Введение
Двигательные установки на борту космического аппарата предназначены для создания силы тяги или момента импульса. По типу используемой тяги двигательной установки разделяются на химические (ХРД) и нехимические (НХРД). ХРД делятся на жидкостные (ЖРД), твердотопливные (РДТТ) и комбинированные (КРД). В свою очередь нехимические двигательные установки делятся на ядерные (ЯРД) и электрическими (ЭРД). Великий ученый Константин Эдуардович Циолковский еще век назад создал первую модель двигательной установки, которая работала на твердом и жидком топливе. После, во второй половине 20 века были осуществлены тысячи полетов с использованием в основном ЖРД и РДТТ.
Однако в настоящее время для полетов на другие планеты, не говоря уж о звездах, применение ЖРД и РДТТ становится все более невыгодным, хотя и было разработано множество РД. Скорее всего, возможности ЖРД и РДТТ себя полностью исчерпали. Причина здесь заключается в том, что удельный импульс всех химических РД невысок и не превышает 5000 м/с, что требует для развития достаточно больших скоростей длительной работы ДУ и соответственно больших запасов топлива или, как принято в космонавтике, необходимы большие значения числа Циолковского, т.е. отношения массы заправленной ракеты к массе пустой. Так РН Энергия, выводящая на низкую орбиту 100 т полезной нагрузки, имеет стартовую массу около 3 000 т, что дает для числа Циолковского значение в пределах 30.
Для полета к примеру на Марс число Циолковского должно быть еще выше, достигая значений от 30 до 50. Нетрудно оценить, что при полезном грузе около 1 000 т, а именно в таких пределах колеблется минимальная масса требуемая для обеспечения всем необходимым экипаж, стартующий к Марсу с учетом запаса топлива для обратного полета к Земле, начальная масса КА должна быть не менее 30 000 — 50 000 т., что явно находится за пределами уровня развития современной космонавтики, основанной на применении ЖРД и РДТТ.
Таким образом, для достижения пилотируемыми экипажами даже ближайших планет необходимо развивать РН на двигателях, работающих на принципах, отличных от химических ДУ. Наиболее перспективными в этом плане являются электрические реактивные двигатели (ЭРД), лазерные реактивные двигатели (ЛРД) и ядерные реактивные (ЯРД).
Ядерные реактивные двигатели, принцип работы, способы получения импульса в ЯРД.
ЯРД получили свое название благодаря тому, что создают тягу за счет использования ядерной энергии, т. е. энергии, которая выделяется в результате ядерных реакций. В общем смысле под этими реакциями подразумеваются любые изменения энергетического состояния атомных ядер, а также превращения одних ядер в другие, связанные с перестройкой структуры ядер или изменением количества содержащихся в них элементарных частиц — нуклонов. Причем ядерные реакции, как известно, могут происходить либо спонтанно (т. е. самопроизвольно), либо вызываться искусственно, например, при бомбардировке одних ядер другими (или элементарными частицами). Ядерные реакции деления и синтеза по величине энергии превосходят химические реакции соответственно в миллионы и десятки миллионов раз. Это объясняется тем обстоятельством, что энергия химической связи атомов в молекулах во много раз меньше энергии ядерной связи нуклонов в ядре. Ядерную энергию в ракетных двигателях можно использовать двумя способами:
1. Высвобождаемая энергия используется для нагрева рабочего тела, которое затем расширяется в сопле, так же как в обычном ЖРД.
2. Ядерная энергия преобразуется в электрическую и затем используется для ионизации и разгона частиц рабочего тела.
3. Наконец импульс создается самими продуктами деления, образованными в процессе ядерной реакции деления.
ЯРД с реактором деления. Двигательная установка с ЯРД.
Этот тип ЯРД представляет собой сочетание энергетического реактора, подобного тем, которые используются в атомных электростанциях или на надводных и подводных судах, с жидкостным ракетным двигателем. В ЯРД реактор выполняет ту же функцию, что и камера сгорания в ЖРД, а именно служит для обращения исходного рабочего тела в высокотемпературный газ. Как и в случае ЖРД, этот газ разгоняется затем в реактивном сопле, создавая тягу.
По аналогии с ЖРД исходное рабочее тело ЯРД хранится в жидком состоянии в баке двигательной установки и его подача производится при помощи турбонасосного агрегата. Газ для вращения этого агрегата, состоящего из турбины и насоса, может вырабатываться в самом реакторе.
Схема такой двигательной установки изображена на рисунке.
Существует множество ЯРД с реактором деления:
— Твердофазный ЯРД
— Газофазный ЯРД
— Жидкофазные и коллоидные
— ЯРД с реактором синтеза
— Импульсные ЯРД и другие.
Из всех возможных типов ЯРД наиболее разработаны тепловой радиоизотопный двигатель и двигатель с твердофазным реактором деления. Но если характеристики радиоизотопных ЯРД не позволяют надеяться на их широкое применение в космонавтике (по крайней мере в ближайшем будущем), то создание твердофазных ЯРД открывает перед космонавтикой большие перспективы. Типичный ЯРД этого типа содержит твердофазный реактор в виде цилиндра с высотой и диаметром около 1-2 м (при близости этих параметров утечка нейтронов деления в окружающее пространство минимальна).
Реактор состоит из активной зоны; отражателя, окружающего эту зону; управляющих органов; силового корпуса и других элементов. Активная зона содержит ядерное горючее — делящееся вещество (обогащенный уран), заключенное в тепловыделяющих элементах, и замедлитель или разбавитель. Реактор, представленный на рисунке, является гомогенным — в нем замедлитель входит в состав тепловыделяющих элементов, будучи однородно перемешанным с горючим. Замедлитель может размещаться и отдельно от ядерного горючего. В этом случае реактор называется гетерогенным. Разбавители (ими могут быть, «например, тугоплавкие металлы — вольфрам, молибден) используются для придания делящимся веществам специальных свойств.
Тепловыделяющие элементы твердофазного реактора пронизаны каналами, по которым протекает, постепенно нагреваясь, рабочее тело ЯРД. Каналы имеют диаметр порядка 1-3 мм, а их суммарная площадь составляет 20-30% поперечного сечения активной зоны. Активная зона подвешивается при помощи специальной решетки внутри силового корпуса, с тем чтобы она могла расширяться при нагреве реактора (иначе она разрушилась бы из-за термических напряжений).
Активная зона испытывает высокие механические нагрузки, связанные с действием значительных гидравлических перепадов давления (до нескольких десятков атмосфер) от протекающего рабочего тела, термических напряжений и вибраций. Увеличение размеров активной зоны при нагреве реактора достигает нескольких сантиметров. Активная зона и отражатель размещаются внутри прочного силового корпуса, воспринимающего давление рабочего тела и тягу, создаваемую реактивным соплом. Корпус закрывается прочной крышкой. На ней размещаются пневматические, пружинные или электрические механизмы привода регулирующих органов, узлы крепления ЯРД к космическому аппарату, фланцы для соединения ЯРД с питающими трубопроводами рабочего тела. На крышке может располагаться и турбонасосный агрегат.
В качестве простейших органов управления реактором используются регулирующие стержни, размещаемые в активной зоне или отражателе (в специальных гнездах), и поворотные барабаны, устанавливаемые на периферии реактора. Стержни содержат вещества, сильно поглощающие нейтроны (бор, кадмий). Перемещение стержней внутри реактора позволяет изменять количество реакций деления ядерного горючего в единицу времени и в итоге уровень энерговыделения в реакторе — его тепловую мощность. На боковых сторонах барабанов укреплены пластины из веществ-поглотителей нейтронов, и, таким образом, при повороте барабанов эти вещества (как и в случае стержней) вводятся в активную зону или выводятся из нее. Как правило, внутри силового корпуса реактора, над активной зоной, размещают так называемую первичную реакторную защиту. Она снижает интенсивность опасного гамма- и нейтронного излучения, выходящего из реактора в направлении остальной части космического аппарата. Замедлитель, отражатель, органы управления, защита и корпус реактора должны охлаждаться, для исключения их перегрева вследствие поглощаемого ими излучения реактора.
С этой целью в указанных элементах предусматриваются каналы, по которым пропускается рабочее тело. После прохождения каналов оно газифицируется и может быть использовано для привода турбонасосного агрегата. Реактор твердофазного ЯРД отличается от аналогичного типа реакторов, используемых в атомных электростанциях и на морских судах, значительно более напряженным рабочим процессом, малыми размерами и массой, кратковременностью переходных процессов, небольшим рабочим ресурсом (не превышающим нескольких часов).
В качестве ядерного горючего в реакторах твердофазных ЯРД используется в основном уран-238, обогащенный (примерно до 90%) изотопом уран-235. В будущем в ЯРД найдут, по-видимому, применение также плутоний-239 и уран-233, что позволит существенно снизить массу активной зоны реакторов. В настоящее время эти вещества слишком дороги и дефицитны.
Радиационная опасность от ЯРД.
Работающий ЯРД является мощным источником радиации — гамма- и нейтронного излучения. Без принятия специальных мер, радиация может вызвать в космическом аппарате недопустимый нагрев рабочего тела и конструкции, охрупчивание металлических конструкционных материалов, разрушение пластмассовых и старение резиновых деталей, нарушение изоляции электрических кабелей, вывод из строя электронной аппаратуры. Радиация может вызвать наведенную (искусственную) радиоактивность материалов — активизацию их.
В настоящее время проблема радиационной защиты космических аппаратов с ЯРД считается в принципе решенной. Решены также и принципиальные вопросы, связанные с обслуживанием ЯРД на испытательных стендах и пусковых площадках. Хотя работающий ЯРД представляет опасность для обслуживающего персонала» уже через сутки после окончания работы ЯРД можно без всяких средств индивидуальной защиты находиться в течение нескольких десятков минут на расстоянии 50 м от ЯРД и даже подходить к нему. Простейшие средства защиты позволяют обслуживающему персоналу входить в рабочую зону ЯРД уже вскоре после испытаний.
Уровень заражения пусковых комплексов и окружающей среды, по-видимому, не будет препятствием использованию ЯРД на нижних ступенях космических ракет. Проблема радиационной опасности для окружающей среды и обслуживающего персонала в значительной степени смягчается тем обстоятельством, что водород, используемый в качестве рабочего тела, практически не активируется при прохождении через реактор. Поэтому реактивная струя ЯРД не более опасна, чем струя ЖРД.
При рассмотрении перспектив развития и использования ЯРД в космонавтике следует исходить из достигнутых и ожидаемых характеристик различных типов ЯРД, из того, что может дать космонавтике их, применение и, наконец, из наличия тесной связи проблемы ЯРД с проблемой энергообеспечения в космосе и с вопросами развития энергетики вообще.
Как уже говорилось выше, из всех возможных типов ЯРД наиболее разработаны тепловой радиоизотопный двигатель и двигатель с твердофазным реактором деления. Но если характеристики радиоизотопных ЯРД не позволяют надеяться на их широкое применение в космонавтике (по крайней мере в ближайшем будущем), то создание твердофазных ЯРД открывает перед космонавтикой большие перспективы.
Предложен, например, аппарат с начальной массой 40000 т (т. е. примерно в 10 раз большей, чем у самых крупных современных ракет-носителей), причем 1/10 этой массы приходится на полезный груз, а 2/3 — на 300 000 ядерных зарядов. Если каждые 3 с взрывать по одному заряду, то их запаса хватит на 10 дней непрерывной работы ЯРД. За это время аппарат разгонится до скорости 10000 км/с и в дальнейшем, через 130 лет, может достигнуть звезды Альфа Центавра.
Ядерные энергоустановки обладают уникальными характеристиками, к которым относятся практически неограниченная энергоемкость, независимость функционирования от окружающей среды, неподверженность внешним воздействиям (космической радиации, метеоритному повреждению, высоким и низким температурам и т. д.). Однако максимальная мощность ядерных радиоизотопных установок ограничена величиной порядка нескольких сот ватт. Это ограничение не существует для ядерных реакторных энергоустановок, что и предопределяет выгодность их использования при продолжительных полетах тяжелых космических аппаратов в околоземном пространстве, при полетах к дальним планетам Солнечной системы и в других случаях.
Преимущества твердофазных и других ЯРД с реакторами деления наиболее полно раскрываются при исследовании таких сложных космических программ, как пилотируемые полеты к планетам Солнечной системы (например, при экспедиции на Марс). В том случае увеличение удельного импульса РД позволяет решать качественно новые задачи. Все эти проблемы значительно облегчаются при использовании твердофазного ЯРД с удельным импульсом вдвое большим, чем у современных ЖРД. В этом случае становится также возможным заметно сократить сроки полетов.
Вероятнее всего, что уже в ближайшем будущем твердофазные ЯРД станут одними из самых распространенный РД. Твердофазный ЯРД можно будет использовать как аппараты для дальних полетов, например, на такие планеты как Нептун, Плутон и даже вылетать за пределы Солнечной Системы. Однако для полетов к звездам ЯРД, основанный на принципах деления не пригоден. В этом случае перспективными являются ЯРД или точнее термоядерные реактивные двигатели (ТРД), работающие на принципе реакций синтеза и фотонные реактивные двигатели (ФРД), источникам импульса в которых является реакция аннигиляции вещества и антивещества. Впрочем, скорее всего человечество для путешествия в межзвездном пространстве будет использовать иной, отличный от реактивного, способ передвижения. В заключение приведу перефразировку известной фразы Эйнштейна — для путешествия к звездам человечество должно придумать нечто такое, которое было бы сравнимо по сложности и восприятию с ядерным реактором для неандертальца!
Источник: //kuasar.ru/library/nuclear-engine-future/