Що таке ядерний ракетний двигун?
Ядерний ракетний двигун (ЯРД) - різновид ракетного двигуна
Традиційний ЯРД загалом єконструкцію з нагрівальної камери з ядерним реактором як джерелом тепла, системи подачі робочого тіла та сопла. Робоче тіло (як правило водень) подається з бака в активну зону реактора, де, проходячи через нагріті реакцією ядерного розпаду канали, розігрівається до високих температур і потім викидається через сопло, створюючи реактивну тягу.
Існують різні конструкції ЯРД:твердофазний, рідиннофазної і газофазний - відповідні агрегатному стані ядерного палива в активній зоні реактора - тверде, розплав або високотемпературний газ (або навіть плазма).
ЯРД NERVA
Твердофазний ядерний ракетний двигун
У твердофазних ЯРД (ТфЯРД) речовина, що ділиться,як і в звичайних ядерних реакторах, розміщено в збірках-стрижнях (ТВЕЛах) складної форми з розвиненою поверхнею, що дозволяє ефективно нагрівати газоподібне робоче тіло (зазвичай водень, рідше аміак), одночасно є теплоносієм, що охолоджує елементи конструкції і самі зборки.
Температура нагрівання обмежена температуроюплавлення елементів конструкції (не більше 3000). Питома імпульс твердофазного ЯРД, за сучасними оцінками, становитиме 850-900 з, що більш ніж удвічі перевищує показники найбільш досконалих хімічних ракетних двигунів.
Наземні демонстратори технологій ТфЯРД в ХХ столітті були створені і успішно випробувані на стендах (програма NERVA в США, РД-0410 в СРСР).
ТфЯРД
Газофазний ядерний ракетний двигун
Газофазний ядерний реактивний двигун (ГЯРД)концептуальний тип реактивного двигуна, у якому реактивна сила створюється рахунок викиду теплоносія (робочого тіла) з ядерного реактора, паливо у якому перебуває у газоподібної формі чи вигляді плазми. Вважається, що у подібних двигунах питомий імпульс становитиме 30–50 тис. м/с.
Перенесення тепла від палива до теплоносія досягається в основному за рахунок випромінювання, здебільшого в ультрафіолетовій області спектра (при температурах палива близько 25 000 ° C).
Ядерний імпульсний двигун
Атомні заряди потужністю приблизно в кілотоннуетапі зльоту повинні вибухати зі швидкістю один заряд на секунду. Ударна хвиля — плазмова хмара, що розширюється, повинна була прийматися «штовхачем» — потужним металевим диском з теплозахисним покриттям і потім, відбившись від нього, створити реактивну тягу.
Імпульс, прийнятий плитою штовхача, черезелементи конструкції повинен передаватися кораблю. Потім, коли висота і швидкість виростуть, частоту вибухів можна буде зменшити. При зльоті корабель повинен летіти строго вертикально, щоб мінімізувати площа радіоактивного забруднення атмосфери.
У США космічні розробки з використанням імпульсних ядерних ракетних двигунів здійснювалися з 1958 по 1965 рік у рамках проекту «Оріон» компанією «Дженерал Атомікс» на замовлення ВВС США.
За проектом «Оріон» проводилися не тільки розрахунки,але і натурні випробування. Льотні випробування моделей літального апарату з імпульсним приводом (для вибухів використовувалася звичайна хімічна вибухівка).
Космічний корабель проекту «Оріон», малюнок художника
Були отримані позитивні результати проВажливу можливість керованого польоту апарату з імпульсним двигуном. Також для дослідження міцності тягової плити проведено випробування на атоле Еніветок.
Під час ядерних випробувань на цьому атоліпокриті графітом сталеві сфери були розміщені в 9 м від епіцентру вибуху. Сфери після вибуху знайдені непошкодженими, тонкий шар графіту випарувався (абліровал) з їх поверхонь.
У СРСР аналогічний проект розроблявся в1950-1970-х роках. Пристрій містив додаткові хімічні реактивні двигуни, що виводять його на 30-40 км від Землі. Потім передбачалося включати основний ядерно-імпульсний двигун.
Основною проблемою була міцністьекрану-штовхача, який не витримував величезних теплових навантажень від близьких ядерних вибухів. Разом з тим було запропоновано декілька технічних рішень, що дозволяють розробити конструкцію плити-штовхача з достатнім ресурсом. Проект не був завершений. Реальних випробувань імпульсного ЯРД з підривом ядерних пристроїв не проводилося.
Ядерна електродвигунні установка
Ядерна електродвигунні установка (ЯЕДУ) використовується для вироблення електроенергії, яка, в свою чергу, використовується для роботи електричного ракетного двигуна.
Подібна програма в США (проект NERVA) булазгорнута в 1971 році, але в 2020 році американці знову повернулися до цієї теми, замовивши розробку ядерного теплового двигуна (Nuclear Thermal Propulsion, NTP) компанії Gryphon Technologies для військових космічних рейдерів на атомних двигунах для патрулювання навколомісячного і навколоземного простору, також з 2015 року йдуть роботи по проекту Kilopower.
З 2010 року в Росії почалися роботи над проектомядерної електродвигунні установки мегаватного класу для космічних транспортних систем (космічний буксир «Нуклон»). На 2021 рік ведеться відпрацювання макета; до 2025 року планується створити дослідні зразки даної ядерної енергоустановки; заявлена планова дата льотних випробувань космічного тягача з ЯЕДУ - 2030 рік.
потужність
За оцінками А. В. Багрова, М. А. Смирнова та С. А.Смирнова, ядерний ракетний двигун може дістатися Плутона за 2 місяці і повернутися назад за 4 місяці з витратою 75 тонн палива, до Альфи Центавра за 12 років, а до Епсілона Ерідана за 24,8 року.
Ядерний двигун небезпечний?
Основним недоліком є висока радіаційна небезпека рухової установки:
- потоки проникаючої радіації (гамма-випромінювання, нейтрони) при ядерних реакціях;
- винос високорадіоактивних сполук урану і його сплавів;
- витікання радіоактивних газів з робочим тілом.
Використання відкриття російських вчених в цивільному секторі тісно пов'язане з безпекою ядерної силової установки. Потрібно було забезпечити безпеку його вихлопу.
Захист малогабаритного ядерного двигуна менший,чим у більшого за розмірами, тому нейтрони проникатимуть у «камеру згоряння», тим самим з деякою ймовірністю роблячи радіоактивним усе навколо.
Азот і кисень мають радіоактивні ізотопи з малим часом напіврозпаду і не є небезпечними. Радіоактивний вуглець річ довгоживуча. Але є і хороші новини.
Радіоактивний вуглець утворюється у верхніх шарах атмосфери під дією космічних променів. Але головне, концентрація вуглекислого газу в сухому повітрі становить усього 0,02 ÷ 0,04%.
Враховуючи ж, що відсоток вуглецю, що стаєрадіоактивним, величина ще на кілька порядків менша, попередньо можна вважати, що вихлоп ядерних двигунів не більш небезпечний, ніж вихлоп ТЕЦ, що працює на вугіллі.
Чи збираються використовувати ядерний двигун для нових польотів у космос?
Так, на початку лютого стало відомо, що NASAпроведе тестування новітнього ядерного двигуна для польотів на Марс. Очікується, що з його допомогою можна буде дістатися до Червоної планети всього лише за три місяці.
В останні роки вчені та інженери NASA і інших космічних агентств світу активно обговорюють плани з будівництва постійних населених баз на поверхні Місяця і Марса.
- У чому його переваги?
Головним ключем до забезпечення їх автономності таздешевлення будівництва фахівці NASA вважають технології тривимірного друку, що дозволяють використовувати воду і місцеві ресурси - грунт, гірські породи і гази з атмосфери - для споруди будівель бази прямо на місці.
Подібні принтери, як показують досліди на бортуМКС і на Землі, дозволяють надрукувати майже все необхідне для життя колоністів на Марсі, за винятком одного, самої головного компонента бази - джерела живлення, чия потужність була б достатньою для забезпечення роботи самого 3D-принтера, а також харчування та обігріву всієї бази.
В рамках підготовки NASA до висадки на Марс в 2035 р американська компанія Ultra Safe Nuclear Technologies (USNT) з Сіетла запропонувала своє рішення - ядерний теплової двигун (NTP)
- Яким буде ядерний двигун?
USNT пропонує класичне рішення - ядернийдвигун з використанням зрідженого водню в якості робочого тіла: ядерний реактор виробляє тепло з уранового палива, ця енергія нагріває рідкий водень, що проходить теплоносіями, який розширюється в газ і викидається через сопло двигуна, створюючи тягу.
Одна з основних проблем при створенні такого типудвигунів – знайти уранове паливо, яке може витримувати різкі коливання температури усередині двигуна. У USNT стверджують, що вирішили цю проблему, розробивши паливо, яке може працювати при температурах до 2400 градусів Цельсія.
Паливна збірка містить карбід кремнію:цей матеріал, який використовується в шарі тріструктурально-ізотропного покриття, утворює газонепроницаемую перешкоду, що перешкоджає витоку радіоактивних продуктів з ядерного реактора, захищаючи космонавтів.
- Безпека
Крім того, для захисту екіпажу і на випадокнепередбачених ситуацій ядерний двигун не буде використовуватися під час старту з Землі - він почне роботу вже на орбіті, щоб мінімізувати можливі пошкодження в разі аварії або нештатної роботи.
Читати далі
Подивіться на зображення Марса з 8 трильйонів пікселів
Аборти і наука: що буде з дітьми, яких народять
Вчені пояснили, чому рослина вольфія є найбільш швидкозростаючим