Перша стадія – заперечення

Німецький експерт у галузі ракетної техніки Роберт Шмукер вважав заяви В. Путіна абсолютно неправдоподібними. «Не можу уявити, що росіяни можуть створити маленький реактор», - розповів експерт в інтерв'ю «Дойче Велле».

Можуть, гер Шмукер. Тільки уявіть.

Перший вітчизняний супутник з ядерною енергоустановкою (“Космос-367”) було запущено з Байконура далекого 1970 року. 37 тепловиділяючих збірок малогабаритного реактора БЕС-5 "Бук", що містять 30 кг урану, при температурі в першому контурі 700°З тепловиділення 100 кВт забезпечували електричну потужність установки 3 кВт. Маса реактора – менше однієї тонни, розрахунковий час роботи 120-130 діб.

Експерти висловлять сумнів: надто мала потужність у цієї ядерної "батарейки"... Але! Ви подивіться на дату: це було півстоліття тому.

Низький ККД – наслідок термоемісійного перетворення. За інших форм передачі енергії показники значно вищі, наприклад у АЕС значення ККД знаходиться в межах 32-38%. У цьому сенсі особливий інтерес становить теплова потужність "космічного" реактора. 100 кВт – серйозна заявка на перемогу.

Варто зазначити, БЕС-5 "Бук" не належить до сімейства РІТЕГів. Радіоізотопні термоелектрогенератори перетворюють енергію природного розпаду атомів радіоактивних елементів і мають незначну потужність. У той же час "Бук" - справжній реактор з ланцюговою реакцією, що керується.

Наступне покоління радянських малогабаритних реакторів, що з'явилися наприкінці 1980-х рр., вирізнялося ще меншими габаритами та більшим енерговиділенням. Таким був унікальний “Топаз”: порівняно з “Буком” кількість урану у реакторі скоротилася втричі (до 11,5 кг). Теплова потужність зросла на 50% і становила 150 кВт, час безперервної роботи досяг 11 місяців (реактор цього типу було встановлено на борту розвідувального супутника "Космос-1867").

Ядерні космічні реактори – позаземна форма смерті. При втраті управління “зірка, що падає” не виконувала бажань, але могла відпустити “щасливчикам” їхні гріхи.

У 1992 році два екземпляри малогабритних реакторів серії “Топаз”, що залишилися, були продані в США за 13 млн. дол.

Головне питання: чи достатньо потужності у подібних установок для їх використання як ракетні двигуни? Шляхом пропуску робочого тіла (повітря) через гарячу активну зону реактора та отримання на виході тяги згідно із законом збереження імпульсу.

Відповідь: ні. "Бук" та "Топаз" - ядерні електростанції компактних розмірів. Для створення ЯРД потрібні інші засоби. Але загальний тренд видно неозброєним оком. Компактні ЯЕУ давно створені та існують на практиці.

Яку потужність повинна мати ЯЕУ для застосування як маршовий двигун крилатої ракети, аналогічної за розмірами Х-101?

Чи не можеш знайти роботу? Помножте час на потужність!
(Збірник універсальних порад.)

Знайти потужність також не складе великої праці. N=F×V.

За офіційними даними, крилаті ракети Ха-101, як і КР сімейства "Калібр", оснащуються короткоресурсним ТРДД-50, що розвиває тягу 450 кгс (4400 Н). Маршева швидкість крилатої ракети – 0,8М, або 270 м/с. Ідеальний розрахунковий ККД турбореактивного двоконтурного двигуна – 30%.

В цьому випадку потрібна потужність двигуна крилатої ракети всього в 25 разів перевищує теплову потужність реактора серії "Топаз".

Незважаючи на сумніви німецького експерта, створення ядерного турбореактивного (або прямоточного) ракетного двигуна – реалістичне завдання, що відповідає вимогам сучасності.

Ракета з пекла

«Все це сюрприз – крилата ракета з ядерними двигунами, – зазначив Дуглас Баррі, старший науковий співробітник Міжнародного Інституту стратегічних досліджень у Лондоні. - Ця ідея не нова, про це говорили у 60-х, але вона зіткнулася з великою кількістю перешкод».

Про це не лише говорили. На випробуваннях 1964 року ядерний прямоточний двигун “Торі-IIС” розвинув тягу 16 тонн за теплової потужності реактора 513 МВт. Імітуючи надзвуковий політ, установка витратила за п'ять хвилин 450 тонн стисненого повітря. Реактор проектувався дуже гарячим - робоча температура в активній зоні досягала 1600°С. Конструкція мала дуже вузькі допуски: на ряді ділянок допустима температура була лише на 150-200°С нижче за температуру, при яких плавилися і руйнувалися елементи ракети.

Чи вистачало цих показників для застосування ЯПВРД як двигун на практиці? Відповідь очевидна.

Ядерний ПВРД розвинув більшу (!) тягу, ніж турбопрямотковий двигун "трьохмахового" розвідника SR-71 "Блек берд".

"Полігон-401", випробування ядерного ПВРД

Експериментальні установки "Торі-IIA" та "-IIC" - прототипи ядерного двигуна крилатої ракети SLAM.

Диявольський винахід, здатний, за розрахунками, пронизати 160 000 км простору на мінімальній висоті зі швидкістю 3М. Буквально "викошуючи" всіх, хто зустрічався на її скорботному шляху, ударною хвилею і громовим гуркотом в 162 дБ (смертельне значення для людини).

Реактор бойового ЛА не мав жодного біологічного захисту. Розірвані після прольоту SLAM барабанні перетинки здалися б незначною обставиною на тлі радіоактивних викидів із сопла ракети. Літаюче чудовисько залишало за собою шлейф шириною більше кілометра з дозою випромінювання 200-300 рад. За розрахунками, за годину польоту SLAM заражала смертельною радіацією 1800 квадратних миль.

За розрахунками, довжина літального апарату могла досягати 26 метрів. Стартова маса – 27 тонн. Бойове навантаження - термоядерні заряди, які потрібно послідовно скинути на кілька радянських міст, уздовж маршруту польоту ракети. Після завершення основного завдання SLAM мала ще кілька діб кружляти над територією СРСР, заражаючи все навколо радіоактивними викидами.

Мабуть, найстрашніше з усіх, які намагався створити людина. На щастя, реальних запусків справа не дійшла.

Проект із кодовою назвою “Плутон” був згорнутий 1 липня 1964 року. При цьому, за словами одного з розробників SLAM, Дж. Крейвена, ніхто з військового та політичного керівництва США не жалкував про ухвалене рішення.

Причиною відмови від ядерної ракети, що «нізколетить», став розвиток міжконтинентальних балістичних ракет. Здібних завдати необхідної шкоди за менший час при несумісних ризиках для самих військових. Як справедливо зауважили автори публікації в журналі Air&Space: МБР, принаймні, не вбивали всіх, хто був поруч із пусковою установкою.

Досі невідомо, хто, де і як планував проводити випробовування пекла. І хто б відповідав, якби SLAM збилася з курсу та пролетіла над Лос-Анджелесом. Одна з шалених пропозицій пропонувала прив'язати ракету за трос і ганяти по колу над безлюдними районами шт. Невада. Однак одразу виникало інше питання: що робити з ракетою, коли в реакторі вигорять останні залишки палива? До місця, де "приземлиться" SLAM, не можна наближатися протягом століть.

Життя або смерть. Остаточний вибір

На відміну від містичного "Плутона" родом із 1950-х рр., проект сучасної ядерної ракети, озвучений В. Путіним, пропонує створення ефективного засобу для прориву американської ПРО. Засіб гарантованого взаємного знищення – найважливіший критерій ядерного стримування.

Перетворення класичної "ядерної тріади" на диявольську "пентаграму" - з включенням до неї засобів доставки нового покоління (ядерні крилаті ракети необмеженої дальності та стратегічні ядерні торпеди "статус-6") разом з модернізацією бойових блоків МБР (маневруючий "Авангард" відповідь на появу нових загроз. Політика Вашингтона щодо ПРО не залишає Москві іншого вибору.

“Ви розвиваєте свої антиракетні системи. Дальність антиракет зростає, точність збільшується, ця зброя вдосконалюється. Тому нам потрібно адекватно відповідати на це, щоб ми могли долати систему не лише сьогодні, а й завтра, коли у вас з'явиться нова зброя.

Путін в інтерв'ю NBC.

Розсекречені подробиці експериментів за програмою SLAM/Плутон переконливо доводять, що створення ядерної крилатої ракети було можливе (технічно здійсненне) ще шість десятиліть тому. Сучасні технології дають змогу вивести ідею на новий технічний рівень.

Меч іржавіє від обіцянок

Незважаючи на масу очевидних фактів, що пояснюють причини появи "суперзброї президента" і розвіюють будь-які сумніви щодо "неможливості" створення подібних систем, у Росії, як і за кордоном, залишається безліч скептиків. "Все перераховане зброю - лише засіб інформаційної війни". І слідом - різні пропозиції.

Напевно, не варто сприймати серйозно карикатурних “експертів”, таких, як І. Мойсеєв. Керівник інституту космічної політики (?), який заявив інтернет-виданню The Insider: “Не можна на крилату ракету ставити ядерний двигун. Та й нема таких двигунів”.

Спроби “викриття” заяв президента роблять і на більш серйозному аналітичному рівні. Подібні “розслідування” негайно набувають популярності серед ліберально налаштованої громадськості. Скептики наводять такі аргументи.

Всі озвучені комплекси відносяться до стратегічних надсекретних озброєнь, перевірити чи спростувати існування яких неможливо. (У самому посланні Федеральним зборам демонструвалася комп'ютерна графіка і кадри пусків, невідмінні від випробувань інших типів крилатих ракет.) У той самий час ніхто не каже, наприклад, створення важкого ударного безпілотника чи бойового корабля класу “есмінець”. Зброя, яку незабаром довелося б наочно продемонструвати всьому світу.

На думку деяких “викривачів”, суто стратегічний, “секретний” контекст повідомлень може вказувати на їхній неправдоподібний характер. Що ж, якщо це головний аргумент, то про що тоді суперечка з цими людьми?

Зустрічається й інша думка. Шокуючі про ядерні ракети та безпілотні 100-вузлові підводні човни робляться на тлі очевидних проблем ВПК, що зустрічаються при реалізації більш простих проектів “традиційних” озброєнь. Заяви про ракети, що перевершили всі існуючі зразки озброєнь, мають різкий контраст на тлі загальновідомої ситуації з ракетобудуванням. Скептики наводять як приклад масові відмови при пусках “Булави” чи створення тривале на два десятиліття створення РН “Ангара”. Сама почалася 1995 року; виступаючи у листопаді 2017 р., віце-прем'єр Д. Рогозін пообіцяв відновити запуски “Ангари” з космодрому “Східний” лише у... 2021 р.

І, до речі, чому поза увагою було залишено “Циркон” - головна військово-морська сенсація попереднього року? Гіперзвукова ракета здатна перекреслити всі існуючі концепції морського бою.

Новина про вступ до військ лазерних комплексів привернула увагу виробників лазерних установок. Існуючі зразки зброї спрямованої енергії створювалися на широкій базі досліджень та розробок високотехнологічного обладнання для цивільного ринку. Наприклад, американська корабельна установка AN/SEQ-3 LaWS представляє "пачку" із шести зварювальних лазерів сумарною потужністю 33 кВт.

Заява про створення надпотужного бойового лазера контрастують на тлі дуже слабкої лазерної промисловості: Росія не входить до найбільших світових виробників лазерного обладнання (Coherent, IPG Photonics або китайська Han" Laser Technology). Тому раптова поява зразків лазерної зброї високої потужності викликає у фахівців непідробний інтерес .

Запитань завжди більше, ніж відповідей. Він криється на дрібницях, але офіційні джерела дають дуже мізерне уявлення про нові озброєння. Найчастіше навіть неясно, система вже готова до озброєння, чи її технологія перебуває певному етапі. Відомі прецеденти, пов'язані зі створенням подібної зброї в минулому, свідчать, що проблеми, що виникають при цьому, не вирішуються по клацанню пальців. Любителів технічних новинок турбує вибір місця для проведення випробувань КР з ядерним двигуном. Або способи зв'язку з підводним безпілотником Статус-6 (фундаментальна проблема: під водою не працює радіозв'язок, під час проведення сеансів зв'язку субмарини змушені підніматися до поверхні). Було б цікаво почути пояснення і про способи застосування: порівняно з традиційними МБР та БРПЛ, здатними розпочати та закінчити війну протягом години, “Статусу-6” знадобиться кілька діб, щоб дістатися до узбережжя США. Коли вже там нікого не буде!

Закінчено останній бій.
Чи залишився хтось живий?
У відповідь - тільки вітру виття.

З використанням матеріалів:
Air&Space Magazine (квітень-травень 1990)
The Silent War, автор John Craven

У одному з розділів"Живого Журналу" інженер - електронник постійно пише про ядерні та термоядерні машини - реактори, установки, дослідницькі лабораторії, прискорювачі, а також про . Нова російська ракета, свідчення під час щорічного послання Президента, викликала найжвавіший інтерес блогера. І ось що він знайшов на цю тему.

Так, історично розробки крилатих ракет із прямоточним ядерним повітряним двигуном були: це ракета SLAM у США з реактором TORY-II, концепт Avro Z-59 у Великій Британії, опрацювання в СРСР.

Сучасний рендер концепту ракети Avro Z-59 масою близько 20 тонн.

Однак усі ці роботи йшли у 60-х як НДДКР різного ступеня глибини (далі зайшли США, про що нижче) і продовження у вигляді зразків на озброєнні не отримали. Не отримали з тієї ж причини, що багато інших опрацювань Atom Age - літаки, потяги, ракети з ЯЕУ. Всі ці варіанти транспортних засобів при деяких плюсах, які дає шалена щільність енергії в ядерному паливі, мають дуже серйозні мінуси - дорожнеча, складність експлуатації, вимоги постійної охорони, нарешті незадовільні результати розробок, про які зазвичай мало відомо (публікуючи результати НДДКР всім сторонам вигідніше виставляти досягнення та приховувати невдачі).

Зокрема, для крилатих ракет набагато простіше створити носій (підводний човен або літак), який "підтягне" безліч КР до місця пуску, ніж морочитися з невеликим парком (а великий парк освоїти неймовірно складно) крилатих ракет, що запускаються зі своєї території. Універсальний, дешевий, масовий засіб переміг у результаті малосерійний, дорогий і з неоднозначними плюсами. Атомні крилаті ракети не пішли далі за наземні випробування.

Цей концептуальний глухий кут 60-х років КР з ЯЕУ, на мій погляд, актуальний і зараз, тому основне питання до показаного "навіщо??". Але ще опуклішим його роблять проблеми, які виникають при розробці, випробуваннях та експлуатації подібної зброї, про що говоримо далі.

Отже, почнемо з реактора. Концепти SLAM і Z-59 були тримаховими ракетами, що низько летять, значних габаритів і маси (20+ тонн після скидання стартових прискорювачів). Страшно витратний надзвук, що низько летить, дозволяв по максимуму використовувати наявність практично не обмеженого джерела енергії на борту, крім того, важливою рисою ядерного повітряного реактивного двигуна єпокращення ккд роботи (термодинамічного циклу) у разі зростання швидкості, тобто. та ж ідея, але на швидкостях у 1000 км/год мала б набагато важчий і габаритніший двигун. Нарешті, 3М на висоті в сотню метрів в 1965 році означало невразливість для ППО. погляд, навколозвукова або слабоназвукова (якщо, звичайно, вірити, що на відео саме вона). Але при цьому габарит реактора зменшився значно в порівнянні з TORY-II від ракети SLAM, де він становив аж 2 метри, включаючи радіальний відбивач нейтронів з графіту.

Чи можна взагалі укласти реактор діаметром 0,4-0,6 метра?

Почнемо з принципово мінімального реактора – болванки з Pu239. Хорошим прикладом реалізації такої концепції є космічний реактор Kilopower, де, щоправда, використовується U235. Діаметр активної зони реактора лише 11 сантиметрів! Якщо перейти на плутоній 239, розміри АЗ впадуть ще в 1,5-2 рази. Тепер від мінімального розміру ми почнемо крокувати до реального ядерного повітряного реактивного двигуна, згадуючи про складності.

Найпершим до розміру реактора додається розмір відбивача - зокрема Kilopower BeO потроює розміри. По-друге, ми не можемо використовувати болванку U або Pu - вони елементарно згорять у потоці повітря буквально через хвилину. Потрібна оболонка, наприклад, з інкалою, який протистоїть миттєвому окисленню до 1000 С, або інших нікелевих сплавів з можливим покриттям керамікою. Внесення великої кількості матеріалу оболонок до АЗ одразу в кілька разів збільшує необхідну кількість ядерного палива – адже "непродуктивне" поглинання нейтронів в АЗ тепер різко зросло!

Більше того, металева форма U або Pu тепер не годиться – ці матеріали й самі не тугоплавкі (плутоній взагалі плавиться при 634 С), так ще й взаємодіють із матеріалом металевих оболонок. Перекладаємо паливо в класичну форму UO2 або PuO2 – отримуємо ще одне розведення матеріалу в АЗ, тепер уже киснем.

Зрештою, згадуємо призначення реактора. Нам потрібно прокачувати через нього багато повітря, якому ми віддаватимемо тепло. Приблизно 2/3 простору займуть "повітряні трубки".

У результаті мінімальний діаметр АЗ виростає до 40-50 см (для урану), а діаметр реактора з 10-сантиметровим берилієвим відбивачем до 60-70 см. MITEE для польотів в атмосфері Юпітера. Цей абсолютно паперовий проект (наприклад температура АЗ передбачається в 3000 К, а стінки з берилію, що витримує від сили 1200 К) має розрахунковий по нейтроніку діаметр АЗ в 55.4 см, при тому, що охолодження воднем дозволяє зменшити розміри каналів, якими прокачується теплоносій .

На мій погляд, повітряний ядерний реактивний двигун можна впхнути в ракету діаметром близько метра, що, втім, все ж таки не кардинально більше озвучених 0,6-0,74 м, але все ж насторожує. Так чи інакше, ЯЕУ матиме потужність ~ кілька мегават, що живляться ~10^16 розпадів в секунду. Це означає, що сам реактор створюватиме радіаційне поле в кілька десятків тисяч рентген біля поверхні, і до тисячі рентген уздовж усієї ракети. Навіть установка кількох сотень кг секторного захисту не сильно знизить ці рівні, т.к. нейтрони і гамма-кванти відбиватимуться від повітря і "обходитимуть захист".

За кілька годин такий реактор напрацює ~10^21-10^22 атомів продуктів поділу з активністю в кілька (кілька десятків) петабеккерелів, які і після зупинки створять фон у кілька тисяч рентген біля реактора.

Конструкція ракети буде активована приблизно до 10^14 Бк, хоча ізотопи будуть в основному бета-випромінювачами і небезпечні тільки гальмівним рентгеном. Фон від самої конструкції може досягати десятки рентгенів на відстані 10 метрів від корпусу ракети.

Всі ці "веселості" дають уявлення, що і розробка та випробування подібної ракети - завдання на межі можливого. Необхідно створити цілий набір радіаційно-стійкого навігаційного та керуючого обладнання, випробувати все це досить комплексним чином (радіація, температура, вібрації - і все це на статистику). Літні випробування з працюючим реактором у будь-який момент можуть перетворитися на радіаційну катастрофу з викидом від сотень терабекерелів до одиниць петабекерелів. Навіть без катастрофічних ситуацій можлива розгерметизація окремих твелів і викид радіонуклідів.

Звичайно, у Росії досі єНовоземельський полігон на якому можна проводити такі випробування, проте це суперечитиме духу договору прозабороні випробувань ядерної зброї у трьох середовищах (Заборона вводилася з метою недопущення планомірного забруднення атмосфери та океану радінуклідами).

Зрештою, цікаво, хто в РФ міг би займатися розробкою такого реактора. Традиційно спочатку високотемпературними реакторами займався Курчатовський інститут (загальне проектування та розрахунки), Обнінський ФЕІ (експериментальне відпрацювання та паливо), НДІ "Промінь" у Подільську (паливо та технології матеріалів). Пізніше до проектування подібних машин підключився колектив НІКІЕТ (наприклад, реактори ІГР та ІВГ - прообрази активної зони ядерного ракетного двигуна РД-0410).

Сьогодні НІКІЕТ має колектив конструкторів, які виконують роботи з проектування реакторів (високотемпературний газоохолоджуваний РУГК , швидкі реакториМБІР, ), а ФЕІ та "Промінь" продовжують займатися супутніми розрахунками та технологіями відповідно. Курчатовський інститут у останні десятиліття більше перейшов до теорії ядерних реакторів.

Резюмуючи, хочеться сказати, що створення крилатої ракети з повітряним реактивним двигунам з ЯЕУ є в цілому здійсненним завданням, але водночас вкрай дорогим і складним, що вимагає значної мобілізації людських і фінансових ресурсів, як мені здається більшою мірою, ніж решта озвучених проектів (" Сармат", "Кинжал", "Статус-6", "Авангард"). Дуже дивно, що ця мобілізація не залишила жодного сліду. А головне, зовсім не зрозуміло, в чому користь від отримання подібних зразків озброєнь (на тлі наявних носіїв), і як вони можуть переважити численні мінуси – питання радіційної безпеки, дорожнечі, несумісності із договорами про скорочення стратегічних озброєнь.

P.S. Втім "джерела" вже починають пом'якшувати ситуацію: "Джерело, близьке до ВПК, розповів "Відомостям », що радіаційна безпека під час випробувань ракети була забезпечена. Ядерну установку на борту представляв електричний макет.

03-03-2018

Валерій Лебедєв (огляд)

• В історії вже існували розробки крилатих ракет із прямоточним ядерним повітряним двигуном: це ракета SLAM (вона ж Плутон) у США з реактором TORY-II (1959 р.), концепт Avro Z-59 у Великій Британії, опрацювання в СРСР.
• Торкнемося принципу роботи ракети з атомним реактором. Говоримо тільки про прямоточний ядерний двигун, який якраз і мав на увазі у виступі Путіна в його розповіді про крилату ракету з необмеженою дальністю польоту та повною невразливістю. Атмосферне повітря в цій ракеті нагрівається ядерною збіркою до високих температур і з великою швидкістю викидається із сопла ззаду. Випробовувався у Росії (60-х) і в американців (з 1959 р.). Має дві істотні недоліки: 1. Смердить як та ж ядра бомба, так що за час польоту засріє все на траєкторії. 2. У тепловому діапазоні смердить так, що з космосу його побачить навіть північнокорейський супутник на радіолампах. Відповідно і гримнути таку гас, що літає, можна цілком собі впевнено.
  Так що показані в Манежі мультики здивували, що переростає в занепокоєння з приводу здоров'я (розумового) режисера цієї фігні.
  У радянські часи такі картинки (плакатики та інші втіхи для генералів) називали "чебурашками".

  Загалом це звичайна схема прямоточки, осесиметрична з обтічним центральним тілом і обічайкою. Форма центрального тіла така, щоб за рахунок стрибків ущільнення на вході повітря стискалося (робочий цикл запускається на швидкості 1 М та вище, до якої розгін за рахунок стартового прискорювача на звичайному твердому паливі);
  - усередині центрального тіла ядерне джерело тепла з монолітною АЗ;
  - центральне тіло скріплене з оболонкою 12-16 пластинчастими радіаторами, куди від теплових труб АЗ відводиться тепло. Радіатори знаходяться у зоні розширення перед соплом;
  - матеріал радіаторів та центрального тіла, наприклад, ВНДС-1, що зберігає конструктивну міцність до 3500 К у межі;
  - нагріваємо його для вірності до 3250 К. Повітря, обтікаючи радіатори, нагрівається та охолоджує їх. Далі він проходить через сопло, утворюючи тягу;
  - Для охолодження обічайки до прийнятних температур - навколо неї будуємо ежектор, який заразом збільшує тягу на 30-50%.

  Капсульований монолітний блок ЯЭУ можна встановлювати в корпус перед пуском, або тримати до пуску в докритичному стані, а ядерну реакцію запускати при необхідності. Як конкретно - не знаю, це інженерне завдання (отже, що піддається рішенню). Так це явно зброя першого удару, це бабці не ходи.
  Капсульований блок ЯЕУ можна зробити таким, щоб він гарантовано не руйнувався під час удару у разі аварії. Так, він вийде важким - але він вийде важким у будь-якому випадку.

  Для виходу на гіперзвук доведеться відводити абсолютно непристойну щільність енергії в одиницю часу на робоче тіло. З ймовірністю 9/10 існуючі матеріали на довгих періодах часу (годинник/день/тиждень) таке не потягнуть, швидкість деградації буде - скажена.

  Та й взагалі, середовище там буде агресивним. Захист від випромінювання - важкий, інакше всі датчики/електроніку можна на звалище відразу (бажаючі можуть згадати Фукусіму та питання: "а чому роботам прибирати не доручили?").

  І т.д... "Світитись" подібний вундервафль буде знатно. Як передавати на нього керуючі команди (якщо там все геть-чисто екранувати) - незрозуміло.

  Торкнемося достовірно створених ракет з ядерною енергетичною установкою - американської розробки - ракети SLAM з реактором TORY-II (1959).

  Ось цей двигун із реактором:

  Концепт SLAM був тримаховим ракетою, що низько летить, значних габаритів і маси (27 тонн, 20+ тонн після скидання стартових прискорювачів). Страшно витратний низькозвучий надзвук дозволяв максимально використовувати наявність практично не обмеженого джерела енергії на борту, крім того, важливою рисою ядерного повітряного реактивного двигуна є поліпшення ккд роботи (термодинамічного циклу) при зростанні швидкості, тобто. та ж ідея, але на швидкостях у 1000 км/год мала б набагато важчий і габаритніший двигун. Нарешті, 3М на висоті сотню метрів 1965 року означало невразливість для ППО.

  

  Двигун TORY-IIC. Твели в активно зоні являють собою шестигранні порожнисті трубки з UO2, покриті захисною керамічною оболонкою, зібрані в інкалоєвих ТВС.

  Виходить, що раніше концепція Крилатої Ракети з ЯЕУ "зав'язувалася" на високій швидкості, де переваги концепції були сильними, а конкуренти з вуглеводневим паливом слабшали.

• Ролик про стару американську ракету SLAM

• Показана ж на презентації Путіна ракета навколозвукова або слабонадзвукова (якщо, звичайно, вірити, що на відео саме вона). Але при цьому габарит реактора зменшився значно в порівнянні з TORY-II від ракети SLAM, де він становив аж 2 метри, включаючи радіальний відбивач нейтронів з графіту.
  Схема ракети SLAM. Всі приводи пневматичні, апаратура управління знаходиться в капсулі, що послаблює випромінювання.

  Чи можна взагалі укласти реактор діаметром 0,4-0,6 метра? Почнемо з принципово мінімального реактора – болванки з Pu239. Хорошим прикладом реалізації такої концепції є космічний реактор Kilopower, де, щоправда, використовується U235. Діаметр активної зони реактора лише 11 сантиметрів! Якщо перейти на плутоній 239, розміри АЗ впадуть ще в 1,5-2 рази.
  Тепер від мінімального розміру ми почнемо крокувати до реального ядерного повітряного реактивного двигуна, згадуючи складнощі. Найпершим до розміру реактора додається розмір відбивача - зокрема Kilopower BeO потроює розміри. По-друге, ми не можемо використовувати болванку U або Pu - вони елементарно згорять у потоці повітря буквально через хвилину. Потрібна оболонка, наприклад, з інкалою, який протистоїть миттєвому окисленню до 1000 С або інших нікелевих сплавів з можливим покриттям керамікою. Внесення великої кількості матеріалу оболонок до АЗ одразу в кілька разів збільшує необхідну кількість ядерного палива – адже "непродуктивне" поглинання нейтронів в АЗ тепер різко зросло!
  Більше того, металева форма U або Pu тепер не годиться – ці матеріали й самі не тугоплавкі (плутоній взагалі плавиться при 634 С), так ще й взаємодіють із матеріалом металевих оболонок. Перекладаємо паливо в класичну форму UO2 або PuO2 – отримуємо ще одне розведення матеріалу в АЗ, тепер уже киснем.

  Зрештою, згадуємо призначення реактора. Нам потрібно прокачувати через нього багато повітря, якому ми віддаватимемо тепло. приблизно 2/3 простору займуть "повітряні трубки". У результаті мінімальний діаметр АЗ зростає до 40-50 см (для урану), а діаметр реактора з 10-сантиметровим відбивачем берилії до 60-70 см.

  Повітряний ядерний реактивний двигун можна впхнути в ракету діаметром близько метра, що втім, все ж таки не кардинально більше озвучених 0,6-0,74 м, але все ж таки насторожує.

  Так чи інакше, ЯЭУ матиме потужність ~кілька мегават, що живляться ~10^16 розпадів на секунду. Це означає, що сам реактор створюватиме радіаційне поле в кілька десятків тисяч рентген біля поверхні, і до тисячі рентген уздовж усієї ракети. Навіть установка кількох сотень кг секторного захисту не сильно знизить ці рівні, т.к. нейтрони і гамма-кванти відбиватимуться від повітря і "обходитимуть захист". За кілька годин такий реактор напрацює ~10^21-10^22 атомів продуктів поділу з активністю в кілька (кілька десятків) петабеккерелів, який і після зупинки створять фон у кілька тисяч рентген біля реактора. Конструкція ракети буде активована приблизно до 10^14 Бк, хоча ізотопи будуть в основному бета-випромінювачами і небезпечні тільки гальмівним рентгеном. Фон від самої конструкції може досягати десятки рентгенів на відстані 10 метрів від корпусу ракети.

  Всі ці складності дають уявлення, що і розробка та випробування подібної ракети – завдання на межі можливого. Необхідно створити цілий набір радіаційно-стійкого навігаційного та керуючого обладнання, випробувати все це досить комплексним чином (радіація, температура, вібрації - і все це на статистику). Літні випробування з працюючим реактором у будь-який момент можуть перетворитися на радіаційну катастрофу з викидом від сотень терабекерелів до одиниць петабекерелів. Навіть без катастрофічних ситуацій можлива розгерметизація окремих твелів і викид радіонуклідів.
  З-за всіх цих складнощів американці відмовилися від ракети з ядерним двигуном SLAM в 1964 році.

  Звичайно, в Росії досі є Новоземельський полігон, на якому можна проводити такі випробування, проте це суперечитиме духу договору про заборону випробувань ядерної зброї у трьох середовищах (заборона вводилася з метою недопущення планомірного забруднення атмосфери та океану радінуклідами).

  Зрештою, цікаво, хто в РФ міг би займатися розробкою такого реактора. Традиційно спочатку високотемпературними реакторами займався Курчатовський інститут (загальне проектування та розрахунки), Обнінський ФЕІ (експериментальне відпрацювання та паливо), НДІ "Промінь" у Подільську (паливо та технології матеріалів). Пізніше до проектування подібних машин підключається колектив НІКІЕТ (наприклад, реактори ІГР та ІВГ - прообрази активної зони ядерного ракетного двигуна РД-0410). Сьогодні НІКІЕТ має колектив конструкторів, які виконують роботи з проектування реакторів (високотемпературний газоохолоджуваний РУГК, швидкі реактори МБІР, ), а ФЕІ та "Промінь" продовжують займатися супутніми розрахунками та технологіями відповідно. Курчатовський інститут у останні десятиліття більше перейшов до теорії ядерних реакторів.

  Резюмуючи, можна сказати, що створення крилатої ракети з повітряним реактивним двигунам з ЯЕУ є в цілому здійсненним завданням, але водночас вкрай дорогим і складним, що вимагає значної мобілізації людських і фінансових ресурсів, як мені здається більшою мірою, ніж решта озвучених проектів (" Сармат", "Кинжал", "Статус-6", "Авангард"). Дуже дивно, що ця мобілізація не залишила жодного сліду. А головне, зовсім незрозуміло, у чому користь від отримання подібних зразків озброєнь (на тлі наявних носіїв), і як вони можуть переважити численні мінуси – питання радіційної безпеки, дорожнечі, несумісності з договорами про скорочення стратегічних озброєнь.

  Малогабаритний реактор розробляється з 2010 року, про це повідомляв Кирієнко у Держдумі. Передбачалося, що його встановлять на космічний апарат з ЕРД для польотів до Місяця та Марса та випробуватимуть на орбіті цього року.
  Очевидно, що для крилатих ракет та підводних човнів використовується аналогічний пристрій.

  Так, ставити атомний двигун можна, і успішні 5 хвилинні випробування 500 мегаватного движка, зроблені в штатах багато років тому для крилатої ракети з рам джетом для швидкості 3 махи це, загалом, це підтвердили (проект Плуто). Стендові випробування, зрозуміло (двигун "обдували" підготовленим повітрям потрібного тиску/температури). Тільки навіщо? Існуючих (і проектованих) баллічних ракет вистачає для ядерного паритету. Навіщо створювати потенційно небезпечнішу (для "своїх") у використанні (і тестуванні) зброю? Навіть у проекті Плуто малося на увазі, що над своєю територією така ракета летить на значній висоті, знижуючись на під-радарні висоти тільки близько до території противника. Не дуже добре перебувати поруч із незахищеним 500 мегаватним повітряно охолоджуваним урановим реактором для температури матеріалів понад 1300 цельсіїв. Щоправда, згадані ракети (якщо вони справді розробляються) будуть меншими за Плутон (Slam).
  Ролик-анімація 2007 р., виданий у презентації Путіна за показ новітньої крилатої ракети з атомною енергетичною установкою.
  
  Можливо, все це підготовка до північно-корейського варіанту шантажу. Ми перестанемо розробляти нашу небезпечну зброю – а ви з нас знімаєте санкції.
  Що за тиждень – китайський бос пробиває довічне правління, російський загрожує всьому світу.

Сергєєв Олексій, 9 «А» клас МОУ «ЗОШ №84»

Науковий консультант: заступник директора некомерційного партнерства з наукової та інноваційної діяльності «Томський Атомний Центр»

Керівник: , вчитель фізики МОУ «ЗОШ №84» ЗАТО Сіверськ

Вступ

Двигуни на борту космічного апарату призначені для створення сили тяги або моменту імпульсу. За типом тяги рухової установки поділяються на хімічні (ХРД) і нехімічні (НХРД). ХРД діляться на рідинні (ЖРД), твердопаливні (РДТТ) та комбіновані (КРД). У свою чергу нехімічні рухові установки поділяються на ядерні (ЯРД) та електричними (ЕРД). Великий учений Костянтин Едуардович Ціолковський ще століття тому створив першу модель рухової установки, яка працювала на твердому та рідкому паливі. Після, у другій половині 20 століття було здійснено тисячі польотів з використанням переважно ЖРД та РДТТ.

Однак в даний час для польотів на інші планети, не кажучи вже про зірки, застосування РРД і РДТТ стає все більш невигідним, хоча і було розроблено безліч РД. Швидше за все, можливості ЖРД та РДТТ себе повністю вичерпали. Причина тут полягає в тому, що питомий імпульс усіх хімічних РД невисокий і не перевищує 5000 м/с, що вимагає для розвитку досить великих швидкостей тривалої роботи ДК і відповідно великих запасів палива або, як прийнято в космонавтиці, необхідні великі значення Циолковського, е. відношення маси заправленої ракети до маси порожньої. Так РН Енергія, що виводить на низьку орбіту 100 т корисного навантаження, має стартову масу близько 3 000 т, що дає для числа Ціолковського значення в межах 30.

Для польоту наприклад на Марс число Ціолковського має бути ще вищим, досягаючи значень від 30 до 50. Неважко оцінити, що при корисному вантажі близько 1 000 т, а саме в таких межах коливається мінімальна маса необхідна для забезпечення всім необхідним екіпаж, що стартує до Марса з урахуванням запасу палива для зворотного польоту до Землі, початкова маса КА має бути не менше 30 000 т., що явно знаходиться за межами рівня розвитку сучасної космонавтики, що ґрунтується на застосуванні ЗРД та РДТТ.

Таким чином, для досягнення пілотованими екіпажами навіть найближчих планет необхідно розвивати РН на двигунах, що працюють на принципах, відмінних від хімічних ДУ. Найбільш перспективними у цьому плані є електричні реактивні двигуни (ЕРД), термохімічні ракетні двигуни та ядерні реактивні (ЯРД).

1.Основні поняття

Ракетний двигун – це реактивний двигун, який не використовує для роботи навколишнє середовище (повітря, воду). Найбільш широко застосовуються хімічні ракетні двигуни. Розробляються та випробовуються інші види ракетних двигунів – електричні, ядерні та інші. На космічних станціях та апаратах широко застосовують і найпростіші ракетні двигуни, що працюють на стислих газах. Зазвичай як робоче тіло у яких використовують азот . /1/

Класифікація рухових установок

2. Призначення ракетних двигунів

За призначенням ракетні двигуни поділяють кілька основних видів: розгонні (стартові), гальмові, маршеві, управляючі та інші. Ракетні двигуни переважно застосовуються на ракетах (звідси взято назву). Крім цього, ракетні двигуни іноді застосовують в авіації. Ракетні двигуни є основними двигунами у космонавтиці.

Військові (бойові) ракети зазвичай мають твердопаливні двигуни. Це пов'язано з тим, що такий двигун заправляється на заводі і не потребує обслуговування весь термін зберігання та служби самої ракети. Часто твердопаливні двигуни застосовують як розгін для космічних ракет. Особливо широко, у цій якості, їх застосовують у США, Франції, Японії та Китаї.

Рідинні ракетні двигуни мають вищі тягові характеристики, ніж твердопаливні. Тому їх застосовують для виведення космічних ракет на орбіту навколо Землі та на міжпланетні перельоти. Основними рідкими паливами для ракет є гас, гептан (диметилгідразин) і рідкий водень. Для таких видів палива обов'язково потрібний окислювач (кисень). Як окислювач у таких двигунах застосовують азотну кислоту і зріджений кисень. Азотна кислота поступається зрідженому кисню за окисними властивостями, але не вимагає підтримки особливого температурного режиму при зберіганні, заправці та використанні ракет

Двигуни для космічних польотів відрізняються від земних тим, що вони за можливо меншої маси і обсягу повинні виробляти якомога більшу потужність. Крім того, до них пред'являються такі вимоги, як виключно висока ефективність та надійність, значний час роботи. За видом енергії рухові установки космічних апаратів поділяються на чотири типи: термохімічні, ядерні, електричні, сонячно - вітрильні. Кожен із перерахованих типів має свої переваги та недоліки і може застосовуватись у певних умовах.

В даний час космічні кораблі, орбітальні станції та безпілотні супутники Землі виводяться в космос ракетами, оснащеними потужними термохімічними двигунами. Існують також мініатюрні двигуни малої сили тяги. Це зменшена копія потужних двигунів. Деякі з них можуть поміститися на долоні. Сила тяги таких двигунів дуже мала, але її буває достатньо, щоб керувати положенням корабля у просторі

3.Термохімічні ракетні двигуни.

Відомо, що у двигуні внутрішнього згоряння, топці парового котла – усюди, де відбувається згоряння, найактивнішу участь бере атмосферний кисень. У космічному просторі повітря немає, а для роботи ракетних двигунів у космічному просторі необхідно мати два компоненти – пальне та окислювач.

У рідинних термохімічних ракетних двигунах як паливо використовують спирт, гас, бензин, анілін, гідразин, диметилгідразин, рідкий водень. Як окислювач застосовують рідкий кисень, перекис водню, азотна кислота. Можливо, в майбутньому буде застосовуватися як окислювач рідкий фтор, коли будуть винайдені способи зберігання та використання такої активної хімічної речовини.

Пальне та окислювач для рідинних реактивних двигунів зберігаються окремо, у спеціальних баках та за допомогою насосів подаються в камеру згоряння. При з'єднанні в камері згоряння розвивається температура до 3000 – 4500 °С.

Продукти згоряння, розширюючись, набувають швидкості від 2500 до 4500 м/с. Відштовхуючись від корпусу двигуна, вони створюють реактивну тягу. При цьому чим більше маса і швидкість витікання газів, тим більше сили тяги двигуна.

Питому тягу двигунів прийнято оцінювати величиною тяги створюваної одиницею маси палива, що згоряється за одну секунду. Цю величину називають питомим імпульсом ракетного двигуна та вимірюють у секундах (кг тяги/кг згорілого палива за секунду). Кращі твердопаливні ракетні двигуни мають питомий імпульс до 190 с., тобто 1 кг палива, що згорає за одну секунду, створює тягу 190 кг. Воднево-кисневий ракетний двигун має питомий імпульс 350 с. Теоретично воднево-фторовий двигун може розвинути питомий імпульс понад 400с.

Зазвичай застосована схема рідинного ракетного двигуна працює в такий спосіб. Стиснутий газ створює необхідний напір у баках з кріогенним пальним, для запобігання виникненню газових бульбашок у трубопроводах. Насоси подають паливо у ракетні двигуни. Паливо впорскується в камеру згоряння через велику кількість форсунок. Також через форсунки в камеру згоряння впорскують окислювач.

У будь-якій машині при згорянні палива утворюються великі теплові потоки, що нагрівають стінки двигуна. Якщо не охолоджувати стіни камери, вона швидко прогорить, з якого б матеріалу вона не була зроблена. Рідинний реактивний двигун, як правило, охолоджують одним із компонентів палива. Для цього камеру роблять дві стінкові. У проміжку між стінками протікає холодний компонент палива.

Алюміній та ін. Особливо як добавку до звичайного палива, наприклад воднево-кисневого. Подібні «потрійні композиції» здатні забезпечити найбільшу з можливих для хімічних палив швидкість витікання - до 5 км / с. Але це вже практично межа ресурсів хімії.Більшого вона практично зробити не може.Хоча в запропонованому описі поки переважають рідинні ракетні двигуни, потрібно сказати, що першим в історіїлюдства був створений термохімічний ракетний двигун на твердому паливі РДТТ Паливо - наприклад спеціальний порох - знаходиться безпосередньо в камері згоряння.Камера згоряння з реактивним соплом, заповнена твердим паливом - ось і вся конструкція.Режим згоряння твердого палива залежить від призначення РДТТ (стартовий, маршовий або комбінований). Військовій справі характерно наявність стартового і маршового двигунів Стартовий РДТТ розвиває велику тягу на дуже короткий час, що необхідно для сходу ракети з пускової установки та її початкового розгону. Маршовий РДТТ призначений підтримки постійної швидкості польоту ракети на основному (маршевому) ділянці траєкторії польоту. Відмінності між ними полягають в основному в конструкції камери згоряння та профілі поверхні горіння паливного заряду, які визначають швидкість горіння палива від якої залежить час роботи та тяга двигуна. На відміну від таких ракет, космічні ракети-носії для запуску супутників Землі, орбітальних станцій і космічних кораблів, а також міжпланетних станцій працюють тільки в стартовому режимі зі старту ракети до виведення об'єкта на орбіту навколо Землі або на міжпланетну траєкторію. Загалом твердопаливні ракетні двигуни не мають багато переваг перед двигунами на рідкому паливі: вони прості у виготовленні, тривалий час можуть зберігатися, завжди готові до дії щодо вибухобезпечні. Але по питомій тязі твердопаливні двигуни на 10-30% поступаються рідинним.

4.Електричні ракетні двигуни

Майже всі розглянуті вище ракетні двигуни розвивають величезну силу тяги і призначені для виведення космічних апаратів на орбіту навколо Землі та розгону їх до космічних швидкостей для міжпланетних польотів. Зовсім інша річ – рухові установки для вже виведених на орбіту чи міжпланетну траєкторію космічних апаратів. Тут, як правило, потрібні двигуни малої потужності (кілька кіловат або навіть ват) здатні працювати сотні і тисячі годин і багаторазово вмикатися і вимикатися. Вони дозволяють підтримувати політ на орбіті або по заданій траєкторії, компенсуючи опір польоту, що створюється верхніми шарами атмосфери та сонячним вітром. В електричних ракетних двигунах розгін робочого тіла до певної швидкості проводиться нагріванням електричною енергією. Електроенергія надходить від сонячних батарей або атомної електростанції. Способи нагрівання робочого тіла різні, але реально застосовується переважно електродуговий. Він показав себе дуже надійним та витримує велику кількість включень. В якості робочого тіла в електродугових двигунах застосовують водень. За допомогою електричної дуги водень нагрівається до дуже високої температури і він перетворюється на плазму - електрично нейтральну суміш позитивних іонів та електронів. Швидкість закінчення плазми із двигуна досягає 20 км/с. Коли вчені вирішать проблему магнітної ізоляції плазми від стінок камери двигуна, можна буде значно підвищити температуру плазми і довести швидкість закінчення до 100 км/с. Перший електричний ракетний двигун був розроблений у Радянському Союзі у мм. під керівництвом (згодом він став творцем двигунів для радянських космічних ракет та академіком) у знаменитій газодинамічній лабораторії (ГДЛ)./10/

5.Інші види двигунів

Існують і більш екзотичні проекти ядерних ракетних двигунів, в яких речовина, що ділиться, знаходиться в рідкому, газоподібному або навіть плазмовому стані, проте реалізація подібних конструкцій на сучасному рівні техніки і технологій нереальна. Існують, поки на стадії теоретичної чи лабораторної наступні проекти ракетних двигунів

Імпульсні ядерні ракетні двигуни, що використовують енергію вибухів невеликих ядерних зарядів;

Термоядерні ракетні двигуни, в яких як паливо може використовуватися ізотоп водню. Енергопродуктивність водню в такій реакції становить 6,8 * 1011 КДж / кг, тобто приблизно на два порядки вище продуктивності ядерних реакцій поділу;

Сонячно-вітрильні двигуни – у яких використовується тиск сонячного світла (сонячний вітер), існування якого досвідченим шляхом довів російський фізик ще 1899 року. Розрахунковим шляхом вчені встановили, що апарат масою 1 т, з вітрилом діаметром 500 м, може долетіти від Землі до Марса приблизно за 300 діб. Проте ефективність сонячного вітрила швидко зменшується із віддаленням від Сонця.

6.Ядерні ракетні двигуни

Один із основних недоліків ракетних двигунів, що працюють на рідкому паливі, пов'язаний з обмеженою швидкістю закінчення газів. У ядерних ракетних двигунах можна використовувати колосальну енергію, що виводиться при розкладанні ядерного «пального», для нагрівання робочої речовини. Принцип дії ядерних ракетних двигунів майже відрізняється від принципу дії термохімічних двигунів. Різниця полягає в тому, що робоче тіло нагрівається не за рахунок своєї власної хімічної енергії, а за рахунок сторонньої енергії, що виділяється при внутрішньоядерній реакції. Робоче тіло пропускається через ядерний реактор, в якому відбувається реакція поділу атомних ядер (наприклад, урану), і при цьому нагрівається. У ядерних ракетних двигунів відпадає потреба в окислювачі і тому може бути використана лише одна рідина. Як робоче тіло доцільно застосовувати речовини, що дозволяють двигуну розвивати велику силу тяги. Цій умові найповніше задовольняє водень, потім слідує аміак, гідразин і вода. Процеси, у яких виділяється ядерна енергія, поділяють на радіоактивні перетворення, реакції поділу важких ядер, реакцію синтезу легких ядер. Радіоізотопні перетворення реалізуються у про ізотопних джерелах енергії. Питома масова енергія (енергія, яку може виділити речовину масою 1кг) штучних радіоактивних ізотопів значно вища, ніж хімічних палив. Так, для 210Ро вона дорівнює 5*10 8КДж/кг, тоді як найбільш енергопродуктивного хімічного палива (берилій з киснем) це значення вбирається у 3*10 4 КДж/кг. На жаль, подібні двигуни застосовувати на космічних ракетах-носіях поки що не раціонально. Причина цього – висока вартість ізотопної речовини та труднощі експлуатації. Адже ізотоп виділяє енергію постійно, навіть при його транспортуванні у спеціальному контейнері та при стоянці ракети на старті. У ядерних реакторах використовують більш енергопродуктивне паливо. Так, питома масова енергія 235U (діляється ізотопу урану) дорівнює 6,75 * 109 КДж / кг, тобто приблизно на порядок вище, ніж у ізотопу 210Ро. Ці двигуни можна «вмикати» і «вимикати», ядерне пальне (233U, 235U, 238U, 239Pu) значно дешевше за ізотопне. У таких двигунів як робоче тіло може застосовуватися не лише вода, а й ефективніші робочі речовини – спирт, аміак, рідкий водень. Питома тяга двигуна з рідким воднем дорівнює 900 с. У найпростішій схемі ядерного ракетного двигуна з реактором, що працює на твердому паливному ядерному робоче тіло розміщено в баку. Насос подає його до камери двигуна. Розпорошуючись за допомогою форсунок, робоче тіло вступає в контакт з тепловиділяючим ядерним пальним, нагрівається, розширюється і з великою швидкістю викидається через сопло назовні. Ядерне пальне за запасом енергії перевершує будь-який інший вид палива. Тоді виникає закономірне питання – чому ж установки на цьому пальному мають порівняно невелику питому тягу і велику масу? Справа в тому, що питома тяга твердофазного ядерного ракетного двигуна обмежена температурою речовини, що ділиться, а енергетична установка при роботі випускає сильне іонізуюче випромінювання, що надає шкідливу дію на живі організми. Біологічний захист від таких випромінювань має велику вагу не застосовується на космічних літальних апаратах. Практичні розробки ядерних ракетних двигунів, що використовують тверде ядерне пальне, було розпочато в середині 50-х років 20 століття в Радянському Союзі та США, майже одночасно з будівництвом перших ядерних електростанцій. Роботи проводилися в обстановці підвищеної таємності, але відомо, що реального застосування у космонавтиці такі ракетні двигуни досі не отримали. Все поки що обмежилося використанням ізотопних джерел електроенергії щодо невеликої потужності на безпілотних штучних супутниках Землі, міжпланетних космічних апаратах та всесвітньо відомому радянському «місяцеході».

7.Ядерні реактивні двигуни, принцип роботи, способи отримання імпульсу ЯРД.

ЯРД отримали свою назву завдяки тому, що створюють потяг за рахунок використання ядерної енергії, тобто енергії, що виділяється в результаті ядерних реакцій. У загальному сенсі під цими реакціями маються на увазі будь-які зміни енергетичного стану атомних ядер, а також перетворення одних ядер на інші, пов'язані з перебудовою структури ядер або зміною кількості елементарних частинок, що містяться в них, - нуклонів. Причому ядерні реакції, як відомо, можуть відбуватися або спонтанно (тобто мимоволі), або викликатись штучно, наприклад, при бомбардуванні одних ядер іншими (або елементарними частинками). Ядерні реакції поділу та синтезу за величиною енергії перевершують хімічні реакції відповідно в мільйони та десятки мільйонів разів. Це тим обставиною, що енергія хімічного зв'язку атомів у молекулах набагато менше енергії ядерного зв'язку нуклонів в ядрі. Ядерну енергію в ракетних двигунах можна використовувати двома способами:

1. Енергія, що вивільняється, використовується для нагрівання робочого тіла, яке потім розширюється в соплі, так само як у звичайному ЗРД.

2. Ядерна енергія перетворюється на електричну і потім використовується для іонізації та розгону частинок робочого тіла.

3. Нарешті, імпульс створюється самими продуктами поділу, утвореними в процесі DIV_ADBLOCK265">

За аналогією з ЗРД вихідне робоче тіло ЯРД зберігається в рідкому стані в баку рухової установки та його подача проводиться за допомогою турбонасосного агрегату. Газ для обертання цього агрегату, що складається з турбіни та насоса, може вироблятися у самому реакторі.

Схема такої рухової установки зображена малюнку.

Існує безліч ЯРД із реактором поділу:

Твердофазний

Газофазний

ЯРД із реактором синтезу

Імпульсні ЯРД та інші

З усіх можливих типів ЯРД найбільш розроблені тепловий радіоізотопний двигун та двигун з твердофазним реактором поділу. Але якщо характеристики радіоізотопних ЯРД не дозволяють сподіватися на їх широке застосування в космонавтиці (принаймні в найближчому майбутньому), створення твердофазних ЯРД відкриває перед космонавтикою великі перспективи. Типовий ЯРД цього типу містить твердофазний реактор у вигляді циліндра з висотою та діаметром близько 1-2 м (при близькості цих параметрів витік нейтронів поділу в навколишній простір мінімальний).

Реактор складається із активної зони; відбивача, що оточує цю зону; керуючих органів; силового корпусу та інших елементів. Активна зона містить ядерне пальне - речовина, що ділиться (збагачений уран), укладена в тепловиділяючих елементах, і сповільнювач або розріджувач. Реактор, представлений малюнку, є гомогенним - у ньому сповільнювач входить до складу тепловиділяючих елементів, будучи однорідно перемішаним з пальним. Уповільнювач може розміщуватися окремо від ядерного палива. І тут реактор називається гетерогенним. Розріджувачі (ними можуть бути, "наприклад, тугоплавкі метали - вольфрам, молібден) використовуються для надання речовинам, що діляться, спеціальних властивостей.

Тепловиділяючі елементи твердофазного реактора пронизані каналами, якими протікає, поступово нагріваючись, робоче тіло ЯРД. Канали мають діаметр близько 1-3 мм, які сумарна площа становить 20-30% поперечного перерізу активної зони. Активна зона підвішується за допомогою спеціальної решітки всередині силового корпусу, щоб вона могла розширюватися при нагріванні реактора (інакше вона зруйнувалася б через термічну напругу).

Активна зона відчуває високі механічні навантаження, пов'язані з дією значних гідравлічних перепадів тиску (до декількох десятків атмосфер) від робочого тіла, що протікає, термічних напруг і вібрацій. Збільшення розмірів активної зони при нагріванні реактора сягає кількох сантиметрів. Активна зона та відбивач розміщуються всередині міцного силового корпусу, що сприймає тиск робочого тіла та тягу, що створюється реактивним соплом. Корпус закривається міцною кришкою. На ній розміщуються пневматичні, пружинні або електричні механізми приводу регулюючих органів, вузли кріплення ЯРД до космічного апарату, фланці для з'єднання ЯРД з трубопроводами живлення робочого тіла. На кришці може розташовуватись і турбонасосний агрегат.

8 - Сопло,

9 - Сопловий насадок, що розширюється,

10 - Відбір робочої речовини на турбіну,

11 - Силовий корпус,

12 - Керуючий барабан,

13 - Вихлоп турбіни (використовується для управління орієнтацією та збільшення тяги),

14 - Кільце приводів керуючих барабанів)

На початку 1957 року було визначено остаточне спрямування робіт Лос-Аламоської лабораторії, і прийнято рішення щодо будівництва графітового ядерного реактора з диспергованим у графіті урановим пальним. Створений у цьому напрямі реактор «Ківі-А» був випробуваний 1959 року 1 липня.

Американський твердофазний ядерний реактивний двигун ХЕ Primeна випробувальному стенді (1968.г)

Крім будівництва реактора, Лос-Аламоська лабораторія вела повним ходом роботи з будівництва спеціального випробувального полігону в Неваді, а також виконувала ряд спеціальних замовлень ВПС США в суміжних областях (розробка окремих вузлів ТЯРД). За дорученням Лос-Аламоської лабораторії всі спеціальні замовлення на виготовлення окремих вузлів здійснювали фірми: "Аероджет дженерал", відділення "Рокетдайн" фірми "Норс-амерікен авіейшн". Влітку 1958 року весь контроль за виконанням програми «Ровер» перейшов від ВПС США до новоствореного Національного управління з аеронавтики та космосу (НАСА). У результаті спеціальної угоди між КАЕ та НАСА в середині літа 1960 року було утворено Управління космічними ядерними двигунами під керівництвом Г. Фінгера, яке й очолило програму «Ровер» надалі.

Отримані результати шести «гарячих випробувань» ядерних реактивних двигунів виявилися дуже обнадійливими, і на початку 1961 року було підготовлено доповідь про випробування реактора (RJFT) у польоті. Потім у середині 1961 року стартував проект «Нерва» (застосування ядерного двигуна для космічних ракет). Як генеральний підрядник було обрано фірму «Аероджет дженерал», а субпідрядником відповідального за будівництво реактора фірму «Вестингауз».

10.2 Роботи з ТЯРД у Росії

Американців російські вчені використовували найбільш економічні та ефективні випробування окремих тепловиділяючих елементів у дослідницьких реакторах. Весь комплекс проведених робіт у 70-80-і роки дозволило в КБ Салют», КБ хімавтоматики, ІАЕ, НІКІЕТ та НВО «Промінь» (ПНДТІ) розроблятимуть різні проекти космічних ЯРД та гібридних ядерних енергорухових установок. Промінь", МАІ) створювалися ЯРД РД 0411та ядерний двигун мінімальної розмірності РД 0410тягою 40 та 3,6 т відповідно.

В результаті було виготовлено реактор, «холодний» двигун та стендовий прототип для проведення випробувань на газоподібному водні. На відміну від американського, з питомим імпульсом не більше 8250 м/с, радянський ТЯРД за рахунок застосування більш жаростійких та скоєних за конструкцією тепловиділяючих елементів та високої температури в активній зоні мав цей показник рівним 9100 м/с та вище. Стендова база для випробувань ТЯРД об'єднаної експедиції НВО «Промінь» розміщувалася в 50 км на південний захід від м. Семипалатинськ-21. Вона почала працювати 1962 року. У мм. на полігоні випробовувалися натурні тепловиділяючі елементи прототипів ЯРД. При цьому відпрацьований газ надходив у систему закритого викиду. Стендовий комплекс для повнорозмірних випробувань ядерних двигунів «Байкал-1» знаходиться за 65 км на південь від м. Семипалатинськ-21. З 1970 до 1988 року проведено близько 30 «гарячих пусків» реакторів. При цьому потужність не перевищувала 230 МВт при витраті водню до 16,5 кг/сек та його температурі на виході з реактора 3100 К. Усі запуски пройшли успішно, безаварійно, та за планом.

Радянський ТЯРД РД-0410 - єдиний працюючий та надійний промисловий ядерний ракетний двигун у світі

В даний час подібні роботи на полігоні припинені, хоча обладнання підтримується відносно працездатним станом. Стендова база НВО «Промінь» – єдиний у світі експериментальний комплекс, де можна без значних фінансових та тимчасових витрат проводити випробування елементів реакторів ЯРД. Не виключено, що відновлення в США робіт з ТЯРД для польотів до Місяця та Марса в рамках програми «Космічна дослідницька ініціатива» з запланованою участю в них фахівців Росії та Казахстану призведе до відновлення діяльності семипалатинської бази та здійснення «марсіанської» експедиції у 2020-ті роки .

Основні характеристики

· Питомий імпульс на водні: 910 – 980 сік(теор. до 1000 сік).

· Швидкість закінчення робочого тіла (водень): 9100 – 9800 м/сек.

· Досяжна тяга: до сотень і тисяч тонн.

· Максимальні робочі температури: 3000 ° С - 3700 ° С (короткочасне включення).

· Ресурс роботи: до кількох тисяч годин (періодичне включення). /5/

11.Пристрій

Влаштування радянського твердофазного ядерного ракетного двигуна РД-0410

1 - магістраль від бака робочого тіла

2 - турбонасосний агрегат

3 - Привід регулюючого барабана

4 - радіаційний захист

5 - Регулюючий барабан

6 - сповільнювач

7 - тепловиділяючі зборки

8 - корпус реактора

9 - вогневе днище

10 - магістраль охолодження сопла

11- соплова камера

12 - сопло

12. Принцип роботи

ТЯРД за своїм принципом роботи являє собою високотемпературний реактор-теплообмінник, в який вводиться робоче тіло (рідкий водень) під тиском, і в міру його розігріву до високих температур (понад 3000°С) викидається через сопло, що охолоджується. Регенерація тепла в соплі дуже вигідна, тому що дозволяє значно швидше розігрівати водень і утилізуючи значну кількість теплової енергії, підвищити питомий імпульс до 1000 сек (9100-9800 м/с).

Реактор ядерного ракетного двигуна

MsoNormalTable">

Робоче тіло

Щільність, г/см3

Питома тяга (при зазначених температурах у камері нагріву, °К), сік

0,071 (рідок)

0,682 (рідок)

1,000 (рідок)

ні. даних

ні. даних

ні. даних

(Примітка: Тиск у камері нагрівання 45,7 атм, розширення до тиску 1 атм при незмінному хімічному складі робочого тіла) /6/

15. Переваги

Основною перевагою ТЯРД перед хімічними ракетними двигунами є отримання більш високого питомого імпульсу, значний енергозапас, компактність системи та можливість отримання дуже великої тяги (десятки, сотні та тисячі тонн у вакуумі. В цілому питомий імпульс досягається у вакуумі більше ніж у відпрацьованого двокомпонентного хімічного ракет (гас-кисень, водень-кисень) в 3-4 рази, а при роботі на найвищій теплонапруженості в 4-5 разів. освоєння космосу) такі двигуни можуть бути зроблені за короткий час і будуть мати розумну вартість.У разі використання ТЯРД для розгону космічних апаратів у космосі, та за умови додаткового використання пертурбаційних маневрів з використанням поля тяжіння великих планет (Юпітер, Уран, Сатурн, Нептун) Досяжні межі вивчення Сонячної системи суттєво розширюються, а час потрібний для досягнення далеких планет значно скорочується. Крім того, ТЯРД можуть бути успішно застосовані для апаратів працюючих на низьких орбітах планет-гігантів з використанням їх розрядженої атмосфери як робочого тіла, або для роботи в їх атмосфері. /8/

16. Недоліки

Основним недоліком ТЯРД є наявність потужного потоку проникаючої радіації (гама-випромінювання, нейтрони), а також винесення високорадіоактивних сполук урану, тугоплавких сполук з наведеною радіацією та радіоактивних газів з робочим тілом. У цьому ТЯРД неприйнятний для наземних пусків щоб уникнути погіршення екологічної обстановки дома пуску й у атмосфері. /14/

17. Поліпшення показників ТЯРД. Гібридні ТЯРД

Як і у будь-якого ракетного або взагалі будь-якого двигуна, у твердофазного ядерного реактивного двигуна є суттєві обмеження досяжних найважливіших характеристик. Ці обмеження є неможливістю пристрою (ТЯРД) працювати в області температур перевищують діапазон граничних робочих температур конструкційних матеріалів двигуна. Для розширення можливостей та значного збільшення головних робочих параметрів ТЯРД можуть бути застосовані різні гібридні схеми у яких ТЯРД відіграє роль джерела тепла та енергії та використовуються додаткові фізичні способи прискорення робочих тіл. Найбільш надійною, практично здійсненною і має високі характеристики по питомому імпульсу і тязі є гібридна схема з додатковим МГД-контуром (магнітогідродинамічним контуром) розгону іонізованого робочого тіла (водень і спеціальні присадки). /13/

18. Радіаційна небезпека від ЯРД.

ЯРД, що працює, є потужним джерелом радіації - гамма- і нейтронного випромінювання. Без вжиття спеціальних заходів, радіація може викликати в космічному апараті неприпустиме нагрівання робочого тіла та конструкції, крихітність металевих конструкційних матеріалів, руйнування пластмасових та старіння гумових деталей, порушення ізоляції електричних кабелів, виведення з ладу електронної апаратури. Радіація може викликати наведену (штучну) радіоактивність матеріалів – активізацію їх.

В даний час проблема радіаційного захисту космічних апаратів з ЯРД вважається вирішеною в принципі. Вирішено також і принципові питання, пов'язані з обслуговуванням ЯРД на випробувальних стендах та пускових майданчиках. Хоча працюючий ЯРД становить небезпеку для обслуговуючого персоналу" вже через добу після закінчення роботи ЯРД можна без будь-яких засобів індивідуального захисту перебувати протягом кількох десятків хвилин на відстані 50 м від ЯРД і навіть підходити до нього. Найпростіші засоби захисту дозволяють обслуговуючому персоналу входити в робочу зону ЯРД вже невдовзі після випробувань.

Рівень зараження пускових комплексів та навколишнього середовища, мабуть, не буде на заваді використанню ЯРД на нижніх щаблях космічних ракет. Проблема радіаційної небезпеки для навколишнього середовища та обслуговуючого персоналу значною мірою пом'якшується тим, що водень, що використовується як робоче тіло, практично не активується при проходженні через реактор. Тому реактивний струмінь ЯРД трохи небезпечніша, ніж струмінь ЖРД./4/

Висновок

При розгляді перспектив розвитку та використання ЯРД у космонавтиці слід виходити з досягнутих та очікуваних характеристик різних типів ЯРД, з того, що може дати космонавтиці їх застосування та, нарешті, з наявності тісного зв'язку проблеми ЯРД з проблемою енергозабезпечення в космосі та з питаннями розвитку енергетики взагалі.

Як говорилося вище, з усіх можливих типів ЯРД найбільш розроблені тепловий радіоізотопний двигун і двигун з твердофазним реактором поділу. Але якщо характеристики радіоізотопних ЯРД не дозволяють сподіватися на їх широке застосування в космонавтиці (принаймні в найближчому майбутньому), створення твердофазних ЯРД відкриває перед космонавтикою великі перспективи.

Запропоновано, наприклад, апарат з початковою масою 40000 т (тобто приблизно в 10 разів більше, ніж у найбільших сучасних ракет-носіїв), причому 1/10 цієї маси припадає на корисний вантаж, а 2/3 - на ядерних зарядів . Якщо кожні 3 с підривати по одному заряду, їх запасу вистачить на 10 днів безперервної роботи ЯРД. За цей час апарат розженеться до швидкості 10000 км/с і надалі, через 130 років, може досягти зірки Альфа Центавра.

Ядерні енергоустановки мають унікальні характеристики, до яких відносяться практично необмежена енергоємність, незалежність функціонування від навколишнього середовища, несхильність до зовнішніх впливів (космічної радіації, метеоритного пошкодження, високих і низьких температур тощо). Однак максимальна потужність ядерних радіоізотопних установок обмежена величиною близько декількох сотень ват. Це обмеження не існує для ядерних реакторних енергоустановок, що й визначає вигідність їх використання при тривалих польотах важких космічних апаратів у навколоземному просторі, при польотах до далеких планет Сонячної системи та інших випадках.

Переваги твердофазних та інших ЯРД з реакторами поділу найбільш повно розкриваються при дослідженні таких складних космічних програм, як пілотовані польоти до планет Сонячної системи (наприклад, експедиції на Марс). У разі збільшення питомого імпульсу РД дозволяє вирішувати якісно нові завдання. Всі ці проблеми значно полегшуються при використанні твердофазного ЯРД із питомим імпульсом удвічі більшим, ніж у сучасних ЗРД. У цьому випадку стає можливим помітно скоротити терміни польотів.

Найімовірніше, що вже в найближчому майбутньому твердофазні ЯРД стануть одними з найпоширеніших РД. Твердофазний ЯРД можна використовувати як апарати для далеких польотів, наприклад, такі планети як Нептун, Плутон і навіть вилітати межі Сонячної Системи. Однак для польотів до зірок ЯРД, заснований на принципах поділу, не придатний. У цьому випадку перспективними є ЯРД або точніше термоядерні реактивні двигуни (ТРД), що працюють на принципі синтезу реакцій і фотонні реактивні двигуни (ФРД), джерелам імпульсу в яких є реакція анігіляції речовини і антиречовини. Втім, швидше за все, людство для подорожі в міжзоряному просторі буде використовувати інший, відмінний від реактивного, спосіб пересування.

Насамкінець наведу перефразування відомої фрази Ейнштейна - для подорожі до зірок людство має придумати щось таке, яке було б порівняно за складністю та сприйняттям з ядерним реактором для неандертальця!

ЛІТЕРАТУРА

Джерела:

1. "Ракети та люди. Книга 4 Місячна гонка"-М: Знання, 1999.
2. http://www. lpre. de/energomash/index. htm
3. Первушин " Битва за зірки. Космічне протистояння " -М: знание,1998.
4. Л. Гільберг "Підкорення неба" - М: Знання, 1994.
5. http://epizodsspace. *****/bibl/molodtsov
6. "Двигун", "Ядерні двигуни для космічних апаратів", №5 1999 р.

7. "Двигун", "Газофазні ядерні двигуни для космічних апаратів",

№ 6, 1999 р
7. http://www. *****/content/numbers/263/03.shtml
8. http://www. lpre. de/energomash/index. htm
9. http://www. *****/content/numbers/219/37.shtml
10., Чекалін транспорт майбутнього.

М: Знання, 1983.

11. , Чекалін освоєння космосу.- М.:

Знання, 1988.

12. «Енергія - Буран» - крок у майбутнє // Наука життя й.

13. Космічна техніка.- М.: Світ, 1986.

14., Сергеюк та комерція. - М.: АПН, 1989.

15. СРСР у космосі. 2005 рік.-М.: АПН, 1989.

16. На шляху до далекого космосу // Енергія. – 1985. – № 6.

ДОДАТОК

Основні характеристики твердофазних ядерних реактивних двигунів

Країна виробник	Двигун	Тяга (Thrust) у вакуумі, кН	Питомий імпульс сік		Робота проекту, рік
	NERVA/Lox Mixed Cycle

Російські військові успішно випробували крилату ракету з ядерною енергетичною установкою. Дальність її польоту на дозвуковій швидкості не обмежена. Такі вироби здатні на низькій висоті обходити райони протиповітряної та протиракетної оборони, з високою точністю знищуючи об'єкти супротивника. Про появу новинки повідомив президент Росії Володимир Путін у своєму посланні до Федеральних зборів. На думку експертів, ці системи належать до зброї стримування. Вони використовують для переміщення повітря, нагріте ядерною енергетичною установкою.

За інформацією фахівців, йдеться про виріб з індексом 9М730, розроблений ОКБ «Новатор». У загрозливий період такі ракети можна підняти у повітря та вивести у задані райони. Звідти вони зможуть вдарити по важливих об'єктах супротивника. Випробування новинки йдуть досить активно, і в них беруть участь лабораторії Іл-976, що літають.

Наприкінці 2017 року на Центральному полігоні Російської Федерації відбувся успішний запуск новітньої російської крилатої ракети з ядерною енергоустановкою. У ході польоту енергоустановка вийшла на задану потужність, забезпечила необхідний рівень потягу, - заявив у своєму виступі Володимир Путін. - Перспективні системи озброєння Росії ґрунтуються на новітніх унікальних досягненнях наших вчених, конструкторів, інженерів. Одне з них - створення малогабаритної надпотужної ядерної енергетичної установки, яка розміщується в корпусі крилатої ракети типу нашої найновішої ракети Х-101 повітряного базування або американського «Томагавка», але забезпечує у десятки разів! - велику дальність польоту, що є практично необмеженою. Низьколітня, малопомітна крилата ракета, що несе ядерну бойову частину, з практично необмеженою дальністю, непередбачуваною траєкторією польоту та можливістю обходу рубежів перехоплення є невразливою для всіх існуючих та перспективних систем як ПРО, так і ППО.

У представленому відеосюжеті глядачі спромоглися побачити запуск унікальної ракети. Політ виробу був відбитий з борту винищувача супроводу. Згідно з представленою далі комп'ютерною графікою, «ядерна ракета» облетіла зони морського ПРО в Атлантиці, обійшла з півдня Південну Америку і вдарила по території Сполучених Штатів з боку Тихого океану.

Судячи з представленого відео, це ракета або морського, або сухопутного базування, - розповів головний редактор-інтернет проекту MilitaryRussia Дмитро Корнєв. - У Росії є два розробники крилатих ракет. «Райдуга» виготовляє лише вироби повітряного базування. Наземні та морські – у віданні «Новатора». На рахунку фірми - лінійка крилатих ракет Р-500 для комплексів «Іскандер», а також легендарні «Калібри».

Нещодавно у відкритих документах ОКБ «Новатор» з'явилися згадки про два нових вироби - 9М729 та 9М730. Перше – це звичайна далекобійна крилата ракета, а ось про 9М730 нічого не було відомо. Але цей виріб явно перебуває на стадії активної розробки - на цю тематику на сайті держзакупівель розміщено кілька тендерів. Тому можна припустити, що «ядерна ракета» - це 9М730.

Як зазначив військовий історик Дмитро Болтенков, принцип роботи ядерної енергетичної установки є досить простим.

На бортах ракети знаходяться спеціальні відсіки з потужними та компактними нагрівачами, які працюють від ядерної енергоустановки, - зазначив експерт. - У них потрапляє атмосферне повітря, яке нагрівається до кількох тисяч градусів і перетворюється на робоче тіло двигуна. Витікання гарячого повітря створює тягу. Така система справді забезпечує практично безмежну дальність польоту.

Як заявив Володимир Путін, випробування новинки відбулися на Центральному полігоні. Цей об'єкт розташовано в Архангельській області в селищі Ненокс.

Це історичне місце випробування далекобійної зброї, – зазначив Дмитро Болтенков. – Звідти маршрути ракет проходять уздовж північного узбережжя Росії. Їхня протяжність може сягати кількох тисяч кілометрів. Для зняття телеметричних параметрів з ракет на таких відстанях потрібні спеціальні літаки - лабораторії, що літають.

За словами експерта, нещодавно було відновлено два унікальні літаки Іл-976. Це спеціальні машини, створені з урахуванням транспортного Ил-76, тривалий час використовувалися випробування далекобійної ракетної зброї. У 1990-х роках вони були законсервовані.

У мережі Інтернет було опубліковано фото Іл-976, які перелетіли на аеродром поблизу Архангельська, - зазначив експерт. - Примітно, що машини несли емблему "Росатому". У цей же час Росія випустила спеціальне міжнародне попередження NOTAM (Notice to Airmen) та закрила район для суден та літаків.

На думку військового експерта Владислава Шуригіна, нова «ядерна ракета» – це не наступальний бойовий комплекс, а зброя стримування.

У загрозливий період (загострення ситуації, як правило, що передує початку війни) російські військові зможуть вивести в задані райони патрулювання ці вироби, - зазначив експерт. - Це дозволить запобігти спробам противника завдати удару по Росії та її союзникам. "Ядерні" ракети зможуть виконати роль зброї відплати або завдати превентивного удару.

Збройні сили Росії мають у своєму розпорядженні кілька лінійок дозвукових низьковисотних крилатих ракет. Це Х-555 та Х-101 повітряного, Р-500 наземного та 3М14 «Калібр» морського базування.