Moteurs de fusées nucléaires et systèmes de propulsion électrique de fusées nucléaires. Moteurs nucléaires pour engins spatiaux

Cour d'impulsion a été développé conformément au principe proposé en 1945 par le Dr S. Ulam du Laboratoire de recherche de Los Alamos, selon lequel il est proposé d'utiliser une charge nucléaire comme source d'énergie (carburant) pour un lanceur de fusée spatiale à haute performance.

À cette époque, comme dans de nombreuses années à venir, les armes nucléaires et thermonucléaires étaient les sources d'énergie les plus puissantes et les plus compactes par rapport à toutes les autres. Comme vous le savez, nous sommes actuellement sur le point de découvrir des moyens de contrôler une source d'énergie encore plus concentrée, puisque nous avons déjà avancé assez loin dans le développement de la première unité utilisant l'antimatière. Si nous procédons uniquement à partir de la quantité d'énergie disponible, les charges nucléaires fournissent une poussée spécifique de plus de 200 000 secondes, et les thermonucléaires - jusqu'à 400 000 secondes. De telles valeurs de poussée spécifique sont excessivement élevées pour la plupart des vols à l'intérieur du système solaire. De plus, lors de l'utilisation du combustible nucléaire sous sa forme "pure", de nombreux problèmes se posent qui, même à l'heure actuelle, n'ont pas encore été entièrement résolus. Ainsi, l'énergie libérée lors de l'explosion doit être transférée au fluide de travail, qui se réchauffe puis s'écoule du moteur, créant une poussée. Conformément aux méthodes habituelles pour résoudre un tel problème, une charge nucléaire est placée dans une "chambre de combustion" remplie d'un fluide de travail (par exemple, de l'eau ou une autre substance liquide), qui s'évapore puis se dilate plus ou moins de diabaticité dans la tuyère.

Un tel système, que nous appelons un NRE pulsé interne, est très efficace, car tous les produits de l'explosion et toute la masse du fluide de travail sont utilisés pour créer une poussée. Un cycle de fonctionnement non stationnaire permet à un tel système de développer des pressions et des températures plus élevées dans la chambre de combustion, et par conséquent, une poussée spécifique plus élevée par rapport à un cycle de fonctionnement continu. Cependant, le fait même que les explosions se produisent à l'intérieur d'un certain volume impose des restrictions importantes sur la pression et la température dans la chambre, et donc sur la valeur réalisable de la poussée spécifique. De ce fait, malgré les nombreux avantages d'un NRE à impulsion interne, un NRE à impulsion externe s'est avéré plus simple et plus efficace en raison de l'utilisation de la quantité gigantesque d'énergie libérée lors des explosions nucléaires.

Dans le NRE d'action externe, la masse entière du carburant et du fluide de travail ne participe pas à la création de la poussée du jet. Cependant, ici, même avec une efficacité moindre. plus d'énergie est utilisée, ce qui améliore les performances du système. Une impulsion externe NRE (appelée ci-après simplement une impulsion NRE) utilise l'énergie d'une explosion d'un grand nombre de petites charges nucléaires transportées à bord d'un missile. Ces charges nucléaires sont séquentiellement éjectées de la fusée et explosées derrière elle à une certaine distance ( dessin ci-dessous). À chaque explosion, une partie des fragments de fission gazeux en expansion sous forme de plasma à haute densité et vitesse entre en collision avec la base de la fusée - la plate-forme de poussée. L'élan du plasma est transféré à la plate-forme de poussée, qui avance à une accélération élevée. L'accélération est réduite par un dispositif d'amortissement à quelques g dans le compartiment avant de la fusée, qui ne dépasse pas les limites d'endurance du corps humain. Après le cycle de compression, le dispositif d'amortissement ramène la plate-forme de poussée dans sa position initiale, après quoi elle est prête pour l'impulsion suivante.

L'incrément de vitesse total acquis par l'engin spatial ( image, emprunté au travail ), dépend du nombre d'explosions et, par conséquent, est déterminé par le nombre de charges nucléaires dépensées dans une manœuvre donnée. Le développement systématique d'une conception pour un tel NRE a été initié par le Dr T. B. Taylor (General Atomic Division of General Dynamics) et s'est poursuivi avec le soutien de la Research Advanced Planning Administration (ARPA), de l'US Air Force, de la NASA et de General Dynamics" pendant neuf ans, après quoi les travaux dans ce sens ont été temporairement arrêtés pour reprendre à l'avenir, puisque ce type de système de propulsion a été choisi comme l'un des deux principaux systèmes de propulsion pour les engins spatiaux volant dans le système solaire.

Le principe de fonctionnement d'un YARD pulsé d'action extérieure

Une première version de l'installation, développée par la NASA en 1964-1965, était comparable (en diamètre) à la fusée Saturn-5 et fournissait une poussée spécifique de 2500 s et une poussée effective de 350 g ; le poids «sec» (sans carburant) du compartiment moteur principal était de 90,8 tonnes.La version initiale du moteur-fusée nucléaire pulsé utilisait les charges nucléaires mentionnées précédemment, et on supposait qu'il fonctionnerait en orbite terrestre basse et dans la zone des ceintures de rayonnement en raison du danger de contamination radioactive de l'atmosphère par les produits de désintégration libérés lors des explosions. Ensuite, la poussée spécifique des moteurs de fusée nucléaires pulsés a été portée à 10 000 secondes, et les capacités potentielles de ces moteurs ont permis de doubler ce chiffre à l'avenir.

Un système de propulsion NRE pulsé a peut-être déjà été développé dans les années 1970 afin d'effectuer le premier vol spatial habité vers les planètes au début des années 1980. Cependant, le développement de ce projet n'a pas été mené à bien en raison de l'approbation du programme de création d'une NRE en phase solide. De plus, le développement de la NRE pulsée a été associé à problème politique parce qu'il a utilisé des armes nucléaires.

Erike K.A. (Krafft A. Ehricke)

La première étape est le déni

Robert Schmucker, un expert allemand dans le domaine de la technologie des fusées, a considéré les déclarations de V. Poutine comme totalement invraisemblables. "Je ne peux pas imaginer que les Russes puissent créer un petit réacteur volant", a déclaré l'expert dans une interview à Deutsche Welle.

Ils le peuvent, Herr Schmucker. Imagine seulement.

Le premier satellite national doté d'une centrale nucléaire (Kosmos-367) a été lancé depuis Baïkonour en 1970. 37 assemblages combustibles du réacteur de petite taille BES-5 Buk, contenant 30 kg d'uranium, à une température dans le circuit primaire de 700°C et un dégagement thermique de 100 kW ont fourni la puissance électrique de l'installation de 3 kW. La masse du réacteur est inférieure à une tonne, la durée de fonctionnement estimée est de 120 à 130 jours.

Les experts émettront des doutes : cette "batterie" nucléaire a trop peu de puissance... Mais ! Vous regardez la date : c'était il y a un demi-siècle.

Faible efficacité - conséquence de la conversion thermionique. Avec d'autres formes de transfert d'énergie, les indicateurs sont beaucoup plus élevés, par exemple, pour les centrales nucléaires, la valeur d'efficacité est comprise entre 32 et 38%. En ce sens, la puissance thermique du réacteur « spatial » présente un intérêt particulier. 100 kW est une offre sérieuse pour la victoire.

A noter que le BES-5 Buk n'appartient pas à la famille RTG. Les générateurs thermoélectriques à radio-isotopes convertissent l'énergie de la désintégration naturelle des atomes éléments radioactifs et ont peu de pouvoir. En même temps, le Buk est un véritable réacteur à réaction en chaîne contrôlée.

La prochaine génération de réacteurs soviétiques de petite taille, apparue à la fin des années 1980, se distinguait par des dimensions encore plus petites et une plus grande libération d'énergie. C'était l'unique Topaze : par rapport au Buk, la quantité d'uranium dans le réacteur était divisée par trois (à 11,5 kg). La puissance thermique a augmenté de 50% et s'est élevée à 150 kW, la durée de fonctionnement continu a atteint 11 mois (un réacteur de ce type a été installé à bord du satellite de reconnaissance Cosmos-1867).

Les réacteurs spatiaux nucléaires sont une forme de mort extraterrestre. En cas de perte de contrôle, «l'étoile filante» ne satisfaisait pas les désirs, mais pouvait confier ses péchés aux «chanceux».

En 1992, les deux exemplaires restants des petits réacteurs de la série Topaz ont été vendus aux États-Unis pour 13 millions de dollars.

La question principale est : y a-t-il assez de puissance pour que de telles installations soient utilisées comme moteurs de fusée ? En faisant passer le fluide de travail (air) à travers le cœur chaud du réacteur et en obtenant une poussée en sortie selon la loi de conservation de la quantité de mouvement.

Réponse : non. Buk et Topaz sont des centrales nucléaires compactes. D'autres moyens sont nécessaires pour créer un YRD. Mais la tendance générale est visible à l'œil nu. Les centrales nucléaires compactes existent depuis longtemps et existent dans la pratique.

Quelle puissance une centrale nucléaire devrait-elle avoir pour être utilisée comme moteur principal pour un missile de croisière de taille similaire au Kh-101 ?

Vous ne trouvez pas d'emploi ? Multipliez le temps par la puissance !
(Collection de conseils universels.)

Trouver le pouvoir n'est pas non plus difficile. N=F×V.

Selon les données officielles, les missiles de croisière Xa-101, ainsi que les KR de la famille Caliber, sont équipés d'un turbosoufflante à courte durée de vie-50, qui développe une poussée de 450 kgf (≈ 4400 N). Vitesse de croisière du missile de croisière - 0,8 M, soit 270 m/s. Le rendement de conception idéal d'un turboréacteur à double flux est de 30 %.

Dans ce cas, la puissance requise du moteur du missile de croisière n'est que 25 fois supérieure à celle Energie thermique série de réacteurs "Topaz".

Malgré les doutes de l'expert allemand, la création d'un turboréacteur nucléaire (ou statoréacteur) est une tâche réaliste qui répond aux exigences de notre époque.

Fusée de l'enfer

"C'est une surprise - un missile de croisière à propulsion nucléaire", a déclaré Douglas Barry, chercheur principal à l'Institut international d'études stratégiques de Londres. "Cette idée n'est pas nouvelle, on en parlait dans les années 60, mais elle a rencontré beaucoup d'obstacles."

On n'en a pas seulement parlé. Lors d'essais en 1964, le statoréacteur nucléaire Tori-IIC a développé une poussée de 16 tonnes à une puissance thermique du réacteur de 513 MW. Simulant un vol supersonique, l'installation a consommé 450 tonnes d'air comprimé en cinq minutes. Le réacteur a été conçu très "chaud" - la température de fonctionnement dans le cœur a atteint 1600°C. La conception avait des tolérances très étroites: dans un certain nombre de domaines, la température autorisée n'était que de 150 à 200 ° C inférieure à la température à laquelle les éléments de la fusée fondaient et s'effondraient.

Ces indicateurs étaient-ils suffisants pour l'utilisation du YaPVRD comme moteur dans la pratique ? La réponse est évidente.

Le statoréacteur nucléaire a développé plus (!) De poussée que le turbo-statoréacteur de l'avion de reconnaissance à «trois ailes» SR-71 «Black Bird».

"Polygon-401", essais d'un statoréacteur nucléaire

Les installations expérimentales "Tori-IIA" et "-IIC" sont des prototypes du moteur nucléaire du missile de croisière SLAM.

Une invention diabolique, capable, selon les calculs, de percer 160 000 km d'espace à une altitude minimale à une vitesse de 3M. Littéralement "faucher" tous ceux qui se sont rencontrés sur son chemin lugubre avec une onde de choc et un tonnerre de 162 dB (mortel pour une personne).

Le réacteur de l'avion de combat n'avait aucune protection biologique. La rupture des tympans après le survol du SLAM semblerait être une circonstance insignifiante dans le contexte des émissions radioactives de la tuyère de la fusée. Le monstre volant a laissé derrière lui un panache de plus d'un kilomètre de large avec une dose de rayonnement de 200 à 300 rad. Selon les calculs, en une heure de vol, SLAM a infecté 1 800 miles carrés avec des radiations mortelles.

Selon les calculs, la longueur de l'avion pourrait atteindre 26 mètres. Poids de départ - 27 tonnes. Charge de combat - charges thermonucléaires qui devaient être larguées successivement sur plusieurs villes soviétiques le long de la trajectoire de vol du missile. Après avoir terminé la tâche principale, le SLAM était censé survoler le territoire de l'URSS pendant plusieurs jours, infectant tout autour avec des émissions radioactives.

Peut-être le plus mortel de tout ce que l'homme a essayé de créer. Heureusement, il n'en est pas venu à de vrais lancements.

Le projet, nommé Pluton, a été annulé le 1er juillet 1964. Dans le même temps, selon l'un des développeurs de SLAM, J. Craven, aucun des dirigeants militaires et politiques des États-Unis n'a regretté la décision.

La raison de l'abandon du "missile nucléaire volant à basse altitude" était le développement de missiles balistiques intercontinentaux. Capable de causer les dégâts nécessaires en moins de temps avec des risques incomparables pour les militaires eux-mêmes. Comme l'ont noté à juste titre les auteurs de la publication dans le magazine Air & Space: les ICBM, au moins, n'ont pas tué tous ceux qui se trouvaient à proximité du lanceur.

On ne sait toujours pas qui, où et comment prévu de tester le démon. Et qui serait responsable si SLAM s'écartait de sa trajectoire et survolait Los Angeles. L'une des propositions folles suggérait d'attacher la fusée à un câble et de tourner en rond sur des zones désertes de la pièce. Nevada. Cependant, une autre question s'est immédiatement posée: que faire de la fusée lorsque les derniers restes de carburant ont brûlé dans le réacteur? L'endroit où le SLAM « atterrira » ne sera pas approché pendant des siècles.

Vie ou mort. Choix final

Contrairement au mystique « Pluton » des années 1950, le projet de missile nucléaire moderne, exprimé par V. Poutine, propose la création d'un moyen efficace pour percer le système de défense antimissile américain. Les moyens de destruction mutuellement assurés sont le critère le plus important de la dissuasion nucléaire.

La transformation de la «triade nucléaire» classique en un «pentagramme» diabolique - avec l'inclusion d'une nouvelle génération de vecteurs (missiles de croisière nucléaires à portée illimitée et torpilles nucléaires stratégiques de statut 6), couplée à la modernisation des ogives ICBM ( manœuvrer Avangard) est une réponse raisonnable aux nouvelles menaces. La politique de défense antimissile de Washington ne laisse pas d'autre choix à Moscou.

« Vous développez vos systèmes anti-missiles. La portée des anti-missiles augmente, la précision augmente, ces armes sont améliorées. Par conséquent, nous devons répondre de manière adéquate à cela afin de pouvoir vaincre le système non seulement aujourd'hui, mais aussi demain, lorsque vous disposerez de nouvelles armes.

Les détails déclassifiés des expériences SLAM/Pluton prouvent de manière convaincante que la création d'un missile de croisière nucléaire était possible (techniquement faisable) il y a six décennies. Les technologies modernes nous permettent d'amener l'idée à un nouveau niveau technique.

L'épée se rouille avec des promesses

Malgré la masse de faits évidents expliquant les raisons de l'apparition de la «super-arme du président» et dissipant tout doute sur «l'impossibilité» de créer de tels systèmes, en Russie comme à l'étranger, les sceptiques sont nombreux. "Toutes les armes répertoriées ne sont qu'un moyen de guerre de l'information." Et puis - une variété de propositions.

Probablement, les "experts" caricaturaux tels que I. Moiseev ne devraient pas être pris au sérieux. Le chef du Space Policy Institute (?), qui a déclaré à l'édition en ligne de The Insider : « Vous ne pouvez pas mettre un moteur nucléaire sur un missile de croisière. Oui, et il n'y a pas de tels moteurs.

Des tentatives pour "exposer" les déclarations du président sont également faites à un niveau analytique plus sérieux. De telles "enquêtes" gagnent immédiatement en popularité parmi le public libéral. Les sceptiques avancent les arguments suivants.

Tous les systèmes mentionnés ci-dessus sont classés comme des armes stratégiques top secrètes, dont l'existence ne peut être ni vérifiée ni niée. (Dans le message à l'Assemblée fédérale, il a été démontré infographie et lancer des images indiscernables des tests d'autres types de missiles de croisière.) Dans le même temps, personne ne parle, par exemple, de créer un drone d'attaque lourd ou un navire de guerre de classe destroyer. Une arme dont il faudrait bientôt faire la démonstration au monde entier.

Selon certains « lanceurs d'alerte », le contexte purement stratégique et « secret » des messages pourrait indiquer leur caractère invraisemblable. Eh bien, si c'est l'argument principal, alors de quoi parle l'argument avec ces gens ?

Il y a aussi un autre point de vue. choquant à propos des missiles nucléaires et des sous-marins sans pilote de 100 nœuds sont fabriqués dans le contexte des problèmes évidents du complexe militaro-industriel rencontrés dans la mise en œuvre de projets d'armes «traditionnels» plus simples. Les revendications de missiles qui ont immédiatement dépassé tous les types d'armes existants contrastent fortement avec le contexte bien connu de la science des fusées. Les sceptiques citent en exemple les échecs massifs lors des lancements de Bulava ou la création du lanceur Angara, qui traîne depuis deux décennies. Lui-même a commencé en 1995; S'exprimant en novembre 2017, le vice-Premier ministre D. Rogozine a promis de ne reprendre les lancements de l'Angara depuis le cosmodrome de Vostochny qu'en ... 2021.

Et, au fait, pourquoi Zircon, la principale sensation navale de l'année précédente, a-t-il été laissé sans attention ? Un missile hypersonique capable de biffer tous les concepts existants de combat naval.

La nouvelle de l'arrivée des systèmes laser dans les troupes a attiré l'attention des fabricants de systèmes laser. Des exemples existants d'armes à énergie dirigée ont été créés sur une base extensive de recherche et de développement d'équipements de haute technologie pour le marché civil. Par exemple, l'installation embarquée américaine AN/SEQ-3 LaWS représente un « package » de six lasers de soudage d'une puissance totale de 33 kW.

L'annonce de la création d'un laser de combat surpuissant contraste avec le contexte d'une industrie laser très faible : la Russie n'est pas l'un des plus grands fabricants mondiaux d'équipements laser (Coherent, IPG Photonics ou le chinois Han "Laser Technology"). , l'apparition soudaine d'armes laser de grande puissance suscite un réel intérêt chez les spécialistes .

Il y a toujours plus de questions que de réponses. Le diable est dans les détails, mais les sources officielles donnent une idée extrêmement médiocre des dernières armes. Souvent, il n'est même pas clair si le système est déjà prêt à être adopté ou si son développement est à un certain stade. Les précédents bien connus associés à la création de telles armes dans le passé indiquent que les problèmes qui en découlent ne sont pas résolus en un claquement de doigt. Les fans d'innovations techniques s'inquiètent du choix d'un lieu pour tester un vaisseau spatial à moteur nucléaire. Ou encore les moyens de communiquer avec le drone sous-marin Status-6 (problème fondamental : la communication radio ne fonctionne pas sous l'eau, les sous-marins sont obligés de remonter à la surface lors des sessions de communication). Il serait intéressant d'entendre une explication sur la façon de l'utiliser : par rapport aux ICBM et SLBM traditionnels qui peuvent déclencher et terminer une guerre en une heure, Status-6 mettra plusieurs jours pour atteindre les côtes américaines. Quand personne d'autre n'est là !

Le dernier combat est terminé.
Est-ce qu'il reste quelqu'un en vie ?
En réponse - seul le vent hurle ...

Utilisation de matériaux :
Magazine Air&Space (avril-mai 1990)
La guerre silencieuse de John Craven

Souvent, dans les publications éducatives générales sur l'astronautique, la différence entre un moteur de fusée nucléaire (NRE) et un système de propulsion électrique de fusée nucléaire (NRE) n'est pas distinguée. Cependant, ces abréviations cachent non seulement la différence dans les principes de conversion de l'énergie nucléaire en poussée de fusée, mais aussi une histoire très dramatique du développement de l'astronautique.

Le drame de l'histoire réside dans le fait que si les études sur les centrales nucléaires et nucléaires s'arrêtaient principalement pour des raisons économiques tant en URSS qu'aux États-Unis, les vols humains vers Mars seraient depuis longtemps devenus monnaie courante.

Tout a commencé avec des avions atmosphériques équipés d'un moteur nucléaire statoréacteur

Les moteurs développés dans le cadre du projet Pluto devaient être installés sur des missiles de croisière, créés dans les années 1950 sous la désignation SLAM (Supersonic Low Altitude Missile, missile supersonique à basse altitude).

Aux États-Unis, ils prévoyaient de construire une fusée de 26,8 mètres de long, trois mètres de diamètre et pesant 28 tonnes. Le corps du missile était censé abriter une tête nucléaire, ainsi qu'un système de propulsion nucléaire d'une longueur de 1,6 mètre et d'un diamètre de 1,5 mètre. Dans le contexte d'autres dimensions, l'installation semblait très compacte, ce qui explique son principe de fonctionnement à flux direct.

Les développeurs pensaient que, grâce au moteur nucléaire, la portée de la fusée SLAM serait d'au moins 182 000 kilomètres.

En 1964, le département américain de la Défense a fermé le projet. La raison officielle était qu'en vol, un missile de croisière à propulsion nucléaire pollue trop tout ce qui l'entoure. Mais en fait, la raison en était les coûts importants de maintenance de ces missiles, d'autant plus qu'à cette époque, la science des fusées se développait rapidement sur la base de moteurs de fusée à propergol liquide, dont la maintenance était beaucoup moins chère.

L'URSS est restée fidèle à l'idée de créer un NRE à flux direct bien plus longtemps que les États-Unis, ne fermant le projet qu'en 1985. Mais les résultats ont été beaucoup plus significatifs. Ainsi, le premier et le seul moteur de fusée nucléaire soviétique a été développé au bureau d'études Khimavtomatika, Voronezh. Il s'agit du RD-0410 (indice GRAU - 11B91, également appelé "Irbit" et "IR-100").

Dans RD-0410, un réacteur à neutrons thermiques hétérogènes était utilisé, l'hydrure de zirconium servait de modérateur, les réflecteurs de neutrons étaient en béryllium, le combustible nucléaire était un matériau à base d'uranium et de carbures de tungstène, enrichi en isotope 235 à environ 80 %.

La conception comprenait 37 assemblages combustibles recouverts d'une isolation thermique les séparant du modérateur. La conception prévoyait que le flux d'hydrogène traversait d'abord le réflecteur et le modérateur, maintenant leur température à température ambiante, puis pénétrait dans le cœur, où il refroidissait les assemblages combustibles, chauffant jusqu'à 3100 K. Sur le stand, le réflecteur et le modérateur étaient refroidi par un flux d'hydrogène séparé.

Le réacteur a subi une importante série de tests, mais n'a jamais été testé pendant toute la durée de fonctionnement. Cependant, à l'extérieur, les unités du réacteur ont été entièrement élaborées.

Spécifications RD 0410

Poussée dans le vide : 3,59 tf (35,2 kN)
Puissance thermique du réacteur : 196 MW
Impulsion de poussée spécifique dans le vide : 910 kgf s/kg (8927 m/s)
Nombre d'inclusions : 10
Ressource de travail : 1 heure
Composants combustibles: fluide de travail - hydrogène liquide, substance auxiliaire - heptane
Poids avec radioprotection : 2 tonnes
Dimensions moteur : hauteur 3,5 m, diamètre 1,6 m.

Encombrement et poids relativement réduits, haute température du combustible nucléaire (3100 K) à système efficace le refroidissement avec un flux d'hydrogène indique que le RD0410 est un prototype presque idéal d'un moteur de fusée nucléaire pour les missiles de croisière modernes. Et, compte tenu des technologies modernes d'obtention de combustible nucléaire à arrêt automatique, augmenter la ressource d'une heure à plusieurs heures est une tâche très réelle.

Conceptions de moteurs de fusées nucléaires

Il existe trois types d'ENR selon le type de combustible du réacteur :

• phase solide;
• phase liquide;
• phase gazeuse.

Dans les moteurs-fusées nucléaires en phase gazeuse, le combustible (par exemple l'uranium) et le fluide de travail sont à l'état gazeux (sous forme de plasma) et sont retenus dans la zone de travail par un champ électromagnétique. Chauffé à des dizaines de milliers de degrés, le plasma d'uranium transfère de la chaleur au fluide de travail (par exemple, l'hydrogène), qui, à son tour, étant chauffé à des températures élevées, forme un jet.

Selon le type de réaction nucléaire, on distingue un moteur-fusée à radio-isotopes, un moteur-fusée thermonucléaire et un moteur nucléaire proprement dit (l'énergie de la fission nucléaire est utilisée).

Une option intéressante est également un NRE pulsé - il est proposé d'utiliser une charge nucléaire comme source d'énergie (combustible). Ces installations peuvent être de type interne et externe.

Les principaux avantages du YRD sont :

• impulsion spécifique élevée;
• réserve d'énergie importante;
• compacité du système de propulsion ;
• la possibilité d'obtenir une très grande poussée - des dizaines, des centaines et des milliers de tonnes dans le vide.

• les flux de rayonnement pénétrant (rayonnement gamma, neutrons) lors des réactions nucléaires ;
• élimination des composés hautement radioactifs de l'uranium et de ses alliages ;
• sortie de gaz radioactifs avec le fluide de travail.

Centrale nucléaire

Ainsi, par exemple, l'éminent scientifique russe Anatoly Sazonovich Koroteev, auteur de l'invention sous brevet, a fourni une solution technique pour la composition de l'équipement d'une centrale nucléaire moderne. De plus, je donne une partie du document de brevet spécifié textuellement et sans commentaires.

L'essentiel de la solution technique proposée est illustré par le schéma représenté sur le dessin. La centrale nucléaire fonctionnant en mode propulsion-énergie contient un système de propulsion électrique (EPP) (par exemple, le schéma montre deux moteurs-fusées électriques 1 et 2 avec les systèmes d'alimentation correspondants 3 et 4), une centrale de réacteur 5, une turbine 6, un compresseur 7, un générateur 8, un échangeur-récupérateur de chaleur 9, un tube vortex de Rank-Hilsch 10, un réfrigérateur-émetteur 11. Dans ce cas, la turbine 6, le compresseur 7 et le générateur 8 sont réunis en un unité unique - un turbogénérateur-compresseur. La centrale nucléaire est équipée de canalisations 12 du fluide de travail et de lignes électriques 13 reliant le générateur 8 et le système de propulsion électrique. L'échangeur-récupérateur de chaleur 9 comporte les entrées dites haute température 14 et basse température 15 du fluide de travail, ainsi que des sorties haute température 16 et basse température 17 du fluide de travail.

La sortie de l'installation réacteur 5 est reliée à l'entrée de la turbine 6, la sortie de la turbine 6 est reliée à l'entrée haute température 14 de l'échangeur-récupérateur 9. La sortie basse température 15 de l'échangeur -le récupérateur 9 est relié à l'entrée du tube vortex de Ranque-Hilsch 10. Le tube vortex de Ranque-Hilsch 10 a deux sorties dont l'une (à travers le fluide de travail "chaud") est reliée au refroidisseur-radiateur 11, et l'autre (via le fluide de travail "froid") est reliée à l'entrée du compresseur 7. La sortie du refroidisseur-radiateur 11 est également reliée à l'entrée du compresseur 7. La sortie du compresseur 7 est reliée à la basse température l'entrée 15 de l'échangeur-récupérateur de chaleur 9. La sortie haute température 16 de l'échangeur-récupérateur de chaleur 9 est reliée à l'entrée de la centrale nucléaire 5. Ainsi, les principaux éléments de la centrale nucléaire sont reliés entre eux par un seul circuit fluide.

Yaedu travaille de la manière suivante. Le fluide de travail réchauffé dans l'usine réacteur 5 est envoyé à la turbine 6, qui assure le fonctionnement du compresseur 7 et du générateur 8 du turboalternateur-compresseur. Le générateur 8 génère de l'énergie électrique qui, selon lignes électriques 13 est envoyé aux moteurs-fusées électriques 1 et 2 et à leurs systèmes d'alimentation 3 et 4, assurant leur fonctionnement. Après avoir quitté la turbine 6, le fluide de travail est envoyé par l'entrée haute température 14 vers l'échangeur-récupérateur de chaleur 9, où le fluide de travail est partiellement refroidi.

Ensuite, depuis la sortie basse température 17 de l'échangeur-récupérateur de chaleur 9, le fluide de travail est envoyé au tube vortex de Rank-Hilsch 10, à l'intérieur duquel le flux de fluide de travail est divisé en composants "chaud" et "froid". La partie "chaude" du fluide de travail va alors vers le refroidisseur-émetteur 11, où cette partie du fluide de travail est efficacement refroidie. La partie "froide" du fluide de travail suit l'entrée du compresseur 7, et après refroidissement, la partie du fluide de travail qui sort du refroidisseur-radiateur 11 y suit.

Le compresseur 7 fournit le fluide de travail refroidi à l'échangeur-récupérateur de chaleur 9 par l'entrée basse température 15. Ce fluide de travail refroidi dans l'échangeur-récupérateur de chaleur 9 assure un refroidissement partiel du flux entrant du fluide de travail entrant dans l'échangeur de chaleur- récupérateur 9 de la turbine 6 à travers l'entrée haute température 14. En outre, le fluide de travail partiellement chauffé (en raison de l'échange de chaleur avec le contre-courant du fluide de travail de la turbine 6) de l'échangeur de chaleur-récupérateur 9 à travers le haut- la sortie de température 16 entre à nouveau dans l'installation de réacteur 5, le cycle se répète à nouveau.

Ainsi, un fluide de travail unique situé dans une boucle fermée fournit travail continu La centrale nucléaire, et l'utilisation du tube vortex de Rank-Hilsch dans le cadre de la centrale nucléaire conformément à la solution technique proposée améliore les caractéristiques de poids et de taille de la centrale nucléaire, augmente la fiabilité de son fonctionnement, simplifie son schéma de conception et permet d'augmenter l'efficacité de la centrale nucléaire dans son ensemble.

J'ai trouvé un article intéressant. En général, les engins spatiaux nucléaires m'ont toujours intéressé. C'est l'avenir de l'exploration spatiale. Des travaux approfondis sur ce sujet ont également été menés en URSS. L'article parle d'eux.

Espace à propulsion atomique. Rêves et réalité.

Docteur en sciences physiques et mathématiques Yu. Ya. Stavissky

En 1950, j'ai soutenu mon diplôme en génie physique à l'Institut mécanique de Moscou (MMI) du ministère des Munitions. Cinq ans plus tôt, en 1945, un département d'ingénierie et de physique y était formé, qui formait des spécialistes pour une nouvelle industrie, dont les tâches comprenaient principalement la production d'armes nucléaires. La faculté était incomparable. En plus de la physique fondamentale dans le cadre des cours universitaires (méthodes de la physique mathématique, théorie de la relativité, mécanique quantique, électrodynamique, physique statistique, etc.), on nous a enseigné une gamme complète de disciplines d'ingénierie : chimie, science des métaux, résistance des matériaux , théorie des mécanismes et des machines, etc. Créé par un remarquable physicien soviétique Alexander Ilyich Leipunsky, la Faculté d'ingénierie physique du MMI est devenue au fil du temps l'Institut d'ingénierie physique de Moscou (MEPhI). Une autre faculté d'ingénierie physique, qui a également fusionné plus tard avec MEPhI, a été créée à l'Institut d'ingénierie électrique de Moscou (MPEI), mais si l'accent principal au MMI était sur la physique fondamentale, alors à l'Institut de l'énergie, c'était sur la thermique et l'électrophysique.

Nous avons étudié la mécanique quantique en utilisant le livre de Dmitry Ivanovich Blokhintsev. Imaginez ma surprise lorsque, lors de la distribution, j'ai été envoyé travailler avec lui. Je suis un expérimentateur passionné (enfant, je démontais toutes les horloges de la maison), et soudain j'arrive à un théoricien bien connu. J'ai été pris d'une légère panique, mais à mon arrivée sur les lieux - "l'objet B" du ministère de l'Intérieur de l'URSS à Obninsk - j'ai immédiatement réalisé que je m'inquiétais en vain.

À cette époque, le sujet principal de "Object B", qui était en fait dirigé par A.I. Leipunsky, s'est déjà formé. Ici, ils ont créé des réacteurs avec une reproduction élargie du combustible nucléaire - des "surgénérateurs rapides". En tant que directeur, Blokhintsev a lancé le développement d'une nouvelle direction - la création de moteurs à propulsion atomique pour les vols spatiaux. Maîtriser l'espace était un vieux rêve de Dmitry Ivanovich, même dans sa jeunesse, il correspondait et rencontrait K.E. Tsiolkovski. Je pense que la compréhension des gigantesques possibilités de l'énergie nucléaire, avec un pouvoir calorifique des millions de fois supérieur aux meilleurs combustibles chimiques, a déterminé le chemin de vie de D.I. Blokhintsev.
"On ne peut pas voir un face à face"... Dans ces années-là, on ne comprenait pas grand-chose. Ce n'est que maintenant, lorsqu'il est enfin devenu possible de comparer les actes et les destins des scientifiques exceptionnels de l'Institut de physique et d'ingénierie énergétique (IPPE) - l'ancien "Objet B", rebaptisé le 31 décembre 1966 - qu'il y a un vrai, comme il me semble, comprenant les idées qui les animaient à cette époque. Avec toute la variété des cas que l'institut a eu à traiter, il est possible de distinguer en priorité orientations scientifiques, qui s'est avéré être dans la sphère d'intérêts de ses principaux physiciens.

L'intérêt principal d'AIL (comme Alexander Ilyich Leipunsky s'appelait derrière le dos à l'institut) est le développement de l'énergie mondiale basée sur des réacteurs surgénérateurs rapides (réacteurs nucléaires qui n'ont aucune restriction sur les ressources en combustible nucléaire). Il est difficile de surestimer l'importance de ce problème véritablement « cosmique », auquel il consacra le dernier quart de siècle de sa vie. Leipunsky a également consacré beaucoup d'énergie à la défense du pays, en particulier à la création de moteurs atomiques pour sous-marins et avions lourds.

Intérêts D.I. Blokhintsev (le surnom de "D.I." lui a été attribué) visaient à résoudre le problème de l'utilisation de l'énergie nucléaire pour les vols spatiaux. Malheureusement, à la fin des années 1950, il a été contraint de quitter ce travail et de diriger la création d'un centre scientifique international - l'Institut commun de recherche nucléaire de Dubna. Là, il a travaillé sur les réacteurs rapides pulsés - IBR. Ce fut la dernière grande chose de sa vie.

Un but - une équipe

DI. Blokhintsev, qui a enseigné à la fin des années 1940 à l'Université d'État de Moscou, l'a remarqué, puis a invité le jeune physicien Igor Bondarenko à travailler à Obninsk, qui a littéralement adoré les vaisseaux spatiaux à propulsion nucléaire. Son premier superviseur était A.I. Leipunsky et Igor, bien sûr, ont traité de son sujet - les éleveurs rapides.

Sous D.I. Blokhintsev, un groupe de scientifiques formé autour de Bondarenko, qui s'est uni pour résoudre les problèmes d'utilisation de l'énergie atomique dans l'espace. Outre Igor Ilyich Bondarenko, le groupe comprenait: Viktor Yakovlevich Pupko, Edvin Alexandrovich Stumbur et l'auteur de ces lignes. Igor était le principal idéologue. Edwin a dépensé études expérimentales modèles au sol de réacteurs nucléaires d'installations spatiales. J'étais principalement engagé dans les moteurs de fusée à «faible poussée» (la poussée en eux est créée par une sorte d'accélérateur - la «propulsion ionique», qui est alimentée par l'énergie de l'espace centrale nucléaire). Nous avons exploré les processus
circulant dans des propulseurs ioniques, sur des supports au sol.

Sur Victor Pupko (dans le futur
il est devenu le chef du département des technologies spatiales de l'IPPE) il y avait beaucoup de travail d'organisation. Igor Ilyich Bondarenko était un physicien exceptionnel. Il a subtilement senti l'expérience, mis en place des expériences simples, élégantes et très efficaces. Je pense qu'aucun expérimentateur, et peut-être peu de théoriciens, n'a « ressenti » la physique fondamentale. Toujours réactif, ouvert et sympathique, Igor était vraiment l'âme de l'institut. Jusqu'à présent, FEI vit de ses idées. Bondarenko a vécu de manière injustifiée courte vie. En 1964, à l'âge de 38 ans, il décède tragiquement des erreur médicale. C'était comme si Dieu, voyant tout ce que l'homme avait fait, décidait que c'était déjà trop et ordonnait : « Assez ».

Il est impossible de ne pas rappeler une autre personnalité unique - Vladimir Alexandrovich Malykh, un technologue "de Dieu", le moderne Leskovsky Levsha. Si les «produits» des scientifiques mentionnés ci-dessus étaient principalement des idées et des estimations calculées de leur réalité, les œuvres de Malykh avaient toujours une sortie «en métal». Son secteur technologique, qui comptait à l'époque des beaux jours d'IPPE plus de deux mille salariés, pouvait tout faire, sans exagération. De plus, lui-même a toujours joué un rôle clé.

VIRGINIE. Malykh a commencé comme assistante de laboratoire dans un institut de recherche Physique nucléaire L'Université d'État de Moscou, ayant trois cours de faculté de physique derrière son âme, la guerre ne m'a pas laissé terminer mes études. A la fin des années 1940, il parvient à créer une technologie de fabrication de céramiques techniques à base d'oxyde de béryllium, un matériau unique, un diélectrique à haute conductivité thermique. Avant Malykh, beaucoup ont lutté sans succès avec ce problème. Et la pile à combustible à base d'acier inoxydable de série et d'uranium naturel, qu'il a développée pour la première centrale nucléaire, est un miracle pour ceux-là et encore aujourd'hui. Ou l'élément combustible thermionique du réacteur-générateur électrique conçu par Malykh pour alimenter les engins spatiaux - la "guirlande". Jusqu'à présent, rien de mieux n'est apparu dans ce domaine. Les créations de Malykh n'étaient pas des jouets de démonstration, mais des éléments de la technologie nucléaire. Ils ont travaillé pendant des mois et des années. Vladimir Alexandrovitch est devenu médecin sciences techniques, lauréat du prix Lénine, héros du travail socialiste. En 1964, il meurt tragiquement des suites d'une commotion cérébrale militaire.

Pas à pas

S.P. Korolev et D.I. Blokhintsev nourrit depuis longtemps le rêve du vol spatial habité. Des liens de travail étroits s'établirent entre eux. Mais au début des années 1950, au plus fort de guerre froide“, les fonds n'ont pas été épargnés uniquement à des fins militaires. La technologie des fusées n'était considérée que comme porteuse de charges nucléaires et les satellites n'étaient même pas envisagés. Pendant ce temps, Bondarenko, connaissant les dernières réalisations des scientifiques des fusées, a constamment préconisé la création d'un satellite artificiel de la Terre. Par la suite, personne ne s'en souvint.

L'histoire de la création de la fusée qui a transporté dans l'espace le premier cosmonaute de la planète, Youri Gagarine, est curieuse. Il est associé au nom d'Andrei Dmitrievich Sakharov. À la fin des années 1940, il a développé une charge combinée fission-thermonucléaire - "bouffée", apparemment indépendamment du "père de la bombe à hydrogène" Edward Teller, qui a proposé un produit similaire appelé "réveil". Cependant, Teller s'est vite rendu compte qu'une charge nucléaire d'une telle conception aurait un rendement "limité", pas plus de ~ 500 kilotonnes d'équivalent remorquage. Cela ne suffit pas pour l'arme "absolue", donc le "réveil" a été abandonné. Dans l'Union, en 1953, ils ont fait sauter les RDS-6 soufflés de Sakharov.

Après des tests réussis et l'élection de Sakharov en tant qu'académicien, le chef de Minsredmash V.A. Malyshev l'a invité chez lui et s'est chargé de déterminer les paramètres de la bombe de la prochaine génération. Andrei Dmitrievich a estimé (sans étude détaillée) le poids d'une nouvelle charge beaucoup plus puissante. Le rapport de Sakharov a constitué la base de la résolution du Comité central du PCUS et du Conseil des ministres de l'URSS, qui a obligé le S.P. Korolev pour développer un lanceur balistique pour cette charge. C'est une telle fusée R-7 appelée Vostok qui a lancé un satellite terrestre artificiel en 1957 et un vaisseau spatial avec Youri Gagarine en 1961 en orbite. Il n'était plus prévu de l'utiliser comme porteur d'une charge nucléaire lourde, car le développement des armes thermonucléaires a pris une autre voie.

Au stade initial du programme nucléaire spatial IPPE, avec V.N. Chelomeya a développé un missile atomique de croisière. Cette direction ne s'est pas développée longtemps et s'est terminée par des calculs et des tests d'éléments de moteur créés dans le département de V.A. Malykha. En fait, il s'agissait d'un avion sans pilote volant à basse altitude avec un moteur nucléaire à statoréacteur et une ogive nucléaire (une sorte d'analogue nucléaire du "bug bourdonnant" - le V-1 allemand). Le système a été lancé à l'aide de propulseurs de fusée conventionnels. Après avoir atteint une vitesse donnée, la poussée a été créée air atmosphérique, chauffé par une réaction en chaîne de fission d'oxyde de béryllium imprégné d'uranium enrichi.

D'une manière générale, la capacité d'une fusée à effectuer l'une ou l'autre tâche cosmonautique est déterminée par la vitesse qu'elle acquiert après avoir épuisé toute la réserve de fluide de travail (carburant et comburant). Il est calculé selon la formule de Tsiolkovsky : V = c × lnMn / Mk, où c est la vitesse d'écoulement du fluide de travail, et Mn et Mk sont la masse initiale et finale de la fusée. Dans les fusées chimiques conventionnelles, la vitesse d'échappement est déterminée par la température dans la chambre de combustion, le type de carburant et de comburant, et le poids moléculaire des produits de combustion. Par exemple, les Américains ont utilisé de l'hydrogène comme carburant dans le véhicule de descente pour faire atterrir des astronautes sur la lune. Le produit de sa combustion est de l'eau, dont le poids moléculaire est relativement faible, et le débit est 1,3 fois plus élevé que lors de la combustion du kérosène. C'est suffisant pour que le véhicule de descente avec les astronautes atteigne la surface de la Lune puis les ramène sur l'orbite de son satellite artificiel. À Korolev, les travaux avec de l'hydrogène ont été suspendus en raison d'un accident ayant fait des victimes. Nous n'avons pas eu le temps de créer un véhicule de descente lunaire pour les humains.

L'un des moyens d'augmenter considérablement la vitesse d'échappement est la création de fusées thermiques nucléaires. Nous avions des missiles atomiques balistiques (BAR) d'une portée de plusieurs milliers de kilomètres (un projet commun d'OKB-1 et de FEI), les Américains avaient des systèmes similaires de type Kiwi. Les moteurs ont été testés sur les sites d'essai près de Semipalatinsk et au Nevada. Le principe de leur fonctionnement est le suivant: l'hydrogène est chauffé dans un réacteur nucléaire à des températures élevées, passe à l'état atomique et déjà sous cette forme expire d'une fusée. Dans ce cas, la vitesse d'échappement augmente de plus de quatre fois par rapport à une fusée à hydrogène chimique. La question était de savoir à quelle température l'hydrogène peut être chauffé dans un réacteur à pile à combustible solide. Les calculs ont donné environ 3000°K.

Au NII-1, dont le superviseur était Mstislav Vsevolodovich Keldysh (alors président de l'Académie des sciences de l'URSS), le département de V.M. Ievleva, avec la participation de l'IPPE, s'est engagée dans un projet complètement fantastique - un réacteur en phase gazeuse dans lequel une réaction en chaîne se déroule dans un mélange gazeux d'uranium et d'hydrogène. L'hydrogène sort d'un tel réacteur dix fois plus vite que d'un réacteur à combustible solide, tandis que l'uranium est séparé et reste dans le cœur. L'une des idées était d'utiliser la séparation centrifuge, lorsqu'un mélange gazeux chaud d'uranium et d'hydrogène est « centrifugé » par l'hydrogène froid entrant, à la suite de quoi l'uranium et l'hydrogène sont séparés, comme dans une centrifugeuse. Ievlev a en fait essayé de reproduire directement les processus dans la chambre de combustion d'une fusée chimique, en utilisant comme source d'énergie non pas la chaleur de combustion du carburant, mais une réaction de fission en chaîne. Cela a ouvert la voie à la pleine utilisation de l'intensité énergétique des noyaux atomiques. Mais la question de la possibilité de sortie d'hydrogène pur (sans uranium) du réacteur restait en suspens, sans parler des problèmes techniques liés à la rétention de mélanges gazeux à haute température à des pressions de centaines d'atmosphères.

IPPE travaille sur la balistique des missiles nucléaires s'est terminée en 1969-1970 par des «essais au feu» sur le site d'essai de Semipalatinsk d'un prototype de moteur de fusée nucléaire à éléments combustibles solides. Il a été créé par l'IPPE en coopération avec le Voronezh Design Bureau A.D. Konopatov, Moscou NII-1 et un certain nombre d'autres groupes technologiques. La base du moteur avec une poussée de 3,6 tonnes était réacteur nucléaire IR-100 avec des éléments combustibles à partir d'une solution solide de carbure d'uranium et de carbure de zirconium. La température de l'hydrogène a atteint 3000°K à une puissance de réacteur d'environ 170 MW.

Propulseurs nucléaires

Jusqu'à présent, nous parlions de fusées d'une poussée supérieure à leur poids, qui pouvaient être lancées depuis la surface de la Terre. Dans de tels systèmes, une augmentation du débit d'échappement permet de réduire le stock de fluide de travail, d'augmenter la charge utile et d'abandonner le procédé à plusieurs étapes. Cependant, il existe des moyens d'atteindre des vitesses d'échappement pratiquement illimitées, par exemple l'accélération de la matière par des champs électromagnétiques. J'ai travaillé dans ce domaine en contact étroit avec Igor Bondarenko pendant près de 15 ans.

L'accélération d'une fusée avec un moteur à réaction électrique (EP) est déterminée par le rapport entre la puissance spécifique de la centrale nucléaire spatiale (KAES) installée sur celle-ci et la vitesse d'échappement. Dans un avenir prévisible, la puissance spécifique du KNPP ne dépassera apparemment pas 1 kW/kg. Dans le même temps, il est possible de créer des fusées à faible poussée, des dizaines et des centaines de fois inférieures au poids de la fusée, et avec une très faible consommation de fluide de travail. Une telle fusée ne peut être lancée que depuis l'orbite d'un satellite artificiel de la Terre et, en accélérant lentement, atteindre des vitesses élevées.

Les vols dans le système solaire nécessitent des fusées avec une vitesse d'expiration de 50 à 500 km/s, et les vols vers les étoiles nécessitent des "fusées à photons" qui dépassent notre imagination avec une vitesse d'expiration égale à la vitesse de la lumière. Afin d'effectuer un vol spatial à longue portée d'une durée raisonnable, des rapports puissance / poids inimaginables des centrales électriques sont nécessaires. Jusqu'à présent, il est même impossible d'imaginer sur quels processus physiques ils peuvent se baser.

Les calculs effectués ont montré que lors de la Grande Confrontation, lorsque la Terre et Mars sont les plus proches l'une de l'autre, il est possible de faire voler un vaisseau spatial nucléaire avec un équipage vers Mars en un an et de le remettre sur l'orbite d'un satellite artificiel de la Terre . Le poids total d'un tel navire est d'environ 5 tonnes (y compris la réserve de fluide de travail - césium, égale à 1,6 tonne). Elle est déterminée principalement par la masse du KNPP d'une puissance de 5 MW, et la poussée réactive est déterminée par un faisceau d'ions césium de deux mégawatts d'une énergie de 7 kiloélectronvolts*. Le vaisseau part de l'orbite d'un satellite artificiel de la Terre, entre dans l'orbite d'un satellite de Mars, et devra descendre à sa surface sur un appareil à moteur chimique à hydrogène, similaire au moteur lunaire américain.

Cette direction, basée sur des solutions techniques déjà possibles aujourd'hui, a été consacrée à un grand cycle de travaux IPPE.

Propulseurs ioniques

Au cours de ces années, des moyens ont été discutés pour créer divers systèmes de propulsion électrique pour les véhicules spatiaux, tels que des "pistolets à plasma", des accélérateurs électrostatiques de "poussière" ou de gouttes de liquide. Cependant, aucune des idées n'avait de base physique claire. La découverte était l'ionisation de surface du césium.

Dans les années 20 du siècle dernier, le physicien américain Irving Langmuir a découvert l'ionisation de surface métaux alcalins. Lorsqu'un atome de césium s'évapore de la surface d'un métal (dans notre cas, le tungstène), dont le travail de sortie des électrons est supérieur au potentiel d'ionisation du césium, il perd un électron faiblement lié dans près de 100 % des cas et s'avère être un ion à charge unique. Ainsi, l'ionisation en surface du césium sur le tungstène est le processus physique qui permet de créer un propulseur ionique avec une utilisation à près de 100% du fluide de travail et avec un rendement énergétique proche de l'unité.

Notre collègue Stal Yakovlevich Lebedev a joué un rôle important dans la création de modèles d'un propulseur ionique d'un tel schéma. Avec sa persévérance et sa persévérance de fer, il a surmonté tous les obstacles. De ce fait, il a été possible de reproduire en métal un circuit plat à trois électrodes d'un propulseur ionique. La première électrode est une plaque de tungstène d'environ 10 × 10 cm avec un potentiel de +7 kV, la seconde est une grille de tungstène avec un potentiel de -3 kV et la troisième est une grille de tungstène thorié avec un potentiel nul. Le "canon moléculaire" a donné un faisceau de vapeur de césium, qui est tombé à travers toutes les grilles sur la surface de la plaque de tungstène. Une plaque métallique équilibrée et calibrée, la soi-disant balance, servait à mesurer la "force", c'est-à-dire la poussée du faisceau d'ions.

Une tension d'accélération sur la première grille accélère les ions césium à 10 000 eV, tandis qu'une tension de décélération sur la seconde grille les ralentit à 7 000 eV. C'est l'énergie avec laquelle les ions doivent quitter l'hélice, ce qui correspond à une vitesse de sortie de 100 km/s. Mais un faisceau d'ions, limité par une charge d'espace, ne peut pas "sortir dans l'espace". La charge volumétrique des ions doit être compensée par des électrons pour former un plasma quasi neutre, qui se propage librement dans l'espace et crée une poussée réactive. La source d'électrons pour compenser la charge d'espace du faisceau d'ions est la troisième grille (cathode) chauffée par le courant. La seconde grille "de verrouillage" empêche les électrons de passer de la cathode à la plaque de tungstène.

La première expérience avec le modèle de propulsion ionique a marqué le début de plus de dix ans de travail. L'un des derniers modèles - avec un émetteur en tungstène poreux, créé en 1965, donnait une "poussée" d'environ 20 g à un courant de faisceau d'ions de 20 A, avait un facteur d'utilisation de l'énergie d'environ 90% et un taux d'utilisation de la matière de 95 %.

Conversion directe de la chaleur nucléaire en électricité

Les moyens de convertir directement l'énergie de la fission nucléaire en énergie électrique n'ont pas encore été trouvés. Nous ne pouvons toujours pas nous passer d'un lien intermédiaire - un moteur thermique. Comme son efficacité est toujours inférieure à l'unité, la chaleur "perdue" doit être placée quelque part. Sur terre, dans l'eau et dans les airs, cela ne pose aucun problème. Dans l'espace, il n'y a qu'une seule voie - le rayonnement thermique. Ainsi, KNPP ne peut pas se passer d'un "réfrigérateur-émetteur". La densité de rayonnement est proportionnelle à la quatrième puissance de la température absolue, de sorte que la température du radiateur-radiateur doit être aussi élevée que possible. Ensuite, il sera possible de réduire la surface de la surface rayonnante et, par conséquent, la masse de la centrale. Nous avons eu l'idée d'utiliser la conversion "directe" de la chaleur nucléaire en électricité, sans turbine ni alternateur, qui semblait plus fiable avec long travail dans la région des hautes températures.

De la littérature, nous connaissions les travaux d'A.F. Ioffe - le fondateur de l'école soviétique de physique technique, un pionnier dans l'étude des semi-conducteurs en URSS. Peu de gens se souviennent maintenant des sources actuelles qu'il a développées, qui ont été utilisées pendant la Grande Guerre patriotique. A cette époque, plus d'un détachement partisan avait une connexion avec le continent grâce aux TEG "kérosène" - les générateurs thermoélectriques de Ioffe. La "couronne" des TEG (c'était un ensemble d'éléments semi-conducteurs) était placée sur une lampe à pétrole et ses fils étaient connectés à un équipement radio. Les extrémités «chaudes» des éléments étaient chauffées par la flamme d'une lampe à pétrole et les extrémités «froides» étaient refroidies à l'air. Le flux de chaleur, traversant le semi-conducteur, a généré une force électromotrice, suffisante pour une session de communication, et dans les intervalles entre eux, le TEG a chargé la batterie. Lorsque, dix ans après la victoire, nous avons visité l'usine de TEG de Moscou, il s'est avéré qu'ils trouvaient toujours des ventes. De nombreux villageois possédaient alors des récepteurs radio économiques "Rodina" à lampes à incandescence directe, alimentés par une batterie. Les TEG étaient souvent utilisés à la place.

Le problème avec le kérosène TEG est sa faible efficacité (seulement environ 3,5%) et sa faible température limite (350°K). Mais la simplicité et la fiabilité de ces appareils ont séduit les développeurs. Ainsi, les convertisseurs à semi-conducteurs développés par le groupe d'I.G. Gverdtsiteli à l'Institut de physique et de technologie de Soukhoumi, ont trouvé une application dans les installations spatiales de type Buk.

A un moment donné, A.F. Ioffe a proposé un autre convertisseur thermionique - une diode dans le vide. Le principe de son fonctionnement est le suivant : une cathode chauffée émet des électrons, une partie d'entre eux, dépassant le potentiel de l'anode, fonctionne. Cet appareil devait avoir une efficacité significativement plus élevée (20-25%) avec température de fonctionnement au dessus de 1000°K. De plus, contrairement à un semi-conducteur, une diode à vide ne craint pas le rayonnement neutronique et peut être associée à un réacteur nucléaire. Cependant, il s'est avéré qu'il était impossible de réaliser l'idée du convertisseur Ioffe «à vide». Comme dans la propulsion ionique, dans le convertisseur à vide, il faut se débarrasser de la charge d'espace, mais cette fois pas des ions, mais des électrons. UN F. Ioffe avait l'intention d'utiliser des espaces micrométriques entre la cathode et l'anode dans un convertisseur à vide, ce qui est pratiquement impossible dans des conditions de températures élevées et de déformations thermiques. C'est là que le césium entre en jeu : un ion césium, produit par ionisation de surface à la cathode, compense la charge d'espace d'environ 500 électrons ! En fait, le convertisseur au césium est un propulseur ionique "inversé". Les processus physiques en eux sont proches.

"Guirlandes" V.A. Malykha

L'un des résultats des travaux de l'IPPE sur les convertisseurs thermioniques a été la création de V.A. Malykh et production en série dans son département d'éléments combustibles à partir de convertisseurs thermioniques connectés en série - "guirlandes" pour le réacteur Topaz. Ils ont donné jusqu'à 30 V - cent fois plus que les convertisseurs à un seul élément créés par des "organisations concurrentes" - le groupe Leningrad de M.B. Barabash et plus tard - par l'Institut de l'énergie atomique. Cela a permis de "supprimer" des dizaines et des centaines de fois plus d'énergie du réacteur. Cependant, la fiabilité du système, bourré de milliers d'éléments thermioniques, a suscité des inquiétudes. Dans le même temps, les turbines à vapeur et à gaz fonctionnaient sans panne, nous avons donc porté notre attention sur la conversion « mécanique » de la chaleur nucléaire en électricité.

Toute la difficulté résidait dans la ressource, car dans les vols spatiaux long-courriers, les turbogénérateurs doivent fonctionner pendant un an, deux, voire plusieurs années. Afin de réduire l'usure, les "révolutions" (vitesse de la turbine) doivent être maintenues aussi basses que possible. En revanche, une turbine fonctionne efficacement si la vitesse des molécules de gaz ou de vapeur est proche de la vitesse de ses aubes. Par conséquent, nous avons d'abord envisagé l'utilisation de la vapeur de mercure la plus lourde. Mais nous avons été effrayés par l'intense corrosion radio-induite du fer et de l'acier inoxydable qui s'est produite dans un réacteur nucléaire refroidi au mercure. En deux semaines, la corrosion "mange" les éléments combustibles du réacteur rapide expérimental "Clementine" du laboratoire Argon (USA, 1949) et du réacteur BR-2 de l'IPPE (URSS, Obninsk, 1956).

La vapeur de potassium était tentante. Le réacteur contenant du potassium en ébullition a constitué la base de la centrale électrique que nous développons pour un vaisseau spatial à faible poussée - la vapeur de potassium faisait tourner le turbogénérateur. Une telle méthode "machine" de conversion de la chaleur en électricité permettait de compter sur un rendement allant jusqu'à 40%, alors que les véritables installations thermioniques ne donnaient qu'un rendement d'environ 7%. Cependant, les KNPP avec conversion "machine" de la chaleur nucléaire en électricité n'ont pas été développés. L'affaire s'est terminée par la publication d'un rapport détaillé, essentiellement une "note physique" à projet technique vaisseau spatial à faible poussée pour un vol avec équipage vers Mars. Le projet lui-même n'a jamais été développé.

À l'avenir, je pense, l'intérêt pour les vols spatiaux utilisant des moteurs de fusées nucléaires a tout simplement disparu. Après la mort de Sergei Pavlovich Korolev, le soutien aux travaux de l'IPPE sur la propulsion ionique et les centrales nucléaires "machines" s'est sensiblement affaibli. OKB-1 était dirigé par Valentin Petrovich Glushko, qui n'avait aucun intérêt à oser des projets prometteurs. Le bureau d'études Energiya créé par lui a construit de puissantes fusées chimiques et le vaisseau spatial Bourane retournant sur Terre.

"Buk" et "Topaz" sur les satellites de la série "Cosmos"

Les travaux sur la création d'un KNPP avec conversion directe de la chaleur en électricité, maintenant comme sources d'énergie pour de puissants satellites radio (stations radar spatiales et diffuseurs de télévision), se sont poursuivis jusqu'au début de la perestroïka. De 1970 à 1988, environ 30 satellites radar ont été lancés dans l'espace avec des centrales nucléaires de Buk avec des réacteurs convertisseurs à semi-conducteurs et deux avec des installations thermioniques Topaz. Le Buk, en fait, était un TEG - un convertisseur à semi-conducteur Ioffe, seulement au lieu d'une lampe à pétrole, il utilisait un réacteur nucléaire. C'était un réacteur rapide d'une puissance allant jusqu'à 100 kW. La pleine charge d'uranium hautement enrichi était d'environ 30 kg. La chaleur du noyau a été transférée par le métal liquide - un alliage eutectique de sodium et de potassium aux batteries à semi-conducteurs. La puissance électrique atteint 5 kW.

L'installation de Buk sous la supervision scientifique de l'IPPE a été développée par les spécialistes de l'OKB-670 M.M. Bondaryuk, plus tard - NPO Krasnaya Zvezda (designer en chef - G.M. Gryaznov). Le bureau de conception de Dnepropetrovsk Yuzhmash (concepteur en chef M.K. Yangel) a été chargé de créer un lanceur pour lancer le satellite en orbite.

La durée de fonctionnement du Buk est de 1 à 3 mois. Si l'installation échouait, le satellite était transféré sur une orbite à long terme à une hauteur de 1000 km. En près de 20 ans de lancements, il y a eu trois cas de chute de satellite sur Terre : deux dans l'océan et un sur terre, au Canada, à proximité du Grand lac des Esclaves. Cosmos-954, lancé le 24 janvier 1978, y est tombé. Il a travaillé pendant 3,5 mois. Les éléments d'uranium du satellite ont complètement brûlé dans l'atmosphère. Au sol, seuls les restes d'un réflecteur en béryllium et de batteries à semi-conducteurs ont été retrouvés. (Toutes ces données sont données dans le rapport conjoint des commissions nucléaires américaine et canadienne sur l'opération Morning Light.)

Dans la centrale nucléaire thermionique de Topaz, un réacteur thermique d'une puissance allant jusqu'à 150 kW a été utilisé. La pleine charge d'uranium était d'environ 12 kg - nettement moins que celle du Buk. La base du réacteur était constituée d'éléments combustibles - des "guirlandes", développées et fabriquées par le groupe de Malykh. Il s'agissait d'une chaîne de thermoéléments : la cathode était un « dé à coudre » de tungstène ou de molybdène rempli d'oxyde d'uranium, l'anode était un tube de niobium à paroi mince refroidi avec du sodium-potassium liquide. La température cathodique atteint 1650°C. La puissance électrique de l'installation atteint 10 kW.

Le premier modèle de vol, le satellite Kosmos-1818 avec l'installation Topaz, est entré en orbite le 2 février 1987 et a fonctionné sans problème pendant six mois, jusqu'à épuisement des réserves de césium. Le deuxième satellite, Cosmos-1876, a été lancé un an plus tard. Il a travaillé en orbite presque deux fois plus longtemps. Le principal développeur de Topaz était OKB MMZ Soyuz, dirigé par S.K. Tumansky (ancien bureau d'études du concepteur de moteurs d'avions A.A. Mikulin).

C'était à la fin des années 1950, lorsque nous travaillions sur la propulsion ionique, et il travaillait sur un moteur de troisième étage pour une fusée qui volerait autour de la lune et atterrirait dessus. Les souvenirs du laboratoire de Melnikov sont encore frais à ce jour. Il était situé à Podlipki (aujourd'hui la ville de Korolev), sur le site n° 3 de l'OKB-1. Un immense atelier d'une superficie d'environ 3000 m2, bordé de dizaines de bureaux avec des oscilloscopes à boucle enregistrant sur du papier rouleau de 100 mm (c'était encore une époque révolue, aujourd'hui un seul ordinateur personnel suffirait). Sur le mur avant de l'atelier, il y a un stand où est montée la chambre de combustion du moteur de fusée "lunaire". Des milliers de fils vont aux oscilloscopes à partir de capteurs pour la vitesse du gaz, la pression, la température et d'autres paramètres. La journée commence à 9h00 avec l'allumage du moteur. Il tourne pendant plusieurs minutes, puis immédiatement après son arrêt, l'équipe de mécaniciens du premier quart le démonte, inspecte soigneusement et mesure la chambre de combustion. Dans le même temps, les bandes d'oscilloscope sont analysées et des recommandations de modifications de conception sont faites. Le deuxième quart de travail - les concepteurs et les ouvriers de l'atelier apportent les modifications recommandées. Au troisième quart de travail, une nouvelle chambre de combustion et un système de diagnostic sont montés sur le support. Un jour plus tard, à 9 heures précises, la prochaine session. Et donc sans jours de congés semaines, mois. Plus de 300 options de moteur par an !

C'est ainsi que les moteurs de fusée chimiques ont été créés, qui ne devaient fonctionner que pendant 20 à 30 minutes. Que pouvons-nous dire des essais et du perfectionnement des centrales nucléaires - le calcul était qu'elles devraient fonctionner pendant plus d'un an. Cela a demandé un effort vraiment gigantesque.