¿Qué es un motor de cohete nuclear?
El motor de cohete nuclear (NRE) es un tipo de cohete
El sistema de propulsión nuclear tradicional en su conjunto esun diseño que consta de una cámara de calentamiento con un reactor nuclear como fuente de calor, un sistema de suministro de fluido de trabajo y una boquilla. El fluido de trabajo (generalmente hidrógeno) se suministra desde el tanque al núcleo del reactor, donde, pasando a través de canales calentados por la reacción de desintegración nuclear, se calienta a altas temperaturas y luego se expulsa a través de la boquilla, creando un empuje en chorro.
Hay varios diseños de NRE:fase sólida, fase líquida y fase gaseosa - correspondiente al estado agregado del combustible nuclear en el núcleo del reactor - gas sólido, fundido o de alta temperatura (o incluso plasma).
PATIO NERVA
Motor de cohete nuclear de estado sólido
En los motores de cohetes de propulsor nuclear en fase sólida (SPNRD), la sustancia fisionable seAl igual que en los reactores nucleares convencionales, se coloca en conjuntos de varillas (barras de combustible) de forma compleja con una superficie desarrollada, lo que permite calentar eficazmente el fluido de trabajo gaseoso (generalmente hidrógeno, con menos frecuencia amoníaco), que también es un refrigerante que enfría los elementos estructurales y los propios conjuntos.
Temperatura de calentamiento limitada por la temperatura.fusión de elementos estructurales (no más de 3000 K). El impulso específico de un motor de cohete nuclear de fase sólida, según estimaciones modernas, será de 850 a 900 s, más del doble que el de los motores de cohete químicos más avanzados.
Se crearon demostradores terrestres de tecnologías TfNRD en el siglo XX y se probaron con éxito en stands (programa NERVA en los EE. UU., RD-0410 en la URSS).
TFYARD
Motor de cohete nuclear en fase gaseosa
Motor a reacción nuclear en fase gaseosa (GNRE) -un tipo conceptual de motor a reacción en el que la fuerza reactiva se crea mediante la liberación de un refrigerante (fluido de trabajo) de un reactor nuclear, en el que el combustible está en forma gaseosa o plasma. Se cree que en estos motores el impulso específico será de 30 a 50 mil m/s.
La transferencia de calor del combustible al refrigerante se logra principalmente debido a la radiación, principalmente en la región ultravioleta del espectro (a temperaturas del combustible de aproximadamente 25.000 ° C).
Motor de pulso nuclear
Cargas atómicas con una potencia de aproximadamente un kilotón porDurante el despegue, deberían explotar a un ritmo de una carga por segundo. Se suponía que la onda de choque, una nube de plasma en expansión, era recibida por un "empujador", un poderoso disco de metal con una capa protectora contra el calor y luego, reflejada en él, para crear un empuje en chorro.
El impulso recibido por la placa de empuje a travéslos elementos estructurales deben ser transferidos al barco. Luego, a medida que aumentan la altitud y la velocidad, se puede reducir la frecuencia de las explosiones. Durante el despegue, la nave espacial debe volar estrictamente vertical para minimizar el área de contaminación radiactiva de la atmósfera.
En los Estados Unidos, el desarrollo espacial utilizando motores de cohetes nucleares pulsados se llevó a cabo de 1958 a 1965 como parte del proyecto Orion de General Atomics por orden de la Fuerza Aérea de los Estados Unidos.
Para el proyecto Orion, no solo se realizaron cálculos,sino también pruebas a gran escala. Pruebas de vuelo de modelos de aviones impulsados por impulsos (se utilizaron explosivos químicos convencionales para las explosiones).
Nave espacial del proyecto Orion, dibujo del artista
Se obtuvieron resultados positivos sobrela posibilidad fundamental de vuelo controlado de un dispositivo con motor de impulsos. Además, para estudiar la resistencia de la placa de tracción, se realizaron pruebas en el atolón de Enewetak.
Durante las pruebas nucleares en este atolónSe colocaron esferas de acero recubiertas de grafito a 9 m del epicentro de la explosión. Las esferas se encontraron intactas después de la explosión; una fina capa de grafito se evaporó (ablación) de sus superficies.
En la URSS se desarrolló un proyecto similar enDécada de 1950 a 1970. El dispositivo contenía motores a reacción químicos adicionales que lo impulsaban a entre 30 y 40 km de la superficie de la Tierra. Luego se suponía que debía encender el motor de pulso nuclear principal.
La durabilidad fue la principal preocupaciónuna pantalla de empuje que no podía soportar las enormes cargas de calor de las explosiones nucleares cercanas. Al mismo tiempo, se propusieron varias soluciones técnicas que permiten el desarrollo de un diseño de placa empujadora con un recurso suficiente. El proyecto no se completó. No se han realizado pruebas reales de NRM pulsado con detonación de dispositivos nucleares.
Sistema de propulsión eléctrica nuclear
Se utiliza un sistema de propulsión eléctrica nuclear (NPP) para generar electricidad, que, a su vez, se utiliza para alimentar un motor de cohete eléctrico.
Un programa similar en los EE. UU. (El proyecto NERVA) fuecerró en 1971, pero en 2020 los estadounidenses volvieron a este tema, ordenando el desarrollo de una propulsión térmica nuclear (Propulsión Térmica Nuclear, NTP) de Gryphon Technologies para asaltantes espaciales militares en motores nucleares para patrullar el espacio lunar y cercano a la Tierra, también desde 2015 trabaja en el proyecto Kilopower.
Desde 2010, el trabajo en el proyecto ha comenzado en Rusia.sistema de propulsión eléctrica nuclear de la clase de megavatios para sistemas de transporte espacial (remolcador espacial "Nuclon"). El diseño se está desarrollando para 2021; para el 2025, está previsto crear prototipos de esta central nuclear; Se anuncia la fecha prevista de las pruebas de vuelo de un tractor espacial con una planta de energía nuclear: 2030.
Poder
Según A.V. Bagrov, M.A. Smirnov y S.A.Smirnov, un motor de cohete nuclear puede llegar a Plutón en 2 meses y regresar en 4 meses con 75 toneladas de combustible, a Alfa Centauri en 12 años y a Epsilon Eridani en 24,8 años.
¿Es peligroso un motor nuclear?
La principal desventaja es el alto riesgo de radiación del sistema de propulsión:
- flujos de radiación penetrante (radiación gamma, neutrones) en reacciones nucleares;
- arrastre de compuestos de uranio altamente radiactivos y sus aleaciones;
- la salida de gases radiactivos con un fluido de trabajo.
El uso del descubrimiento de científicos rusos en el sector civil está estrechamente relacionado con la seguridad de una central nuclear. Era necesario garantizar la seguridad de su escape.
La protección de un pequeño motor nuclear es menor,cuanto más grande es, los neutrones penetrarán en la “cámara de combustión”, lo que con cierta probabilidad hará que todo lo que esté a su alrededor sea radiactivo.
El nitrógeno y el oxígeno tienen isótopos radiactivos con una vida media corta y no son peligrosos. El carbono radiactivo es una cosa de larga duración. Pero también hay buenas noticias.
El carbono radiactivo se genera en la atmósfera superior por los rayos cósmicos. Pero lo más importante es que la concentración de dióxido de carbono en el aire seco es de solo 0.02 ÷ 0.04%.
Considerando que el porcentaje de carbono que se convierteradiactivo, el valor es todavía varios órdenes de magnitud menor, preliminarmente se puede suponer que el escape de los motores nucleares no es más peligroso que el de una central eléctrica de carbón.
¿Van a utilizar un motor nuclear para los últimos vuelos espaciales?
Sí, a principios de febrero se supo que la NASAprobará el último motor nuclear para vuelos a Marte. Se espera que con su ayuda sea posible llegar al Planeta Rojo en tan solo tres meses.
En los últimos años, científicos e ingenieros de la NASA y otras agencias espaciales de todo el mundo han estado discutiendo activamente planes para construir bases habitables permanentes en la superficie de la Luna y Marte.
- ¿Cuáles son sus ventajas?
La clave principal para asegurar su autonomía yPara reducir el costo de construcción, los expertos de la NASA consideran tecnologías de impresión tridimensional que hacen posible el uso de agua y recursos locales (suelo, rocas y gases de la atmósfera) para construir edificios base en el sitio.
Impresoras similares como muestran las experiencias a bordoLa ISS y en la Tierra hacen posible imprimir casi todo lo necesario para la vida de los colonos en Marte, con la excepción de uno, el componente más importante de la base: una fuente de energía, cuya energía sería suficiente para alimentar la propia impresora 3D. , además de potenciar y calentar toda la base.
Como parte de los preparativos de la NASA para aterrizar en Marte en 2035, la empresa estadounidense Ultra Safe Nuclear Technologies (USNT) de Seattle propuso su solución: un motor térmico nuclear (NTP).
- ¿Cómo será el motor nuclear?
USNT ofrece una solución clásica: la nuclearMotor que utiliza hidrógeno licuado como fluido de trabajo: un reactor nuclear produce calor a partir del combustible de uranio, esta energía calienta el hidrógeno líquido que pasa a través de los refrigerantes, que se expande hasta convertirse en gas y se expulsa a través de la boquilla del motor, creando empuje.
Uno de los principales problemas a la hora de crear este tipo.Motores: encuentre combustible de uranio que pueda soportar fluctuaciones repentinas de temperatura dentro del motor. El USNT dice que ha resuelto este problema desarrollando un combustible que puede funcionar a temperaturas de hasta 2.400 grados Celsius.
El conjunto de combustible contiene carburo de silicio:Este material, utilizado en la capa del revestimiento isotrópico de tres estructuras, forma una barrera hermética a los gases que evita la fuga de productos radiactivos del reactor nuclear, protegiendo a los astronautas.
- Seguridad
Además, para proteger a la tripulación y en casoEn situaciones imprevistas, el motor nuclear no se utilizará durante el lanzamiento desde la Tierra; comenzará a funcionar ya en órbita para minimizar los posibles daños en caso de accidente o funcionamiento anormal.
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