Nouveau moteur pour le vaisseau spatial. « Guirlandes » de V.A.
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À la fin de l'année dernière, les forces russes de missiles objectif stratégique testé une arme complètement nouvelle, dont l'existence était auparavant considérée comme impossible. Missile de croisière avec moteur nucléaire, que les experts militaires désignent 9M730, est exactement la nouvelle arme dont le président Poutine a parlé dans son discours à l'Assemblée fédérale. Le test du missile a probablement été effectué sur le site de test Nouvelle terre, vers la fin de l'automne 2017, mais les données exactes ne seront pas déclassifiées de sitôt. Le développeur de la fusée est probablement également le Novator Experimental Design Bureau (Ekaterinbourg). Selon des sources compétentes, le missile a atteint la cible en mode normal et les tests ont été considérés comme totalement réussis. En outre, des photographies supposées du lancement (ci-dessus) d'une nouvelle fusée avec une centrale nucléaire et même une confirmation indirecte liée à la présence à l'heure prévue d'essais à proximité immédiate du site d'essai de l'Il-976 LII Gromov « volant laboratoire » portant la marque Rosatom est apparu dans les médias. Cependant, d’autres questions se sont posées. La capacité déclarée du missile à voler à une portée illimitée est-elle réaliste et comment y parvient-elle ?
Caractéristiques d'un missile de croisière doté d'une centrale nucléaire
Les caractéristiques d’un missile de croisière doté d’armes nucléaires, apparues dans les médias immédiatement après le discours de Vladimir Poutine, peuvent différer des vraies, qui seront connues plus tard. À ce jour, les données suivantes sur la taille et les caractéristiques de performance de la fusée sont devenues publiques :Longueur
- page d'accueil- au moins 12 mètres,
- marcher- au moins 9 mètres,
Diamètre du corps de fusée- environ 1 mètre,
Largeur du boîtier- environ 1,5 mètres,
Hauteur de la queue- 3,6 - 3,8 mètres
Principe de fonctionnement d'un missile de croisière à propulsion nucléaire russe
Le développement de missiles à propulsion nucléaire a été réalisé par plusieurs pays à la fois et le développement a commencé dans les années 1960. Les conceptions proposées par les ingénieurs ne différaient que par les détails ; le principe de fonctionnement peut être décrit de manière simplifiée ; de la manière suivante: le réacteur nucléaire chauffe le mélange entrant dans des conteneurs spéciaux ( différentes variantes, de l'ammoniac à l'hydrogène) suivi d'un rejet par des buses sous haute pression. Cependant, la version du missile de croisière dont il a parlé Président russe, ne correspond à aucun des exemples de conceptions développés précédemment.Le fait est que, selon Poutine, le missile a une portée de vol presque illimitée. Bien entendu, cela ne peut pas signifier que le missile peut voler pendant des années, mais cela peut être considéré comme une indication directe que sa portée de vol est plusieurs fois supérieure à celle des missiles de croisière modernes. Le deuxième point, incontournable, concerne également la portée de vol illimitée déclarée et, par conséquent, le fonctionnement du groupe motopropulseur du missile de croisière. Par exemple, un réacteur à neutrons thermiques hétérogènes, testé dans le moteur RD-0410, développé par Kurchatov, Keldysh et Korolev, avait une durée de vie d'essai de seulement 1 heure, et dans ce cas, il ne peut y avoir une portée de vol illimitée d'un tel discours sur les missiles de croisière à propulsion nucléaire.
Tout cela suggère que les scientifiques russes ont proposé un concept de structure complètement nouveau, jusqu'alors inconsidéré, dans lequel une substance qui a une ressource de consommation très économique sur de longues distances est utilisée pour le chauffage et son éjection ultérieure de la buse. A titre d'exemple, il pourrait s'agir d'un avion nucléaire. moteur d'avion(YaVRD) d'un type complètement nouveau, dans lequel la masse utile est air atmosphérique, pompé dans des réservoirs de travail par des compresseurs, chauffé par une installation nucléaire puis rejeté par des buses.
Il convient également de noter que le missile de croisière doté d'une centrale nucléaire annoncé par Vladimir Poutine peut survoler les zones actives des systèmes de défense aérienne et antimissile, ainsi que maintenir sa trajectoire vers la cible à basse et ultra-basse altitude. Cela n’est possible qu’en équipant le missile de systèmes de suivi du terrain résistants aux interférences créées par les systèmes de guerre électronique ennemis.
On pourrait commencer cet article par un passage traditionnel sur la manière dont les écrivains de science-fiction proposent des idées audacieuses et que les scientifiques leur donnent ensuite vie. Vous pouvez, mais vous ne voulez pas écrire avec des tampons. Il vaut mieux se rappeler que moderne moteurs de fusée, combustibles solides et liquides, présentent des caractéristiques plus qu'insatisfaisantes pour des vols sur des distances relativement longues. Ils vous permettent de lancer une cargaison en orbite terrestre et de livrer quelque chose sur la Lune, bien qu'un tel vol soit plus coûteux. Mais voler vers Mars avec de tels moteurs n’est plus facile. Donnez-leur du carburant et du comburant volumes requis. Et ces volumes sont directement proportionnels à la distance à parcourir.
Les moteurs électriques, à plasma et nucléaires constituent une alternative aux moteurs de fusée chimiques traditionnels. Parmi tous les moteurs alternatifs, un seul système a atteint le stade de développement de moteurs : le nucléaire (Nuclear Reaction Engine). En Union soviétique et aux États-Unis, les travaux visant à créer des moteurs de fusée nucléaires ont commencé dans les années 50 du siècle dernier. Les Américains travaillaient sur les deux options pour une telle centrale : réactive et pulsée. Le premier concept consiste à chauffer le fluide de travail à l'aide d'un réacteur nucléaire, puis à le libérer par des buses. Le moteur de propulsion nucléaire à impulsions, à son tour, propulse le vaisseau spatial grâce à des explosions successives d'une petite quantité combustible nucléaire.
Aux États-Unis également, le projet Orion a été inventé, combinant les deux versions du moteur nucléaire. Cela s'est fait de la manière suivante : de petites charges nucléaires d'une capacité d'environ 100 tonnes de TNT ont été éjectées de la queue du navire. Des disques métalliques ont été tirés après eux. À distance du navire, la charge a explosé, le disque s'est évaporé et la substance s'est dispersée dans différentes directions. Une partie est tombée dans la section arrière renforcée du navire et l'a fait avancer. Une légère augmentation de poussée aurait dû être apportée par l'évaporation de la plaque prenant les coups. Le coût unitaire d'un tel vol n'aurait dû être que de 150 dollars par kilogramme de charge utile.
On est même allé jusqu'à des tests : l'expérience a montré qu'un mouvement à l'aide d'impulsions successives est possible, tout comme la création d'une plaque arrière suffisamment résistante. Mais le projet Orion fut fermé en 1965 car peu prometteur. Cependant, c’est jusqu’à présent le seul concept existant qui permette des expéditions au moins à travers le système solaire.
Il n’a été possible de construire qu’un prototype doté d’un moteur-fusée à propulsion nucléaire. Il s'agissait du RD-0410 soviétique et du NERVA américain. Ils ont travaillé sur le même principe : dans un réacteur nucléaire « classique », le fluide de travail est chauffé, ce qui, lorsqu'il est éjecté des tuyères, crée une poussée. Le fluide de travail des deux moteurs était de l'hydrogène liquide, mais le fluide soviétique utilisait de l'heptane comme substance auxiliaire.
La poussée du RD-0410 était de 3,5 tonnes, NERVA en donnait près de 34, mais il avait aussi de grandes dimensions : 43,7 mètres de longueur et 10,5 de diamètre contre 3,5 et 1,6 mètres, respectivement, pour le moteur soviétique. Dans le même temps, le moteur américain était trois fois inférieur au moteur soviétique en termes de ressources - le RD-0410 pouvait fonctionner pendant une heure entière.
Cependant, les deux moteurs, malgré leurs promesses, sont également restés sur Terre et n'ont volé nulle part. raison principale la clôture des deux projets (NERVA au milieu des années 70, RD-0410 en 1985) - de l'argent. Les caractéristiques des moteurs chimiques sont pires que celles des moteurs nucléaires, mais le coût d'un lancement d'un navire équipé d'un moteur à propulsion nucléaire avec la même charge utile peut être 8 à 12 fois plus élevé que celui du lancement du même Soyouz avec un moteur à propergol liquide. . Et cela ne prend même pas en compte tous les coûts nécessaires pour amener les moteurs nucléaires au point de pouvoir être utilisés dans la pratique.
Mise hors service des Navettes « bon marché » et absence de Dernièrement Les avancées révolutionnaires dans le domaine de la technologie spatiale nécessitent de nouvelles solutions. En avril de cette année, A. Perminov, alors chef de Roscosmos, a annoncé son intention de développer et de mettre en service un tout nouveau système de propulsion nucléaire. C'est précisément ce qui, de l'avis de Roscosmos, devrait améliorer radicalement la « situation » de l'ensemble de la cosmonautique mondiale. Il est désormais clair qui devrait devenir les prochains révolutionnaires de l'astronautique : le développement des moteurs de propulsion nucléaire sera réalisé par l'Entreprise unitaire d'État fédérale du Centre Keldysh. Le directeur général de l'entreprise, A. Koroteev, a déjà fait plaisir au public que l'avant-projet vaisseau spatial car le nouveau moteur nucléaire sera prêt dans l'année prochaine. La conception du moteur devrait être prête d’ici 2019, avec des tests prévus pour 2025.
Le complexe s'appelait TEM - module de transport et d'énergie. Il portera réacteur nucléaire avec refroidissement au gaz. Le système de propulsion directe n'est pas encore décidé : soit il s'agira d'un moteur à réaction comme le RD-0410, soit d'un moteur-fusée électrique (ERE). Cependant, ce dernier type n’est encore largement utilisé nulle part dans le monde : seuls trois engins spatiaux en étaient équipés. Mais le fait que le réacteur puisse alimenter non seulement le moteur, mais également de nombreuses autres unités, voire utiliser l'ensemble du TEM comme centrale électrique spatiale, plaide en faveur du moteur de propulsion électrique.
Les sceptiques soutiennent que la création d'un moteur nucléaire ne constitue pas un progrès significatif dans le domaine de la science et de la technologie, mais seulement une « modernisation d'une chaudière à vapeur », où au lieu du charbon et du bois de chauffage, l'uranium agit comme combustible et l'hydrogène comme combustible. Fluide de travail. Le NRE (moteur à réaction nucléaire) est-il si désespéré ? Essayons de le comprendre.
Premières fusées
Toutes les réalisations de l’humanité dans l’exploration de l’espace proche de la Terre peuvent être attribuées en toute sécurité aux moteurs à réaction chimiques. Le fonctionnement de ces unités de puissance est basé sur la conversion d'énergie réaction chimique brûler du carburant dans un comburant en énergie cinétique du jet stream et, par conséquent, de la fusée. Le carburant utilisé est du kérosène, de l'hydrogène liquide, de l'heptane (pour les moteurs-fusées à propergol liquide (LPRE)) et un mélange polymérisé de perchlorate d'ammonium, d'aluminium et d'oxyde de fer (pour les moteurs-fusées à propergol solide (SDRE)).
Il est de notoriété publique que les premières fusées utilisées pour les feux d’artifice sont apparues en Chine au IIe siècle avant JC. Ils s'élevaient dans le ciel grâce à l'énergie des gaz en poudre. Les recherches théoriques de l'armurier allemand Konrad Haas (1556), du général polonais Kazimir Semenovich (1650) et du lieutenant-général russe Alexander Zasyadko ont apporté une contribution significative au développement de la technologie des fusées.
Le scientifique américain Robert Goddard a reçu un brevet pour l'invention de la première fusée à propergol liquide. Son appareil, pesant 5 kg et long d'environ 3 m, fonctionnant à l'essence et à l'oxygène liquide, prenait 2,5 s en 1926. a volé 56 mètres.
Chasser la vitesse
Sérieux travail expérimental La création de moteurs à réaction chimiques en série a commencé dans les années 30 du siècle dernier. En Union soviétique, V. P. Glushko et F. A. Tsander sont à juste titre considérés comme les pionniers de la construction de moteurs-fusées. Avec leur participation, les groupes motopropulseurs RD-107 et RD-108 ont été développés, ce qui a assuré la primauté de l'URSS dans l'exploration spatiale et a jeté les bases du futur leadership de la Russie dans le domaine de l'exploration spatiale habitée.
Lors de la modernisation du moteur à turbine liquide, il est devenu évident que la vitesse maximale théorique du jet stream ne pouvait pas dépasser 5 km/s. Cela peut suffire pour étudier l'espace proche de la Terre, mais les vols vers d'autres planètes, et plus encore vers les étoiles, resteront une chimère pour l'humanité. En conséquence, dès le milieu du siècle dernier, des projets de moteurs de fusée alternatifs (non chimiques) ont commencé à apparaître. Les installations les plus populaires et les plus prometteuses étaient celles utilisant l'énergie des réactions nucléaires. Les premiers échantillons expérimentaux de moteurs spatiaux nucléaires (NRE) en Union soviétique et aux États-Unis ont réussi les tests en 1970. Cependant, après Catastrophe de Tchernobyl sous la pression du public, les travaux dans ce domaine ont été suspendus (en URSS en 1988, aux États-Unis - depuis 1994).
Le fonctionnement des centrales nucléaires repose sur les mêmes principes que celui des centrales thermochimiques. La seule différence est que le chauffage du fluide de travail est réalisé par l'énergie de désintégration ou de fusion du combustible nucléaire. L'efficacité énergétique de ces moteurs dépasse largement celle des moteurs chimiques. Par exemple, l'énergie qui peut être libérée par 1 kg du meilleur carburant (un mélange de béryllium et d'oxygène) est de 3 × 107 J, tandis que pour les isotopes du polonium Po210, cette valeur est de 5 × 1011 J.
L’énergie libérée dans un moteur nucléaire peut être utilisée de différentes manières :
chauffer le fluide de travail émis par les tuyères, comme dans un moteur-fusée à propergol liquide traditionnel, après conversion en électricité, ionisant et accélérant les particules du fluide de travail, créant une impulsion directement par les produits de fission ou de synthèse. Même l'eau ordinaire peut agir comme un fluide de travail. fluide de travail, mais l'utilisation d'alcool sera beaucoup plus efficace, d'ammoniac ou d'hydrogène liquide. En fonction de la état d'agrégation combustible des réacteurs, les moteurs de fusée nucléaires sont divisés en phases solide, liquide et gazeuse. Le moteur de propulsion nucléaire le plus développé est un réacteur à fission en phase solide, utilisant comme combustible des barres de combustible (éléments combustibles) utilisées dans les centrales nucléaires. Le premier moteur de ce type, faisant partie du projet américain Nerva, a subi des essais au sol en 1966, fonctionnant pendant environ deux heures.
Caractéristiques de conception
Au cœur de tout nucléaire moteur spatial se trouve un réacteur constitué d'un noyau et d'un réflecteur en béryllium situé dans un boîtier de puissance. La fission des atomes d'une substance combustible, généralement de l'uranium U238, enrichi en isotopes U235, se produit dans le noyau. Pour donner le processus de désintégration nucléaire certaines propriétés, des modérateurs se trouvent également ici - tungstène ou molybdène réfractaire. Si le modérateur est inclus dans les crayons combustibles, le réacteur est dit homogène, et s'il est placé séparément, il est dit hétérogène. Le moteur nucléaire comprend également une unité d'alimentation en fluide de travail, des commandes, une protection contre les radiations fantômes et une buse. Éléments structurels et les composants du réacteur soumis à des charges thermiques élevées sont refroidis par le fluide de travail, qui est ensuite pompé dans les assemblages combustibles par une turbopompe. Ici, il est chauffé à près de 3 000 °C. En circulant à travers la buse, le fluide de travail crée une poussée du jet.
Les commandes typiques d'un réacteur sont des barres de commande et des plateaux tournants constitués d'une substance absorbant les neutrons (bore ou cadmium). Les crayons sont placés directement dans le cœur ou dans des niches réflectrices spéciales, et les tambours rotatifs sont placés à la périphérie du réacteur. En déplaçant les barres ou en faisant tourner les tambours, le nombre de noyaux fissiles par unité de temps est modifié, régulant le niveau de libération d'énergie du réacteur et, par conséquent, sa puissance thermique.
Pour réduire l'intensité des rayonnements neutroniques et gamma, dangereux pour tous les êtres vivants, des éléments primaires de protection du réacteur sont placés dans le bâtiment de puissance.
Efficacité accrue
Un moteur nucléaire en phase liquide est similaire dans son principe de fonctionnement et sa conception à celui en phase solide, mais l'état liquide du combustible permet d'augmenter la température de réaction et, par conséquent, la poussée du groupe motopropulseur. Ainsi, si pour les unités chimiques (turboréacteurs liquides et moteurs-fusées à propergol solide) l'impulsion spécifique maximale (vitesse d'écoulement du jet) est de 5 420 m/s, pour les moteurs nucléaires en phase solide et 10 000 m/s est loin de la limite, alors la la valeur moyenne de cet indicateur pour les moteurs à propulsion nucléaire en phase gazeuse se situe dans la plage de 30 000 à 50 000 m/s.
Il existe deux types de projets de moteurs nucléaires en phase gazeuse :
Cycle ouvert, dans lequel une réaction nucléaire se produit à l'intérieur d'un nuage de plasma à partir d'un fluide de travail contenu Champ électromagnétique et absorbant toute la chaleur générée. Les températures peuvent atteindre plusieurs dizaines de milliers de degrés. Dans ce cas, la zone active est entourée d'une substance résistante à la chaleur (par exemple du quartz) - une lampe nucléaire qui transmet librement l'énergie émise. Dans les installations du deuxième type, la température de réaction sera limitée par le point de fusion. du matériau du flacon. Dans le même temps, l'efficacité énergétique d'un moteur spatial nucléaire est légèrement réduite (impulsion spécifique jusqu'à 15 000 m/s), mais l'efficacité et la sécurité radiologique sont augmentées.
Réalisations pratiques
Formellement, le scientifique et physicien américain Richard Feynman est considéré comme l'inventeur de la centrale nucléaire. Le début des travaux à grande échelle sur le développement et la création de moteurs nucléaires pour engins spatiaux dans le cadre du programme Rover a eu lieu au Centre de recherche de Los Alamos (États-Unis) en 1955. Les inventeurs américains ont préféré les installations avec un réacteur nucléaire homogène. Le premier échantillon expérimental de « Kiwi-A » a été assemblé dans une usine du centre nucléaire d'Albuquerque (Nouveau-Mexique, États-Unis) et testé en 1959. Le réacteur a été placé verticalement sur le support avec la buse vers le haut. Au cours des tests, un flux chauffé d’hydrogène usé a été rejeté directement dans l’atmosphère. Et même si le recteur travaillait pour batterie faible seulement environ 5 minutes, le succès a inspiré les développeurs.
En Union soviétique, une puissante impulsion à de telles recherches a été donnée par la réunion des « trois grands K » qui a eu lieu en 1959 à l'Institut de l'énergie atomique - le créateur de la bombe atomique I.V. Kurchatov, le théoricien en chef de la cosmonautique russe. M.V. Keldysh et le concepteur général des fusées soviétiques S.P. Queen. Contrairement au modèle américain, le moteur soviétique RD-0410, développé au bureau d'études de l'association Khimavtomatika (Voronej), disposait d'un réacteur hétérogène. Des essais incendie ont eu lieu sur un terrain d'entraînement près de Semipalatinsk en 1978.
Il convient de noter qu’un grand nombre de projets théoriques ont été créés, mais que la question n’a jamais abouti à une mise en œuvre pratique. Les raisons en étaient la présence d'un grand nombre de problèmes dans la science des matériaux et le manque de ressources humaines et financières.
À noter : les essais en vol d’avions à propulsion nucléaire ont été une réalisation pratique importante. En URSS, le bombardier stratégique expérimental Tu-95LAL était le plus prometteur, et aux États-Unis, le B-36.
Projet "Orion" ou moteurs-fusées nucléaires pulsés
Pour les vols dans l'espace, un moteur nucléaire pulsé a été proposé pour la première fois en 1945 par un mathématicien américain d'origine polonaise, Stanislaw Ulam. Au cours de la décennie suivante, l'idée a été développée et affinée par T. Taylor et F. Dyson. L'essentiel est que l'énergie de petites charges nucléaires, détonées à une certaine distance de la plate-forme de poussée située au bas de la fusée, lui confère une grande accélération.
Lors du projet Orion, lancé en 1958, il était prévu d'équiper une fusée d'un tel moteur capable de transporter des personnes à la surface de Mars ou sur l'orbite de Jupiter. L'équipage, situé dans le compartiment avant, serait protégé des effets destructeurs des accélérations gigantesques par un dispositif amortisseur. Le résultat d'un travail d'ingénierie détaillé a été des tests en marche d'une maquette à grande échelle du navire pour étudier la stabilité du vol (des explosifs ordinaires ont été utilisés à la place des charges nucléaires). En raison du coût élevé, le projet fut fermé en 1965.
Des idées similaires pour créer un « avion explosif » ont été exprimées par Académicien soviétique A. Sakharov en juillet 1961. Pour lancer le navire en orbite, le scientifique a proposé d'utiliser des turbopropulseurs à liquide conventionnels.
Projets alternatifs
Un grand nombre de projets n'ont jamais dépassé la recherche théorique. Parmi eux, il y en avait beaucoup d'originales et très prometteuses. L’idée d’une centrale nucléaire à base de fragments fissiles se confirme. Caractéristiques de conception et la conception de ce moteur permet de se passer du tout de fluide de travail. Le jet stream, qui fournit les caractéristiques de poussée nécessaires, est formé à partir de matières nucléaires usées. Le réacteur est basé sur des disques rotatifs avec une masse nucléaire sous-critique (coefficient de fission atomique inférieur à l'unité). Lors de la rotation dans le secteur du disque situé dans le noyau, une réaction en chaîne est déclenchée et des atomes de haute énergie en décomposition sont dirigés vers la tuyère du moteur, formant un jet. Les atomes intacts préservés participeront à la réaction lors des prochains tours du disque combustible.
Les projets de moteur nucléaire pour navires effectuant certaines tâches dans l'espace proche de la Terre, basés sur des RTG (générateurs thermoélectriques à radio-isotopes), sont tout à fait réalisables, mais de telles installations sont peu prometteuses pour les vols interplanétaires, et plus encore interstellaires.
Les moteurs alimentés par fusion nucléaire ont un potentiel énorme. Déjà au stade actuel de développement de la science et de la technologie, une installation pulsée est tout à fait réalisable, dans laquelle, comme le projet Orion, des charges thermonucléaires exploseront sous le bas de la fusée. Cependant, de nombreux experts considèrent que la mise en œuvre de la fusion nucléaire contrôlée relève d’un avenir proche.
Avantages et inconvénients des moteurs nucléaires
Les avantages incontestables de l'utilisation de moteurs nucléaires comme groupes motopropulseurs pour les engins spatiaux incluent leur haute efficacité énergétique, offrant une impulsion spécifique élevée et de bonnes performances de traction (jusqu'à mille tonnes dans l'espace sans air), une réserve d'énergie impressionnante en fonctionnement autonome. Le niveau actuel de développement scientifique et technologique permet d'assurer la compacité relative d'une telle installation.
Le principal inconvénient des moteurs de propulsion nucléaire, qui a entraîné une réduction des travaux de conception et de recherche, est le risque élevé de rayonnement. Cela est particulièrement vrai lors des essais d'incendie au sol, à la suite desquels des gaz radioactifs, des composés d'uranium et ses isotopes ainsi que les effets destructeurs des rayonnements pénétrants peuvent pénétrer dans l'atmosphère avec le fluide de travail. Pour les mêmes raisons, il est inacceptable de lancer un vaisseau spatial équipé d’un moteur nucléaire directement depuis la surface de la Terre.
Présent et futur
Selon l'académicien de l'Académie des sciences de Russie, directeur général"Keldysh Center" d'Anatoly Koroteev, fondamentalement nouveau genre un moteur nucléaire en Russie sera créé dans un avenir proche. L'essence de l'approche est que l'énergie du réacteur spatial ne sera pas consacrée au chauffage direct du fluide de travail et à la formation d'un jet, mais à la production d'électricité. Le rôle de propulsion dans l'installation est attribué à un moteur à plasma dont la poussée spécifique est 20 fois supérieure à la poussée des dispositifs à réaction chimique existants aujourd'hui. L'entreprise principale du projet est une division de la société d'État Rosatom, JSC NIKIET (Moscou).
Des tests de prototypes à grande échelle ont été réalisés avec succès en 2015 sur la base de NPO Mashinostroeniya (Reutov). La date du début des essais en vol de la centrale nucléaire est novembre de cette année. Éléments essentiels et les systèmes devront être testés, y compris à bord de l'ISS.
Le nouveau moteur nucléaire russe fonctionne en cycle fermé, ce qui élimine complètement substances radioactives dans l’espace environnant. Les caractéristiques de masse et dimensionnelles des principaux éléments de la centrale garantissent son utilisation avec les lanceurs nationaux Proton et Angara existants.
La Russie a testé le système de refroidissement d'une centrale nucléaire (NPP), l'un des éléments clés d'un futur vaisseau spatial capable d'effectuer des vols interplanétaires. Pourquoi un moteur nucléaire est-il nécessaire dans l'espace, comment fonctionne-t-il et pourquoi Roscosmos considère ce développement comme le principal atout spatial russe, rapportent Izvestia.
Histoire de l'atome
Si vous mettez la main sur votre cœur, depuis l'époque de Korolev, les lanceurs utilisés pour les vols dans l'espace n'ont subi aucun changement fondamental. Principe général le travail - chimique, basé sur la combustion d'un carburant avec un comburant, reste le même. Les moteurs, les systèmes de contrôle et les types de carburant évoluent. La base du voyage spatial reste la même : la poussée du jet pousse la fusée ou le vaisseau spatial vers l’avant.
Il est très courant d’entendre dire qu’une avancée majeure est nécessaire, un développement capable de remplacer le moteur à réaction afin d’augmenter l’efficacité et de rendre les vols vers la Lune et Mars plus réalistes. Le fait est qu’à l’heure actuelle, la quasi-majorité de la masse des engins spatiaux interplanétaires est constituée de carburant et de comburant. Et si nous abandonnions complètement le moteur chimique et commencions à utiliser l’énergie d’un moteur nucléaire ?
L'idée de créer un système de propulsion nucléaire n'est pas nouvelle. En URSS, un décret gouvernemental détaillé sur le problème de la création de systèmes de propulsion nucléaire a été signé en 1958. Même alors, des études ont montré qu'en utilisant un moteur de fusée nucléaire de puissance suffisante, vous pouvez vous rendre à Pluton (qui n'a pas encore perdu son statut planétaire) et revenir en six mois (deux aller-retour et quatre retour), en dépensant 75 tonnes de carburant pendant le voyage.
L’URSS développait un moteur-fusée nucléaire, mais les scientifiques commencent seulement à se rapprocher d’un véritable prototype. Il ne s'agit pas d'argent, le sujet s'est avéré si complexe qu'aucun pays n'a encore été en mesure de créer un prototype fonctionnel et, dans la plupart des cas, tout s'est terminé par des plans et des dessins. Les États-Unis testèrent un système de propulsion pour un vol vers Mars en janvier 1965. Mais le projet NERVA visant à conquérir Mars à l'aide d'un moteur nucléaire n'a pas dépassé les tests KIWI, et il était beaucoup plus simple que le développement russe actuel. La Chine a présenté ses plans développement spatial la création d'un moteur nucléaire plus proche de 2045, ce qui est également très, très proche.
En Russie, une nouvelle série de travaux sur le projet de système de propulsion nucléaire électrique (NPP) de classe mégawatt pour les systèmes de transport spatial a débuté en 2010. Le projet est créé conjointement par Roscosmos et Rosatom et peut être considéré comme l'un des projets spatiaux les plus sérieux et les plus ambitieux de ces derniers temps. Le principal entrepreneur en matière d'ingénierie électronucléaire est le Centre de recherche qui porte son nom. M.V. Keldych.
Mouvement nucléaire
Tout au long du développement, des informations sont divulguées dans la presse sur l'état de préparation de l'une ou l'autre partie du futur moteur nucléaire. En même temps, en général, à l'exception des spécialistes, peu de gens imaginent comment et grâce à quoi cela fonctionnera. En fait, l’essence d’un moteur nucléaire spatial est à peu près la même que sur Terre. Énergie réaction nucléaire utilisé pour chauffer et faire fonctionner le turbogénérateur-compresseur. Pour faire simple, une réaction nucléaire permet de produire de l’électricité, presque exactement de la même manière que dans une centrale nucléaire conventionnelle. Et avec l'aide de l'électricité, les moteurs de fusée électriques fonctionnent. Dans cette installation, ce sont des moteurs ioniques de forte puissance.
Dans les moteurs ioniques, la poussée est créée en créant une poussée de jet basée sur du gaz ionisé, accélérée à des vitesses élevées dans champ électrique. Les moteurs ioniques existent toujours et sont testés dans l’espace. Jusqu'à présent, ils n'ont qu'un seul problème : presque tous ont très peu de poussée, bien qu'ils consomment très peu de carburant. Pour voyage dans l'espace De tels moteurs sont une excellente option, surtout si vous résolvez le problème de la production d’électricité dans l’espace, ce que fera une installation nucléaire. De plus, les moteurs ioniques peuvent fonctionner assez longtemps, durée maximale opération continue Les exemples les plus modernes de moteurs ioniques ont plus de trois ans.
Si vous regardez le diagramme, vous remarquerez que l'énergie nucléaire commence son travail utile pas du tout tout de suite. Tout d'abord, l'échangeur de chaleur chauffe, puis de l'électricité est générée, qui est déjà utilisée pour créer la poussée du moteur ionique. Hélas, l’humanité n’a pas encore appris à utiliser les installations nucléaires pour la propulsion de manière plus simple et plus efficace.
En URSS, des satellites dotés d'une installation nucléaire ont été lancés dans le cadre du complexe de désignation de cibles Legend pour les avions navals porteurs de missiles, mais il s'agissait de très petits réacteurs et leur travail était suffisant pour produire de l'électricité pour les instruments accrochés au satellite. Le vaisseau spatial soviétique avait une puissance d'installation de trois kilowatts, mais les spécialistes russes travaillent désormais à la création d'une installation d'une puissance supérieure à un mégawatt.
Des problèmes à l'échelle cosmique
Naturellement, une installation nucléaire dans l’espace pose bien plus de problèmes que sur Terre, le plus important d’entre eux étant le refroidissement. DANS conditions normales Pour cela, on utilise de l'eau, qui absorbe très efficacement la chaleur du moteur. Cela ne peut pas être fait dans l'espace et les moteurs nucléaires nécessitent système efficace refroidissement - et leur chaleur doit être évacuée dans l'espace, c'est-à-dire que cela ne peut se faire que sous forme de rayonnement. Généralement utilisé à cette fin dans les vaisseaux spatiaux. radiateurs à panneaux- en métal, dans lesquels circule du liquide de refroidissement. Hélas, de tels radiateurs ont généralement un poids et des dimensions importants, de plus, ils ne sont en aucun cas protégés des météorites.
En août 2015, lors du salon aéronautique MAKS, un modèle de refroidissement par gouttelettes de systèmes de propulsion nucléaires a été présenté. Dans celui-ci, le liquide, dispersé sous forme de gouttes, vole à l'air libre Cosmos, refroidi puis remonté dans l'installation. Imaginez simplement un immense vaisseau spatial, au centre duquel se trouve une installation de douche géante, d'où jaillissent des milliards de gouttes d'eau microscopiques, volent à travers l'espace, puis sont aspirées dans l'immense bouche d'un aspirateur spatial.
Plus récemment, on a appris que le système de refroidissement des gouttelettes d’un système de propulsion nucléaire avait été testé dans des conditions terrestres. Dans ce cas, le système de refroidissement est l'étape la plus importante lors de la création de l'installation.
Il s’agit maintenant de tester ses performances en apesanteur, et ce n’est qu’après cela que nous pourrons essayer de créer un système de refroidissement dans les dimensions requises pour l’installation. Chacun de ces essais réussis rapproche un peu plus les spécialistes russes de la création d’une installation nucléaire. Les scientifiques se précipitent de toutes leurs forces, car on pense que le lancement d'un moteur nucléaire dans l'espace aidera la Russie à retrouver sa position de leader dans l'espace.
L'ère de l'espace nucléaire
Disons que cela réussisse et que dans quelques années un moteur nucléaire commencera à fonctionner dans l’espace. En quoi cela va-t-il aider, comment peut-il être utilisé ? Pour commencer, il convient de préciser que, sous la forme sous laquelle le système de propulsion nucléaire existe aujourd’hui, il ne peut fonctionner que dans l’espace. Il n’est pas possible qu’il décolle de la Terre et atterrisse sous cette forme ; pour l’instant, il ne peut pas se passer des fusées chimiques traditionnelles.
Pourquoi dans l'espace ? Eh bien, l'humanité s'envole rapidement vers Mars et la Lune, et c'est tout ? Pas certainement de cette façon. Actuellement, tous les projets d'usines orbitales et d'usines fonctionnant en orbite terrestre sont au point mort en raison du manque de matières premières pour le travail. Cela ne sert à rien de construire quoi que ce soit dans l’espace tant qu’un moyen de le mettre en orbite n’a pas été trouvé. un grand nombre de matières premières nécessaires, telles que le minerai métallique.
Mais pourquoi les soulever de la Terre si, au contraire, on peut les ramener de l'espace. Dans la même ceinture d'astéroïdes du système solaire, il existe tout simplement d'énormes réserves de divers métaux, y compris des métaux précieux. Et dans ce cas, la création d'un remorqueur nucléaire sera tout simplement une bouée de sauvetage.
Mettez en orbite un énorme astéroïde contenant du platine ou de l’or et commencez à le découper directement dans l’espace. Selon les experts, une telle production, compte tenu du volume, pourrait s'avérer être l'une des plus rentables.
Existe-t-il une utilisation moins fantastique pour un remorqueur nucléaire ? Par exemple, il peut être utilisé pour transporter des satellites sur les orbites requises ou pour amener des engins spatiaux au point souhaité dans l'espace, par exemple sur l'orbite lunaire. Actuellement, des étages supérieurs sont utilisés à cet effet, par exemple le Fregat russe. Ils sont coûteux, complexes et jetables. Un remorqueur nucléaire pourra les récupérer en orbite terrestre basse et les livrer là où cela est nécessaire.
Il en va de même pour les voyages interplanétaires. Sans manière rapide Il n’y a tout simplement aucune chance d’envoyer des marchandises et des personnes sur l’orbite de Mars pour commencer la colonisation. La génération actuelle de lanceurs le fera très cher et pendant longtemps. Jusqu'à présent, la durée du vol reste l'un des problèmes les plus graves lorsqu'on vole vers d'autres planètes. Survivre à des mois de voyage aller-retour vers Mars dans une capsule de vaisseau spatial fermée n’est pas une tâche facile. Un remorqueur nucléaire peut également aider ici, en réduisant considérablement ce temps.
Nécessaire et suffisant
À l’heure actuelle, tout cela ressemble à de la science-fiction, mais, selon les scientifiques, il ne reste que quelques années avant de tester le prototype. La principale chose à faire est non seulement d’achever le développement, mais également de maintenir le niveau requis d’astronautique dans le pays. Même avec une baisse des financements, les fusées doivent continuer à décoller, les vaisseaux spatiaux sont construits et les spécialistes les plus précieux doivent continuer à travailler.
Sinon, un moteur nucléaire sans l'infrastructure appropriée n'aidera pas; pour une efficacité maximale, il sera très important non seulement de le vendre, mais aussi de l'utiliser de manière indépendante, démontrant ainsi toutes les capacités du nouveau véhicule spatial.
En attendant, tous les habitants du pays qui ne sont pas liés au travail ne peuvent que regarder le ciel et espérer que tout ira bien pour la cosmonautique russe. Et un remorqueur nucléaire, et la préservation des capacités actuelles. Je ne veux pas croire à d’autres résultats.
L'idée de lancer des bombes atomiques derrière la poupe s'est avérée trop brutale, mais la quantité d'énergie produite par la réaction de fission nucléaire, sans parler de la fusion, est extrêmement attractive pour l'astronautique. Par conséquent, de nombreux systèmes sans impulsions ont été créés pour éliminer les tracas liés au stockage de centaines de bombes nucléairesà bord et amortisseurs cyclopéens. Nous en parlerons aujourd'hui.
La physique nucléaire à portée de main
Qu'est-ce qu'une réaction nucléaire ? Pour l’expliquer très simplement, l’image ressemblera à ceci. Du programme scolaire, nous retenons que la matière est constituée de molécules, les molécules sont constituées d'atomes et les atomes sont constitués de protons, d'électrons et de neutrons (il existe des niveaux inférieurs, mais cela nous suffit). Certains atomes lourds ont une propriété intéressante : s'ils sont frappés par un neutron, ils se désintègrent en atomes plus légers et libèrent plusieurs neutrons. Si ces neutrons libérés frappent d’autres atomes lourds à proximité, la désintégration se répétera et nous obtiendrons une réaction nucléaire en chaîne. Le mouvement des neutrons à grande vitesse signifie que ce mouvement se transforme en chaleur lorsque les neutrons ralentissent. Un réacteur nucléaire est donc un appareil de chauffage très puissant. Ils peuvent faire bouillir de l'eau, diriger la vapeur qui en résulte vers une turbine et obtenir centrale nucléaire. Ou vous pouvez chauffer de l’hydrogène et le jeter dehors, créant ainsi un moteur à réaction nucléaire. De cette idée sont nés les premiers moteurs - NERVA et RD-0410.
Nerva
Historique du projet
La paternité officielle (brevet) de l'invention du moteur-fusée atomique appartient à Richard Feynman, selon ses mémoires « Vous plaisantez sûrement, M. Feynman ». Soit dit en passant, la lecture du livre est fortement recommandée. Le laboratoire de Los Alamos a commencé à développer des moteurs de fusée nucléaire en 1952. En 1955, le projet Rover fut lancé. Lors de la première étape du projet KIWI, 8 réacteurs expérimentaux ont été construits et de 1959 à 1964, la purge du fluide de travail à travers le cœur du réacteur a été étudiée. Pour référence temporelle, le projet Orion a existé de 1958 à 1965. Rover avait des phases deux et trois explorant des réacteurs de plus grande puissance, mais NERVA était basé sur KIWI en raison des plans pour le premier lancement d'essai dans l'espace en 1964 - il n'y avait pas de temps pour développer des options plus avancées. Les délais avancent progressivement et le premier lancement au sol du moteur NERVA NRX/EST (EST - Engine System Test) a lieu en 1966. Le moteur a fonctionné avec succès pendant deux heures, dont 28 minutes à pleine poussée. Le deuxième moteur NERVA XE a été démarré 28 fois et a fonctionné pendant un total de 115 minutes. Le moteur s'est avéré adapté à la technologie spatiale et le banc d'essai était prêt à tester de nouveaux moteurs assemblés. Il semblait que NERVA avait un brillant avenir devant lui : un vol vers Mars en 1978, une base permanente sur la Lune en 1981, des remorqueurs orbitaux. Mais le succès du projet a provoqué la panique au Congrès : le programme lunaire s'est avéré très coûteux pour les États-Unis, le programme Mars serait encore plus coûteux. En 1969 et 1970, le financement spatial a été considérablement réduit : les missions Apollo 18, 19 et 20 ont été annulées et personne n'a alloué d'énormes sommes d'argent au programme sur Mars. En conséquence, les travaux sur le projet ont été réalisés sans financement sérieux et ont été fermés en 1972.Conception
L'hydrogène du réservoir est entré dans le réacteur, y a été chauffé et a été rejeté, créant une poussée du jet. L'hydrogène a été choisi comme fluide de travail car il contient des atomes légers et est plus facile à accélérer à grande vitesse. Plus la vitesse d’échappement du jet est élevée, plus le moteur-fusée est efficace.
Un réflecteur de neutrons a été utilisé pour garantir que les neutrons soient renvoyés au réacteur afin de maintenir une réaction nucléaire en chaîne.
Des barres de contrôle ont été utilisées pour contrôler le réacteur. Chacune de ces tiges se composait de deux moitiés: un réflecteur et un absorbeur de neutrons. Lorsque les barres étaient tournées par le réflecteur de neutrons, leur flux dans le réacteur augmentait et le transfert de chaleur dans le réacteur augmentait. Lorsque la tige était tournée par l'absorbeur de neutrons, leur flux dans le réacteur diminuait et le réacteur réduisait le transfert de chaleur.
L'hydrogène était également utilisé pour refroidir la buse, et l'hydrogène chaud provenant du système de refroidissement de la buse faisait tourner la turbopompe pour fournir plus d'hydrogène.
Le moteur tourne. L'hydrogène a été spécialement enflammé à la sortie de la buse afin d'éviter tout risque d'explosion, il n'y aurait pas de combustion dans l'espace ;
Le moteur NERVA a créé une poussée de 34 tonnes, soit environ une fois et demie moins de moteur J-2, qui se trouvait sur les deuxième et troisième étages de la fusée Saturn V. L'impulsion spécifique était de 800 à 900 secondes, soit deux fois plus élevée que celle des meilleurs moteurs utilisant la paire de carburant oxygène-hydrogène, mais inférieure à celle du système de propulsion électrique ou du moteur Orion.
Un peu sur la sécurité
Un réacteur nucléaire qui vient d'être assemblé et non démarré, avec de nouveaux assemblages combustibles qui n'ont pas encore été utilisés, est tout à fait propre. L'uranium est toxique, il faut donc porter des gants, mais rien de plus. Aucun manipulateur à distance, aucun mur de plomb ou quoi que ce soit d'autre n'est nécessaire. Toutes les saletés rayonnantes apparaissent après le démarrage du réacteur en raison de la diffusion de neutrons, « gâtant » les atomes de la cuve, le liquide de refroidissement, etc. Par conséquent, en cas d'accident de fusée avec un tel moteur, la contamination radioactive de l'atmosphère et de la surface serait faible et, bien sûr, bien inférieure à celle du lancement normal d'Orion. En cas de démarrage réussi, la contamination serait minime, voire absente, car le moteur devrait démarrer en couches supérieures atmosphère ou déjà dans l'espace.RD-0410
Le moteur soviétique RD-0410 a une histoire similaire. L'idée du moteur est née à la fin des années 40 parmi les pionniers de la technologie des fusées et du nucléaire. Comme dans le projet Rover, l’idée originale était un moteur respiratoire à propulsion nucléaire pour le premier étage d’un missile balistique, puis le développement s’est étendu à l’industrie spatiale. Le RD-0410 a été développé plus lentement; les développeurs nationaux ont été emportés par l'idée d'un moteur de propulsion nucléaire en phase gazeuse (plus de détails ci-dessous). Le projet a débuté en 1966 et s'est poursuivi jusqu'au milieu des années 80. La cible du moteur était la mission Mars 94, un vol habité vers Mars en 1994.
La conception du RD-0410 est similaire à celle du NERVA - l'hydrogène passe à travers la buse et les réflecteurs, les refroidit, est fourni au cœur du réacteur, y est chauffé et libéré.
Selon ses caractéristiques, le RD-0410 était meilleur que le NERVA - la température du cœur du réacteur était de 3 000 K au lieu de 2 000 K pour le NERVA, et l'impulsion spécifique dépassait 900 s. Le RD-0410 était plus léger et plus compact que le NERVA et développait dix fois moins de poussée.
Essais moteur. La torche latérale en bas à gauche enflamme l'hydrogène pour éviter une explosion.
Développement de moteurs de propulsion nucléaire en phase solide
On se souvient que plus la température dans le réacteur est élevée, plus le débit du fluide de travail est important et plus l'impulsion spécifique du moteur est élevée. Qu'est-ce qui vous empêche d'augmenter la température dans NERVA ou RD-0410 ? Le fait est que dans les deux moteurs, les éléments combustibles sont à l’état solide. Si vous augmentez la température, ils fondront et s'envoleront avec l'hydrogène. Par conséquent, pour des températures plus élevées, il est nécessaire de trouver un autre moyen de réaliser une réaction nucléaire en chaîne.Moteur à sel combustible nucléaire
DANS Physique nucléaire Il existe une masse critique. Souvenez-vous de la réaction nucléaire en chaîne au début du post. Si les atomes fissiles sont très proches les uns des autres (par exemple, s'ils ont été comprimés par la pression d'une explosion spéciale), il en résultera une explosion atomique - beaucoup de chaleur en très peu de temps. Si les atomes ne sont pas comprimés aussi étroitement, mais que le flux de nouveaux neutrons issus de la fission augmente, une explosion thermique se produira. Un réacteur conventionnel tomberait en panne dans de telles conditions. Imaginez maintenant que nous prenions une solution aqueuse de matière fissile (par exemple, des sels d'uranium) et que nous l'introduisions en continu dans la chambre de combustion, en y fournissant une masse supérieure à la masse critique. Le résultat est une « bougie nucléaire » qui brûle en permanence, dont la chaleur accélère la réaction du combustible nucléaire et de l’eau.
L'idée a été proposée en 1991 par Robert Zubrin et, selon diverses estimations, promet une impulsion spécifique de 1 300 à 6 700 s avec une poussée mesurée en tonnes. Malheureusement, un tel schéma présente également des inconvénients :
- Complexité du stockage du carburant - une réaction en chaîne dans le réservoir doit être évitée en plaçant le carburant dans, par exemple, de minces tubes provenant d'un absorbeur de neutrons, les réservoirs seront donc complexes, lourds et coûteux.
- La consommation élevée de combustible nucléaire est due au fait que l’efficacité de la réaction (nombre d’atomes désintégrés/nombre d’atomes dépensés) sera très faible. Même dans bombe atomique Les matières fissiles ne « brûlent » pas complètement et la majeure partie du précieux combustible nucléaire sera immédiatement gaspillée.
- Les essais au sol sont pratiquement impossibles - les gaz d'échappement d'un tel moteur seront très sales, encore plus sales que ceux de l'Orion.
- Il y a quelques questions sur le contrôle de la réaction nucléaire - ce n'est pas un fait qu'un schéma simple dans sa description verbale sera facile à mettre en œuvre techniquement.
Moteurs de propulsion nucléaire en phase gazeuse
Idée suivante : et si on créait un vortex de fluide de travail, au centre duquel se déroulerait une réaction nucléaire ? Dans ce cas, la température élevée du noyau n'atteindra pas les parois, étant absorbée par le fluide de travail, et elle peut être élevée jusqu'à des dizaines de milliers de degrés. C'est ainsi qu'est née l'idée d'un moteur de propulsion nucléaire en phase gazeuse à cycle ouvert :
Le moteur de propulsion nucléaire en phase gazeuse promet une impulsion spécifique allant jusqu'à 3 000 à 5 000 secondes. En URSS, un projet de moteur de propulsion nucléaire en phase gazeuse (RD-600) a été lancé, mais il n'a même pas atteint le stade de maquette.
Le « cycle ouvert » signifie que le combustible nucléaire sera rejeté à l'extérieur, ce qui, bien entendu, réduit l'efficacité. Par conséquent, l'idée suivante a été inventée, revenant dialectiquement aux NRE en phase solide : entourons la région de réaction nucléaire d'une substance suffisamment résistante à la chaleur qui transmettra la chaleur rayonnée. Le quartz a été proposé comme telle substance, car à des dizaines de milliers de degrés, la chaleur est transférée par rayonnement et le matériau du récipient doit être transparent. Le résultat est un moteur de propulsion nucléaire à cycle fermé en phase gazeuse, ou « ampoule nucléaire » :
Dans ce cas, la limite de la température à cœur sera la résistance thermique de la coque de « l’ampoule ». Le point de fusion du quartz est de 1 700 degrés Celsius. refroidissement actif la température peut être augmentée, mais, dans tous les cas, l'impulsion spécifique sera plus faible circuit ouvert(1300-1500 s), mais le combustible nucléaire sera consommé de manière plus économique et les gaz d'échappement seront plus propres.
Projets alternatifs
Outre le développement de moteurs de propulsion nucléaire en phase solide, il existe également des projets originaux.Moteur fissile
L'idée de ce moteur est qu'il n'y a pas de fluide de travail - c'est le combustible nucléaire usé éjecté. Dans le premier cas, les disques sous-critiques sont fabriqués à partir de matières fissiles, qui ne déclenchent pas d’elles-mêmes une réaction en chaîne. Mais si le disque est placé dans une zone de réacteur dotée de réflecteurs de neutrons, une réaction en chaîne se déclenchera. Et la rotation du disque et l'absence de fluide de travail conduiront au fait que les atomes décomposés à haute énergie s'envoleront dans la buse, générant une poussée, et les atomes non décomposés resteront sur le disque et auront une chance de la prochaine révolution du disque :
Encore plus idée intéressante consiste à créer un plasma poussiéreux (rappelez-vous sur l'ISS) à partir de matières fissiles, dans lequel les produits de désintégration des nanoparticules de combustible nucléaire sont ionisés par un champ électrique et rejetés, créant une poussée :
Ils promettent une fantastique impulsion spécifique de 1 000 000 de secondes. L’enthousiasme est freiné par le fait que le développement se situe au niveau de la recherche théorique.