Co to jest atomowy silnik rakietowy?
Jądrowy silnik rakietowy (NRE) to rodzaj rakiety
Tradycyjny nuklearny układ napędowy jako całośćkonstrukcja składająca się z komory grzewczej z reaktorem jądrowym jako źródłem ciepła, układu zasilania płynem roboczym i dyszy. Ciecz robocza (najczęściej wodór) dostarczana jest ze zbiornika do rdzenia reaktora, gdzie przechodząc przez kanały nagrzane w wyniku reakcji rozpadu jądrowego, zostaje podgrzana do wysokich temperatur, a następnie wyrzucona przez dyszę, tworząc ciąg strumieniowy.
Istnieją różne projekty NRE:w fazie stałej, w fazie ciekłej i w fazie gazowej - odpowiadające zagregowanemu stanowi paliwa jądrowego w rdzeniu reaktora - w stanie stałym, stopionym lub wysokotemperaturowym (a nawet plazmie).
YARD NERVA
Półprzewodnikowy jądrowy silnik rakietowy
W silnikach rakietowych na paliwo jądrowe na fazę stałą (SPNRD) substancją rozszczepialną jestpodobnie jak w konwencjonalnych reaktorach jądrowych, jest on umieszczony w zespołach prętowych (prętach paliwowych) o złożonym kształcie i rozwiniętej powierzchni, co pozwala na efektywne ogrzewanie gazowego płynu roboczego (najczęściej wodoru, rzadziej amoniaku), będącego jednocześnie czynnikiem chłodzącym chłodzi elementy konstrukcyjne i same zespoły.
Temperatura ogrzewania ograniczona temperaturątopienie elementów konstrukcyjnych (nie więcej niż 3000 K). Impuls właściwy jądrowego silnika rakietowego na fazę stałą, według współczesnych szacunków, wyniesie 850–900 s, czyli ponad dwukrotnie więcej niż w przypadku najbardziej zaawansowanych chemicznych silników rakietowych.
Naziemne demonstratory technologii TfNRD w XX wieku powstały iz powodzeniem przetestowano na stoiskach (program NERVA w USA, RD-0410 w ZSRR).
TFYARD
Silnik rakietowy w fazie gazowej
Jądrowy silnik odrzutowy w fazie gazowej (GNRE) -koncepcyjny typ silnika odrzutowego, w którym siła reakcji powstaje w wyniku uwolnienia chłodziwa (płynu roboczego) z reaktora jądrowego, w którym paliwo ma postać gazową lub plazmową. Uważa się, że w takich silnikach impuls właściwy będzie wynosić 30–50 tys. m/s.
Przenoszenie ciepła z paliwa do chłodziwa następuje głównie dzięki promieniowaniu, głównie w zakresie ultrafioletu widma (przy temperaturach paliwa około 25 000 ° C).
Silnik impulsów jądrowych
Ładunki atomowe o mocy około kilotony naPodczas startu powinny eksplodować z szybkością jednego ładunku na sekundę. Fala uderzeniowa - rozszerzająca się chmura plazmy - miała zostać odebrana przez „popychacz” - potężny metalowy dysk z powłoką chroniącą przed ciepłem, a następnie odbity od niego wytworzyć ciąg odrzutowy.
Impuls odebrany przez płytę popychaczaelementy konstrukcyjne muszą zostać przeniesione na statek. Następnie, wraz ze wzrostem wysokości i prędkości, można zmniejszyć częstotliwość eksplozji. Podczas startu statek kosmiczny musi latać ściśle w pionie, aby zminimalizować obszar skażenia radioaktywnego atmosfery.
W Stanach Zjednoczonych rozwój kosmosu przy użyciu impulsowych silników rakietowych prowadzony był od 1958 do 1965 roku w ramach projektu Orion przez General Atomics na zlecenie Sił Powietrznych Stanów Zjednoczonych.
W przypadku projektu Orion przeprowadzono nie tylko obliczenia,ale także testy na pełną skalę. Testy w locie modeli samolotów napędzanych impulsowo (do eksplozji używano konwencjonalnych chemicznych materiałów wybuchowych).
Statek kosmiczny projektu Orion, rysunek artysty
Pozytywne wyniki uzyskano okpodstawowa możliwość kontrolowanego lotu urządzenia z silnikiem impulsowym. Ponadto w celu zbadania wytrzymałości płyty trakcyjnej przeprowadzono testy na atolu Enewetak.
Podczas prób jądrowych na tym atoluKule stalowe pokryte grafitem zostały umieszczone 9 m od epicentrum eksplozji. Po eksplozji kule zostały znalezione w stanie nienaruszonym; cienka warstwa grafitu odparowała (usunęła) z ich powierzchni.
W ZSRR podobny projekt został opracowany wLata 1950–1970. Urządzenie zawierało dodatkowe chemiczne silniki odrzutowe, które wyrzucały je na odległość 30–40 km od powierzchni Ziemi. Następnie miał włączyć główny silnik impulsowy nuklearny.
Trwałość była głównym problememekran pchający, który nie był w stanie wytrzymać ogromnych obciążeń cieplnych z pobliskich wybuchów jądrowych. Jednocześnie zaproponowano kilka rozwiązań technicznych, które pozwalają na opracowanie projektu płyty popychacza z wystarczającymi zasobami. Projekt nie został ukończony. Nie przeprowadzono żadnych prawdziwych testów pulsacyjnej NRM z detonacją urządzeń jądrowych.
Jądrowy układ napędowy
Elektryczny układ napędowy (NPP) służy do wytwarzania energii elektrycznej, która z kolei służy do napędzania elektrycznego silnika rakietowego.
Podobny program w USA (projekt NERVA) byłzamknięty w 1971 r., ale w 2020 r. Amerykanie wrócili do tego tematu, zlecając opracowanie jądrowego napędu termicznego (Nuclear Thermal Propulsion, NTP) od Gryphon Technologies dla wojskowych raiderów kosmicznych na silnikach jądrowych do patrolowania przestrzeni księżycowej i bliskiej Ziemi, również od 2015 roku pracuje nad projektem Kilopower.
Od 2010 roku prace nad projektem rozpoczęły się w Rosjijądrowy napęd elektryczny klasy megawatów do systemów transportu kosmicznego (holownik kosmiczny „Nuclon”). Układ jest opracowywany na 2021 rok; do 2025 roku planowane jest wykonanie prototypów tej elektrowni jądrowej; planowany termin prób w locie ciągnika kosmicznego z elektrownią jądrową - 2030.
Moc
Według A.V. Bagrova, M.A. Smirnowa i S.A.Smirnov, nuklearny silnik rakietowy, może dotrzeć do Plutona w 2 miesiące i wrócić w ciągu 4 miesięcy, zużywając 75 ton paliwa, do Alpha Centauri w 12 lat, a do Epsilon Eridani w 24,8 lat.
Czy silnik jądrowy jest niebezpieczny?
Główną wadą jest wysokie zagrożenie radiacyjne układu napędowego:
- strumienie promieniowania przenikliwego (promieniowanie gamma, neutrony) w reakcjach jądrowych;
- przenoszenie wysoce radioaktywnych związków uranu i jego stopów;
- wypływ gazów radioaktywnych z płynem roboczym.
Wykorzystanie odkrycia rosyjskich naukowców w sektorze cywilnym jest ściśle związane z bezpieczeństwem elektrowni jądrowej. Konieczne było zapewnienie bezpieczeństwa jego wydechu.
Ochrona małego silnika jądrowego jest mniejsza,im jest większy, tym neutrony będą przenikać do „komory spalania”, co z pewnym prawdopodobieństwem sprawi, że wszystko wokół stanie się radioaktywne.
Azot i tlen mają radioaktywne izotopy o krótkim okresie półtrwania i nie są niebezpieczne. Węgiel radioaktywny jest rzeczą długowieczną. Ale jest też dobra wiadomość.
Promieniowanie kosmiczne generuje węgiel radioaktywny w górnych warstwach atmosfery. Ale co najważniejsze, stężenie dwutlenku węgla w suchym powietrzu wynosi tylko 0,02 ÷ 0,04%.
Biorąc pod uwagę, że procent węgla staje sięradioaktywny, wartość jest wciąż o kilka rzędów wielkości mniejsza, wstępnie można założyć, że spaliny z silników jądrowych nie są bardziej niebezpieczne niż spaliny z elektrowni węglowej.
Czy podczas najnowszych lotów kosmicznych zamierzają używać silnika nuklearnego?
Tak, na początku lutego okazało się, że NASAprzetestuje najnowszy silnik jądrowy do lotów na Marsa. Oczekuje się, że z jego pomocą będzie można dotrzeć do Czerwonej Planety już za trzy miesiące.
W ostatnich latach naukowcy i inżynierowie z NASA i innych agencji kosmicznych na całym świecie aktywnie dyskutowali o planach budowy stałych baz mieszkalnych na powierzchni Księżyca i Marsa.
- Jakie ma zalety?
Głównym kluczem do zapewnienia ich autonomii iAby obniżyć koszty budowy, eksperci NASA rozważają technologie druku trójwymiarowego, które umożliwiają wykorzystanie wody i lokalnych zasobów - gleby, skał i gazów z atmosfery - do budowy podstawowych budynków na miejscu.
Podobne drukarki, jak pokazują doświadczenia na pokładzieISS i na Ziemi umożliwiają wydrukowanie prawie wszystkiego, co niezbędne do życia kolonistów na Marsie, z wyjątkiem jednego, najważniejszego elementu bazy - źródła zasilania, którego moc wystarczyłaby do zasilania samej drukarki 3D , a także zasilać i ogrzewać całą bazę.
W ramach przygotowań NASA do lądowania na Marsie w 2035 roku amerykańska firma Ultra Safe Nuclear Technologies (USNT) z Seattle zaproponowała swoje rozwiązanie - atomowy silnik termiczny (NTP)
- Jaki będzie silnik jądrowy?
USNT oferuje klasyczne rozwiązanie – nuklearnesilnik wykorzystujący skroplony wodór jako płyn roboczy: reaktor jądrowy wytwarza ciepło z paliwa uranowego, energia ta podgrzewa ciekły wodór przechodzący przez płyny chłodzące, który rozpręża się do postaci gazu i jest wyrzucany przez dyszę silnika, tworząc ciąg.
Jeden z głównych problemów przy tworzeniu tego typusilniki - znajdź paliwo uranowe, które wytrzyma nagłe wahania temperatury wewnątrz silnika. USNT twierdzi, że rozwiązało ten problem, opracowując paliwo, które może pracować w temperaturach do 2400 stopni Celsjusza.
Zespół paliwowy zawiera węglik krzemu:Materiał ten, zastosowany w warstwie trójstrukturalno-izotropowej powłoki, tworzy gazoszczelną barierę, która zapobiega wyciekowi produktów radioaktywnych z reaktora jądrowego, chroniąc astronautów.
- Bezpieczeństwo
Ponadto, aby chronić załogę i walizkęW nieprzewidzianych sytuacjach silnik jądrowy nie będzie używany podczas startu z Ziemi - zacznie pracować już na orbicie, aby zminimalizować ewentualne uszkodzenia w razie wypadku lub nieprawidłowej pracy.
Czytaj więcej
Spójrz na 8 bilionów pikseli obrazu Marsa
Aborcja i nauka: co stanie się z dziećmi, które będą rodzić
Naukowcy wyjaśniają, dlaczego wolfia rośnie najszybciej