheben, wenn man sie im Gegenteil aus dem Weltraum bringen kann. Im selben Asteroidengürtel im Sonnensystem gibt es einfach riesige Reserven verschiedener Metalle, darunter auch Edelmetalle. Und in diesem Fall wird die Schaffung eines Atomschleppers nur zum Lebensretter.
Bringen Sie einen riesigen platin- oder goldhaltigen Asteroiden in die Umlaufbahn und beginnen Sie, ihn direkt im Weltraum zu schnitzen. Laut Experten kann sich eine solche Produktion unter Berücksichtigung des Volumens als eine der profitabelsten erweisen.
Gibt es eine weniger fantastische Verwendung für einen Atomschlepper? Beispielsweise kann es verwendet werden, um Satelliten in die gewünschten Umlaufbahnen zu bringen oder Raumfahrzeuge an den gewünschten Punkt im Weltraum zu bringen, beispielsweise in die Mondumlaufbahn. Derzeit werden dafür Oberstufen verwendet, zum Beispiel die russische Fregat. Sie sind teuer, komplex und wegwerfbar. Ein nuklearer Schlepper wird in der Lage sein, sie im erdnahen Orbit aufzunehmen und dorthin zu bringen, wo sie gebraucht werden.
Dasselbe gilt für interplanetare Reisen. Ohne eine schnelle Möglichkeit, Fracht und Menschen in die Marsumlaufbahn zu bringen, gibt es einfach keine Chance für eine Kolonisierung. Trägerraketen der aktuellen Generation werden dies sehr teuer und lange tun. Bislang bleibt die Flugdauer eines der gravierendsten Probleme bei Flügen zu anderen Planeten. Monatelange Flüge zum Mars und zurück in einer geschlossenen Raumkapsel zu überstehen, ist keine leichte Aufgabe. Auch hier kann ein Nuklearschlepper Abhilfe schaffen und diese Zeit deutlich verkürzen.
Notwendig und ausreichend
Derzeit sieht das alles nach Science-Fiction aus, aber bis zum Test des Prototyps bleiben laut Wissenschaftlern nur noch wenige Jahre. Die Hauptsache ist, nicht nur die Entwicklung abzuschließen, sondern auch das notwendige Niveau der Raumfahrt im Land aufrechtzuerhalten. Auch bei sinkenden Fördermitteln sollen weiterhin Raketen abheben, Raumfahrzeuge gebaut und die wertvollsten Spezialisten arbeiten.
Andernfalls wird ein Atommotor ohne die entsprechende Infrastruktur der Sache nicht helfen; für maximale Effizienz wird es sehr wichtig sein, die Entwicklung nicht nur zu verkaufen, sondern sie unabhängig zu nutzen und alle Fähigkeiten des neuen Raumfahrzeugs zu zeigen.
Inzwischen können alle nicht an die Arbeit gebundenen Einwohner des Landes nur in den Himmel blicken und hoffen, dass die russische Kosmonautik erfolgreich sein wird. Und ein nuklearer Schlepper und die Erhaltung der aktuellen Fähigkeiten. Ich möchte nicht an andere Ergebnisse glauben.
Die Idee, Atombomben nach hinten zu werfen, erwies sich als zu brutal, aber die Energiemenge, die eine Kernspaltungsreaktion liefert, ganz zu schweigen von der Fusion, ist für die Raumfahrt äußerst attraktiv. Daher wurden viele Nicht-Puls-Systeme geschaffen, die die Probleme der Lagerung von Hunderten von Atombomben an Bord und zyklopischen Stoßdämpfern beseitigten. Wir werden heute über sie sprechen.
Kernphysik an Ihren Fingerspitzen
Was ist eine Kernreaktion? Um es sehr einfach zu erklären, wird das Bild ungefähr das folgende sein. Aus dem Schullehrplan erinnern wir uns, dass Materie aus Molekülen, Atommolekülen und Atomen besteht - aus Protonen, Elektronen und Neutronen (es gibt niedrigere Ebenen, aber das reicht uns). Einige schwere Atome haben eine interessante Eigenschaft: Trifft ein Neutron auf sie, zerfallen sie in leichtere Atome und setzen einige Neutronen frei. Wenn diese freigesetzten Neutronen auf andere schwere Atome in der Nähe treffen, wiederholt sich der Zerfall und es kommt zu einer nuklearen Kettenreaktion. Die Bewegung von Neutronen mit hoher Geschwindigkeit bedeutet, dass diese Bewegung in Wärme umgewandelt wird, wenn die Neutronen langsamer werden. Daher ist ein Kernreaktor ein sehr leistungsfähiges Heizgerät. Sie können Wasser kochen, den entstehenden Dampf zur Turbine schicken und bekommen Kernkraftwerk. Und Sie können Wasserstoff erhitzen und ihn wegwerfen, um ein Atomstrahltriebwerk zu bekommen. Aus dieser Idee wurden die ersten Motoren geboren - NERVA und RD-0410.
NERVA
Projektgeschichte
Die formale Urheberschaft (Patent) für die Erfindung des atomaren Raketentriebwerks gehört Richard Feynman, laut seinen Memoiren "Sie machen natürlich Witze, Mr. Feynman." Übrigens ist das Buch eine sehr empfehlenswerte Lektüre. Los Alamos begann 1952 mit der Entwicklung von Atomraketentriebwerken. 1955 wurde das Rover-Projekt gestartet. In der ersten Phase des Projekts, KIWI, wurden 8 Versuchsreaktoren gebaut und von 1959 bis 1964 das Einblasen des Arbeitsmediums durch den Reaktorkern untersucht. Als Zeitreferenz existierte das Orion-Projekt von 1958 bis 1965. Rover hatte die Phasen zwei und drei zur Erforschung größerer Reaktoren, aber NERVA war aufgrund von Plänen für einen ersten Teststart im Weltraum im Jahr 1964 in KIWI stationiert - es war keine Zeit, fortgeschrittenere Optionen auszuarbeiten. Die Fristen verschoben sich allmählich nach unten und der erste Bodenstart des NERVA NRX / EST-Motors (EST - Engine System Test - Test des Antriebssystems) fand 1966 statt. Der Motor arbeitete erfolgreich zwei Stunden lang, davon 28 Minuten voller Schub. Das zweite NERVA XE-Triebwerk wurde 28 Mal gezündet und lief insgesamt 115 Minuten. Der Motor wurde für Weltraumanwendungen als geeignet befunden, und der Prüfstand war bereit, neue Tests durchzuführen zusammengebaute Motoren. NERVA schien eine glänzende Zukunft zu haben – ein Flug zum Mars im Jahr 1978, eine permanente Basis auf dem Mond im Jahr 1981, orbitale Schlepper. Aber der Erfolg des Projekts löste eine Panik im Kongress aus - das Mondprogramm erwies sich als sehr teuer für die Vereinigten Staaten, das Marsprogramm wäre noch teurer gewesen. In den Jahren 1969 und 1970 wurde die Raumfahrtfinanzierung stark gekürzt - Apollos 18, 19 und 20 wurden abgesagt, und niemand stellte große Geldbeträge für das Mars-Programm bereit. Infolgedessen wurde die Arbeit an dem Projekt ohne ernsthafte Finanzierung von Geldern durchgeführt und 1972 geschlossen.Entwurf
Wasserstoff aus dem Tank trat in den Reaktor ein, erhitzte sich dort und wurde herausgeschleudert, wodurch Strahlschub erzeugt wurde. Wasserstoff wurde als Arbeitsmedium gewählt, weil es leichte Atome hat und es einfacher ist, sie mit hoher Geschwindigkeit zu dispergieren. Je größer die Geschwindigkeit des Jet-Auspuffs ist, desto effizienter ist das Raketentriebwerk.
Der Neutronenreflektor wurde verwendet, um sicherzustellen, dass die Neutronen zum Reaktor zurückkehrten, um die nukleare Kettenreaktion aufrechtzuerhalten.
Steuerstäbe wurden verwendet, um den Reaktor zu steuern. Jeder solcher Stab bestand aus zwei Hälften - einem Reflektor und einem Neutronenabsorber. Wenn der Stab durch einen Neutronenreflektor gedreht wurde, erhöhte sich ihr Fluss im Reaktor und der Reaktor erhöhte die Wärmeübertragung. Wenn der Stab durch den Neutronenabsorber gedreht wurde, nahm ihr Fluss im Reaktor ab und der Reaktor verringerte die Wärmeübertragung.
Wasserstoff wurde auch verwendet, um die Düse zu kühlen, und warmer Wasserstoff aus dem Düsenkühlsystem drehte die Turbopumpe, um mehr Wasserstoff zuzuführen.
Der Motor ist in Arbeit. Am Ausgang der Düse wurde speziell Wasserstoff gezündet, um eine Explosionsgefahr zu vermeiden, im Weltraum würde es nicht brennen.
Der NERVA-Motor erzeugte 34 Tonnen Schub, etwa das Eineinhalbfache weniger Motor J-2, die sich in der zweiten und dritten Stufe der Saturn-V-Rakete befand. Der spezifische Impuls betrug 800-900 Sekunden, was doppelt so viel war wie bei den besten Sauerstoff-Wasserstoff-Motoren, aber weniger als beim ERE- oder Orion-Motor.
Ein bisschen über Sicherheit
Ein Kernreaktor, der gerade zusammengebaut und noch nicht gestartet wurde, mit neuen Brennelementen, die noch nicht funktioniert haben, ist sauber genug. Uran ist giftig, daher ist es notwendig, mit Handschuhen zu arbeiten, aber nicht mehr. Es werden keine entfernten Manipulatoren, Bleiwände und andere Dinge benötigt. Der gesamte strahlende Schmutz erscheint nach dem Start des Reaktors aufgrund fliegender Neutronen, die die Atome des Behälters, des Kühlmittels usw. "verderben". Daher wäre im Falle eines Raketenunfalls mit einem solchen Triebwerk die Strahlenbelastung der Atmosphäre und der Oberfläche gering und natürlich viel geringer als beim regulären Start der Orion. Im Falle eines erfolgreichen Starts wäre die Kontamination jedoch minimal oder nicht vorhanden, da das Triebwerk in der oberen Atmosphäre oder bereits im Weltraum gestartet werden müsste.RD-0410
Der sowjetische Motor RD-0410 hat eine ähnliche Geschichte. Die Idee des Motors wurde Ende der 40er Jahre unter den Pionieren der Raketen- und Nukleartechnik geboren. Wie beim Rover-Projekt war die ursprüngliche Idee ein atomares Luftstrahltriebwerk für die erste Stufe einer ballistischen Rakete, dann verlagerte sich die Entwicklung in die Raumfahrtindustrie. RD-0410 wurde langsamer entwickelt, einheimische Entwickler wurden von der Idee eines Gasphasen-NRE mitgerissen (dies wird weiter unten besprochen). Das Projekt wurde 1966 gestartet und bis Mitte der 1980er Jahre fortgesetzt. Das Ziel für das Triebwerk war die Mission „Mars-94“ – ein bemannter Flug zum Mars im Jahr 1994.
Das RD-0410-Schema ähnelt NERVA - Wasserstoff strömt durch die Düse und die Reflektoren, kühlt sie ab, wird in den Reaktorkern eingespeist, dort erhitzt und ausgeworfen.
Aufgrund seiner Eigenschaften war der RD-0410 besser als NERVA - die Temperatur des Reaktorkerns betrug 3000 K anstelle von 2000 K für NERVA, und der spezifische Impuls überstieg 900 s. RD-0410 war leichter und kompakter als NERVA und entwickelte zehnmal weniger Schub.
Motorprüfung. Die Seitenfackel unten links zündet den Wasserstoff, um eine Explosion zu vermeiden.
Entwicklung von Festphasen-NREs
Wir erinnern uns, dass je höher die Temperatur im Reaktor ist, desto größer die Geschwindigkeit des Ausflusses des Arbeitsmediums und desto höher der spezifische Impuls des Motors. Was hindert Sie daran, die Temperatur in NERVA oder RD-0410 zu erhöhen? Tatsache ist, dass sich die Brennelemente in beiden Motoren in einem festen Zustand befinden. Wenn Sie die Temperatur erhöhen, werden sie schmelzen und zusammen mit dem Wasserstoff herausfliegen. Daher ist es für höhere Temperaturen notwendig, einen anderen Weg zu finden, um eine nukleare Kettenreaktion durchzuführen.Kernbrennstoff-Salzmotor
BEI Kernphysik Es gibt so etwas wie eine kritische Masse. Denken Sie an die nukleare Kettenreaktion am Anfang des Beitrags. Wenn die spaltbaren Atome sehr nahe beieinander liegen (z. B. durch den Druck einer speziellen Explosion komprimiert wurden), kommt es zu einer Atomexplosion - viel Wärme in sehr kurzer Zeit. Wenn die Atome nicht so stark komprimiert werden, aber der Fluss neuer Neutronen aus der Spaltung wächst, kommt es zu einer thermischen Explosion. Ein herkömmlicher Reaktor wird unter solchen Bedingungen versagen. Und jetzt stellen wir uns vor, wir nehmen eine wässrige Lösung von spaltbarem Material (z. B. Uransalze) und führen sie kontinuierlich in die Brennkammer ein, wobei wir dort eine Masse bereitstellen, die größer als die kritische ist. Man erhält eine kontinuierlich brennende nukleare "Kerze", deren Wärme den reagierten Kernbrennstoff und Wasser beschleunigt.
Die Idee wurde 1991 von Robert Zubrin vorgeschlagen und verspricht nach verschiedenen Schätzungen einen spezifischen Impuls von 1300 bis 6700 s bei tonnenweise Schubkraft. Leider hat dieses Schema auch Nachteile:
- Schwierigkeiten bei der Lagerung von Kraftstoff – eine Kettenreaktion im Tank muss vermieden werden, indem der Kraftstoff beispielsweise in dünne Rohre eines Neutronenabsorbers gegeben wird, sodass die Tanks komplex, schwer und teuer werden.
- Großer Verbrauch an Kernbrennstoff - Tatsache ist, dass die Reaktionseffizienz (Anzahl der zerfallenen / Anzahl der verbrauchten Atome) sehr gering sein wird. Selbst in Atombombe spaltbares Material nicht vollständig "ausbrennt", wird sofort der größte Teil des wertvollen Kernbrennstoffs weggeworfen.
- Bodentests sind praktisch unmöglich - der Auspuff eines solchen Motors wird sehr schmutzig sein, sogar noch schmutziger als der Orion.
- Es gibt einige Fragen zur Kontrolle einer Kernreaktion - es ist keine Tatsache, dass ein Schema, das in der verbalen Beschreibung einfach ist, in der technischen Umsetzung einfach ist.
Gasphasen-YRD
Nächste Idee: Was wäre, wenn wir einen Wirbel des Arbeitskörpers erzeugen, in dessen Zentrum eine Kernreaktion stattfinden wird? In diesem Fall erreicht die hohe Temperatur des Kerns nicht die Wände, wird von der Arbeitsflüssigkeit absorbiert und kann auf Zehntausende von Grad angehoben werden. So entstand die Idee eines Gasphasen-NRE mit offenem Kreislauf:
Der Gasphasen-YARD verspricht einen spezifischen Impuls von bis zu 3000-5000 Sekunden. In der UdSSR wurde ein Projekt eines Gasphasen-YARD (RD-600) gestartet, das jedoch nicht einmal das Mock-up-Stadium erreichte.
"Offener Kreislauf" bedeutet, dass der Kernbrennstoff ausgeschleudert wird, was natürlich den Wirkungsgrad verringert. Daher wurde die folgende Idee erfunden, die dialektisch zu Festphasen-NREs zurückkehrte - lassen Sie uns den Kernreaktionsbereich mit einer ausreichend hitzebeständigen Substanz umgeben, die die Strahlungswärme durchlässt. Als solches Material wurde Quarz vorgeschlagen, da bei mehreren zehntausend Grad Wärme durch Strahlung übertragen wird und das Material des Behälters transparent sein muss. Das Ergebnis war ein Gasphasen-YARD eines geschlossenen Kreislaufs oder eine "nukleare Glühbirne":
In diesem Fall ist die Begrenzung für die Kerntemperatur die thermische Festigkeit der "Kolben"-Hülle. Der Schmelzpunkt von Quarz liegt bei 1700 Grad Celsius, s aktive Kühlung Temperatur kann erhöht werden, aber in jedem Fall wird der spezifische Impuls niedriger sein offener Kreislauf(1300-1500 s), aber Kernbrennstoff wird sparsamer verbraucht und der Auspuff wird sauberer.
Alternative Projekte
Neben der Entwicklung von Festphasen-NREs gibt es auch eigene Projekte.Spaltbare Fragment-Engine
Die Idee dieses Motors ist das Fehlen einer Arbeitsflüssigkeit - es ist der ausgestoßene abgebrannte Kernbrennstoff. Im ersten Fall werden unterkritische Scheiben aus spaltbaren Materialien hergestellt, die von sich aus keine Kettenreaktion starten. Bringt man die Scheibe aber in eine Reaktorzone mit Neutronenreflektoren, beginnt eine Kettenreaktion. Und die Rotation der Scheibe und das Fehlen einer Arbeitsflüssigkeit führen dazu, dass die zerfallenen hochenergetischen Atome in die Düse fliegen und Schub erzeugen, und die nicht zerfallenen Atome auf der Scheibe bleiben und eine Chance bekommen die nächste Drehung der Scheibe:
Sogar mehr interessante Idee besteht darin, aus spaltbaren Materialien ein staubiges Plasma (erinnern Sie sich an die ISS) zu erzeugen, in dem die Zerfallsprodukte von Kernbrennstoff-Nanopartikeln durch ein elektrisches Feld ionisiert und herausgeschleudert werden, wodurch Schub erzeugt wird:
Sie versprechen einen fantastischen spezifischen Impuls von 1.000.000 Sekunden. Die Begeisterung wird dadurch gekühlt, dass die Entwicklung auf der Ebene der theoretischen Forschung stattfindet.