Motoare pentru rachete nucleare și sisteme de propulsie electrică pentru rachete nucleare. Motoare nucleare pentru nave spațiale

Pulse YARD a fost dezvoltat în conformitate cu principiul propus în 1945 de Dr. S. Ulam de la Laboratorul de Cercetare Los Alamos, conform căruia se propune utilizarea unei încărcături nucleare ca sursă de energie (combustibil) pentru un lansator de rachete spațiale de înaltă performanță.

În acele vremuri, ca și în mulți ani, armele nucleare și termonucleare erau cele mai puternice și compacte surse de energie în comparație cu oricare alta. După cum știți, în prezent suntem pe punctul de a descoperi modalități de a controla o sursă de energie și mai concentrată, deoarece am avansat deja destul de mult în dezvoltarea primei unități folosind antimaterie. Dacă pornim doar de la cantitatea de energie disponibilă, atunci încărcăturile nucleare oferă o putere specifică de peste 200.000 de secunde, iar cele termonucleare - până la 400.000 de secunde. Astfel de valori ale forței specifice sunt excesiv de mari pentru majoritatea zborurilor din sistemul solar. Mai mult, atunci când se folosește combustibilul nuclear în forma sa „pură”, apar o mulțime de probleme care nici în prezent nu au fost încă rezolvate pe deplin. Deci, energia eliberată în timpul exploziei trebuie transferată în fluidul de lucru, care se încălzește și apoi curge din motor, creând forță. În conformitate cu metodele obișnuite de rezolvare a unei astfel de probleme, o încărcătură nucleară este plasată într-o „camera de ardere” umplută cu un fluid de lucru (de exemplu, apă sau altă substanță lichidă), care se evaporă și apoi se extinde cu un grad mai mare sau mai mic de diabaticitate în duză.

Un astfel de sistem, pe care îl numim un NRE pulsat intern, este foarte eficient, deoarece toți produsele exploziei și întreaga masă a fluidului de lucru sunt folosite pentru a crea forța. Un ciclu de funcționare non-staționar permite unui astfel de sistem să dezvolte presiuni și temperaturi mai mari în camera de ardere și, ca urmare, o forță specifică mai mare în comparație cu un ciclu continuu de funcționare. Cu toate acestea, însuși faptul că exploziile au loc în interiorul unui anumit volum impune restricții semnificative asupra presiunii și temperaturii din cameră și, prin urmare, asupra valorii realizabile a forței specifice. Având în vedere acest lucru, în ciuda numeroaselor avantaje ale unui impuls intern NRE, un impuls extern NRE s-a dovedit a fi mai simplu și mai eficient datorită utilizării cantității gigantice de energie eliberată în timpul exploziilor nucleare.

În NRE de acțiune externă, nu întreaga masă a combustibilului și a fluidului de lucru ia parte la crearea împingerii jetului. Totuși, aici, chiar și cu o eficiență mai mică. este utilizată mai multă energie, rezultând o performanță mai eficientă a sistemului. Un impuls extern NRE (denumit în continuare pur și simplu impuls NRE) utilizează energia unei explozii a unui număr mare de sarcini nucleare mici transportate la bordul unei rachete. Aceste încărcături nucleare sunt ejectate secvenţial din rachetă şi sunt aruncate în aer în spatele ei la o anumită distanţă ( desenul de mai jos). La fiecare explozie, o parte din fragmentele de fisiune gazoasă în expansiune sub formă de plasmă cu densitate și viteză ridicate se ciocnesc de baza rachetei - platforma de împingere. Momentul plasmei este transferat platformei de împingere, care se deplasează înainte cu o accelerație mare. Accelerația este redusă de un dispozitiv de amortizare la câteva gîn compartimentul nasului rachetei, care nu depășește limitele de rezistență ale corpului uman. După ciclul de compresie, dispozitivul de amortizare readuce platforma de împingere în poziția inițială, după care este gata pentru următorul impuls.

Creșterea totală a vitezei dobândite de navă spațială ( desen, împrumutat de la muncă ), depinde de numărul de explozii și, prin urmare, este determinată de numărul de încărcături nucleare cheltuite într-o anumită manevră. Dezvoltarea sistematică a unui astfel de proiect NRE a fost inițiată de Dr. T. B. Taylor (Divizia Generală Atomică a General Dynamics) și a continuat cu sprijinul Research Advanced Planning Administration (ARPA), US Air Force, NASA și General Dynamics timp de nouă ani, după care lucrările în această direcție au fost temporar oprite pentru a relua în viitor, deoarece acest tip de propulsie solară a fost ales ca sistem de propulsie solară în cadrul sistemului de propulsie cu două sisteme solare.

Principiul de funcționare a unui YARD pulsat de acțiune externă

O versiune timpurie a instalației, dezvoltată de NASA în 1964-1965, era comparabilă (în diametru) cu racheta Saturn-5 și asigura o tracțiune specifică de 2500 de secunde și o tracțiune efectivă de 350 g; Greutatea „usată” (fără combustibil) a compartimentului principal al motorului a fost de 90,8 tone. În versiunea originală a motorului rachetă nucleară pulsată, au fost utilizate încărcăturile nucleare menționate anterior și s-a presupus că va funcționa pe orbite terestre joase și în zona centurilor de radiații din cauza pericolului de contaminare radioactivă a atmosferei prin explozii eliberate de produse de descompunere. Apoi, forța specifică a motoarelor de rachete nucleare cu impulsuri a fost crescută la 10.000 de secunde, iar capacitățile potențiale ale acestor motoare au făcut posibilă dublarea acestei cifre în viitor.

Este posibil ca un sistem de propulsie NRE cu pulsații să fi fost deja dezvoltat în anii 1970 pentru a efectua primul zbor spațial cu echipaj uman către planete la începutul anilor 1980. Cu toate acestea, dezvoltarea acestui proiect nu s-a desfășurat pe deplin din cauza aprobării programului de creare a unei ENR în fază solidă. În plus, dezvoltarea NRE pulsată a fost asociată cu problema politica pentru că folosea arme nucleare.

Erike K.A. (Krafft A. Ehricke)

Prima etapă este negarea

Robert Schmucker, un expert german în domeniul tehnologiei rachetelor, a considerat afirmațiile lui V. Putin ca fiind complet neplauzibile. „Nu îmi pot imagina că rușii pot crea un mic reactor zburător”, a spus expertul într-un interviu pentru Deutsche Welle.

Ei pot, Herr Schmucker. Doar imagina.

Primul satelit intern cu o centrală nucleară (Kosmos-367) a fost lansat din Baikonur în 1970. 37 de ansambluri combustibile ale reactorului de dimensiuni mici BES-5 Buk, conținând 30 kg de uraniu, la o temperatură în circuitul primar de 700°C și o degajare de căldură de 100 kW au asigurat puterea electrică a instalației de 3 kW. Masa reactorului este mai mică de o tonă, timpul de funcționare estimat este de 120-130 de zile.

Experții își vor exprima îndoielile: această „baterie” nucleară are prea puțină putere... Dar! Te uiti la data: a fost acum o jumătate de secol.

Eficiență scăzută - o consecință a conversiei termoionice. Cu alte forme de transfer de energie, indicatorii sunt mult mai mari, de exemplu, pentru centralele nucleare, valoarea eficienței este în intervalul 32-38%. În acest sens, puterea termică a reactorului „spațial” prezintă un interes deosebit. 100 kW este o ofertă serioasă pentru victorie.

Trebuie remarcat faptul că BES-5 Buk nu aparține familiei RTG. Generatoarele termoelectrice cu radioizotopi convertesc energia dezintegrarii naturale a atomilor elemente radioactive si au putina putere. În același timp, Buk este un adevărat reactor cu reacție în lanț controlată.

Următoarea generație de reactoare sovietice de dimensiuni mici, care a apărut la sfârșitul anilor 1980, s-a remarcat prin dimensiuni și mai mici și o eliberare mai mare de energie. Acesta a fost Topazul unic: în comparație cu Buk, cantitatea de uraniu din reactor a fost redusă cu un factor de trei (la 11,5 kg). Puterea termică a crescut cu 50% și s-a ridicat la 150 kW, timpul de funcționare continuă a ajuns la 11 luni (un reactor de acest tip a fost instalat la bordul satelitului de recunoaștere Cosmos-1867).

Reactoarele spațiale nucleare sunt o formă extraterestră de moarte. În caz de pierdere a controlului, „steaua căzătoare” nu și-a îndeplinit dorințele, dar și-a putut elibera păcatele „norocoșilor”.

În 1992, cele două copii rămase ale reactoarelor mici din seria Topaz au fost vândute în Statele Unite pentru 13 milioane de dolari.

Întrebarea principală este: există suficientă putere pentru ca astfel de instalații să fie folosite ca motoare de rachetă? Prin trecerea fluidului de lucru (aer) prin miezul fierbinte al reactorului și obținerea de forță la ieșire conform legii conservării impulsului.

Răspuns: nu. Buk și Topaz sunt centrale nucleare compacte. Sunt necesare alte mijloace pentru a crea un YRD. Dar tendința generală este vizibilă cu ochiul liber. Centralele nucleare compacte au fost create de mult timp și există în practică.

Ce putere ar trebui să aibă o centrală nucleară pentru a fi folosită ca motor principal pentru o rachetă de croazieră de dimensiuni similare cu Kh-101?

Nu găsești un loc de muncă? Înmulțiți timpul cu puterea!
(Colecție de sfaturi universale.)

Găsirea puterii nu este, de asemenea, dificilă. N=F×V.

Potrivit datelor oficiale, rachetele de croazieră Xa-101, precum și KR din familia Caliber, sunt echipate cu un motor turbofan-50 de viață scurtă, care dezvoltă o tracțiune de 450 kgf (≈ 4400 N). Viteza de croazieră a rachetelor de croazieră - 0,8 M sau 270 m / s. Eficiența ideală de proiectare a unui motor bypass cu turboreacție este de 30%.

În acest caz, puterea necesară a motorului rachetei de croazieră este de numai 25 de ori mai mare decât putere termala serie de reactoare „Topaz”.

În ciuda îndoielilor expertului german, crearea unui motor de rachetă cu turboreacție nucleară (sau ramjet) este o sarcină realistă care îndeplinește cerințele timpului nostru.

Rachetă din iad

„Totul este o surpriză – o rachetă de croazieră cu propulsie nucleară”, a spus Douglas Barry, cercetător la Institutul Internațional de Studii Strategice din Londra. „Această idee nu este nouă, s-a vorbit despre ea în anii ’60, dar s-a confruntat cu multe obstacole.”

Nu s-a vorbit doar despre asta. În timpul testelor din 1964, motorul nuclear ramjet Tori-IIC a dezvoltat o forță de 16 tone la o putere termică a reactorului de 513 MW. Simulând zborul supersonic, instalația a consumat 450 de tone de aer comprimat în cinci minute. Reactorul a fost proiectat foarte „fierbinte” - temperatura de funcționare în miez a ajuns la 1600°C. Designul a avut toleranțe foarte înguste: într-un număr de zone, temperatura admisă a fost doar cu 150-200 ° C sub temperatura la care elementele rachetei s-au topit și s-au prăbușit.

Au fost acești indicatori suficienți pentru utilizarea YaPVRD ca motor în practică? Răspunsul este evident.

Motorul nuclear ramjet a dezvoltat mai multă (!) forță decât motorul turbo-ramjet al aeronavei de recunoaștere „cu trei aripi” SR-71 „Black Bird”.

„Polygon-401”, teste ale unui ramjet nuclear

Instalațiile experimentale „Tori-IIA” și „-IIC” sunt prototipuri ale motorului nuclear al rachetei de croazieră SLAM.

O invenție diabolică, capabilă, după calcule, să străpungă 160.000 km de spațiu la o altitudine minimă cu o viteză de 3M. Literal, „tund” pe toți cei care i-au întâlnit pe calea ei tristă, cu o undă de șoc și un zgomot zgomotos de 162 dB (ucidere pentru o persoană).

Reactorul avionului de luptă nu avea nicio protecție biologică. Timpanele rupte după zborul SLAM ar părea o circumstanță nesemnificativă pe fondul emisiilor radioactive de la duza rachetei. Monstrul zburător a lăsat în urmă un pana de peste un kilometru lățime cu o doză de radiație de 200-300 rad. Conform calculelor, într-o oră de zbor, SLAM a infectat 1.800 de mile pătrate cu radiații mortale.

Potrivit calculelor, lungimea aeronavei ar putea ajunge la 26 de metri. Greutate de pornire - 27 de tone. Sarcină de luptă - încărcături termonucleare care trebuiau aruncate succesiv asupra mai multor orașe sovietice de-a lungul rutei de zbor a rachetei. După finalizarea sarcinii principale, SLAM trebuia să se rotească peste teritoriul URSS pentru încă câteva zile, infectând totul în jur cu emisii radioactive.

Poate cel mai mortal dintre tot ce a încercat omul să creeze. Din fericire, nu s-a ajuns la lansări reale.

Proiectul, cu numele de cod Pluto, a fost anulat la 1 iulie 1964. În același timp, potrivit unuia dintre dezvoltatorii SLAM, J. Craven, niciuna dintre conducerea militară și politică a Statelor Unite nu a regretat decizia.

Motivul abandonării „rachetei nucleare cu zbor joasă” a fost dezvoltarea rachetelor balistice intercontinentale. Capabil să provoace daunele necesare în mai puțin timp cu riscuri incomparabile pentru militarii înșiși. După cum au remarcat pe bună dreptate autorii publicației din revista Air & Space: ICBM-urile, cel puțin, nu i-au ucis pe toți cei care se aflau în apropierea lansatorului.

Încă nu se știe cine, unde și cum a plănuit să-l testeze pe diavol. Și cine ar fi responsabil dacă SLAM s-ar devia de curs și ar zbura peste Los Angeles. Una dintre propunerile nebunești sugera să legați racheta de un cablu și să conduceți în cerc peste zonele pustii ale piesei. Nevada. Totuși, imediat a apărut o altă întrebare: ce să faci cu racheta când ultimele resturi de combustibil au ars în reactor? Locul în care SLAM-ul va „ateriza” nu va fi abordat timp de secole.

Viata sau moarte. Alegerea finală

Spre deosebire de misticul „Pluto” din anii 1950, proiectul unei rachete nucleare moderne, exprimat de V. Putin, oferă crearea unui mijloc eficient de spargere a sistemului american de apărare antirachetă. Mijloacele de distrugere asigurată reciproc este cel mai important criteriu pentru descurajarea nucleară.

Transformarea clasicei „triade nucleare” într-o „pentagramă” diabolică - cu includerea unei noi generații de vehicule de livrare (rachete de croazieră nucleare cu rază nelimitată și torpile nucleare strategice Status-6), cuplată cu modernizarea focoaselor ICBM (manevrarea „Vanguard”) este un răspuns rezonabil la apariția de noi amenințări. Politica de apărare antirachetă a Washingtonului nu lasă Moscovei altă opțiune.

„Vă dezvoltați sistemele antirachetă. Gama de antirachete crește, precizia crește, aceste arme sunt îmbunătățite. Prin urmare, trebuie să răspundem în mod adecvat la acest lucru, astfel încât să putem depăși sistemul nu numai astăzi, ci și mâine, când aveți arme noi.”

Detaliile desecretizate ale experimentelor SLAM/Pluto demonstrează în mod convingător că crearea unei rachete de croazieră nucleară a fost posibilă (fezabilă din punct de vedere tehnic) în urmă cu șase decenii. Tehnologiile moderne ne permit să aducem ideea la un nou nivel tehnic.

Sabia ruginește cu promisiuni

În ciuda masei de fapte evidente care explică motivele apariției „super-armei președintelui” și elimină orice îndoială cu privire la „imposibilitatea” creării unor astfel de sisteme, în Rusia, precum și în străinătate, există mulți sceptici. „Toate armele enumerate sunt doar un mijloc de război informațional”. Și apoi - o varietate de propuneri.

Probabil că „experti” în caricatură precum I. Moiseev nu trebuie luați în serios. Șeful Institutului de Politică Spațială (?), care a declarat ediției online The Insider: „Nu poți pune un motor nuclear pe o rachetă de croazieră. Da, și nu există astfel de motoare.

Încercările de „demascare” declarațiilor președintelui se fac și la un nivel analitic mai serios. Astfel de „investigații” câștigă imediat popularitate în rândul publicului liberal. Scepticii fac următoarele argumente.

Toate sistemele menționate mai sus sunt clasificate drept arme strategice top-secret, a căror existență nu poate fi verificată sau infirmată. (În mesajul adresat Adunării Federale s-a demonstrat grafica pe computerși filmări de lansare care nu se pot distinge de testele altor tipuri de rachete de croazieră.) În același timp, nimeni nu vorbește, de exemplu, despre crearea unei drone de atac grele sau a unei nave de război din clasa distrugătorilor. O armă care ar trebui să fie demonstrată în curând lumii întregi.

Potrivit unor „denunțători”, contextul pur strategic, „secret” al mesajelor poate indica natura lor neplauzibilă. Ei bine, dacă acesta este argumentul principal, atunci despre ce este discuția cu acești oameni?

Există și un alt punct de vedere. șocant despre rachete nucleare iar submarinele de 100 de noduri fără pilot sunt realizate pe fundalul problemelor evidente ale complexului militar-industrial întâlnite în implementarea proiectelor de arme „tradiționale” mai simple. Pretențiile de rachete care au depășit deodată toate tipurile de arme existente stau în contrast puternic pe fundalul situației bine-cunoscute cu știința rachetelor. Scepticii citează ca exemplu eșecuri în masă în timpul lansărilor Bulava sau crearea vehiculului de lansare Angara, care a durat două decenii. Însuși a început în 1995; Vorbind în noiembrie 2017, viceprim-ministrul D. Rogozin a promis că va relua lansările Angara din Cosmodromul Vostochny abia în ... 2021.

Și, apropo, de ce a rămas fără atenție Zircon, principala senzație navală a anului precedent? O rachetă hipersonică care poate elimina toate conceptele existente de luptă navală.

Știrile despre sosirea sistemelor laser în trupe au atras atenția producătorilor de sisteme laser. Exemplele existente de arme cu energie dirijată au fost create pe o bază extinsă de cercetare și dezvoltare de echipamente de înaltă tehnologie pentru piața civilă. De exemplu, instalația americană AN/SEQ-3 Legile de bord reprezintă un „pachet” de șase lasere de sudare cu o putere totală de 33 kW.

Anunțul creării unui laser de luptă super-puternic contrastează cu fundalul unei industrii laser foarte slabe: Rusia nu este unul dintre cei mai mari producători de echipamente laser din lume (Coherent, IPG Photonics sau Chinese Han „Laser Technology). Prin urmare, apariția bruscă a mostrelor de arme laser de mare putere stârnește un interes real în rândul specialiștilor.

Întotdeauna există mai multe întrebări decât răspunsuri. Diavolul este în detalii, dar sursele oficiale dau o idee extrem de proastă despre cele mai recente arme. Adesea nici măcar nu este clar dacă sistemul este deja pregătit pentru adoptare sau dezvoltarea lui se află într-un anumit stadiu. Precedentele binecunoscute asociate cu crearea unor astfel de arme în trecut indică faptul că problemele care decurg din aceasta nu sunt rezolvate dintr-o pocnire de deget. Fanii inovațiilor tehnice sunt îngrijorați de alegerea unui loc pentru testarea unei nave spațiale cu motor nuclear. Sau modalități de a comunica cu drona subacvatică Status-6 (o problemă fundamentală: comunicația radio nu funcționează sub apă, submarinele sunt forțate să iasă la suprafață în timpul sesiunilor de comunicare). Ar fi interesant să auzim o explicație despre cum să-l folosești: în comparație cu ICBM-urile tradiționale și SLBM-urile care pot începe și încheia un război într-o oră, Status-6 va dura câteva zile pentru a ajunge pe coasta SUA. Când nimeni altcineva nu este acolo!

Ultima luptă s-a terminat.
A mai rămas cineva în viață?
Ca răspuns - doar vântul urla...

Folosirea materialelor:
Revista Air&Space (aprilie-mai 1990)
Războiul tăcut de John Craven

Adesea, în publicațiile educaționale generale despre astronautică, diferența dintre un motor de rachetă nucleară (NRE) și un sistem de propulsie electrică a rachetei nucleare (NRE) nu este distinsă. Cu toate acestea, aceste abrevieri ascund nu numai diferența dintre principiile conversiei energiei nucleare în tracțiunea rachetei, ci și o istorie foarte dramatică a dezvoltării astronauticii.

Drama istoriei constă în faptul că, dacă studiile asupra centralelor nucleare și nucleare s-ar fi oprit în principal din motive economice atât în ​​URSS, cât și în SUA ar continua, atunci zborurile umane către Marte ar fi devenit de mult un loc obișnuit.

Totul a început cu aeronave atmosferice cu un motor nuclear ramjet

Motoarele dezvoltate în cadrul proiectului Pluto au fost planificate să fie instalate pe rachete de croazieră, care au fost create în anii 1950 sub denumirea SLAM (Rachetă supersonică de joasă altitudine, rachetă supersonică de joasă altitudine).

În Statele Unite, au plănuit să construiască o rachetă de 26,8 metri lungime, trei metri în diametru și cântărind 28 de tone. Corpul rachetei trebuia să găzduiască un focos nuclear, precum și un sistem de propulsie nucleară cu o lungime de 1,6 metri și un diametru de 1,5 metri. Pe fondul altor dimensiuni, instalația părea foarte compactă, ceea ce explică principiul de funcționare cu flux direct.

Dezvoltatorii credeau că, datorită motorului nuclear, raza de acțiune a rachetei SLAM va fi de cel puțin 182.000 de kilometri.

În 1964, Departamentul de Apărare al SUA a închis proiectul. Motivul oficial a fost că în zbor, o rachetă de croazieră cu propulsie nucleară poluează prea mult totul în jur. Dar, de fapt, motivul au fost costurile semnificative ale întreținerii unor astfel de rachete, mai ales că până atunci știința rachetelor se dezvolta rapid pe baza motoarelor de rachete cu propulsie lichidă, a căror întreținere era mult mai ieftină.

URSS a rămas fidelă ideii de a crea un NRE cu flux direct mult mai mult timp decât Statele Unite, închizând proiectul abia în 1985. Dar rezultatele au fost mult mai semnificative. Astfel, primul și singurul motor de rachetă nuclear sovietic a fost dezvoltat la biroul de proiectare Khimavtomatika, Voronezh. Acesta este RD-0410 (indice GRAU - 11B91, cunoscut și ca „Irbit” și „IR-100”).

În RD-0410, a fost utilizat un reactor cu neutroni termici eterogen, hidrura de zirconiu a servit ca moderator, reflectoarele de neutroni erau fabricate din beriliu, combustibilul nuclear era un material pe bază de uraniu și carburi de tungsten, îmbogățit în izotopul 235 aproximativ 80%.

Designul a inclus 37 de ansambluri de combustibil acoperite cu izolație termică care le separă de moderator. Proiectul prevedea ca fluxul de hidrogen să treacă mai întâi prin reflector și moderator, menținându-le temperatura la temperatura camerei, apoi să intre în miez, unde a răcit ansamblurile de combustibil, încălzind până la 3100 K. La stand, reflectorul și moderatorul au fost răcite printr-un flux separat de hidrogen.

Reactorul a trecut printr-o serie semnificativă de teste, dar nu a fost niciodată testat pe toată durata de funcționare. Cu toate acestea, în afara reactorului unitățile au fost pe deplin lucrate.

Specificații RD 0410

Împingere în gol: 3,59 tf (35,2 kN)
Puterea termică a reactorului: 196 MW
Impuls specific de tracțiune în vid: 910 kgf s/kg (8927 m/s)
Număr de incluziuni: 10
Resurse de lucru: 1 oră
Componentele combustibilului: fluid de lucru - hidrogen lichid, substanță auxiliară - heptan
Greutate cu protecție împotriva radiațiilor: 2 tone
Dimensiuni motor: inaltime 3,5 m, diametru 1,6 m.

Dimensiuni generale și greutate relativ mici, temperatură ridicată a combustibilului nuclear (3100 K) la sistem eficient Răcirea cu un flux de hidrogen indică faptul că RD0410 este un prototip aproape ideal de motor de rachetă nucleară pentru rachete de croazieră moderne. Și, ținând cont de tehnologiile moderne de obținere a combustibilului nuclear cu oprire automată, creșterea resursei de la o oră la câteva ore este o sarcină foarte reală.

Proiecte de motoare de rachete nucleare

Există trei tipuri de NRE în funcție de tipul de combustibil pentru reactor:

• fază solidă;
• fază lichidă;
• fază gazoasă.

În motoarele cu rachete nucleare în fază gazoasă, combustibilul (de exemplu, uraniul) și fluidul de lucru sunt în stare gazoasă (sub formă de plasmă) și sunt reținute în zona de lucru de un câmp electromagnetic. Încălzită la zeci de mii de grade, plasma de uraniu transferă căldură fluidului de lucru (de exemplu, hidrogen), care, la rândul său, fiind încălzit la temperaturi ridicate, formează un jet.

După tipul de reacție nucleară, se disting un motor de rachetă cu radioizotop, un motor de rachetă termonuclear și un motor nuclear propriu-zis (se folosește energia fisiunii nucleare).

O opțiune interesantă este, de asemenea, un NRE pulsat - se propune utilizarea unei încărcături nucleare ca sursă de energie (combustibil). Astfel de instalații pot fi de tip intern și extern.

Principalele avantaje ale YRD sunt:

• impuls specific ridicat;
• rezervă de energie semnificativă;
• compactitatea sistemului de propulsie;
• posibilitatea de a obține o tracțiune foarte mare - zeci, sute și mii de tone în vid.

• fluxuri de radiații penetrante (radiații gamma, neutroni) în timpul reacțiilor nucleare;
• îndepărtarea compușilor foarte radioactivi ai uraniului și aliajelor acestuia;
• scurgerea gazelor radioactive cu fluidul de lucru.

Centrală nucleară

Deci, de exemplu, remarcabilul om de știință rus Anatoly Sazonovich Koroteev, autorul invenției sub brevet, a oferit o soluție tehnică pentru compoziția echipamentelor unei centrale nucleare moderne. În continuare, dau o parte din documentul de brevet specificat text și fără comentarii.

Esența soluției tehnice propuse este ilustrată de diagrama prezentată în desen. Centrala nucleară care funcționează în modul de propulsie-energie conține un sistem de propulsie electrică (EPP) (de exemplu, diagrama prezintă două motoare rachete electrice 1 și 2 cu sistemele de alimentare corespunzătoare 3 și 4), o centrală de reactor 5, o turbină 6, un compresor 7, un generator 8, un schimbător de căldură-recuperator 9, un Ranque-Hils-10 turbină, un turbină Ranque-Hils. 6, compresorul 7 și generatorul 8 sunt combinate într-o singură unitate - un turbogenerator-compresor. Centrala nucleară este echipată cu conducte 12 ale fluidului de lucru și linii electrice 13 care leagă generatorul 8 și sistemul de propulsie electrică. Schimbătorul-recuperator de căldură 9 are așa-numitele intrări de temperatură înaltă 14 și temperatură joasă 15 ale fluidului de lucru, precum și ieșiri de temperatură înaltă 16 și temperatură joasă 17 ale fluidului de lucru.

Ieșirea instalației de reactor 5 este conectată la intrarea turbinei 6, ieșirea turbinei 6 este conectată la intrarea de temperatură înaltă 14 a schimbătorului de căldură-recuperator 9. Ieșirea la temperatură joasă 15 a schimbătorului de căldură-recuperator 9 este conectată la intrarea în tubul Rank-Hilsch 10 vârtej. care (prin fluidul de lucru „fierbinte”) este conectat la radiatorul de răcire 11, iar celălalt (prin fluidul de lucru „rece”) este conectat la admisia compresorului 7. Ieșirea radiatorului-răcitor 11 este, de asemenea, conectată la admisia compresorului 7. Ieșirea compresorului 7 este conectată la temperatura scăzută la temperatură înaltă a schimbătorului de căldură. 16 al schimbătorului-recuperator de căldură 9 este conectat la intrarea în centrala reactorului 5. Astfel, elementele principale ale centralei nucleare sunt interconectate printr-un singur circuit al fluidului de lucru.

Yaedu lucrează în felul următor. Fluidul de lucru încălzit în instalația de reactor 5 este trimis la turbina 6, care asigură funcționarea compresorului 7 și a generatorului 8 al turbogeneratorului-compresor. Generatorul 8 generează energie electrică, care, conform linii electrice 13 este trimis la motoarele electrice de rachetă 1 și 2 și la sistemele lor de alimentare 3 și 4, asigurând funcționarea acestora. După părăsirea turbinei 6, fluidul de lucru este trimis prin orificiul de admisie la temperatură înaltă 14 către schimbătorul de căldură-recuperator 9, unde fluidul de lucru este parțial răcit.

Apoi, de la ieșirea la temperatură joasă 17 a schimbătorului-recuperator de căldură 9, fluidul de lucru este trimis către tubul vortex Rank-Hilsch 10, în interiorul căruia fluxul de fluid de lucru este împărțit în componente „fierbinte” și „rece”. Partea „fierbintă” a fluidului de lucru merge apoi la răcitorul-emițător 11, unde această parte a fluidului de lucru este răcită efectiv. Partea „rece” a fluidului de lucru urmează intrarea în compresor 7, iar după răcire, partea din fluidul de lucru care părăsește radiatorul-răcitor 11 urmează acolo.

Compresorul 7 furnizează fluidul de lucru răcit la schimbătorul de căldură-recuperator 9 prin intrarea la temperatură joasă 15. Acest fluid de lucru răcit în schimbătorul-recuperator de căldură 9 asigură răcirea parțială a fluxului de fluid de lucru care intră în schimbătorul de căldură-recuperator 9 de la turbină 6 prin temperatura ridicată 416, iar temperatura de ieșire a instalației 416, iar temperatura de ieșire a instalației. repetă din nou.

Astfel, un singur fluid de lucru situat într-o buclă închisă asigură muncă continuă Centrala nucleară și utilizarea tubului vortex Rank-Hilsch ca parte a centralei nucleare în conformitate cu soluția tehnică propusă îmbunătățește caracteristicile de greutate și dimensiune ale centralei nucleare, crește fiabilitatea funcționării acesteia, simplifică schema de proiectare și face posibilă creșterea eficienței centralei nucleare în ansamblu.

Am gasit un articol interesant. În general, navele spațiale nucleare m-au interesat întotdeauna. Acesta este viitorul explorării spațiale. Lucrări ample pe această temă au fost efectuate și în URSS. Articolul este despre ei.

Spațiu alimentat cu energie atomică. Vise și realitate.

Doctor în științe fizice și matematice Yu. Ya. Stavissky

În 1950, mi-am susținut diploma în inginerie fizică la Institutul Mecanic din Moscova (MMI) al Ministerului Munițiilor. Cu cinci ani mai devreme, în 1945, acolo s-a înființat un departament de inginerie și fizică, care a pregătit specialiști pentru o nouă industrie, ale cărei sarcini includeau în principal producția de arme nucleare. Facultatea a fost pe măsură. Alături de fizica fundamentală în sfera cursurilor universitare (metode de fizică matematică, teoria relativității, mecanică cuantică, electrodinamică, fizică statistică și altele), am fost predate o gamă completă de discipline de inginerie: chimie, știința metalelor, rezistența materialelor, teoria mecanismelor și mașinilor create de un remarcabil etc. fizician sovietic Alexander Ilyich Leipunsky, Facultatea de Inginerie Fizică de la MMI a crescut de-a lungul timpului în Institutul de Fizică Inginerie din Moscova (MEPhI). O altă Facultate de Inginerie Fizică, care mai târziu a fuzionat în MEPhI, a fost formată la Institutul de Inginerie Energetică din Moscova (MPEI), dar dacă accentul principal la MMI a fost pe fizica fundamentală, atunci la Institutul de Energie a fost pe termică și electrofizică.

Am studiat mecanica cuantică folosind cartea lui Dmitri Ivanovici Blokhintsev. Imaginează-ți surpriza mea când, în timpul distribuției, am fost trimis să lucrez cu el. Sunt un pasionat experimentator (în copilărie am demontat toate ceasurile din casă) și deodată ajung la un teoretician cunoscut. Am fost cuprins de o ușoară panică, dar la sosirea la loc - „Obiectul B” al Ministerului Afacerilor Interne al URSS din Obninsk - mi-am dat seama imediat că sunt îngrijorat degeaba.

Până în acest moment, subiectul principal al „Obiectului B”, care era de fapt condus de A.I. Leipunsky, sa format deja. Aici au creat reactoare cu reproducere extinsă a combustibilului nuclear - „producători rapidi”. În calitate de director, Blokhintsev a inițiat dezvoltarea unei noi direcții - crearea de motoare cu propulsie atomică pentru zborurile spațiale. Stăpânirea spațiului a fost un vis vechi al lui Dmitri Ivanovici, chiar și în tinerețe a corespondat și s-a întâlnit cu K.E. Ciolkovski. Cred că înțelegerea posibilităților gigantice ale energiei nucleare, cu o putere calorică de milioane de ori mai mare decât a celor mai buni combustibili chimici, a determinat calea de viață a D.I. Blokhintsev.
„Nu poți vedea o față față în față”... În acei ani, nu înțelegeam mare lucru. Abia acum, când în sfârșit a devenit posibilă compararea faptelor și a destinelor remarcabililor savanți ai Institutului de Fizică și Inginerie Energetică (IPPE) - fostul „Obiect B”, redenumit la 31 decembrie 1966 - există o înțelegere corectă, după cum mi se pare, a ideilor care i-au mișcat la acea vreme. Cu toată varietatea de cazuri cu care a trebuit să se ocupe institutul, este posibil să se evidențieze prioritatea direcții științifice, care s-a dovedit a fi în sfera intereselor fizicienilor săi de seamă.

Principalul interes al AIL (cum era numit Alexander Ilici Leipunsky pe spate la institut) este dezvoltarea energiei globale bazată pe reactoare de reproducere rapidă (reactoare nucleare care nu au restricții privind resursele de combustibil nuclear). Este greu de supraestimat semnificația acestei probleme cu adevărat „cosmice”, căreia i-a dedicat ultimul sfert de secol al vieții sale. Leipunsky a cheltuit multă energie și pentru apărarea țării, în special pentru crearea de motoare atomice pentru submarine și avioane grele.

Interese D.I. Blokhintsev (i-a fost atribuită porecla „D.I.”) au avut ca scop rezolvarea problemei utilizării energiei nucleare pentru zborurile spațiale. Din păcate, la sfârșitul anilor 1950, a fost forțat să părăsească acest loc de muncă și să conducă crearea unui centru științific internațional - Institutul Comun de Cercetare Nucleară din Dubna. Acolo a lucrat la reactoare rapide pulsate - IBR. Acesta a fost ultimul lucru important din viața lui.

Un singur gol - o echipă

DI. Blokhintsev, care a predat la sfârșitul anilor 1940 la Universitatea de Stat din Moscova, a remarcat acolo și apoi l-a invitat pe tânărul fizician Igor Bondarenko să lucreze la Obninsk, care era literalmente încântat de navele spațiale cu propulsie nucleară. Primul său supraveghetor a fost A.I. Leipunsky și Igor, desigur, s-au ocupat de subiectul său - crescătorii rapizi.

Sub D.I. Blokhintsev, un grup de oameni de știință format în jurul lui Bondarenko, care s-au unit pentru a rezolva problemele de utilizare a energiei atomice în spațiu. Pe lângă Igor Ilici Bondarenko, grupul a inclus: Viktor Yakovlevich Pupko, Edvin Alexandrovich Stumbur și autorul acestor rânduri. Igor a fost principalul ideolog. Edwin a cheltuit studii experimentale modele de sol ale reactoarelor nucleare ale instalaţiilor spaţiale. Am fost implicat în principal în motoare de rachete „de tracțiune joasă” (împingerea lor este creată de un fel de accelerator - „propulsie ionică”, care este alimentată de energia din spațiu centrală nucleară). Am explorat procesele
curgând în propulsoare ionice, pe standuri de pământ.

Pe Victor Pupko (în viitor
a devenit șeful departamentului de tehnologie spațială a IPPE) a fost multă muncă organizatorică. Igor Ilici Bondarenko a fost un fizician remarcabil. A simțit subtil experimentul, a pus la cale experimente simple, elegante și foarte eficiente. Cred că nici un experimentator și, poate, puțini teoreticieni, au „simțit” fizica fundamentală. Întotdeauna receptiv, deschis și prietenos, Igor a fost cu adevărat sufletul institutului. Până acum, FEI trăiește după ideile sale. Bondarenko a trăit nejustificat viata scurta. În 1964, la vârsta de 38 de ani, a murit tragic din cauza eroare medicala. Parcă Dumnezeu, văzând cât de multe făcuse omul, a decis că deja era prea mult și a poruncit: „Destul”.

Este imposibil să nu ne amintim o altă personalitate unică - Vladimir Alexandrovich Malykh, un tehnolog „de la Dumnezeu”, modernul Leskovsky Levsha. Dacă „produsele” oamenilor de știință menționați mai sus au fost în principal idei și estimări calculate ale realității lor, atunci lucrările lui Malykh au avut întotdeauna o ieșire „în metal”. Sectorul său tehnologic, care în perioada de glorie a IPPE număra peste două mii de angajați, putea face, fără exagerare, totul. Mai mult, el însuși a jucat întotdeauna un rol cheie.

V.A. Malykh a început ca asistent de laborator la un institut de cercetare fizica nucleara Universitatea de Stat din Moscova, având în spatele sufletului trei cursuri de facultate de fizică, războiul nu m-a lăsat să-mi termin studiile. La sfârșitul anilor 1940, a reușit să creeze o tehnologie pentru fabricarea ceramicii tehnice pe bază de oxid de beriliu, un material unic, un dielectric cu conductivitate termică ridicată. Înainte de Malykh, mulți s-au luptat fără succes cu această problemă. Iar celula de combustibil pe bază de oțel inoxidabil în serie și uraniu natural, pe care a dezvoltat-o ​​pentru prima centrală nucleară, este un miracol pentru cei și chiar și astăzi. Sau elementul de combustibil termoionic al reactorului-generator electric proiectat de Malykh pentru a alimenta navele spațiale - „ghirlanda”. Până acum nu a apărut nimic mai bun în acest domeniu. Creațiile lui Malykh nu erau jucării demonstrative, ci elemente de tehnologie nucleară. Au lucrat luni și ani. Vladimir Alexandrovici a devenit medic stiinte tehnice, laureat al Premiului Lenin, Erou al Muncii Socialiste. În 1964, a murit tragic din cauza unei comoții militare.

Pas cu pas

S.P. Korolev și D.I. Blokhintsev a cultivat de mult visul zborului spațial cu echipaj. Între ei s-au stabilit legături de lucru strânse. Dar la începutul anilor 1950, la apogeul război rece„, fondurile nu au fost cruțate doar în scopuri militare. Tehnologia rachetelor a fost considerată doar un purtător de încărcături nucleare, iar sateliții nici nu au fost gândiți. Între timp, Bondarenko, știind despre cele mai recente realizări ale oamenilor de știință în rachete, a susținut cu insistență crearea unui satelit artificial al Pământului. Ulterior, nimeni nu și-a amintit asta.

Istoria creării rachetei care l-a ridicat în spațiu pe primul cosmonaut al planetei, Yuri Gagarin, este curioasă. Este asociat cu numele lui Andrei Dmitrievich Saharov. La sfârșitul anilor 1940, el a dezvoltat o sarcină combinată de fisiune-termonuclear - „puf”, aparent independent de „părintele bombei cu hidrogen” Edward Teller, care a propus un produs similar numit „ceasul alarmă”. Cu toate acestea, Teller și-a dat seama curând că o sarcină nucleară cu un astfel de design ar avea un randament „limitat”, nu mai mult de ~ 500 de kilotone echivalent de câlți. Acest lucru nu este suficient pentru arma „absolută”, așa că „ceasul cu alarmă” a fost abandonat. În Uniune, în 1953, au aruncat în aer RDS-6-urile Saharov.

După teste reușite și alegerea lui Saharov ca academician, șeful de atunci al Minsredmash V.A. Malyshev l-a invitat la locul lui și a stabilit sarcina de a determina parametrii bombei de generație următoare. Andrei Dmitrievich a estimat (fără un studiu detaliat) greutatea unei încărcături noi, mult mai puternice. Raportul lui Saharov a stat la baza rezoluției Comitetului Central al PCUS și a Consiliului de Miniștri al URSS, care a obligat S.P. Korolev va dezvolta un vehicul de lansare balistică pentru această încărcare. A fost o astfel de rachetă R-7 numită Vostok care a lansat un satelit artificial Pământen în 1957 și o navă spațială cu Yuri Gagarin în 1961 pe orbită. Nu mai era planificat să-l folosească ca purtător al unei încărcături nucleare grele, deoarece dezvoltarea armelor termonucleare a mers pe o altă cale.

În stadiul inițial al programului nuclear spațial IPPE, împreună cu V.N. Chelomeya a dezvoltat o rachetă atomică de croazieră. Această direcție nu s-a dezvoltat pentru mult timp și s-a încheiat cu calcule și testare a elementelor de motor create în departamentul V.A. Malykha. De fapt, era o aeronavă fără pilot cu zbor joasă, cu un motor nuclear ramjet și un focos nuclear (un fel de analog nuclear al „buzing bug” - V-1 german). Sistemul a fost lansat folosind rachete booster convenționale. După atingerea unei viteze date, a fost creată forța aerul atmosferic, încălzit printr-o reacție în lanț de fisiune a oxidului de beriliu impregnat cu uraniu îmbogățit.

În general, capacitatea unei rachete de a îndeplini una sau alta sarcină cosmonautică este determinată de viteza pe care o dobândește după consumarea întregii surse de fluid de lucru (combustibil și oxidant). Se calculează după formula Tsiolkovsky: V = c × lnMn / Mk, unde c este viteza de curgere a fluidului de lucru, iar Mn și Mk sunt masa inițială și finală a rachetei. În rachetele chimice convenționale, viteza de evacuare este determinată de temperatura din camera de ardere, tipul de combustibil și oxidant și greutatea moleculară a produselor de ardere. De exemplu, americanii au folosit hidrogen ca combustibil în vehiculul de coborâre pentru a ateriza astronauții pe Lună. Produsul arderii sale este apa, a cărei greutate moleculară este relativ mică, iar debitul este de 1,3 ori mai mare decât la arderea kerosenului. Acest lucru este suficient pentru ca vehiculul de coborâre cu astronauți să ajungă la suprafața Lunii și apoi să-i readucă pe orbita satelitului său artificial. La Korolev, munca cu hidrogen a fost suspendată din cauza unui accident cu victime. Nu am avut timp să creăm un vehicul de coborâre lunară pentru oameni.

Una dintre modalitățile de a crește semnificativ viteza de evacuare este crearea de rachete termice nucleare. Aveam rachete atomice balistice (BAR) cu o rază de acțiune de câteva mii de kilometri (un proiect comun al OKB-1 și FEI), americanii aveau sisteme similare de tip Kiwi. Motoarele au fost testate la locurile de testare de lângă Semipalatinsk și în Nevada. Principiul funcționării lor este următorul: hidrogenul este încălzit într-un reactor nuclear la temperaturi ridicate, trece într-o stare atomică și deja expiră în această formă dintr-o rachetă. În acest caz, viteza de evacuare crește de peste patru ori în comparație cu o rachetă cu hidrogen chimic. Întrebarea a fost să aflăm la ce temperatură hidrogenul poate fi încălzit într-un reactor cu celule de combustie solidă. Calculele au dat aproximativ 3000°K.

La NII-1, al cărui supraveghetor era Mstislav Vsevolodovich Keldysh (pe atunci președintele Academiei de Științe URSS), departamentul V.M. Ievleva, cu participarea IPPE, a fost angajat într-o schemă complet fantastică - un reactor în fază gazoasă în care o reacție în lanț are loc într-un amestec gazos de uraniu și hidrogen. Hidrogenul curge dintr-un astfel de reactor de zece ori mai repede decât dintr-unul cu combustibil solid, în timp ce uraniul este separat și rămâne în miez. Una dintre idei a fost aceea de a folosi separarea centrifugă, atunci când un amestec gazos fierbinte de uraniu și hidrogen este „filat” de către hidrogenul rece care intră, în urma căruia uraniul și hidrogenul sunt separate, ca într-o centrifugă. Ievlev a încercat, de fapt, să reproducă direct procesele din camera de ardere a unei rachete chimice, folosind ca sursă de energie nu căldura de ardere a combustibilului, ci o reacție în lanț de fisiune. Acest lucru a deschis calea spre utilizarea deplină a intensității energetice a nucleelor ​​atomice. Dar întrebarea posibilității ieșirii hidrogenului pur (fără uraniu) din reactor a rămas nerezolvată, ca să nu mai vorbim de problemele tehnice asociate cu reținerea amestecurilor de gaze la temperaturi ridicate la presiuni de sute de atmosfere.

Lucrări IPPE în domeniul balistic rachete nucleare s-a încheiat în 1969-1970 cu „testele de foc” la locul de testare de la Semipalatinsk a unui prototip de motor de rachetă nucleară cu elemente de combustibil solid. A fost creat de IPPE în cooperare cu Biroul de proiectare Voronezh A.D. Konopatov, Moscova NII-1 și o serie de alte grupuri tehnologice. Baza motorului cu o tracțiune de 3,6 tone a fost reactor nuclear IR-100 cu elemente combustibile dintr-o soluție solidă de carbură de uraniu și carbură de zirconiu. Temperatura hidrogenului a atins 3000°K la o putere a reactorului de ~170 MW.

Propulsoare nucleare

Până acum, am vorbit despre rachete cu o forță mai mare decât greutatea lor, care ar putea fi lansate de pe suprafața Pământului. În astfel de sisteme, o creștere a ratei de evacuare face posibilă reducerea stocului de fluid de lucru, creșterea sarcinii utile și abandonarea procesului în mai multe etape. Cu toate acestea, există modalități de a obține viteze de evacuare practic nelimitate, de exemplu, accelerarea materiei prin câmpuri electromagnetice. Am lucrat în acest domeniu în strânsă legătură cu Igor Bondarenko timp de aproape 15 ani.

Accelerația unei rachete cu motor electric cu reacție (EP) este determinată de raportul dintre puterea specifică a centralei nucleare spațiale (KAES) instalată pe acestea și viteza de evacuare. În viitorul previzibil, puterea specifică a KNPP, aparent, nu va depăși 1 kW/kg. În același timp, este posibil să se creeze rachete cu tracțiune mică, de zeci și sute de ori mai mică decât greutatea rachetei și cu un consum foarte mic de fluid de lucru. O astfel de rachetă poate fi lansată doar de pe orbita unui satelit artificial al Pământului și, accelerând încet, atinge viteze mari.

Zborurile în cadrul sistemului solar necesită rachete cu o viteză de expirare de 50-500 km/s, iar zborurile către stele necesită „rachete fotonice” care depășesc imaginația noastră cu o viteză de expirare egală cu viteza luminii. Pentru a efectua un zbor spațial pe distanță lungă de orice durată rezonabilă, sunt necesare rapoarte putere-greutate inimaginabile ale centralelor electrice. Până acum, este imposibil chiar să ne imaginăm pe ce procese fizice se pot baza.

Calculele efectuate au arătat că, în timpul Marii Confruntări, când Pământul și Marte sunt cel mai aproape unul de celălalt, este posibil să zbori cu o navă spațială nucleară cu un echipaj pe Marte într-un an și să o returnezi pe orbita unui satelit artificial al Pământului. Greutatea totală a unei astfel de nave este de aproximativ 5 tone (inclusiv rezerva fluidului de lucru - cesiu, egală cu 1,6 tone). Este determinată în principal de masa KNPP cu o putere de 5 MW, iar forța reactivă este determinată de un fascicul de ioni de cesiu de doi megawați cu o energie de 7 kiloelectronvolți*. Nava pleacă de pe orbita unui satelit artificial al Pământului, intră pe orbita unui satelit al lui Marte și va trebui să coboare la suprafața sa pe un aparat cu un motor chimic pe hidrogen, similar celui lunar american.

Această direcție, bazată pe soluții tehnice care sunt deja posibile astăzi, a fost dedicată unui ciclu amplu de lucrări IPPE.

Propulsoare de ioni

În acei ani, s-au discutat modalități de a crea diverse sisteme de propulsie electrică pentru vehiculele spațiale, precum „tunuri cu plasmă”, acceleratoare electrostatice de „praf” sau picături de lichid. Cu toate acestea, niciuna dintre idei nu avea o bază fizică clară. Descoperirea a fost ionizarea suprafeței cesiului.

În anii 20 ai secolului trecut, fizicianul american Irving Langmuir a descoperit ionizarea suprafeței Metale alcaline. Când un atom de cesiu se evaporă de pe suprafața unui metal (în cazul nostru, wolfram), a cărui funcție de lucru a electronilor este mai mare decât potențialul de ionizare al cesiului, pierde un electron slab legat în aproape 100% din cazuri și se dovedește a fi un ion încărcat individual. Astfel, ionizarea la suprafață a cesiului pe wolfram este procesul fizic care face posibilă crearea unui propulsor ionic cu utilizarea aproape 100% a fluidului de lucru și cu o eficiență energetică apropiată de unitate.

Colegul nostru Stal Yakovlevich Lebedev a jucat un rol important în crearea modelelor unui propulsor ionic al unei astfel de scheme. Cu perseverența și perseverența lui de fier, a depășit toate obstacolele. Ca rezultat, a fost posibil să se reproducă în metal un circuit plat cu trei electrozi al unui propulsor ionic. Primul electrod este o placă de wolfram cu dimensiunea de aproximativ 10 × 10 cm cu un potențial de +7 kV, al doilea este o rețea de tungsten cu un potențial de -3 kV, iar al treilea este o rețea de tungsten toriată cu potențial zero. „Pistolul molecular” a dat un fascicul de vapori de cesiu, care a căzut prin toate grilele pe suprafața plăcii de wolfram. O placă de metal echilibrată și calibrată, așa-numita balanță, a servit la măsurarea „forței”, adică a împingerii fasciculului de ioni.

O tensiune de accelerare către prima rețea accelerează ionii de cesiu la 10.000 eV, iar o tensiune de decelerare către a doua rețea îi încetinește până la 7.000 eV. Aceasta este energia cu care ionii trebuie să părăsească elicea, ceea ce corespunde unei viteze de ieșire de 100 km/s. Dar un fascicul de ioni, limitat de o sarcină spațială, nu poate „ieși în spațiul cosmic”. Sarcina volumetrică a ionilor trebuie compensată de electroni pentru a forma o plasmă cvasi-neutră, care se propagă liber în spațiu și creează forță reactivă. Sursa de electroni pentru compensarea încărcăturii spațiale a fasciculului ionic este a treia grilă (catod) încălzită de curent. A doua grilă „blocată” împiedică electronii să treacă de la catod la placa de tungsten.

Prima experiență cu modelul de propulsie ionică a marcat începutul a peste zece ani de muncă. Unul dintre cele mai recente modele - cu un emițător de wolfram poros, creat în 1965, a dat o „împingere” de aproximativ 20 g la un curent al fasciculului ionic de 20 A, a avut un factor de utilizare a energiei de aproximativ 90% și o rată de utilizare a materiei de 95%.

Conversia directă a căldurii nucleare în energie electrică

Modalități de a transforma direct energia fisiunii nucleare în energie electrică nu au fost încă găsite. Încă nu ne putem lipsi de o legătură intermediară - un motor termic. Întrucât eficiența sa este întotdeauna mai mică decât unitatea, căldura „risipă” trebuie pusă undeva. Pe uscat, în apă și în aer, nu există probleme cu asta. În spațiu, există o singură cale - radiația termică. Astfel, KNPP nu se poate lipsi de un „emițător-frigider”. Densitatea radiației este proporțională cu puterea a patra a temperaturii absolute, astfel încât temperatura radiatorului-radiator trebuie să fie cât mai mare posibil. Apoi va fi posibilă reducerea suprafeței de radiație și, în consecință, a masei centralei electrice. Ne-a venit ideea de a folosi conversia „directă” a căldurii nucleare în energie electrică, fără turbină și generator, ceea ce părea mai fiabil cu muncă îndelungatăîn zona temperaturilor ridicate.

Din literatură, știam despre lucrările lui A.F. Ioffe - fondatorul școlii sovietice de fizică tehnică, un pionier în studiul semiconductorilor în URSS. Puțini își amintesc acum sursele actuale pe care le-a dezvoltat, care au fost folosite în timpul Marelui Război Patriotic. Pe atunci, mai mult de un detașament de partizani avea o legătură cu continentul datorită TEG-urilor „kerosen” – generatoarele termoelectrice ale lui Ioffe. „Coroana” TEG-urilor (era un set de elemente semiconductoare) a fost pusă pe o lampă cu kerosen, iar firele acesteia au fost conectate la echipamente radio. Capetele „fierbinți” ale elementelor au fost încălzite de flacăra unei lămpi cu kerosen, iar capetele „reci” au fost răcite în aer. Fluxul de căldură, care trece prin semiconductor, a generat o forță electromotoare, suficientă pentru o sesiune de comunicare, iar în intervalele dintre ele, TEG-ul a încărcat bateria. Când, la zece ani după Victorie, am vizitat uzina de TEG din Moscova, s-a dovedit că încă mai găsesc vânzări. Mulți săteni aveau atunci radioreceptoare economice „Rodina” cu lămpi cu incandescență directă, alimentate de o baterie. TEG-urile au fost adesea folosite în schimb.

Problema cu kerosenul TEG este eficiența sa scăzută (doar aproximativ 3,5%) și temperatura de limitare scăzută (350°K). Dar simplitatea și fiabilitatea acestor dispozitive au atras dezvoltatorii. Deci, convertoarele semiconductoare dezvoltate de grupul I.G. Gverdtsiteli de la Institutul de Fizică și Tehnologie Sukhumi și-au găsit aplicații în instalațiile spațiale de tip Buk.

La un moment dat, A.F. Ioffe a propus un alt convertor termoionic - o diodă în vid. Principiul funcționării sale este următorul: un catod încălzit emite electroni, o parte dintre ei, depășind potențialul anodului, funcționează. Acest dispozitiv era de așteptat să aibă o eficiență semnificativ mai mare (20-25%) cu Temperatura de Operare peste 1000°K. În plus, spre deosebire de un semiconductor, o diodă în vid nu se teme de radiația neutronică și poate fi combinată cu un reactor nuclear. Cu toate acestea, s-a dovedit că a fost imposibil de realizat ideea convertorului Ioffe „în vid”. Ca și în propulsia ionică, în convertorul de vid, trebuie să scapi de încărcătura spațială, dar de data aceasta nu ionii, ci electronii. A.F. Ioffe a intenționat să folosească spații de microni între catod și anod într-un convertor de vid, ceea ce este practic imposibil în condiții de temperaturi ridicate și deformații termice. Acesta este locul în care cesiul este util: un ion de cesiu, produs prin ionizarea suprafeței la catod, compensează încărcătura spațială de aproximativ 500 de electroni! De fapt, convertorul de cesiu este un propulsor ionic „inversat”. Procesele fizice din ele sunt apropiate.

„Girlande” V.A. Malykha

Unul dintre rezultatele lucrărilor IPPE asupra convertoarelor termoionice a fost crearea V.A. Malykh și producția în serie în departamentul său de elemente de combustibil din convertoare termoionice conectate în serie - „ghirlande” pentru reactorul Topaz. Au dat până la 30 V - de o sută de ori mai mult decât convertoarele cu un singur element create de „organizații concurente” - grupul Leningrad al M.B. Barabash și mai târziu - de către Institutul de Energie Atomică. Acest lucru a făcut posibilă „eliminarea” de zeci și sute de ori mai multă putere din reactor. Cu toate acestea, fiabilitatea sistemului, umplut cu mii de elemente termoionice, a provocat îngrijorare. În același timp, turbinele cu abur și gaz au funcționat fără defecțiuni, așa că ne-am îndreptat atenția către conversia „mașină” a căldurii nucleare în energie electrică.

Întreaga dificultate constă în resursă, deoarece în zborurile spațiale cu rază lungă de acțiune, turbogeneratoarele trebuie să funcționeze timp de un an, doi sau chiar câțiva ani. Pentru a reduce uzura, „revoluțiile” (turația turbinei) trebuie menținute cât mai scăzute posibil. Pe de altă parte, o turbină funcționează eficient dacă viteza moleculelor de gaz sau abur este apropiată de viteza palelor sale. Prin urmare, la început am luat în considerare utilizarea celor mai grei - vapori de mercur. Dar ne-a speriat coroziunea intensă indusă de radiații a fierului și a oțelului inoxidabil care a avut loc într-un reactor nuclear răcit cu mercur. În două săptămâni, coroziunea a „mâncat” elementele combustibile ale reactorului rapid experimental „Clementine” din laboratorul Argon (SUA, 1949) și ale reactorului BR-2 de la IPPE (URSS, Obninsk, 1956).

Aburul de potasiu era tentant. Reactorul cu potasiu care fierbe în el a stat la baza centralei pe care o dezvoltăm pentru o navă spațială cu forță redusă - aburul de potasiu a rotit turbogeneratorul. O astfel de metodă „mașină” de transformare a căldurii în energie electrică a făcut posibil să se mizeze pe o eficiență de până la 40%, în timp ce instalațiile termoionice reale au dat o eficiență de doar aproximativ 7%. Cu toate acestea, KNPP-urile cu conversia „mașină” a căldurii nucleare în electricitate nu au fost dezvoltate. Cazul s-a încheiat cu emiterea unui raport detaliat, în esență o „notă fizică” către proiect tehnic navă spațială cu tracțiune joasă pentru un zbor cu un echipaj către Marte. Proiectul în sine nu a fost niciodată dezvoltat.

În viitor, cred, interesul pentru zborurile spațiale folosind motoare cu rachete nucleare a dispărut pur și simplu. După moartea lui Serghei Pavlovici Korolev, sprijinul pentru activitatea IPPE privind propulsia ionică și centralele nucleare „mașini” s-a slăbit vizibil. OKB-1 era condus de Valentin Petrovici Glushko, care nu era interesat de bold proiecte promițătoare. Biroul de proiectare Energiya creat de el a construit rachete chimice puternice și nava spațială Buran care s-a întors pe Pământ.

„Buk” și „Topaz” pe sateliții din seria „Cosmos”.

Lucrările la crearea unui KNPP cu conversia directă a căldurii în energie electrică, acum ca surse de energie pentru sateliti radio puternici (stații radar spațiale și radiodifuzori de televiziune), au continuat până la începutul perestroikei. Din 1970 până în 1988, aproximativ 30 de sateliți radar au fost lansați în spațiu cu centrale nucleare Buk cu reactoare convertoare cu semiconductor și doi cu instalații termoionice Topaz. Buk, de fapt, era un TEG - un convertor semiconductor Ioffe, doar că în loc de o lampă cu kerosen folosea un reactor nuclear. Era un reactor rapid cu o putere de până la 100 kW. Încărcătura completă de uraniu foarte îmbogățit a fost de aproximativ 30 kg. Căldura din miez a fost transferată de metal lichid - un aliaj eutectic de sodiu și potasiu către bateriile semiconductoare. Puterea electrică a ajuns la 5 kW.

Instalația Buk sub supravegherea științifică a IPPE a fost dezvoltată de specialiștii OKB-670 M.M. Bondaryuk, mai târziu - NPO Krasnaya Zvezda (designer șef - G.M. Gryaznov). Biroul de proiectare Dnepropetrovsk Yuzhmash (designer-șef M.K. Yangel) a fost desemnat să creeze un vehicul de lansare pentru lansarea satelitului pe orbită.

Timpul de funcționare al Buk este de 1-3 luni. Dacă instalarea a eșuat, satelitul a fost transferat pe o orbită pe termen lung cu o înălțime de 1000 km. De aproape 20 de ani de lansări, au fost înregistrate trei cazuri de cădere a unui satelit pe Pământ: două în ocean și unul pe uscat, în Canada, în vecinătatea Marelui Lac al Sclavilor. Cosmos-954, lansat pe 24 ianuarie 1978, a căzut acolo. A lucrat 3,5 luni. Elementele de uraniu ale satelitului au ars complet în atmosferă. La sol au fost găsite doar rămășițele unui reflector de beriliu și baterii semiconductoare. (Toate aceste date sunt date în raportul comun al comisiilor nucleare americane și canadiane privind operațiunea Morning Light.)

În centrala nucleară termoionică Topaz a fost folosit un reactor termic cu o putere de până la 150 kW. Sarcina completă de uraniu a fost de aproximativ 12 kg - semnificativ mai mică decât cea a Buk. Baza reactorului a fost elementele de combustibil - „ghirlande”, dezvoltate și fabricate de grupul lui Malykh. Erau un lanț de termoelemente: catodul era un „degetar” din wolfram sau molibden umplut cu oxid de uraniu, anodul era un tub de niobiu cu pereți subțiri răcit cu sodiu-potasiu lichid. Temperatura catodului a atins 1650°C. Puterea electrică a instalației a ajuns la 10 kW.

Primul model de zbor, satelitul Kosmos-1818 cu instalația Topaz, a intrat pe orbită pe 2 februarie 1987 și a funcționat fără cusur timp de șase luni, până la epuizarea rezervelor de cesiu. Al doilea satelit, Cosmos-1876, a fost lansat un an mai târziu. A lucrat pe orbită aproape de două ori mai mult. Dezvoltatorul principal al Topaz a fost OKB MMZ Soyuz, condus de S.K. Tumansky (fostul birou de proiectare al designerului de motoare de aeronave A.A. Mikulin).

Era la sfârșitul anilor 1950, când lucram la propulsia ionică, iar el era pe un motor din treapta a treia pentru o rachetă care ar zbura în jurul Lunii și ar ateriza pe ea. Amintirile din laboratorul lui Melnikov sunt proaspete până astăzi. A fost situat în Podlipki (acum orașul Korolev), pe locul nr. 3 al OKB-1. Un atelier imens cu o suprafață de aproximativ 3000 m2, căptușit cu zeci de birouri cu osciloscoape în buclă care înregistrează pe rola de hârtie de 100 mm (aceasta era încă o epocă apuse, astăzi ar fi suficient un singur computer personal). La peretele frontal al atelierului se afla un stand unde este montata camera de ardere a motorului racheta "lunar". Mii de fire merg la osciloscoape de la senzori pentru viteza gazului, presiune, temperatură și alți parametri. Ziua începe la ora 9.00 cu aprinderea motorului. Funcționează câteva minute, apoi imediat după ce este oprit, echipa de mecanici din primul schimb îl demontează, inspectează și măsoară cu atenție camera de ardere. În același timp, sunt analizate benzile de osciloscop și se fac recomandări pentru modificări de design. A doua tură - proiectanții și lucrătorii atelierelor fac modificările recomandate. În al treilea schimb, o nouă cameră de ardere și un sistem de diagnosticare sunt montate pe suport. O zi mai tarziu, exact la 9.00, urmatoarea sedinta. Și așa fără zile libere săptămâni, luni. Peste 300 de opțiuni de motorizare pe an!

Așa au fost create motoarele de rachete chimice, care trebuiau să funcționeze doar 20-30 de minute. Ce putem spune despre testarea și rafinarea centralelor nucleare - calculul a fost că ar trebui să funcționeze mai mult de un an. A necesitat un efort cu adevărat uriaș.