История создания ядерных ракетных двигателей в США и в России

Качем космическому кораблю ядерный двигатель - Как устроен ядерный двигатель - Разработки в США - Разработки в СССР - Плюсы и минусы ядерного двигателя - Двигатель на основе высокотемпературного газофазного реактора

Зачем нужен ядерный двигатель для космического корабля

Космическую эру человечество открыло в начале 1960-х г.г., и хотя с тех пор прошло уже 60 лет, несмотря на все успехи в деле изучения ближнего космоса, космический полет чуть дальше орбиты Луны воспринимается как задача чудовищной сложности. Почему так происходит и где те самые “караваны ракет” летящие к далеким мирам?

Техника подвела! Дело в том, что фактически сейчас мы используем такие же точно двигатели, как и на заре космонавтики. Нет, конечно с технической точки зрения современные двигатели мощнее, экономичнее и лучше старых, но существуют у них ограничения, которые до сих пор мы обойти не можем.

Пока у человечества не будет новых мощных двигателей, о далеких планетах остается только мечтать

В чем же дело? Вот в чем: жидкостные ракетные двигатели открыли человеку дорогу в космос – на околоземные орбиты. Но дальше двигаться на этой энергетической базе просто не имеет смысла: скорость истечения реактивной струи в них не превышает 4,5 км/с, а для межпланетных полетов нужны десятки километров в секунду.

Иными словами, мы имеем дело с классическим технологическим пределом, преодолеть который нельзя. Если, конечно, не создать принципиально иной двигатель для космических перелетов, например – ядерный!

Как устроен ядерный ракетный двигатель

Что же представляет собой ядерный ракетный двигатель (ЯРД)? Многие его системы устроены так же, как у жидкостного ракетного двигателя (ЖРД). Только температура рабочего тела, истекающего из сопла и создающего тягу, повышается не за счет реакции окисления (горения) двух компонентов, а за счет тепловой энергии, выделяющейся в процессе деления ядер радиоактивного вещества.

Вместо камеры сгорания, как у жидкостного двигателя, в ядерном двигателе размещен реактор, способный нагреть газ более чем до 3000 К. Эта температура ограничивается стойкостью применяемых материалов.

Но почему ядерный ракетный двигатель в несколько раз эффективнее ЖРД? Ведь он гораздо сложнее, имеет во много раз большую массу, нуждается в специальных системах защиты и безопасности, громоздок. Дело в том, что в реакторе можно разогревать любой газ, а энергетическая эффективность ракетного двигателя тем выше, чем это рабочее тело имеет меньшую молекулярную массу.

Вот и получается, что если в ядерном двигателе применить водород, то скорость истечения его из сопла будет в 3 раза выше, чем в лучшем – кислородно-водородном ЖРД. Все потому, что молекулярная масса в первом случае – 2 г/моль, а во втором – 18. Значит, для космического полета потребуется существенно меньше рабочего тела.

Общая схема ядерного двигателя для космического корабля

Делящееся вещество в активной зоне реактора может находиться в твердом, жидком или газообразном состоянии. До полноразмерных натурных испытаний дошли ЯРД только первого типа. Их реакторы состоят из тепловыделяющих сборок, содержащих соединение урана-235 с замедлителем нейтронов (для уменьшения массы урана с десятков до нескольких килограммов) и окруженных отражателем нейтронов, а также из устройств, обеспечивающих запуск, регулирование и остановку.

Разработки ядерных ракетных двигателей в США

С 1955 года в Америке приступили к выполнению программы по созданию ядерных реакторов типа NERVA, предназначенных для космических ракетных двигателей. Отработка велась сразу на опытных полноразмерных реакторах без сопла – Kiwi. При этом тепловыделяющие элементы часто разрушались из-за трещин в защитном покрытии. В конце 1963 года была поставлена задача осуществить общую разработку технологии ЯРД для обеспечения в 2014-2016 гг. пилотируемого полета к Марсу.

До 1972 года прошли испытания 20 ядерных реакторов, в том числе система NRX-A6 в течение одного часа работы реактора на полной мощности. 28 запусков стендовых ЯРДов имели суммарную продолжительность около 4 ч. Испытания проходили на полигоне в штате Невада.

В одном из вариантов ЯРД NERVA предварительно подогретый в рубашке охлаждения сопла и корпуса реактора водород поступает в тепловыделяющие сборки, где за счет специально развитой поверхности теплообмена обеспечивается его нагрев до 2360 К. Часть горячих газов отбирается для привода турбины турбонасосного агрегата, что обеспечивает расход водорода до 40,7 кг/с и тягу 33,6 т при тепловой мощности реактора 1510 МВт и его массе 3400 кг.

Американский ядерный двигатель проекта NERVA. Не сказать, что неудачный, однако же космическую революцию не совершил

Однако в 1973 г., американскую программу ядерного ракетного двигателя закрыли. Хотя в целом работы были вполне успешные, но… слишком уж медленно они шли и слишком уж дорого стоили. Фактически, за 20 лет работы в рамках программы “Нерва-2”, к концу 1970-х предполагалось только создание ядерного ракетного двигателя с тягой около 30 тонн (при том, что “обычные” ракетные двигатели давали около 700 тонн), со скоростью истечения реактивной струи – 8.1 км/с. Это было больше, чем у обычных ракет, но все равно слишком мало для того, чтобы планировать серьезные космические перелеты.

Когда в условиях далеко не резинового даже у США бюджета, стали выбирать между ядерным ракетным двигателем и программой многоразовых космических челноков “Шаттл”, предпочтение отдали “Шаттлу”. Программа разработки ядерного ракетного двигателя для космических предметов была закрыта.

Разработки ядерных ракетных двигателей в СССР

В СССР проектирование первых ядерных ракетных двигателей велось во второй половине 1950-х годов. Этими работами занимались КБ главных конструкторов А.М. Люльки, С.А. Лавочкина, В.М. Мясищева, М.М. Бондарюка, В.П. Глушко совместно с рядом научно-исследовательских институтов – НИИТП, ЦИАМ, ИАЭ, ВНИИНМ.

Уже летом 1959 года сотрудники НИИТП В.М. Иевлев и Ю.А. Трескин доложили о постановке эксперимента на реакторе ИГР, первый запуск которого состоялся в 1961-м. Конструкции совершенствовались, и в 1975-1989 гг. на реакторе ИВГ-1 была выполнена отработка тепловыделяющих сборок на ресурс в форсированном режиме при температурах до 3100 К и тепловых потоках 20 кВт/см3 (на порядок выше, чем в США).

А на стендовом реакторе ядерного двигателя минимальной размерности ИРГИТ проводились запуски при мощности до 60 МВт и температуре 2650 К. В отличие от американских российские ученые использовали более экономичные и эффективные испытания отдельных тепловыделяющих элементов в исследовательских реакторах.

Все это в 1970-1980-е годы позволило в КБ “Салют”, КБ химавтоматики, ИАЭ, НИКИЭТ и НПО “Луч” (ПНИТИ) разрабатывать различные проекты космических ядерных ракетных двигателей и ядерных энергодвигательных установок.

В КБ химавтоматики при научном руководстве НИИТП (за элементы реактора отвечали ФЭИ, ИАЭ, НИКИЭТ, НИИТВЭЛ, НПО “Луч”, МАИ) создавались ЯРД РД 0411 и ядерный двигатель минимальной размерности РД 0410 тягой 40 и 3,6 т соответственно. В результате были изготовлены реактор, “холодный” двигатель и стендовый прототип для проведения испытаний на газообразном водороде.

В отличие от американского, с удельным импульсом не больше 8250 м/с, советский ЯРД за счет более жаростойких и совершенных по конструкции тепловыделяющих элементов и высокой температуры в активной зоне имел этот показатель равным 9100 м/с.

Советский вариант ядерного двигателя (РД-0410) для космического корабля оказался эффективнее, чем американский. Но и у нас революции не случилось

Стендовая база для испытаний ЯРД объединенной экспедиции НПО “Луч” размещалась в 50 км юго-западнее г. Семипалатинск-21. Она начала работать в 1962-м. В 1971-1978 гг. на полигоне испытывались натурные тепловыделяющие элементы прототипов ЯРД. При этом отработанный газ поступал в систему закрытого выброса. Стендовый комплекс для полноразмерных испытаний ядерных двигателей “Байкал-1” находится в 65 км к югу от г. Семипалатинск-21.

С 1970 по 1988 год проведено около 30 “горячих” пусков реакторов. При этом мощность не превышала 230 МВт при расходе водорода до 16,5 кг/с и его температуре на выходе из реактора 3100 К. Все запуски прошли успешно и безаварийно.

Однако, не смотря на несколько лучший результат,  чем в США, отечественные разработки ядерного ракетного двигателя на этом также были остановлены, а оборудование законсервировано. В России и в США исследователи в общем-то пришли к одному выводу – идея рабочая, но в текущих реалиях плохо реализуемая.

По большому счету ядерный ракетный двигатель опередил время – более совершенная база, более продвинутые технологи в будущем позволят вернутся к этой идеи с новыми силами. Пока же остается только мечтать о полетах к далеким планетам, также, как и полвека назад.

Плюсы ядерного реактивного двигателя:

• Значительно эффективнее жидкостного реактивного двигателя в некоторых диапазонах работы
• Значительно более компактный за счет отсутствия большого объема топлива
• Значительно более “долгоиграющий”, опять же за счет преимуществ ядерного топлива

Минусы ядерного реактивного двигателя:

• Скорость истечения реактивной струи, хотя и выше на порядок, чем у ЖРД, все равно слишком мала для серьезного “покорения” космоса
• Требует серьезной радиационной защиты
• В случае аварии происходит ядерная катастрофа. По причине сильной остаточной радиации исключен возврат или сброс ядерного ракетного двигателя на Землю.

Сравнение принципов работы жидкостного и ядерного реактивных двигателей

Развитие идеи ядерного ракетного двигателя (ГФЯР)

Дальнейшим развитием идеи ядерного ракетного двигателя является концепция ядерной двигательно-энергетической установки на основе высокотемпературного газофазного реактора – ГФЯР. Как упоминалось ранее, разогрев рабочего тела в ядерного ракетного двигателя с твердофазным реактором ограничен температурой тепловыделяющих элементов и стойкостью их материала. А чем выше температура, тем больше удельный импульс двигателя.

И если использовать газообразное ядерное топливо, то эта проблема снимается. Появляются возможности увеличения удельного импульса до 20-30 км/с при температуре рабочего тела до 12 000 К.

В основе одного из проектов такой установки – высокотемпературный ГФЯР со вспомогательными подвижными твердофазными тепловыделяющими сборками, которые обеспечивают критическую массу ядерного горючего.

В центральной цилиндрической полости ГФЯР – рабочей камере – за счет магнитного поля соленоида, окружающего реактор, формируется малорасходная, “застойная”, зона. Уран, находящийся в ней в газовой фазе, разогревает до температуры выше 9000 К протекающий водород за счет распределенных в газе лучепоглощающих добавок и не смешивается с ним.

Истекающая из сопла плазма обладает высокой электропроводностью и обеспечивает получение электрической энергии во встроенном в сопло МГД-генераторе. Эта энергия необходима для питания соленоида, насосов, подающих рабочее тело, и бортовых систем аппарата. Некоторая часть урана постоянно уносится потоком водорода в окружающее пространство, но система подачи ядерного горючего все время компенсирует его убыль.

Энергоснабжение космического аппарата с ГФЯРД на режиме выключенной рабочей камеры осуществляют две газотурбинные энергоустановки общей мощностью 200 кВт с нагревом рабочего тела в твердофазных тепловыделяющих сборках. По расчетам, такой ГФЯРД будет иметь тягу 17,3 т при давлении в рабочей камере 100 кг/см2 и скорости истечения водорода 20 км/с. Продолжительность работы на номинальном режиме при пяти включениях – около 3,5 ч. Мощность МГД-генератора должна составлять 25 МВт.

По материалам сети интернет, в основе одноименная статья с сайта http://astrolab.ru