Атомный ракетный двигатель что это

Новый ядерный двигатель поможет долететь до Марса всего за 3 месяца

Поскольку химические ракетные двигатели, которые сейчас используются во всех ракета-носителях, скоро могут достичь предела своих возможностей, а тяга электродвигателей слишком мала, инженеры находятся в поиске более эффективных и мощных решений, использующих ядерную энергию в каком-либо виде. Ракеты, работающие на ядерной установке, могут быть многократно эффективнее, чем на химической.

В целом, ракетные двигатели с ядерной установкой — далеко не новость. В 1960-х годах как США, так и Советский Союз разработали и испытали тепловые ядерные ракеты. Однако программы Project Rover и NERVA (ядерный двигатель для ядерных ракет) были прекращены в начале 1970-х годов, незадолго до старта испытательных полетов.

Общая проблема всех проектов ядерных ракетных двигателей — трудности с созданием легкой и при этом безопасной для использования за пределами земной атмосферы установки.

Компания из Сиэтла USNC-Tech (Ultra Safe Nuclear Technologies) в рамках исследования возможностей освоения дальнего космоса представила NASA новый концептуальный проект ядерной установки. Этот двигатель более надежен, чем предшествующие ему разработки, а удельный импульс его тяги, который определяет эффективность двигателя, в два раза больше, чем у химического.

Разработчики используют в своей концепции новое поколение керамического микрокапсулированного топлива, которое обеспечивает новый подход к внутренней безопасности реактора. Его основа — уран с обогащением выше 5% и ниже 20% (HALEU), который производится из переработанного топлива для мирного использования. Он обогащен больше, чем топливо в гражданских ядерных установках, но меньше, чем в военно-морских.

Такое топливо намного устойчивее стандартного топлива TRISO, которое содержит побочные радиоактивные продукты деления. Новое топливо чрезвычайно прочное и с исключительно высокой температурной стабильностью. Из-за этого безопасность всей конструкции заметно повышается. И при этом у нового двигателя высокий удельный импульс тяги — главная характеристика таких установок, — что раньше достигалось только с высокообогащенным ураном. Еще важно, что это топливо производится уже существующими заводами и не нужно менять налаженные цепочки поставок.

Так что основная особенность концептуального проекта — схожесть технологий производства с наземными двигателями. Это позволяет использовать достижения в ядерных технологиях и инфраструктуре наземных систем, что в результате заметно упрощает и удешевляет изготовление космических двигателей.

Есть вероятность, что ядерные двигатели, основанные на новой концепции, серьезно сократят время полетов в дальний космос, а перелет на Марс с экипажем на борту будет осуществлен всего за три месяца. Концепция нацелена не только на NASA и Министерство обороны США, но и на коммерческий рынок, то есть разработку можно будет использовать и для частных полетов.

Ядерный ракетный двигатель

Я́дерный раке́тный дви́гатель (ЯРД) — разновидность ракетного двигателя, которая использует энергию деления или синтеза ядер для создания реактивной тяги. Бывают реактивными (нагрев рабочего тела в ядерном реакторе и вывод газа через сопло) и импульсными (ядерные взрывы малой мощности при равном промежутке времени).

Традиционный ЯРД в целом представляет собой конструкцию из ядерного реактора, системы подачи рабочего тела, и сопла. Рабочее тело (как правило — водород) — подаётся из бака в активную зону реактора, где, проходя через нагретые реакцией ядерного распада каналы, разогревается до высоких температур и затем выбрасывается через сопло, создавая реактивную тягу. Существуют различные конструкции ЯРД — твёрдофазный, жидкофазный и газофазный, соответственно агрегатному состоянию ядерного топлива в активной зоне реактора — твёрдое, расплав или высокотемпературный газ (либо плазма). ЯРД активно разрабатывались и испытывались в СССР (см. РД-0410) и США (cм. NERVA) с середины 1950-х годов. Исследования ведутся и в настоящее время. [1]

Содержание

Ядерный импульсный двигатель

Атомные заряды мощностью примерно в килотонну на этапе взлёта должны были взрываться со скоростью один заряд в секунду. Ударная волна — расширяющееся плазменное облако — должна была приниматься «толкателем» — мощным металлическим диском с теплозащитным покрытием, и, потом, отразившись от него, создать реактивную тягу. Импульс, принятый плитой толкателя, через элементы конструкции передавался кораблю. Затем, когда высота и скорость вырастут, частоту взрывов можно было уменьшить. При взлёте корабль должен был лететь строго вертикально, чтобы минимизировать площадь радиоактивного загрязнения атмосферы.

В США были проведены несколько испытаний модели летательного аппарата с импульсным приводом (для взрывов использовалась обычная химическая взрывчатка). Получены положительные результаты о принципиальной возможности управляемого полёта аппарата с импульсным двигателем.

Реальных испытаний импульсного ЯРД с подрывом ядерных устройств не проводилось. Дальнейшие практические разработки в области импульсных ЯРД были прекращены в конце 1960-х гг.

Ранние разработки

В США космические разработки с использованием импульсных ядерных ракетных двигателей осуществлялись с 1958 по 1965 год в рамках проекта «Орион» (англ. Project Orion ) компанией «Дженерал Атомикс» (англ. «General Atomics» ) по заказу ВВС США.

Программа развития проекта «Орион» была рассчитана на 12 лет, расчётная стоимость — 24 миллиарда долларов, что было сопоставимо с запланированными расходами на лунную программу «Аполлон» («Apollon»). Интересно, что разработчики проводили предварительные расчеты постройки на базе этой технологии звездолёта-«ноева ковчега» с массой до 40 млн. т и экипажем до 20 000 человек [2] . Согласно их расчётам, один из уменьшенных вариантов такого ядерно-импульсного звездолёта (массой 100 тыс. т) мог бы достичь Альфы Центавра за 130 лет, разогнавшись до скорости 10 000 км/с. [3] [4] Однако приоритеты изменились и в 1965 году проект был закрыт.

Читать еще:  Что такое коэффициент полезного действия кпд тепловых двигателей

В СССР аналогичный проект разрабатывался в 1950—70-х годах. [источник не указан 566 дней] Устройство содержало дополнительные химические реактивные двигатели, выводящие его на 30-40 км от поверхности Земли и затем предполагалось включать основной ядерно-импульсный двигатель. Основной проблемой была прочность экрана-толкателя, который не выдерживал огромных тепловых нагрузок от близких ядерных взрывов. Вместе с тем были предложены несколько технических решений, позволяющих разработать конструкцию плиты-толкателя с достаточным ресурсом. Проект не был завершён.

В 1960-х годах США были на пути к Луне. Менее известным является тот факт, что в Зоне-25 (рядом со знаменитой Зоной-51) на полигоне Невады учёные работали над одним амбициозным проектом – полётом на Марс на ядерных двигателях. Проект был назван NERVA. Работая на полную мощность, ядерный двигатель должен был нагреваться до температуры в 2026,7 °C (2299,8° K) и охлаждаться жидким азотом. [источник не указан 395 дней]

Затем учёные из Лос-Аламоса решили узнать, что произойдёт, если контроль над одним из таких ядерных двигателей будет утерян, и он взорвётся. И тогда появился KIWI – эксперимент по намеренному взрыву одного из таких двигателей. В январе 1965 года ядерному ракетному двигателю под кодовым названием «KIWI» специально позволили перегреться. При температуре в 4 тысячи градусов по Цельсию реактор взорвался. Взрыв разметал 45 кг радиоактивного топлива на четверть мили. Учёные находились в воздухе, и измеряли количество радиации, которая оказалась в атмосфере. [источник не указан 395 дней]

Пять месяцев спустя произошла настоящая авария, когда перегрелся ядерный двигатель другой сборки, который носил кодовое название Phoebus. Он взорвался, когда случайно опустела одна из ёмкостей с жидким водородом. [источник не указан 395 дней]

Современные проекты

15 апреля 2011 года состоялось четвёртое заседание Рабочей группы по космосу Российско-Американской президентской комиссии по вопросам сотрудничества, на котором среди прочих вопросов исследования космоса обсуждался вопрос создания двигательных установок [5] .

22 апреля 2011 года на сайте российского Федерального космического агентства среди документации очередных открытых конкурсов размещена информация об объявлении конкурса на право заключения государственного контракта по разработке ядерной энергодвигательной установки большой мощности для межорбитального буксира, многофункциональной платформы на геостационарной орбите и межпланетных космических аппаратов [6] . Итоги конкурса будут объявлены 27 мая 2011 года [7] .

Использование ядерной энергоустановки мегаваттного класса предполагается в космическом корабле для дальних космических полётов. Эскизный проект ядерного двигателя должен быть готов к 2012 году, после этого на дальнейшую разработку проекта потребуется 17 миллиардов рублей [7] .

Космические полёты за лунную орбиту требуют новых технологий и единственным вариантом нового двигателя для космических кораблей является ядерная силовая установка:

«Полеты на Марс на современных двигателях займут очень много времени. Необходимо создание новой установки для сверхтяжелых ракет. Россия обладает всеми технологиями для создания двигателей подобного класса. Я надеюсь, что в 2019 году работа над двигателем должна быть закончена», — сказал глава Роскосмоса Анатолий Перминов [8] .

Курс на Альфа Центавра. В США создадут ракетный двигатель для быстрых полетов к Марсу и дальше

Фото: Getty Images

В США представили концепт ракетного двигателя будущего, который позволит добраться до Марса за три месяца.

Химические ракетные двигатели уже близки к пределам своих мощностей, а электрические ракетные двигатели обладают слишком низкой тягой для исследования космоса. Поэтому ракетостроительная отрасль продолжает искать способы создания более эффективных и мощных ракетных двигателей на ядерной энергии. В случае успеха такие ядерные ракеты будут в несколько раз эффективнее, чем их химические аналоги.

ФОКУС в Google Новостях.

Подпишись — и всегда будь в курсе событий.

Основная же проблема заключается в том, чтобы создать ядерный реактор, который будет достаточно легким и безопасным в использовании за пределами земной атмосферы, особенно если на борту космического корабля будет экипаж.

Ядерный ракетный двигатель NERVA: забытая миссия на Марс

Сама идея ядерного ракетного двигателя (NTP), использующего энергию деления или синтеза ядер для создания реактивной тяги, далеко не нова. В 1961 году NASA и Комиссия по атомной энергии США приступили к совместному проекту NERVA для создания ядерного ракетного двигателя. В рамках программы были спроектированы и испытаны некоторые прототипы передовых двигателей.

Успехи программы побудили тогдашнего директора Центра космических полетов им. Джорджа Маршалла и пионера ракетостроения Вернера фон Брауна поддержать амбициозную миссию. Ее целью был полет на Марс дюжины астронавтов на борту космического корабля с двумя ракетами-носителями.

Каждая ракета должна была приводиться в движение тремя двигателями NERVA. Фон Браун полагал, что экипаж может отправиться на Красную планету в ноябре 1981-го и приземлиться на Марсе в августе 1982 года.

Читать еще:  Газонокосилка из двигателя от стиральной машины автомат своими руками

Представляя свой план в августе 1969 года, фон Браун заявил, что миссия станет большим вызовом для нации, но представляет собой задачу не сложнее, чем высадка человека на Луну.

Увы, смена приоритетов, изменение мировой политики и урезание бюджета агентства привели к свертыванию программы NASA по созданию ядерного ракетного двигателя в конце 1972 года.

Новый ядерный ракетный двигатель: в два раза быстрее

Спустя более 40 лет американское космическое агентство решило вернуться к своей программе. В 2018 году NASA снова начало работу над ядерным ракетным двигателем, назвав технологию такой, которая «меняет правила игры» в вопросах исследования глубокого космоса.

В теории космические корабли со световым парусом смогут долететь до Альфа Центавра за 20–30 лет

В отличие от традиционных ракетных двигателей, сжигающих топливо для создания тяги, в ядерной системе для нагрева рабочего тела (обычно жидкого водорода) используется непосредственно реактор. Водород выбрасывается через сопло, двигая космический корабль вперед. Это позволяет удвоить эффективность использования топлива, а значит — уменьшить размеры ракеты и сократить время полета.

В последние годы компании, занимающиеся строительством ядерных реакторов и атомных подлодок, представляли свои концепты NTP. Практически все они были так или иначе основаны на последней модификации ядерного ракетного двигателя NERVA NRX, разработанного в конце 1968 года в США.

Самую свежую проектную концепцию представила компания Ultra Safe Nuclear Technologies (USNC-Tech), которая участвует в программе, спонсируемой NASA.

Компания заявляет, что новая концепция более безопасная и надежная, чем предыдущие проекты NTP, и гораздо эффективнее, чем химическая ракета. ­Разработка обещает произвести революцию в дальних космических путешествиях, сократив время на полет от Земли до Марса до трех месяцев. На данный момент такой путь займет около семи-восьми месяцев, если планеты находятся в удачном расположении.

Тогда многие эксперты предположили, что ядерный двигатель является потомком РД-0410.

Космические двигатели будущего: солнечные паруса и топливо из темной материи

Пока ядерные ракетные двигатели остаются не более чем амбициозными проектами, которые когда-нибудь позволят человечеству исследовать космос. Наравне с ними также существуют еще более дерзкие идеи того, какими могут быть двигатели будущего.

Одна из таких идей, разработка которой уже началась, заключается в создании космических кораблей со световым парусом. В теории такие аппараты смогут долететь до Альфа Центавра за ­20–30 лет. Для этого космический корабль должен двигаться со скоростью от 15% до 20% от скорости света.

Авторы проекта Breakthrough Starshot сперва собираются запустить небольшие зонды со световыми парусами. С Земли на них направят мощные лазеры, каждый парус размером 4х4 м будет получать луч с энергией в 1 тераджоуль. Лазеры направят зонды в систему Альфа Центавра и разгонят их до необходимой скорости.

Если идея с солнечными парусами может еще хоть как-то сойти за реальный научный проект, то остальные планы скорее похожи на фантастику.

Некоторые физики-тео­ретики предполагают, что существует возможность создать топливо из антивещества. Как известно, вещество и антивещество самоуничтожаются, когда сталкиваются друг с другом, именно этот процесс аннигиляции и хотят использовать в ракетах. Вместо того чтобы использовать химическое или даже ядерное топливо, где только часть массы, поступающей на борт, преобразуется в энергию, аннигиляция вещества-антивещества преобразует 100% массы в энергию. Для топлива это предельная эффективность.

Еще более сумасшедшей идеей кажется двигатель, работающий на гипотетически существующей темной материи. Согласно теории, темной материи крайне много во Вселенной. И если ученые найдут способ собирать ее и превращать частицы темной материи в энергию, то у человечества появится источник энергии с высокой эффективностью и в неограниченных количествах.

Преимущество заключается в том, что в галактике темная материя находится буквально повсюду, а это означает, что не нужно будет брать с собой топливо.

Внедрение подобных технологий открыло бы одну из самых впечатляющих перспектив из всех: возможность достичь любого места во Вселенной. Если человечество ограничится сегодняшними ракетными технологиями, то потребуются как минимум десятки тысяч лет, чтобы совершить путешествие от Земли до ближайшей звездной системы за пределами Солнечной.

Проекты использования ядерных двигателей для межзвездных аппаратов обретают реальность

Эскизные проработки американского «взрыволета» «Орион».

До недавних пор не было создано двигателей для космических аппаратов и самих ракет-носителей, которые донесли бы человека до ближайших звезд не за десятки тысяч лет, а хотя бы в течение его жизни. В канун 2021 года исполнительный директор Роскосмоса Александр Блошенко сообщил о проработке госкорпорацией проекта многоразового космического буксира с ядерной энергетической установкой «Нуклон». По его словам, аппарат будет способен за одну миссию совершить полет от Венеры до Юпитера, а уже первый запуск зонда станет полноценной научной миссией.

Как сообщал первый замглавы Роскосмоса Юрий Урличич, опытные образцы ядерной энергоустановки должны быть готовы в 2025 году. Первый полет «ядерного буксира» планируется на 2030-е годы. Проект космического корабля с ядерной энергоустановкой мегаваттного класса разработан Государственным научным центром ФГУП «Центр Келдыша».

Читать еще:  Ява чем отмыть двигатель

Еще Сергей Павлович Королев мечтал о мощной силовой атомной установке для ракет. Не дремали и ученые на Западе, в частности в США. В 1950–1960 годах был разработан проект «Орион» – пилотируемый реактивно-импульсный космический корабль («взрыволет»).

Впервые идею «Ориона» предложили известные физики Станислав Улам и Корнелиус Эверетт в Лос-Аламосе в 1955 году. Их концепция заключалась в следующем: взрывы водородных бомб, выбрасываемых из корабля, вызывали испарение дисков, выбрасываемых вслед за бомбами. Расширяющаяся плазма толкала корабль. По проекту «Орион» проводились не только расчеты, но и натурные испытания. Это были летные испытания моделей, движимых химическими взрывчатыми веществами. Несколько моделей было разрушено, но один 100-метровый полет в ноябре 1959-го был успешен и показал, что импульсный полет мог быть устойчивым.

Первоначально «Орион» предполагалось запускать с Земли, с атомного полигона Джекесс-Флетс, расположенного в Неваде. Аппарат должен был иметь форму пули. Корабль устанавливался на восьми стартовых башнях высотой 75 м для того, чтобы уберечь персонал от возможного взрыва ядерного устройства у поверхности Земли. При запуске каждую секунду должен был производиться один взрыв мощностью 0,1 кт (для сравнения: мощность бомб, сброшенных на Хиросиму и Нагасаки, была равной 20 кт). После выхода из атмосферы каждые 10 секунд должна была взрываться одна 20-килотонная бомба. Проект «Орион» закрыли в 1965 году.

Дальнейшим развитием идей, заложенных в основу «Ориона», можно считать межзвездный зонд «Дедал». Это был один из первых детальных технических проектов по созданию возможного непилотируемого межзвездного космического аппарата. Он проводился с 1973 по 1977 год группой из 11 ученых и инженеров Британского межпланетного общества. Проект предусматривал строительство на орбите Юпитера мощного двухступенчатого беспилотного корабля с термоядерными двигателями.

Самолет-лаборатория NB-36H для испытания
атомных реакторов в полете.

По расчетам, «Дедал» должен был за 50 лет долететь до звезды Барнарда (одна из ближайших к нам звезд), пройти мимо нее по пролетной траектории, собрать сведения о звезде и планетах и затем по радиоканалу передать результаты исследований на Землю.

В СССР мечты С.П. Королева о ядерном ракетном двигателе (ЯРД) начали осуществляться за два года до запуска первого человека в космос. Именно тогда произошла встреча «трех К»: Курчатова Игоря, «отца» нашей атомной бомбы, Келдыша Мстислава, главного теоретика космонавтики и математика, и Королева Сергея, главного конструктора ракет. Именно на этой встрече и было принято решение о создании атомного ракетного двигателя. И он был создан в короткое время.

Испытания реактора проводили в 1978–1981 годах на атомном полигоне в Семипалатинске, а самого двигателя – на стенде в Подмосковье, в Загорске. Всего было проведено более 250 испытаний. В результате был создан работоспособный двигатель. Но наступила перестройка, и проект отложили до лучших времен.

Мощный импульс для создания ЯРД получили ученые в наши дни. Когда Дмитрий Медведев еще был президентом России, он заявил, что «космос является одним из приоритетов России». Также он отметил, что необходимо «продолжить работу над новым проектом Исследовательского центра имени М.В. Келдыша по созданию космического транспортно-энергетического модуля на основе ядерной энергодвигательной установки».

Схема российского
транспортно-энергетического модуля (ТЭМ)
с газоохлаждаемым атомным ректором.
Фото из архива автора

Тогдашний генеральный директор этого центра академик Анатолий Коротеев подтвердил информацию о том, что «эскизный проект космического корабля с ядерной энергоустановкой мегаваттного класса будет в ближайшее время создан на основе ядерной энергодвигательной установки». В транспортно-энергетический модуль (ТЭМ) войдет газоохлаждаемый атомный реактор с турбомашинным преобразованием тепловой энергии в электрическую и высокоэффективные электроракетные двигатели. ТЭМ обеспечит длительные экспедиции в дальний космос, рост экономичности транспортных операций в 20 раз, рост доступной электрической мощности в космосе более чем в 10 раз, эффективную межорбитальную транспортировку.

Также ТЭМ сможет осуществить эффективную реализацию экспедиций на другие небесные тела, например Луну или Марс, промышленное производство в космосе, создание эффективных систем очистки космоса от мусора, борьбу с астероидной опасностью. Как заявил нынешний генеральный директор Центра Келдыша, доктор технических наук Владимир Кошлаков, источник энергии такой установки – ядерный реактор, который нагревает рабочее тело. Оно поступает на турбину, на одном валу с которой находится электрогенератор.

Тяга электроплазменного двигателя – это движущая сила космического аппарата. В качестве теплоносителя используется гелий-ксеноновая смесь. Ее основное преимущество – химическая нейтральность по отношению к материалам. Ведь аппарат должен длительное время работать при запредельно высоких и низких температурах. Теплофизические характеристики этого теплоносителя позволяют создавать оптимально эффективный контур, снизить массу и габариты реактора, теплообменных агрегатов. И уже есть практические результаты.

В конце прошлого года в России завершились наземные испытания системы охлаждения космической ядерной энергодвигательной установки (ЯЭДУ) мегаваттного класса. «Работы выполнены в полном объеме. Результаты соответствуют требованиям технического задания», – отмечается в акте приемки работ. Летный образец космического аппарата с ЯЭДУ в России планируется создать уже к 2025 году.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector