Jaderný raketový motor a jaderná pohonná hmota. První jaderný vesmírný motor na světě byl sestaven v Rusku

První fází je popření

Německý raketový expert Robert Schmucker považoval výroky V. Putina za zcela nevěrohodné. „Nedovedu si představit, že by Rusové dokázali vytvořit malý létající reaktor,“ řekl expert v rozhovoru pro Deutsche Welle.

Mohou, Herr Schmuckere. Jen si to představ.

První domácí satelit s jadernou elektrárnou („Cosmos-367“) byl vypuštěn z Bajkonuru již v roce 1970. 37 palivových souborů malorozměrného reaktoru BES-5 Buk s obsahem 30 kg uranu o teplotě v primárním okruhu 700 °C a výdeji tepla 100 kW poskytovalo elektrický výkon instalace 3 kW. Hmotnost reaktoru je menší než jedna tuna, předpokládaná doba provozu je 120-130 dní.

Odborníci vyjádří pochybnosti: výkon této jaderné „baterie“ je příliš nízký... Ale! Podívejte se na datum: to bylo před půl stoletím.

Nízká účinnost je důsledkem termionické konverze. U jiných forem přenosu energie jsou ukazatele mnohem vyšší, např. u jaderných elektráren se hodnota účinnosti pohybuje v rozmezí 32-38%. V tomto smyslu je tepelný výkon „vesmírného“ reaktoru obzvláště zajímavý. 100 kW je vážná nabídka na vítězství.

Stojí za zmínku, že BES-5 „Buk“ nepatří do rodiny RTG. Radioizotopové termoelektrické generátory přeměňují energii přirozeného rozpadu atomů radioaktivních prvků a mají zanedbatelný výkon. Buk je přitom skutečným reaktorem s řízenou řetězovou reakcí.

Další generace sovětských malých reaktorů, která se objevila na konci 80. let, se vyznačovala ještě menšími rozměry a vyšším uvolňováním energie. To byl jedinečný Topaz: ve srovnání s Bukem se množství uranu v reaktoru snížilo trojnásobně (na 11,5 kg). Tepelný výkon vzrostl o 50 % a dosáhl 150 kW, doba nepřetržitého provozu dosáhla 11 měsíců (reaktor tohoto typu byl instalován na palubě průzkumné družice Cosmos-1867).

Jaderné vesmírné reaktory jsou mimozemskou formou smrti. Pokud došlo ke ztrátě kontroly, „padající hvězda“ nesplnila přání, ale mohla odpustit „šťastlivcům“ jejich hříchy.

V roce 1992 byly zbývající dvě kopie malých reaktorů série Topaz prodány v USA za 13 milionů dolarů.

Hlavní otázka zní: mají takové instalace dostatečný výkon, aby mohly být použity jako raketové motory? Průchodem pracovní tekutiny (vzduchu) přes horké jádro reaktoru a získáním tahu na výstupu podle zákona zachování hybnosti.

Odpověď: ne. „Buk“ a „Topaz“ jsou kompaktní jaderné elektrárny. K vytvoření jaderného reaktoru jsou zapotřebí jiné prostředky. Ale obecný trend je viditelný pouhým okem. Kompaktní jaderné elektrárny již dávno vznikly a v praxi existují.

Jaký výkon musí mít jaderná elektrárna jako pohonný motor pro střelu podobnou velikosti jako X-101?

Nemůžete najít práci? Vynásobte čas silou!
(Sbírka univerzálních tipů.)

Najít sílu také není těžké. N=F×V.

Podle oficiálních údajů jsou střely s plochou dráhou letu Kha-101, stejně jako řada střel Kalibr, vybaveny turboventilátorovým motorem-50 s krátkou životností, který vyvíjí tah 450 kgf (≈ 4400 N). Cestovní rychlost střely je 0,8 m, neboli 270 m/s. Ideální vypočtená účinnost proudového obtokového motoru je 30 %.

V tomto případě je požadovaný výkon motoru s plochou dráhou letu pouze 25krát vyšší než tepelný výkon reaktoru řady Topaz.

Navzdory pochybám německého odborníka je vytvoření jaderného proudového (nebo náporového) raketového motoru realistickým úkolem, který odpovídá požadavkům naší doby.

Raketa z pekla

"Je to celé překvapení - řízená střela s jaderným pohonem," řekl Douglas Barry, vedoucí pracovník Mezinárodního institutu pro strategická studia v Londýně. "Tato myšlenka není nová, mluvilo se o ní v 60. letech, ale narazil na spoustu překážek."

Nejen o tom mluvili. Při testech v roce 1964 vyvinul náporový jaderný motor Tori-IIC tah 16 tun s tepelným výkonem reaktoru 513 MW. Při simulaci nadzvukového letu instalace spotřebovala 450 tun stlačeného vzduchu za pět minut. Reaktor byl navržen jako velmi „horký“ - provozní teplota v aktivní zóně dosahovala 1600°C. Konstrukce měla velmi úzké tolerance: v řadě oblastí byla přípustná teplota pouze 150–200 °C pod teplotou, při které se prvky rakety roztavily a zhroutily.

Byly tyto ukazatele dostatečné k tomu, aby se v praxi používaly proudové motory s jaderným pohonem jako motor? Odpověď je zřejmá.

Jaderný nápor vyvinul větší (!) tah než turbonáporový motor „třímachového“ průzkumného letounu SR-71 „Black Bird“.

"Polygon-401", jaderné náporové testy

Experimentální zařízení „Tori-IIA“ a „-IIC“ jsou prototypy jaderného motoru řízené střely SLAM.

Ďábelský vynález, schopný podle výpočtů prorazit 160 000 km prostoru v minimální výšce rychlostí 3M. Doslova „pokosila“ každého, kdo se na její truchlivé cestě potkal, rázovou vlnou a hromem o síle 162 dB (smrtelná hodnota pro člověka).

Reaktor bojového letounu neměl žádnou biologickou ochranu. Protržené ušní bubínky po průletu SLAM by se zdály nevýznamné ve srovnání s radioaktivními emisemi z trysky rakety. Létající monstrum za sebou zanechalo více než kilometr širokou stopu s dávkou záření 200-300 rad. Odhaduje se, že SLAM zamořil 1800 čtverečních mil smrtící radiací za hodinu letu.

Podle propočtů mohla délka letadla dosáhnout 26 metrů. Startovací hmotnost - 27 tun. Bojovým nákladem byly termonukleární nálože, které musely být postupně shazovány na několik sovětských měst podél letové trasy rakety. Po splnění hlavního úkolu měl SLAM ještě několik dní kroužit nad územím SSSR a kontaminovat vše kolem radioaktivními emisemi.

Možná nejsmrtelnější ze všeho, co se člověk pokusil vytvořit. Naštěstí nedošlo ke skutečnému spuštění.

Projekt s kódovým označením „Pluto“ byl zrušen 1. července 1964. Přitom podle jednoho z vývojářů SLAM J. Cravena nikdo z amerického vojenského a politického vedení rozhodnutí nelitoval.

Důvodem pro opuštění „nízko letící jaderné střely“ byl vývoj mezikontinentálních balistických střel. Schopné způsobit nezbytné škody v kratším čase s nesrovnatelnými riziky pro samotnou armádu. Jak správně poznamenali autoři publikace v časopise Air&Space: ICBM alespoň nezabily každého, kdo byl poblíž odpalovacího zařízení.

Stále se neví, kdo, kde a jak plánoval démona otestovat. A kdo by byl zodpovědný, kdyby SLAM sešel z kurzu a přeletěl nad Los Angeles. Jeden z bláznivých návrhů navrhoval přivázat raketu ke kabelu a řídit ji v kruhu nad opuštěnými oblastmi státu. Nevada. Okamžitě však vyvstala další otázka: co dělat s raketou, když v reaktoru dohoří poslední zbytky paliva? Místo, kam se SLAM „přistane“ po staletí nepřiblíží.

Život nebo smrt. Konečná volba

Na rozdíl od mystického „Pluta“ z 50. let 20. století projekt moderní jaderné střely, vyjádřený V. Putinem, navrhuje vytvoření účinného prostředku k proražení amerického systému protiraketové obrany. Vzájemně zajištěné zničení je nejdůležitějším kritériem pro jaderné odstrašení.

Transformace klasické „jaderné triády“ na ďábelský „pentagram“ – se zahrnutím nové generace doručovacích vozidel (jaderné řízené střely neomezeného doletu a strategická jaderná torpéda „status-6“), spojená s modernizací ICBM hlavice (manévrování „Avangard“) je rozumnou reakcí na vznik nových hrozeb. Washingtonská politika protiraketové obrany nedává Moskvě jinou možnost.

"Vyvíjíte své protiraketové systémy." Zvyšuje se dosah antiraket, zvyšuje se přesnost, tyto zbraně se zdokonalují. Proto na to musíme adekvátně reagovat, abychom systém mohli překonat nejen dnes, ale i zítra, až budete mít nové zbraně.“

V. Putin v rozhovoru pro NBC.

Odtajněné detaily experimentů v rámci programu SLAM/Pluto přesvědčivě dokazují, že vytvoření jaderné řízené střely bylo možné (technicky proveditelné) již před šesti desetiletími. Moderní technologie nám umožňují posunout nápad na novou technickou úroveň.

Meč rezaví od slibů

Navzdory množství zřejmých faktů, které vysvětlují důvody vzniku „prezidentské superzbraně“ a rozptýlí jakékoli pochybnosti o „nemožnosti“ vytvoření takových systémů, je v Rusku i v zahraničí stále mnoho skeptiků. "Všechny uvedené zbraně jsou pouze prostředkem informační války." A pak - různé návrhy.

Pravděpodobně by člověk neměl brát vážně karikované „odborníky“, jako je I. Moiseev. Šéf Space Policy Institute (?), který online publikaci The Insider řekl: „Nemůžete nasadit jaderný motor na řízenou střelu. A žádné takové motory neexistují."

Pokusy o „odhalení“ prezidentových výroků probíhají i na serióznější analytické úrovni. Taková „vyšetřování“ si okamžitě získávají oblibu mezi liberálně smýšlející veřejností. Skeptici uvádějí následující argumenty.

Všechny oznámené systémy se týkají strategických přísně tajných zbraní, jejichž existenci není možné ověřit ani vyvrátit. (Samotné poselství Federálnímu shromáždění ukazovalo počítačovou grafiku a záběry startů, k nerozeznání od testů jiných typů řízených střel.) Nikdo přitom nemluví například o vytvoření těžkého útočného dronu nebo torpédoborce- třídní válečná loď. Zbraň, která by brzy musela být jasně předvedena celému světu.

Podle některých „udavačů“ může vysoce strategický, „tajný“ kontext zpráv naznačovat jejich nevěrohodnou povahu. No, pokud je toto hlavní argument, tak o čem je spor s těmito lidmi?

Existuje také jiný úhel pohledu. Šokující prohlášení o jaderných střelách a bezpilotních 100uzlových ponorkách se objevují na pozadí zjevných problémů vojensko-průmyslového komplexu, se kterými se setkáváme při zavádění jednodušších projektů „tradičních“ zbraní. Výroky o raketách, které najednou předčí všechny existující zbraně, jsou v ostrém kontrastu se známou situací s raketovou vědou. Skeptici uvádějí příklad masivních poruch během startů Bulava nebo vývoje nosné rakety Angara, který se vlekl dvě desetiletí. Sama začala v roce 1995; místopředseda vlády D. Rogozin v listopadu 2017 přislíbil obnovení startů Angary z kosmodromu Vostočnyj až v roce 2021.

A mimochodem, proč Zircon, hlavní námořní senzace předchozího roku, zůstal bez pozornosti? Hypersonická střela schopná zničit všechny existující koncepty námořního boje.

Zpráva o příchodu laserových systémů k vojákům přitáhla pozornost výrobců laserových systémů. Stávající zbraně s řízenou energií byly vytvořeny na rozsáhlé základně výzkumu a vývoje high-tech zařízení pro civilní trh. Například americká lodní instalace AN/SEQ-3 LaWS je „balíček“ šesti svařovacích laserů o celkovém výkonu 33 kW.

Oznámení o vytvoření supervýkonného bojového laseru kontrastuje na pozadí velmi slabého laserového průmyslu: Rusko není jedním z největších světových výrobců laserových zařízení (Coherent, IPG Photonics nebo čínská Han „Laser Technology). , náhlý výskyt vysoce výkonných laserových zbraní vzbuzuje u odborníků skutečný zájem.

Vždy je více otázek než odpovědí. Ďábel se skrývá v detailech, ale oficiální zdroje poskytují extrémně špatný obrázek o nejnovějších zbraních. Často ani není jasné, zda je systém již připraven k přijetí, nebo zda je jeho vývoj v určité fázi. Známé precedenty spojené s vytvořením takových zbraní v minulosti naznačují, že vzniklé problémy nelze vyřešit lusknutím prstů. Fanoušci technických inovací mají obavy z výběru místa pro testování odpalovačů raket na jaderný pohon. Nebo způsoby komunikace s podvodním dronem „Status-6“ (zásadní problém: pod vodou nefunguje radiová komunikace; během komunikačních relací jsou ponorky nuceny vystoupit na hladinu). Bylo by zajímavé slyšet vysvětlení o metodách aplikace: ve srovnání s tradičními ICBM a SLBM, které jsou schopné zahájit a ukončit válku během hodiny, bude Status-6 trvat několik dní, než dosáhne pobřeží USA. Když už tam nikdo nebude!

Poslední bitva skončila.
Zůstal někdo naživu?
Jako odpověď - jen kvílení větru...

Použití materiálů:
Air&Space Magazine (duben–květen 1990)
Tichá válka od Johna Cravena

Koncem loňského roku ruské strategické raketové síly testovaly zcela novou zbraň, jejíž existence byla dříve považována za nemožnou. Střela s jaderným pohonem, kterou vojenští experti označují jako 9M730, je přesně tou novou zbraní, o které prezident Putin hovořil ve svém projevu k Federálnímu shromáždění. Test rakety byl údajně proveden na testovacím místě Novaja Zemlya, přibližně na konci podzimu 2017, ale přesná data nebudou brzy odtajněna. Vývojář rakety je také pravděpodobně Novator Experimental Design Bureau (Jekatěrinburg). Podle kompetentních zdrojů střela zasáhla cíl v normálním režimu a testy byly považovány za zcela úspěšné. Dále údajné fotografie startu (nahoře) nové rakety s jadernou elektrárnou a dokonce nepřímé potvrzení související s přítomností v očekávané době testování v bezprostřední blízkosti zkušebního místa Il-976 LII Gromov „létající laboratoř“ se značkami Rosatom se objevily v médiích. Otázek však vyvstalo ještě více. Je deklarovaná schopnost rakety létat s neomezeným dosahem reálná a jak je jí dosaženo?

Charakteristika řízené střely s jadernou elektrárnou

Charakteristiky řízené střely s jadernými zbraněmi, které se objevily v médiích bezprostředně po projevu Vladimira Putina, se mohou lišit od skutečných, které budou známy později. K dnešnímu dni byly zveřejněny následující údaje o velikosti a výkonnostních charakteristikách rakety:

Délka
- domovskou stránku- minimálně 12 metrů,
- pochodující- minimálně 9 metrů,

Průměr těla rakety- asi 1 metr,
Šířka pouzdra- asi 1,5 metru,
Výška ocasu- 3,6 - 3,8 metru

Princip činnosti ruské řízené střely s jaderným pohonem

Vývoj raket s jaderným pohonem provádělo několik zemí najednou a vývoj začal ve vzdálených 60. letech 20. století. Návrhy navržené inženýry se lišily pouze v detailech zjednodušeně, princip činnosti lze popsat takto: jaderný reaktor ohřívá směs vstupující do speciálních nádob (různé varianty, od čpavku po vodík) s následným uvolňováním tryskami pod; vysoký tlak. Verze řízené střely, o které hovořil ruský prezident, však neodpovídá žádnému z dříve vyvinutých příkladů konstrukcí.

Faktem je, že podle Putina má raketa téměř neomezený dolet. To samozřejmě nelze chápat tak, že raketa může létat roky, ale lze to považovat za přímý náznak toho, že její letový dosah je mnohonásobně větší než dosah moderních řízených střel. Druhý bod, který nelze ignorovat, také souvisí s deklarovaným neomezeným letovým dosahem, a tedy s provozem pohonné jednotky řízené střely. Například heterogenní tepelný neutronový reaktor, testovaný v motoru RD-0410, který vyvinuli Kurčatov, Keldysh a Korolev, měl zkušební životnost pouze 1 hodinu a v tomto případě nemůže být neomezený letový dosah takového řeč o řízené střele s jaderným pohonem.

To vše nasvědčuje tomu, že ruští vědci navrhli zcela nový, dříve neuvažovaný koncept struktury, ve kterém se k ohřevu a následnému vypouštění z trysky používá látka, která má velmi ekonomický zdroj spotřeby na velké vzdálenosti. Příkladem může být jaderný vzduchový dýchací motor (NARE) zcela nového typu, ve kterém je pracovní hmotou atmosférický vzduch, čerpaný do pracovních nádob kompresory, ohřívaný jaderným zařízením a následně tryskající tryskami. .

Za zmínku také stojí, že řízená střela s jadernou elektrárnou oznámená Vladimirem Putinem může létat kolem aktivních zón systémů protivzdušné a protiraketové obrany a také si udržet cestu k cíli v malých a ultra nízkých výškách. To je možné pouze vybavením rakety systémy pro sledování terénu, které jsou odolné proti rušení vytvářeným nepřátelskými systémy elektronického boje.

Myšlenka házení atomových bomb za záď se ukázala být příliš brutální, ale množství energie, kterou produkuje jaderná štěpná reakce, nemluvě o fúzi, je pro kosmonautiku extrémně atraktivní. Vzniklo proto mnoho nepulsních systémů, zbavených problémů s ukládáním stovek jaderných bomb na palubě a kyklopských tlumičů. Dnes si o nich povíme.

Jaderná fyzika na dosah ruky

Co je to jaderná reakce? Abych to vysvětlil velmi jednoduše, obrázek bude asi takový. Ze školních osnov si pamatujeme, že hmota se skládá z molekul, molekuly z atomů a atomy z protonů, elektronů a neutronů (existují nižší úrovně, ale to nám stačí). Některé těžké atomy mají zajímavou vlastnost - pokud jsou zasaženy neutronem, rozpadají se na lehčí atomy a uvolňují několik neutronů. Pokud tyto uvolněné neutrony zasáhnou další těžké atomy poblíž, rozpad se bude opakovat a dojde k jaderné řetězové reakci. Pohyb neutronů vysokou rychlostí znamená, že se tento pohyb změní v teplo, když neutrony zpomalí. Proto je jaderný reaktor velmi výkonným ohřívačem. Mohou vařit vodu, poslat výslednou páru do turbíny a získat jadernou elektrárnu. Nebo můžete zahřát vodík a vyhodit ho ven, čímž vznikne nukleární tryskový motor. Z této myšlenky se zrodily první motory - NERVA a RD-0410.

NERVA

Historie projektu

Formální autorství (patent) na vynález atomového raketového motoru patří Richardu Feynmanovi, podle jeho memoárů „Vy si jistě děláte legraci, pane Feynmane“. Kniha je mimochodem velmi doporučená četba. Laboratoř Los Alamos začala vyvíjet jaderné raketové motory v roce 1952. V roce 1955 byl zahájen projekt Rover. V první fázi projektu, KIWI, bylo postaveno 8 experimentálních reaktorů a od roku 1959 do roku 1964 bylo studováno proplachování pracovní kapaliny aktivní zónou reaktoru. Pro časovou orientaci, projekt Orion existoval od roku 1958 do roku 1965. Rover měl fázi dvě a tři zkoumající reaktory s vyšším výkonem, ale NERVA byla založena na KIWI kvůli plánům na první zkušební start do vesmíru v roce 1964 - nebyl čas vyvíjet pokročilejší možnosti. Termíny se postupně posouvaly kupředu a v roce 1966 se uskutečnil první pozemní start motoru NERVA NRX/EST (EST - Engine System Test). Motor pracoval úspěšně dvě hodiny, z toho 28 minut na plný tah. Druhý motor NERVA XE byl nastartován 28krát a běžel celkem 115 minut. Motor byl považován za vhodný pro vesmírné aplikace a zkušební stolice byla připravena otestovat nově sestavené motory. Zdálo se, že NERVA má před sebou zářnou budoucnost – let na Mars v roce 1978, stálou základnu na Měsíci v roce 1981, orbitální remorkéry. Úspěch projektu ale vyvolal v Kongresu paniku – lunární program se ukázal být pro USA velmi drahý, program Mars by byl ještě dražší. V letech 1969 a 1970 bylo vážně omezeno financování vesmíru - Apollo 18, 19 a 20 byly zrušeny a nikdo by na program Mars nepřidělil obrovské množství peněz. V důsledku toho byly práce na projektu prováděny bez vážných finančních prostředků a byl uzavřen v roce 1972.

Design

Vodík z nádrže vstoupil do reaktoru, tam se ohříval a byl vyhozen ven, čímž se vytvořil proudový tah. Jako pracovní tekutina byl zvolen vodík, protože má lehké atomy a snáze se urychluje na vysokou rychlost. Čím vyšší je rychlost tryskového výfuku, tím účinnější je raketový motor.
Neutronový reflektor byl použit k zajištění toho, že neutrony byly vráceny zpět do reaktoru, aby se udržela jaderná řetězová reakce.
K ovládání reaktoru byly použity regulační tyče. Každá taková tyč se skládala ze dvou polovin - reflektoru a absorbéru neutronů. Při otáčení tyče neutronovým reflektorem se jejich průtok v reaktoru zvýšil a reaktor zvýšil přenos tepla. Při otáčení tyče absorbérem neutronů se jejich průtok v reaktoru snížil a reaktor snížil přenos tepla.
Vodík se také používal k chlazení trysky a teplý vodík z chladicího systému trysky roztáčel turbočerpadlo, aby dodávalo více vodíku.

Motor běží. Vodík byl speciálně zapálen na výstupu z trysky, aby se zabránilo hrozbě výbuchu ve vesmíru;

Motor NERVA produkoval 34 tun tahu, asi jedenapůlkrát méně než motor J-2, který poháněl druhý a třetí stupeň rakety Saturn V. Specifický impuls byl 800-900 sekund, což bylo dvakrát více než u nejlepších motorů využívajících palivovou dvojici kyslík-vodík, ale méně než u elektrického pohonného systému nebo motoru Orion.

Něco málo o bezpečnosti

Jaderný reaktor, který byl právě smontován a nebyl spuštěn, s novými palivovými soubory, které ještě nebyly použity, je docela čistý. Uran je jedovatý, takže je třeba nosit rukavice, ale nic víc. Nejsou potřeba žádné dálkové manipulátory, olověné stěny atd. Veškerá vyzařující špína se objevuje po spuštění reaktoru v důsledku rozptylujících se neutronů, které „kazí“ atomy nádoby, chladiva atd. Proto by v případě havárie rakety s takovým motorem byla radiační kontaminace atmosféry a povrchu malá a samozřejmě mnohem menší než při běžném startu Orionu. V případě úspěšného startu by byla kontaminace minimální nebo zcela chyběla, protože motor by musel být spuštěn ve vyšších vrstvách atmosféry nebo již ve vesmíru.

RD-0410

Sovětský motor RD-0410 má podobnou historii. Myšlenka motoru se zrodila na konci 40. let mezi průkopníky raketové a jaderné technologie. Stejně jako u projektu Rover byl původní myšlenkou jaderně poháněný vzduch dýchající motor pro první stupeň balistické střely, poté se vývoj přesunul do kosmického průmyslu. RD-0410 byl vyvíjen pomaleji; domácí vývojáři byli uneseni myšlenkou plynového jaderného pohonu (více níže). Projekt začal v roce 1966 a pokračoval až do poloviny 80. let. Cílem pro motor byla mise Mars 94, pilotovaný let na Mars v roce 1994.
Konstrukce RD-0410 je podobná jako u NERVA - vodík prochází tryskou a reflektory, ochlazuje je, je přiváděn do aktivní zóny reaktoru, tam se zahřívá a uvolňuje.
Podle svých charakteristik byl RD-0410 lepší než NERVA - teplota aktivní zóny reaktoru byla 3000 K místo 2000 K pro NERVA a měrný impuls přesahoval 900 s. RD-0410 byl lehčí a kompaktnější než NERVA a vyvinul desetkrát menší tah.

Zkoušky motoru. Boční svítilna vlevo dole zapálí vodík, aby se zabránilo explozi.

Vývoj jaderných pohonných motorů na tuhou fázi

Pamatujeme si, že čím vyšší je teplota v reaktoru, tím větší je průtok pracovní tekutiny a tím vyšší je specifický impuls motoru. Co vám brání zvýšit teplotu v NERVA nebo RD-0410? Faktem je, že v obou motorech jsou palivové články v pevném stavu. Pokud zvýšíte teplotu, roztaví se a vyletí spolu s vodíkem. Proto je pro vyšší teploty nutné vymyslet nějaký jiný způsob, jak jadernou řetězovou reakci provést.

Solný motor na jaderné palivo

V jaderné fyzice existuje něco jako kritické množství. Vzpomeňte si na jadernou řetězovou reakci na začátku příspěvku. Pokud jsou štěpné atomy velmi blízko u sebe (např. byly stlačeny tlakem ze speciální exploze), pak dojde k atomovému výbuchu – hodně tepla ve velmi krátké době. Pokud atomy nejsou stlačeny tak těsně, ale zvýší se tok nových neutronů ze štěpení, dojde k tepelné explozi. Konvenční reaktor by za takových podmínek selhal. Nyní si představte, že vezmeme vodný roztok štěpného materiálu (například uranové soli) a kontinuálně je přivádíme do spalovací komory, čímž se získá větší hmotnost, než je kritická. Výsledkem je nepřetržitě hořící jaderná „svíce“, jejíž teplo urychluje zreagované jaderné palivo a vodu.

Nápad navrhl v roce 1991 Robert Zubrin a podle různých odhadů slibuje konkrétní impuls 1300 až 6700 s s tahem měřeným v tunách. Bohužel takové schéma má také nevýhody:

Složitost skladování paliva - řetězové reakci v nádrži je třeba zamezit umístěním paliva např. do tenkých trubiček z absorbéru neutronů, nádrže tak budou složité, těžké a drahé.

Vysoká spotřeba jaderného paliva je dána tím, že účinnost reakce (počet rozpadlých/počet utracených atomů) bude velmi nízká. Ani v atomové bombě se štěpný materiál „nevyhoří“ okamžitě, většina cenného jaderného paliva bude vyplýtvána.

Pozemní zkoušky jsou prakticky nemožné - výfuk takového motoru bude hodně špinavý, špinavější ještě než u Orionu.

Existuje několik otázek ohledně řízení jaderné reakce - není pravda, že schéma, které je jednoduché ve slovním popisu, bude snadno technicky realizovatelné.

Plynové jaderné pohonné motory

Další myšlenka: co když vytvoříme vír pracovní tekutiny, v jehož středu bude probíhat jaderná reakce? V tomto případě se vysoká teplota jádra nedostane ke stěnám, je absorbována pracovní tekutinou a může se zvýšit až na desítky tisíc stupňů. Takto se zrodila myšlenka plynového jaderného pohonu s otevřeným cyklem:

Jaderný pohonný motor v plynné fázi slibuje specifický impuls až 3000-5000 sekund. V SSSR byl zahájen projekt plynového jaderného pohonného motoru (RD-600), který však nedospěl ani do fáze makety.
„Otevřený cyklus“ znamená, že jaderné palivo se bude uvolňovat venku, což samozřejmě snižuje účinnost. Proto byl vynalezen následující nápad, dialekticky se vracející k NRE v pevné fázi – obklopme oblast jaderné reakce dostatečně tepelně odolnou látkou, která bude přenášet vyzařované teplo. Jako taková látka byl navržen křemen, protože při desítkách tisíc stupňů se teplo přenáší sáláním a materiál nádoby musí být průhledný. Výsledkem je jaderný pohonný motor s uzavřeným cyklem v plynné fázi nebo „jaderná žárovka“:

V tomto případě bude limitem teploty jádra tepelná pevnost pláště „žárovky“. Teplota tání křemene je 1700 stupňů Celsia, s aktivním chlazením lze teplotu zvýšit, ale v každém případě bude specifický impuls nižší než otevřený okruh (1300-1500 s), ale jaderné palivo bude spotřebováno ekonomičtěji a výfuk bude čistší.

Alternativní projekty

Kromě vývoje jaderných pohonných motorů na pevnou fázi existují i originální projekty.

Štěpný motor

Myšlenkou tohoto motoru je, že neexistuje žádná pracovní tekutina - je to vyhozené vyhořelé jaderné palivo. V prvním případě jsou podkritické disky vyrobeny ze štěpných materiálů, které samy o sobě nespustí řetězovou reakci. Ale pokud je disk umístěn v zóně reaktoru s neutronovými reflektory, spustí se řetězová reakce. A rotace disku a nepřítomnost pracovní tekutiny povede k tomu, že rozpadlé vysokoenergetické atomy odletí do trysky a vytvoří tah a nerozpadlé atomy zůstanou na disku a dostanou šanci další otáčka disku:

Ještě zajímavější nápad je vytvořit prašné plazma (vzpomeňte si na ISS) ze štěpných materiálů, ve kterém jsou produkty rozpadu nanočástic jaderného paliva ionizovány elektrickým polem a vymrštěny, čímž vzniká tah:

Slibují fantastický specifický impuls 1 000 000 sekund. Nadšení je tlumeno tím, že vývoj je na úrovni teoretického výzkumu.

Jaderné fúzní motory

V ještě vzdálenější budoucnosti vznik jaderných fúzních motorů. Na rozdíl od reakcí jaderného rozpadu, kde byly atomové reaktory vytvořeny téměř současně s bombou, se termonukleární reaktory ještě nepřestěhovaly ze „zítra“ na „dnes“ a fúzní reakce lze používat pouze ve stylu „Orion“ - házení termonukleárních bomb.

Jaderná fotonová raketa

Teoreticky je možné zahřát jádro do takové míry, že odrazem fotonů může vzniknout tah. Navzdory absenci technických omezení jsou takové motory na současné úrovni nerentabilní - tah bude příliš nízký.

Radioizotopová raketa

Raketa, která ohřívá pracovní tekutinu z RTG, bude plně funkční. Ale RTG generuje relativně málo tepla, takže takový motor bude velmi neefektivní, i když velmi jednoduchý.

Závěr

Na současné úrovni technologie je možné sestavit polovodičový jaderný pohon ve stylu NERVA nebo RD-0410 - technologie jsou zvládnuty. Takový motor ale prohraje na kombinaci „jaderný reaktor + elektrický pohon“ v oblasti specifického impulsu, zatímco vítězí v tahu. Pokročilejší možnosti jsou ale stále jen na papíře. Proto si osobně myslím, že kombinace „reaktor + elektrický pohon“ je slibnější.

Zdroje informací

Hlavním zdrojem informací je anglická Wikipedie a zdroje tam uvedené jako odkazy. Paradoxně jsou zajímavé články o NRE na Tradici - NRE v pevné fázi a NRE v plynné fázi. Článek o motorech na

Kapalinové raketové motory umožnily lidem dostat se do vesmíru – na blízké oběžné dráhy Země. Ale rychlost tryskového proudu v raketovém motoru na kapalné pohonné hmoty nepřesahuje 4,5 km/sa pro lety na jiné planety jsou potřeba desítky kilometrů za sekundu. Možným řešením je využití energie jaderných reakcí.

Praktickou tvorbu jaderných raketových motorů (NRE) provedl pouze SSSR a USA. V roce 1955 začaly Spojené státy provádět program Roveru na vývoj jaderného raketového motoru pro kosmické lodě. O tři roky později, v roce 1958, se do projektu zapojila NASA, která pro lodě s jaderným pohonem stanovila konkrétní úkol – let na Měsíc a Mars. Od té doby se program začal nazývat NERVA, což znamená „jaderný motor pro instalaci na rakety“.

Do poloviny 70. let se v rámci tohoto programu plánovalo zkonstruovat jaderný raketový motor s tahem asi 30 tun (pro srovnání, typický tah tehdejších raketových motorů na kapalinu byl přibližně 700 tun), ale s rychlostí výfuku plynu 8,1 km/s. Nicméně v roce 1973 byl program uzavřen kvůli posunu zájmů USA směrem k raketoplánu.

V SSSR byla konstrukce prvních jaderných motorů provedena ve druhé polovině 50. let. Současně sovětští konstruktéři namísto vytvoření modelu v plném měřítku začali vyrábět samostatné části jaderného motoru. A pak byl tento vývoj testován v interakci se speciálně vyvinutým pulzním grafitovým reaktorem (IGR).

V 70-80 letech minulého století vytvořily Saljut Design Bureau, Khimavtomatiki Design Bureau a Luch NPO projekty vesmírných jaderných pohonných motorů RD-0411 a RD-0410 s tahem 40 a 3,6 tuny. Během procesu návrhu byl pro testování vyroben reaktor, studený motor a prototyp zkušební stolice.

V červenci 1961 oznámil sovětský akademik Andrej Sacharov projekt jaderného výbuchu na setkání předních jaderných vědců v Kremlu. Výbušný letoun měl pro vzlet klasické kapalinové raketové motory, ale ve vesmíru měl odpálit malé jaderné nálože. Štěpné produkty vzniklé během exploze přenesly svou hybnost na loď, což způsobilo její let. 5. srpna 1963 však byla v Moskvě podepsána smlouva o zákazu zkoušek jaderných zbraní v atmosféře, vesmíru a pod vodou. To byl důvod pro uzavření programu jaderných výbuchů.

Je možné, že vývoj jaderných motorů předběhl svou dobu. Nebyly však příliš předčasné. Příprava na pilotovaný let na jiné planety totiž trvá několik desítek let a pohonné systémy na něj musí být připraveny předem.

Konstrukce jaderného raketového motoru

Jaderný raketový motor (NRE) je proudový motor, ve kterém energie vznikající při jaderném rozpadu nebo fúzní reakci ohřívá pracovní tekutinu (nejčastěji vodík nebo čpavek).

Existují tři typy jaderných pohonných motorů v závislosti na typu paliva pro reaktor:

pevná fáze;
kapalná fáze;
plynná fáze.

Nejúplnější je pevná fáze možnost motoru. Obrázek ukazuje schéma nejjednoduššího motoru s jaderným pohonem s reaktorem na tuhé jaderné palivo. Pracovní kapalina je umístěna v externí nádrži. Pomocí čerpadla je přiváděn do prostoru motoru. V komoře je pracovní tekutina rozstřikována pomocí trysek a přichází do kontaktu s jaderným palivem vytvářejícím palivo. Při zahřátí se rozpíná a velkou rychlostí vylétá z komory tryskou.

Kapalná fáze— jaderné palivo v aktivní zóně reaktoru takového motoru je v kapalné formě. Trakční parametry těchto motorů jsou vyšší než u motorů na pevnou fázi v důsledku vyšší teploty reaktoru.

V plynná fáze Palivo NRE (například uran) a pracovní tekutina jsou v plynném stavu (ve formě plazmy) a jsou drženy v pracovní oblasti elektromagnetickým polem. Uranové plazma zahřáté na desítky tisíc stupňů předává teplo pracovní tekutině (například vodíku), která zase při zahřátí na vysoké teploty vytváří tryskový proud.

Podle typu jaderné reakce se rozlišuje radioizotopový raketový motor, termonukleární raketový motor a samotný jaderný motor (využívá se energie jaderného štěpení).

Zajímavou možností je také pulzní jaderný raketový motor – jako zdroj energie (paliva) se navrhuje použít jadernou nálož. Taková zařízení mohou být vnitřního a vnějšího typu.

Hlavní výhody jaderných motorů jsou:

vysoký specifický impuls;
významné zásoby energie;
kompaktnost pohonného systému;
možnost získání velmi vysokého tahu - desítky, stovky a tisíce tun ve vakuu.

Hlavní nevýhodou je vysoké radiační nebezpečí pohonného systému:

toky pronikajícího záření (gama záření, neutrony) při jaderných reakcích;
odstraňování vysoce radioaktivních sloučenin uranu a jeho slitin;
únik radioaktivních plynů s pracovní kapalinou.

Spouštění jaderného motoru je proto pro starty z povrchu Země nepřijatelné kvůli riziku radioaktivní kontaminace.

Pulse YARD byla vyvinuta v souladu s principem navrženým v roce 1945 Dr. S. Ulamem z Los Alamos Research Laboratory, podle kterého se navrhuje použít jadernou nálož jako zdroj energie (palivo) vysoce účinného kosmického raketometu.

V té době, stejně jako v mnoha následujících letech, byly jaderné a termonukleární nálože nejvýkonnějšími a nejkompaktnějšími zdroji energie ve srovnání s ostatními. Jak víte, v současné době jsme na pokraji objevování způsobů, jak ovládat ještě koncentrovanější zdroj energie, protože ve vývoji první jednotky využívající antihmotu jsme již značně pokročili. Pokud bychom vycházeli pouze z množství dostupné energie, pak jaderné nálože poskytují specifický tah více než 200 000 sekund a termonukleární nálože - až 400 000 sekund. Tyto specifické hodnoty tahu jsou neúnosně vysoké pro většinu letů ve sluneční soustavě. Navíc při používání jaderného paliva v jeho „čisté“ podobě vzniká mnoho problémů, které ani v současné době nejsou zcela vyřešeny. Energie uvolněná při výbuchu se tedy musí přenést do pracovní tekutiny, která se zahřeje a poté vytéká z motoru a vytváří tah. V souladu s konvenčními metodami řešení takového problému je jaderná nálož umístěna do „spalovací komory“ naplněné pracovní tekutinou (například vodou nebo jinou kapalnou látkou), která se odpařuje a poté expanduje s větším nebo menším stupněm diabaticita v trysce.

Takový systém, který nazýváme vnitřní pulzní jaderný pohon, je velmi účinný, protože k vytvoření tahu jsou použity všechny produkty výbuchu a celá hmota pracovní tekutiny. Nestacionární pracovní cyklus umožňuje takovému systému vyvinout vyšší tlaky a teploty ve spalovací komoře a v důsledku toho vyšší měrný tah ve srovnání s nepřetržitým pracovním cyklem. Avšak samotná skutečnost, že dochází k explozím uvnitř určitého objemu, výrazně omezuje tlak a teplotu v komoře a v důsledku toho i dosažitelnou hodnotu specifického tahu. Vzhledem k tomu, navzdory mnoha výhodám interního pulzního NRE, se ukázalo, že externí pulzní NRE je jednodušší a efektivnější díky využití obrovského množství energie uvolněné během jaderných výbuchů.

V motoru s jaderným pohonem s vnějším působením se na vytváření proudového tahu nepodílí celá hmota paliva a pracovní tekutiny. Zde však i s nižší účinností. Spotřebuje se více energie, což vede k efektivnějšímu výkonu systému. Externí pulzní JE (dále jen pulzní JE) využívá energii výbuchu velkého množství malých jaderných náloží na palubě rakety. Tyto jaderné nálože jsou postupně vystřelovány z rakety a odpáleny za ní v určité vzdálenosti ( výkres níže). Při každém výbuchu se některé z rozpínajících se plynných štěpných fragmentů ve formě plazmatu s vysokou hustotou a rychlostí srazí se základnou rakety - tlačnou plošinou. Hybnost plazmy se přenáší na tlačnou plošinu, která se pohybuje vpřed s velkým zrychlením. Zrychlení je sníženo tlumicím zařízením na několik G v nosní komoře rakety, která nepřesahuje únosnost lidského těla. Po kompresním cyklu vrátí tlumicí zařízení tlačnou plošinu do výchozí polohy, po které je připravena přijmout další impuls.

Celkové zvýšení rychlosti získané kosmickou lodí ( výkres, vypůjčené z prac ), závisí na počtu výbuchů, a proto je určen počtem jaderných náloží vynaložených během daného manévru. Systematický vývoj takového projektu jaderného pohonu zahájil Dr. T. B. Taylor (General Atomics Division of General Dynamics) a pokračoval s podporou Advanced Research Projects Agency (ARPA), US Air Force, NASA a General Dynamic“ pro devět let, po kterých byly práce v tomto směru dočasně zastaveny, aby mohly být v budoucnu znovu obnoveny, protože tento typ pohonného systému byl vybrán jako jeden ze dvou hlavních pohonů kosmických lodí létajících ve sluneční soustavě.

Princip činnosti pulsního motoru s jaderným pohonem s vnější činností

Raná verze instalace, vyvinutá NASA v letech 1964-1965, byla srovnatelná (v průměru) s raketou Saturn 5 a poskytovala specifický tah 2500 sekund a efektivní tah 350 g; „suchá“ hmotnost (bez paliva) hlavního motorového prostoru byla 90,8 tuny Původní verze pulzního jaderného raketového motoru využívala již zmíněné jaderné nálože a předpokládalo se, že bude fungovat na nízkých oběžných drahách Země a v radiaci. pásová zóna kvůli nebezpečí radioaktivní kontaminace atmosféry produkty rozpadu uvolněnými při explozích. Poté byl specifický tah pulzních jaderných motorů zvýšen na 10 000 sekund a potenciální schopnosti těchto motorů umožnily toto číslo v budoucnu zdvojnásobit.

Pulzní jaderný pohonný systém mohl být vyvinut již v 70. letech s cílem uskutečnit první pilotovaný vesmírný let k planetám na počátku 80. let. Vývoj tohoto projektu však nebyl realizován v plné síle z důvodu schválení programu na vytvoření jaderného pohonného motoru na pevnou fázi. Kromě toho byl vývoj pulzního jaderného raketového motoru spojen s politickým problémem, protože používal jaderné nálože.

Erica K.A. (Krafft A. Ehricke)