يتم بناء محرك صاروخي نووي للرحلات الجوية إلى المريخ. كيف هي خطيرة؟

ما هو محرك الصواريخ النووية؟

محرك الصاروخ النووي (NRE) هو نوع من الصواريخ

المحرك، الذي يستخدم طاقة الانشطار أو اندماج النوى لإنشاء الدفع النفاث.

نظام الدفع النووي التقليدي ككل هوتصميم يتكون من غرفة تسخين بها مفاعل نووي كمصدر للحرارة ونظام إمداد سائل العمل وفوهة. يتم إمداد مائع التشغيل (عادةً الهيدروجين) من الخزان إلى قلب المفاعل، حيث يمر عبر قنوات يتم تسخينها بواسطة تفاعل الاضمحلال النووي، ويتم تسخينه إلى درجات حرارة عالية ثم يتم طرحه عبر الفوهة، مما يؤدي إلى إنشاء قوة دفع نفاث.

هناك تصميمات مختلفة لـ NRE:المرحلة الصلبة والسائلة والطور الغازية - المقابلة للحالة الكلية للوقود النووي في قلب المفاعل - الغاز الصلب أو المذاب أو عالي الحرارة (أو حتى البلازما).

يارد نيرفا

محرك الصواريخ النووية الحالة الصلبة

في المحركات الصاروخية ذات الطور الصلب التي تعمل بالوقود النووي (SPNRD)، تكون المادة الانشطاريةكما هو الحال في المفاعلات النووية التقليدية، يتم وضعها في مجموعات قضبان (قضبان الوقود) ذات شكل معقد مع سطح متطور، مما يجعل من الممكن تسخين سائل العمل الغازي بشكل فعال (عادةً الهيدروجين، وفي كثير من الأحيان الأمونيا)، وهو أيضًا مبرد يبرد العناصر الهيكلية والتجمعات نفسها.

درجة حرارة التدفئة محدودة بدرجة الحرارةذوبان العناصر الهيكلية (لا تزيد عن 3000 كلفن). سيكون الدافع المحدد لمحرك صاروخي نووي في الطور الصلب، وفقًا للتقديرات الحديثة، 850-900 ثانية، وهو أكثر من ضعف محركات الصواريخ الكيميائية الأكثر تقدمًا.

تم إنشاء عارضين أرضيين لتقنيات TfNRD في القرن العشرين واختبارهم بنجاح في المدرجات (برنامج NERVA في الولايات المتحدة الأمريكية ، RD-0410 في الاتحاد السوفياتي)

TFYARD

محرك الصواريخ النووية المرحلة الغازية

المحرك النفاث النووي ذو الطور الغازي (GNRE) -نوع مفاهيمي من المحرك النفاث حيث يتم إنشاء القوة التفاعلية عن طريق إطلاق سائل التبريد (سائل التشغيل) من مفاعل نووي، حيث يكون الوقود في شكل غازي أو بلازما. ويعتقد أنه في مثل هذه المحركات سيكون الدافع المحدد 30-50 ألف م / ث.

يتم نقل الحرارة من الوقود إلى المبرد بشكل أساسي بسبب الإشعاع ، ومعظمه في المنطقة فوق البنفسجية من الطيف (عند درجات حرارة وقود تبلغ حوالي 25000 درجة مئوية).

محرك النبض النووي

شحنات ذرية بقوة حوالي كيلوطن لكلأثناء الإقلاع، يجب أن تنفجر بمعدل شحنة واحدة في الثانية. كان من المفترض أن يتم استقبال موجة الصدمة - وهي سحابة بلازما متوسعة - بواسطة "دافع" - وهو قرص معدني قوي بطبقة واقية من الحرارة ومن ثم ينعكس منه لتكوين دفع نفاث.

الدافع الذي تتلقاه لوحة الدفع من خلاليجب نقل العناصر الهيكلية إلى السفينة. بعد ذلك ، مع زيادة الارتفاع والسرعة ، يمكن تقليل تواتر الانفجارات. أثناء الإقلاع ، يجب أن تطير المركبة الفضائية بشكل عمودي صارم من أجل تقليل منطقة التلوث الإشعاعي للغلاف الجوي.

في الولايات المتحدة ، تم تنفيذ تطوير الفضاء باستخدام محركات الصواريخ النووية النبضية من 1958 إلى 1965 كجزء من مشروع Orion بواسطة General Atomics بأمر من سلاح الجو الأمريكي.

بالنسبة لمشروع Orion ، لم يتم إجراء الحسابات فحسب ،ولكن أيضًا الاختبارات الشاملة. اختبارات الطيران لنماذج الطائرات التي تحركها النبضات (تم استخدام المتفجرات الكيميائية التقليدية للانفجارات).

مركبة فضائية مشروع أوريون ، رسم فنان

تم الحصول على نتائج إيجابية حولالإمكانية الأساسية للتحكم في طيران جهاز بمحرك نبضي. أيضًا، لدراسة قوة لوحة الجر، تم إجراء الاختبارات في جزيرة إنيويتوك أتول.

خلال التجارب النووية في هذه الجزيرة المرجانيةتم وضع كريات فولاذية مغلفة بالجرافيت على بعد 9 أمتار من مركز الانفجار. تم العثور على الكرات سليمة بعد الانفجار ؛ تبخرت طبقة رقيقة من الجرافيت من أسطحها.

في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية، تم تطوير مشروع مماثل في1950-1970. يحتوي الجهاز على محركات نفاثة كيميائية إضافية دفعته على مسافة 30-40 كم من سطح الأرض. ثم كان من المفترض تشغيل محرك النبض النووي الرئيسي.

كانت المتانة هي الشاغل الرئيسيشاشة دافعة لا يمكنها تحمل الأحمال الحرارية الهائلة من الانفجارات النووية القريبة. في الوقت نفسه ، تم اقتراح العديد من الحلول التقنية التي تسمح بتطوير تصميم لوحة دافعة بموارد كافية. لم يكتمل المشروع. لم تجر اختبارات حقيقية لمدى نبضي NRM مع تفجير أجهزة نووية.

نظام الدفع الكهربائي النووي

يستخدم نظام الدفع الكهربائي النووي (NPP) لتوليد الكهرباء ، والتي بدورها تستخدم لتشغيل محرك صاروخي كهربائي.

برنامج مشابه في الولايات المتحدة (مشروع نيرفا) كانأغلقت في عام 1971 ، ولكن في عام 2020 عاد الأمريكيون إلى هذا الموضوع ، وأمروا بتطوير دفع حراري نووي (الدفع الحراري النووي ، NTP) من Gryphon Technologies للغزاة الفضائية العسكرية على المحركات النووية للقيام بدوريات في الفضاء القمري والقريب من الأرض ، وكذلك منذ عام 2015 العمل في مشروع كيلوباور.

منذ عام 2010 ، بدأ العمل في المشروع في روسيانظام الدفع الكهربائي النووي فئة ميغاوات لأنظمة النقل الفضائي (قاطرة الفضاء "نوكلون"). يتم تطوير التصميم لعام 2021 ؛ بحلول عام 2025 ، من المخطط إنشاء نماذج أولية لمحطة الطاقة النووية هذه ؛ تم الإعلان عن الموعد المخطط لاختبارات الطيران لجرار فضائي مع محطة للطاقة النووية - 2030.

قوة

وفقًا لـ A. V. Bagrov و M. A. Smirnov و S.A.سميرنوف، يمكن لمحرك صاروخي نووي الوصول إلى بلوتو في شهرين والعودة مرة أخرى في 4 أشهر بتكلفة 75 طنًا من الوقود، وإلى ألفا سنتوري في 12 عامًا، وإلى إبسيلون إريداني في 24.8 عامًا.

هل المحرك النووي خطير؟

العيب الرئيسي هو خطر الإشعاع العالي لنظام الدفع:

• تدفقات اختراق الإشعاع (أشعة جاما ، النيوترونات) في التفاعلات النووية ؛
• ترحيل مركبات اليورانيوم عالية النشاط الإشعاعي وسبائكه ؛
• تدفق الغازات المشعة مع سائل عامل.

يرتبط استخدام اكتشاف العلماء الروس في القطاع المدني ارتباطًا وثيقًا بأمان محطة للطاقة النووية. كان من الضروري التأكد من سلامة عادمها.

حماية المحرك النووي الصغير أصغر،وكلما كان حجمه أكبر، فإن النيوترونات سوف تخترق "غرفة الاحتراق"، مما يجعل كل شيء حوله مشعًا.

يحتوي النيتروجين والأكسجين على نظائر مشعة ذات عمر نصف قصير وليست خطيرة. الكربون المشع شيء طويل العمر. لكن هناك أخبار جيدة أيضًا.

يتم توليد الكربون المشع في الغلاف الجوي العلوي بواسطة الأشعة الكونية. ولكن الأهم من ذلك أن تركيز ثاني أكسيد الكربون في الهواء الجاف هو 0.02 × 0.04٪ فقط.

معتبرا أن النسبة المئوية للكربون تصبحالمشعة ، لا تزال القيمة أصغر بعدة مرات من حيث الحجم ، ويمكن افتراض أن عادم المحركات النووية ليس أكثر خطورة من عادم محطة الطاقة التي تعمل بالفحم.

هل سيستخدمون محركًا نوويًا في أحدث الرحلات الفضائية؟

نعم ، في أوائل فبراير أصبح معروفًا أن ناساسيختبر أحدث محرك نووي للرحلات الجوية إلى المريخ. ومن المتوقع أنه بمساعدتها سيكون من الممكن الوصول إلى الكوكب الأحمر في غضون ثلاثة أشهر فقط.

في السنوات الأخيرة ، كان العلماء والمهندسون من وكالة ناسا ووكالات الفضاء الأخرى حول العالم يناقشون بنشاط خطط بناء قواعد دائمة صالحة للسكن على سطح القمر والمريخ.

• ما هي مميزاته؟

المفتاح الرئيسي لضمان استقلاليتهم ولتقليل تكلفة البناء ، يفكر خبراء ناسا في تقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد التي تجعل من الممكن استخدام المياه والموارد المحلية - التربة والصخور والغازات من الغلاف الجوي - لبناء المباني الأساسية في الموقع.

طابعات مماثلة كما هو موضح من خلال التجارب على متن الطائرةتجعل محطة الفضاء الدولية وعلى الأرض من الممكن طباعة كل ما هو ضروري تقريبًا لحياة المستعمرين على المريخ ، باستثناء عنصر واحد ، وهو أهم مكون في القاعدة - مصدر طاقة ، ستكون قوته كافية لتشغيل الطابعة ثلاثية الأبعاد نفسها ، بالإضافة إلى تشغيل وتسخين القاعدة بأكملها.

كجزء من استعدادات ناسا للهبوط على المريخ في عام 2035 ، اقترحت الشركة الأمريكية Ultra Safe Nuclear Technologies (USNT) من سياتل حلها - محرك حراري نووي (NTP)

• كيف سيكون شكل المحرك النووي؟

تقدم USNT حلاً كلاسيكيًا - نوويًامحرك يستخدم الهيدروجين المسال كسوائل التشغيل: ينتج المفاعل النووي الحرارة من وقود اليورانيوم، وتقوم هذه الطاقة بتسخين الهيدروجين السائل الذي يمر عبر المبردات، والذي يتوسع إلى غاز ويتم طرده من خلال فوهة المحرك، مما يخلق قوة دفع.

واحدة من المشاكل الرئيسية عند إنشاء هذا النوعالمحركات - العثور على وقود اليورانيوم الذي يمكنه تحمل التقلبات المفاجئة في درجات الحرارة داخل المحرك. تقول USNT إنها حلت هذه المشكلة من خلال تطوير وقود يمكن أن يعمل في درجات حرارة تصل إلى 2400 درجة مئوية.

تحتوي مجموعة الوقود على كربيد السيليكون:تشكل هذه المادة ، المستخدمة في طبقة الطلاء ثلاثي الأبعاد الخواص ، حاجزًا مانعًا للغازات يمنع تسرب المنتجات المشعة من المفاعل النووي ، مما يحمي رواد الفضاء.

• سلامة

بالإضافة إلى ذلك ، لحماية الطاقم وفي حالةفي حالات غير متوقعة ، لن يتم استخدام المحرك النووي أثناء الإطلاق من الأرض - سيبدأ العمل بالفعل في المدار لتقليل الأضرار المحتملة في حالة وقوع حادث أو عملية غير طبيعية.

قراءة المزيد

انظر إلى صورة 8 تريليون بكسل للمريخ

الإجهاض والعلم: ماذا سيحدث للأطفال الذين سينجبون

يشرح العلماء لماذا نبات الذئب هو الأسرع نموًا