Mio-tech-service.ru

Автомобильный журнал
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Что такое электроядерный двигатель

Сайт о нанотехнологиях #1 в России

Часто в общеобразовательных публикациях о космонавтике не различают разницу между ядерным ракетным двигателем (ЯРД) и ядерной ракетной электродвигательной установкой (ЯЭДУ). Однако под этими аббревиатурами скрывается не только разница в принципах преобразования ядерной энергии в силу тяги ракеты, но и весьма драматичная история развития космонавтики.

Драматизм истории состоит в том, что если бы остановленные главным образом по экономическим причинам исследования ЯДУ и ЯЭДУ как в СССР, так и в США продолжились, то полёты человека на марс давно бы уже стали обыденным делом.

Всё начиналось с атмосферных летательных аппаратов с прямоточным ядерным двигателем

Конструкторы в США и СССР рассматривали «дышащие» ядерные установки, способные втягивать забортный воздух и разогревать его до колоссальных температур. Вероятно, этот принцип образования тяги был заимствован от прямоточных воздушно-реактивных двигателей, только вместо ракетного топлива использовалась энергия деления атомных ядер диоксида урана 235. В США такой двигатель разрабатывался в рамках проекта Pluto[1]. Американцы сумели создать два прототипа нового двигателя — Tory-IIA и Tory-IIC, на которых даже производились включения реакторов. Мощность установки должна была составить 600 мегаватт.

Двигатели, разработанные в рамках проекта Pluto, планировалось устанавливать на крылатые ракеты, которые в 1950-х годах создавались под обозначением SLAM (Supersonic Low Altitude Missile, сверхзвуковая маловысотная ракета).

В США планировали построить ракету длинной 26,8 метра, диаметром три метра, и массой в 28 тонн. В корпусе ракеты должен был располагаться ядерный боезаряд, а также ядерная двигательная установка, имеющая длину 1,6 метра и диаметр 1,5 метра. На фоне других размеров установка выглядела весьма компактной, что и объясняет её прямоточный принцип работы.

Разработчики полагали, что, благодаря ядерному двигателю, дальность полета ракеты SLAM составит, по меньшей мере, 182 тысячи километров.

В 1964 году министерство обороны США проект закрыло. Официальной причиной послужило то, что в полете крылатая ракета с ядерным двигателем слишком сильно загрязняет все вокруг. Но на самом деле причина состояла в значительных затратах на обслуживание таких ракет, тем более к тому времени бурно развивалось ракетостроение на основе жидкостных реактивных ракетных двигателей, обслуживание которых было значительно дешевле.

СССР оставалась верной идеи создания ЯРД прямоточной конструкции значительно дольше, чем США, закрыв проект только в 1985 году [2]. Но и результаты получились значительно весомее. Так, первый и единственный советский ядерный ракетный двигатель был разработан в конструкторском бюро «Химавтоматика», Воронеж. Это РД-0410 (Индекс ГРАУ — 11Б91, известен также как «Ирбит» и «ИР-100»).

В РД-0410 был применён гетерогенный реактор на тепловых нейтронах, замедлителем служил гидрид циркония, отражатели нейтронов — из бериллия, ядерное топливо — материал на основе карбидов урана и вольфрама, с обогащением по изотопу 235 около 80 %.

Конструкция включала в себя 37 тепловыделяющих сборок, покрытых теплоизоляцией, отделявшей их от замедлителя. Проектом предусматривалось, что поток водорода вначале проходил через отражатель и замедлитель, поддерживая их температуру на уровне комнатной, а затем поступал в активную зону, где охлаждал тепловыделяющие сборки, нагреваясь при этом до 3100 К. На стенде отражатель и замедлитель охлаждались отдельным потоком водорода.

Реактор прошёл значительную серию испытаний, но ни разу не испытывался на полную длительность работы. Однако, вне реакторные узлы были отработаны полностью.

Технические характеристики РД 0410

  • Тяга в пустоте: 3,59 тс (35,2 кН)
  • Тепловая мощность реактора: 196 МВт
  • Удельный импульс тяги в пустоте: 910 кгс·с/кг (8927 м/с)
  • Число включений: 10
  • Ресурс работы: 1 час
  • Компоненты топлива: рабочее тело — жидкий водород, вспомогательное вещество — гептан
  • Масса с радиационной защитой: 2 тонны
  • Габариты двигателя: высота 3,5 м, диаметр 1,6 м.

Относительно небольшие габаритные размеры и вес, высокая температура ядерного топлива (3100 K) при эффективной системе охлаждения потоком водорода свидетельствует от том, что РД0410 является почти идеальным прототипом ЯРД для современных крылатых ракет. А, учитывая современные технологии получения самоостанавливающегося ядерного топлива, увеличение ресурса с часа до нескольких часов является вполне реальной задачей.

Конструкции ядерных ракетных двигателей

Ядерный ракетный двигатель (ЯРД) — реактивный двигатель, в котором энергия, возникающая при ядерной реакции распада или синтеза, нагревает рабочее тело (чаще всего, водород или аммиак)[3]. Существует три типа ЯРД по виду топлива для реактора:

  • твердофазный;
  • жидкофазный;
  • газофазный.

Наиболее законченным является твердофазный вариант двигателя. На рисунке изображена схема простейшего ЯРД с реактором на твердом ядерном горючем. Рабочее тело располагается во внешнем баке. С помощью насоса оно подается в камеру двигателя. В камере рабочее тело распыляется с помощью форсунок и вступает в контакт с тепловыделяющим ядерным топливом. Нагреваясь, оно расширяется и с огромной скоростью вылетает из камеры через сопло.

В газофазных ЯРД топливо (например, уран) и рабочее тело находится в газообразном состоянии (в виде плазмы) и удерживается в рабочей зоне электромагнитным полем. Нагретая до десятков тысяч градусов урановая плазма передает тепло рабочему телу (например, водороду), которое, в свою очередь, будучи нагретым до высоких температур и образует реактивную струю.

По типу ядерной реакции различают радиоизотопный ракетный двигатель, термоядерный ракетный двигатель и собственно ядерный двигатель (используется энергия деления ядер).

Читать еще:  Ssangyong new actyon запуск двигателя

Интересным вариантом также является импульсный ЯРД — в качестве источника энергии (горючего) предлагается использовать ядерный заряд. Такие установки могут быть внутреннего и внешнего типов.

Основными преимуществами ЯРД являются:

  • высокий удельный импульс;
  • значительный энергозапас;
  • компактность двигательной установки;
  • возможность получения очень большой тяги — десятки, сотни и тысячи тонн в вакууме.

Основным недостатком является высокая радиационная опасность двигательной установки:

  • потоки проникающей радиации (гамма-излучение, нейтроны) при ядерных реакциях;
  • вынос высокорадиоактивных соединений урана и его сплавов;
  • истечение радиоактивных газов с рабочим телом.

Ядерная энергодвигательная установка

Учитывая, что какую-либо достоверную информацию о ЯЭДУ по публикациям, в том числе и из научных статей, получить невозможно, принцип работы таких установок лучше всего рассматривать на примерах открытых патентных материалов, хотя и содержащих ноу-хау. Так, например, выдающимся российским учёным Коротеевым Анатолием Сазоновичем, автором изобретения по патенту [4], приведено техническое решение по составу оборудования для современной ЯРДУ.

Далее привожу часть указанного патентного документа дословно и без комментариев.

Сущность предлагаемого технического решения поясняется схемой, представленной на чертеже. ЯЭДУ, функционирующая в двигательно-энергетическом режиме, содержит электроракетную двигательную установку (ЭРДУ) (на схеме для примера представлено два электроракетных двигателя 1 и 2 с соответствующими системами подачи 3 и 4), реакторную установку 5, турбину 6, компрессор 7, генератор 8, теплообменник-рекуператор 9, вихревую трубку Ранка-Хильша 10, холодильник-излучатель 11. При этом турбина 6, компрессор 7 и генератор 8 объединены в единый агрегат — турбогенератор-компрессор. ЯЭДУ оснащена трубопроводами 12 рабочего тела и электрическими линиями 13, соединяющими генератор 8 и ЭРДУ. Теплообменник-рекуператор 9 имеет так называемые высокотемпературный 14 и низкотемпературный 15 входы рабочего тела, а также высокотемпературный 16 и низкотемпературный 17 выходы рабочего тела.

Выход реакторной установки 5 соединен со входом турбины 6, выход турбины 6 соединен с высокотемпературным входом 14 теплообменника-рекуператора 9. Низкотемпературный выход 15 теплообменника-рекуператора 9 соединен со входом в вихревую трубку Ранка-Хильша 10. Вихревая трубка Ранка-Хильша 10 имеет два выхода, один из которых (по «горячему» рабочему телу) соединен с холодильником-излучателем 11, а другой (по «холодному» рабочему телу) соединен со входом компрессора 7. Выход холодильника-излучателя 11 также соединен со входом в компрессор 7. Выход компрессора 7 соединен с низкотемпературным 15 входом в теплообменник-рекуператор 9. Высокотемпературный выход 16 теплообменника-рекуператора 9 соединен со входом в реакторную установку 5. Таким образом, основные элементы ЯЭДУ связаны между собой единым контуром рабочего тела.

ЯЭДУ работает следующим образом. Нагретое в реакторной установке 5 рабочее тело направляется на турбину 6, которая обеспечивает работу компрессора 7 и генератора 8 турбогенератора-компрессора. Генератор 8 производит генерацию электрической энергии, которая по электрическим линиям 13 направляется к электроракетным двигателям 1 и 2 и их системам подачи 3 и 4, обеспечивая их работу. После выхода из турбины 6 рабочее тело направляется через высокотемпературный вход 14 в теплообменник-рекуператор 9, где осуществляется частичное охлаждение рабочего тела.

Затем, из низкотемпературного выхода 17 теплообменника-рекуператора 9 рабочее тело направляется в вихревую трубку Ранка-Хильша 10, внутри которой происходит разделение потока рабочего тела на «горячую» и «холодную» составляющие. «Горячая» часть рабочего тела далее следует в холодильник-излучатель 11, где происходит эффективное охлаждение этой части рабочего тела. «Холодная» часть рабочего тела следует на вход в компрессор 7, туда же следует после охлаждения часть рабочего тела, выходящая из холодильника-излучателя 11.

Компрессор 7 производит подачу охлажденного рабочего тела в теплообменник-рекуператор 9 через низкотемпературный вход 15. Это охлажденное рабочее тело в теплообменнике-рекуператоре 9 обеспечивает частичное охлаждение встречного потока рабочего тела, поступающего в теплообменник-рекуператор 9 из турбины 6 через высокотемпературный вход 14. Далее, частично подогретое рабочее тело (за счет теплообмена с встречным потоком рабочего тела из турбины 6) из теплообменника-рекуператора 9 через высокотемпературный выход 16 вновь поступает к реакторной установке 5, цикл вновь повторяется.

Таким образом, находящееся в замкнутом контуре единое рабочее тело обеспечивает непрерывную работу ЯЭДУ, причем использование в составе ЯЭДУ вихревой трубки Ранка-Хильша в соответствии с заявляемым техническим решением обеспечивает улучшение массогабаритных характеристик ЯЭДУ, повышает надежность ее работы, упрощает ее конструктивную схему и дает возможность повысить эффективность ЯЭДУ в целом.

Что такое ядерный двигатель?

Для начала давайте разберемся, как работает тепловой ядерный двигатель. Тяга, которую развивает подобное устройство, возникает при использовании ядерного реактора деления для нагрева топлива с низкой молекулярной массой. В этом качестве предлагается использовать водород. При стремительном нагреве атомы водорода получают колоссальное количество кинетической энергии и выбрасываются с очень с высокой скоростью, создавая реактивную тягу. Все просто.

Использования силовой установки подобного типа дает огромные преимущества перед обычными ракетными двигателями. Поскольку демонстрирует высокую эффективность. Ядерный двигатель способен создавать удельные импульсы (Isp) выше 800 секунд. Для сравнения — обычная химическая тяга обычно обеспечивает Isp от 300 до 450 секунд. Разница очевидна.

Что касается недостатков, то наиболее важным из них является выброс радиоактивных материалов через сопло. Хотя это перестает быть проблемой, если двигатель запускается в космосе. Также нужно учитывать генерируемое излучение, которое может повлиять как на электронику, так и на живых существ. Еще можно отметить плохое соотношение развиваемой тяги к собственному весу изделия. Ну и высокую цену, которую нужно заплатить за ядерный двигатель.

Читать еще:  Двигатель gdi режимы работы

Из плюсов можно добавить еще, что неактивированный ядерный двигатель не является радиоактивным. В отличие от тех же РИТЭГов.

Художественное представление о космическом корабле программы DRACO. Источник: DARPA.

Советские проекты

В СССР работами по созданию ядерного прямоточного воздушно-реактивного двигателя занималось ОКБ-670 под руководством Михаила Бондарюка. ЯПВРД был предназначен для модификации межконтинентальной крылатой ракеты «Буря» («изделие 375»), которую с 1954 года проектировало ОКБ-301 под руководством Семена Лавочкина. Стартовый вес ракеты достигал 95 т, дальность должна была составить 8 тыс. км. Однако в 1960 году через несколько месяцев после смерти Лавочкина проект «обычной» крылатой ракеты «Буря» был закрыт. Создание же ракеты с ЯПВРД так и не вышло за рамки предэскизного проектирования.

Впоследствии специалисты ОКБ-670 (переименованного в КБ «Красная Звезда») занялись созданием ядерных ракетных двигателей для космических и боевых баллистических ракет, однако ни один из проектов так и не дошел до стадии испытаний. После смерти Бондарюка работы над авиационными ядерными двигателями были фактически прекращены.

К ним вернулись лишь в 1978 году, когда при НИИ тепловых процессов было образовано конструкторское бюро из бывших специалистов «Красной Звезды», занимавшееся прямоточными воздушно-реактивными двигателями. Одной из их разработок стал ядерный прямоточный воздушно-реактивный двигатель для более компактной, по сравнению с «Бурей», крылатой ракеты (стартовой массой до 20 т). Как писали СМИ, «проведенные исследования показали принципиальную возможность реализации проекта». Однако о ее испытаниях не сообщалось.

Само КБ просуществовало под различными названиями (НПВО «Пламя», ОКБ «Пламя-М») до 2004 года, после чего закрыто.

Газофазный ядерный ракетный двигатель [ | ]

Газофазный ядерный реактивный двигатель (ГЯРД) — концептуальный тип реактивного двигателя, в котором реактивная сила создаётся за счёт выброса теплоносителя (рабочего тела) из ядерного реактора, топливо в котором находится в газообразной форме или в виде плазмы. Считается, что в подобных двигателях удельный импульс составит 30—50 тыс. м/с. Перенос тепла от топлива к теплоносителю достигается в основном за счёт излучения, большей частью в ультрафиолетовой области спектра (при температурах топлива около 25 000 °C).

А вот ещё:

Власти Эквадора лишили Джулиана Ассанжа убежища в лондонском посольстве. Основатель WikiLeaks задержан британской полицией, и это уже назвали самым большим предательством в истории Эквадора. За что мстят Ассанжу и что его ждет?

Программист и журналист из Австралии Джулиан Ассанж приобрел широкую известность после того, как в 2010 году основанный им сайт WikiLeaks опубликовал секретные документы Госдепартамента США, а также материалы, касающиеся военных действий в Ираке и Афганистане.

Но узнать того, кого полицейские, поддерживая под руки, выводили из здания, было довольно сложно. Ассанж отпустил бороду и совсем не был похож на энергичного мужчину, каким до сих пор представал на фотографиях.

По словам эквадорского президента Ленина Морено, в убежище Ассанжу было отказано из-за неоднократного нарушения им международных конвенций.

Ожидается, что в полицейском участке в центре Лондона он пробудет до тех пор, пока не предстанет в Вестминстерском магистратском суде.

Почему президента Эквадора обвиняют в предательстве

Бывший президент Эквадора Рафаэль Корреа назвал решение нынешнего правительства самым большим предательством в истории страны. «То, что он (Морено. — Прим. ред.) сделал, — это преступление, которое человечество никогда не забудет», — заявил Корреа.

Лондон, напротив, поблагодарил Морено. В британском МИД считают, что справедливость восторжествовала. У представителя российского дипломатического ведомства Марии Захаровой другое мнение. «Рука «демократии» сжимает горло свободе», — отметила она. В Кремле выразили надежду, что права арестованного будут соблюдены.

Эквадор укрывал Ассанжа, потому что бывший президент придерживался левоцентристских взглядов, критиковал политику США и приветствовал публикацию WikiLeaks секретных документов о войнах в Ираке и в Афганистане. Еще до того как интернет-активисту понадобилось убежище, он успел лично познакомиться с Корреа: брал у него интервью для канала Russia Today.

Однако в 2017 году власть в Эквадоре сменилась, страна взяла курс на сближение с США. Новый президент назвал Ассанжа «камнем в ботинке» и сразу дал понять, что его пребывание на территории посольства не затянется.

По мнению Корреа, момент истины наступил в конце июня прошлого года, когда в Эквадор с визитом прибыл вице-президент США Майкл Пенс. Тогда все и решили. «Можете не сомневаться: Ленин — просто лицемер. Он уже договорился с американцами о судьбе Ассанжа. А теперь пробует сделать так, чтобы мы проглотили пилюлю, говоря, что Эквадор якобы продолжает диалог», — заявил Корреа в интервью каналу Russia Today.

Как Ассанж наживал новых врагов

За день до ареста главный редактор WikiLeaks Кристин Храфнссон рассказал, что за Ассанжем велась тотальная слежка. «WikiLeaks раскрыл масштабную шпионскую операцию в отношении Джулиана Ассанжа в посольстве Эквадора», — отметил он. По его данным, вокруг Ассанжа понаставили камер и диктофонов, а полученные сведения передавались администрации Дональда Трампа.

Храфнссон уточнил, что Ассанжа собирались выдворить из посольства неделей раньше. Этого не произошло только потому, что WikiLeaks обнародовал данную информацию. О планах властей Эквадора порталу сообщил высокопоставленный источник, однако глава эквадорского МИД Хосе Валенсия опроверг слухи.

Читать еще:  Датчик температуры двигателя y22dtr

Выдворению Ассанжа предшествовал коррупционный скандал вокруг Морено. В феврале WikiLeaks опубликовал пакет бумаг INA Papers, где прослеживались операции офшорной компании INA Investment, основанной братом эквадорского лидера. В Кито заявили, что это заговор Ассанжа с венесуэльским президентом Николасом Мадуро и бывшим главой Эквадора Рафаэлем Корреа с целью свергнуть Морено.

В начале апреля Морено пожаловался на поведение Ассанжа в лондонской миссии Эквадора. «Мы должны защитить жизнь господина Ассанжа, но он уже перешел все границы в смысле нарушения соглашения, к которому мы с ним пришли, — заявил президент. — Это не значит, что он не может свободно говорить, но он не может лгать и заниматься хакерством». При этом еще в феврале прошлого года стало известно, что Ассанжа в посольстве лишили возможности взаимодействовать с внешним миром, в частности ему отключили доступ в интернет.

Почему Швеция прекратила преследование Ассанжа

В конце прошлого года западные СМИ со ссылкой на источники сообщили, что Ассанжу предъявят обвинения в США. Официально это так и не подтвердили, однако именно из-за позиции Вашингтона Ассанжу пришлось укрыться в эквадорском посольстве шесть лет назад.

Швеция же в мае 2017-го прекратила расследование двух дел об изнасиловании, в которых обвиняли основателя портала. Ассанж потребовал от правительства страны компенсацию судебных издержек в размере 900 тысяч евро.

Ранее, в 2015 году, шведская прокуратура также сняла с него три обвинения за истечением срока давности.

Куда привело расследование дела об изнасиловании

Ассанж прибыл в Швецию летом 2010 года, надеясь получить защиту от американских властей. Но попал под следствие по делу об изнасиловании. В ноябре 2010-го в Стокгольме выдали ордер на его арест, Ассанжа объявили в международный розыск. Его задержали в Лондоне, однако вскоре выпустили под залог в 240 тысяч фунтов.

В феврале 2011-го британский суд постановил экстрадировать Ассанжа в Швецию, после чего последовал ряд успешных для основателя WikiLeaks апелляций .

Британские власти поместили его домашний арест перед тем, как принять решение об экстрадиции в Швецию. Нарушив данное властям обещание, Ассанж попросил убежища в посольстве Эквадора, которое и было ему предоставлено. С тех пор Великобритания имеет собственные претензии к основателю WikiLeaks.

Что теперь ждет Ассанжа

Как сообщили в полиции, мужчину повторно арестовали по запросу США об экстрадиции за публикацию засекреченных документов. В то же время заместитель главы британского МИД Алан Дункан заявил, что Ассанжа не вышлют в Соединенные Штаты, в случае если ему там будет грозить смертная казнь.

В Великобритании Ассанж, скорее всего, предстанет перед судом во второй половине дня 11 апреля. Об этом говорится на странице WikiLeaks в Twitter. Вероятно, британские власти будут добиваться максимального срока заключения в 12 месяцев, сообщила мать мужчины со ссылкой на его адвоката.

В то же время прокуратура Швеции рассматривает возможность возобновления расследования по обвинению в изнасиловании. Адвокат Элизабет Масси Фритц, представлявшая интересы пострадавшей, будет этого добиваться.

Другие разработки

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 2000 °C. В январе 1965 года были произведены испытания ядерного ракетного двигателя под кодовым названием «КИВИ» (KIWI).

В ноябре 2017 года Китайская корпорация аэрокосмической науки и техники (China Aerospace Science and Technology Corporation, CASC) опубликовала дорожную карту развития космической программы КНР на период 2017—2045 годы. Она предусматривает, в частности, создание многоразового корабля, работающего на ядерном ракетном двигателе [10] .

В феврале 2018 года появились сообщения о том, что НАСА возобновляет научно-исследовательские работы по ядерному ракетному двигателю [11] [12] [13] .

Экономическая эффективность

В качестве критерия экономической эффективности межорбитальной транспортной системы целесообразно использовать значение удельной стоимости транспортировки единицы массы полезного груза (ПГ) с поверхности Земли на целевую орбиту. РКК «Энергия» была разработана экономико-математическая модель, учитывающая основные составляющие затрат в транспортной системе:

  • на создание и выведение на орбиту модулей буксира;
  • на закупку рабочей ядерной установки;
  • эксплуатационные затраты, а также расходы на проведение НИОКР и возможные капитальные затраты.

Стоимостные показатели зависят от оптимальных параметров МБ. С использованием этой модели была исследована сравнительная экономическая эффективность применения многоразового буксира на основе ЯЭРДУ мощностью порядка 1 МВт и одноразового буксира на основе перспективных жидкостных ракетных двигателей в программе обеспечения доставки с Земли на орбиту Луны высотой 100 км полезного груза суммарной массой 100 т/год. При использовании одной и той же ракеты-носителя грузоподъемностью, равной грузоподъемности РН «Протон-М», и двухпусковой схемы построения транспортной системы удельная стоимость доставки единицы массы полезного груза с помощью буксира на основе ядерного двигателя будет в три раза ниже, чем при использовании одноразовых буксиров на основе ракет с жидкостными двигателями типа ДМ-3.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector