© Oksana Viktorova/Kolaž/Ridus
Izjava Vladimira Putina tokom obraćanja Saveznoj skupštini o prisustvu krstareće rakete koju pokreće nuklearni motor u Rusiji izazvala je buru uzbuđenja u društvu i medijima. Istovremeno, donedavno se i široj javnosti i stručnjacima znalo prilično malo o tome što je takav motor i mogućnostima njegove upotrebe.
"Reedus" je pokušao da shvati šta tehnički uređaj predsednik je mogao da govori i šta ga je činilo jedinstvenim.
S obzirom na to da prezentacija u Manježu nije napravljena za publiku tehničkih stručnjaka, već za „širu“ javnost, njeni autori su mogli dozvoliti izvesnu zamenu koncepata, Georgij Tihomirov, zamenik direktora Instituta za nuklearnu fiziku i tehnologiju Nacionalni istraživački nuklearni univerzitet MEPhI, ne isključuje.
“Ono što je predsjednik rekao i pokazao stručnjaci nazivaju kompaktnim elektranama, eksperimenti s kojima su prvo izvedeni u avijaciji, a potom u istraživanju dubokog svemira. To su bili pokušaji da se riješi nerješivi problem dovoljne zalihe goriva pri prelijetanju na neograničene udaljenosti. U tom smislu, prezentacija je potpuno tačna: prisustvo takvog motora osigurava proizvoljno napajanje za sisteme rakete ili bilo kojeg drugog uređaja. dugo vremena“ rekao je Ridusu.
Rad s takvim motorom u SSSR-u započeo je prije tačno 60 godina pod vodstvom akademika M. Keldysha, I. Kurchatova i S. Koroljeva. Iste godine sličan posao je obavljen u SAD-u, ali je prekinut 1965. godine. U SSSR-u se rad nastavio otprilike još jednu deceniju prije nego što je također smatran irelevantnim. Možda zato Vašington nije previše reagovao, rekavši da nije iznenađen predstavljanjem ruske rakete.
U Rusiji ideja o nuklearnom motoru nikada nije umrla - posebno, od 2009. godine, u toku je praktični razvoj takvog postrojenja. Sudeći po tajmingu, testovi koje je najavio predsjednik savršeno se uklapaju u ovo zajednički projekat Roskosmos i Rosatom - od kada su programeri planirali da izvedu terenski testovi motor 2018. Moguće zbog politički razlozi Malo su se natjerali i pomjerili rokove “ulijevo”.
“Tehnološki je projektovan tako da se nuklearni blok grije rashladno sredstvo za gas. I ovaj zagrijani plin ili rotira turbinu ili direktno stvara mlazni potisak. Određena lukavština u prezentaciji rakete koju smo čuli je da njen domet leta nije beskonačan: ograničen je zapreminom radnog fluida – tečnog gasa, koji se fizički može upumpati u raketne rezervoare“, kaže specijalista.
Istovremeno, svemirska raketa i krstareća raketa imaju suštinski značaj različite šeme kontrolu leta, jer imaju različite zadatke. Prvi leti u bezzračnom prostoru, ne treba manevrirati - dovoljno mu je dati početni impuls, a zatim se kreće duž proračunate balističke putanje.
Krstareća raketa, s druge strane, mora kontinuirano mijenjati svoju putanju, za što mora imati dovoljno goriva za stvaranje impulsa. Hoće li ovo gorivo zapaliti nuklearna elektrana ili tradicionalna? u ovom slučaju nebitno. Bitna je samo nabavka ovog goriva, naglašava Tihomirov.
„Značenje nuklearne instalacije kada leti u duboki svemir je prisustvo na brodu izvora energije za napajanje sistema uređaja na neograničeno vrijeme. U ovom slučaju može postojati ne samo nuklearni reaktor, već i radioizotopni termoelektrični generatori. Ali značenje takve instalacije na raketi, čiji let neće trajati više od nekoliko desetina minuta, još mi nije sasvim jasno”, priznaje fizičar.
Izvještaj Manege kasnio je samo nekoliko sedmica u odnosu na NASA-inu objavu od 15. februara da Amerikanci nastavljaju istraživački rad na nuklearnom raketnom motoru koji su napustili prije pola stoljeća.
Inače, u novembru 2017. godine China Aerospace Science and Technology Corporation (CASC) objavila je da će svemirska letjelica na nuklearni pogon biti stvorena u Kini do 2045. godine. Stoga danas možemo sa sigurnošću reći da je počela globalna trka nuklearnog pogona.
Često u općim obrazovnim publikacijama o astronautici ne prave razliku između nuklearnog raketnog motora (NRE) i nuklearnog električnog pogonskog sistema (NURE). Međutim, ove skraćenice ne kriju samo razliku u principima transformacije Nuklearna energija zbog potiska rakete, ali i veoma dramatične istorije razvoja astronautike.
Drama priče je u tome što su oni svraćali uglavnom ekonomski razlozi Budući da su istraživanja nuklearnog pogona i nuklearnog pogona u SSSR-u i SAD-u nastavljena, ljudski letovi na Mars bi odavno postali uobičajeni.
Sve je počelo sa atmosferskim avionima sa ramjet nuklearnim motorom
Dizajneri u SAD-u i SSSR-u smatrali su da nuklearne instalacije "dišu" sposobne uvući vanjski zrak i zagrijati ga do kolosalnih temperatura. Vjerovatno je ovaj princip stvaranja potiska posuđen od ramjet motora, samo što je umjesto raketnog goriva korištena energija fisije atomskih jezgri uran-dioksida 235.U SAD-u je takav motor razvijen u sklopu projekta Pluton. Amerikanci su uspjeli stvoriti dva prototipa novog motora - Tory-IIA i Tory-IIC, koji su čak pokretali reaktore. Kapacitet instalacije je trebao biti 600 megavata.
Motori razvijeni u sklopu projekta Pluton planirani su za ugradnju na krstareće rakete, koje su 1950-ih stvorene pod oznakom SLAM (Supersonic Low Altitude Missile, supersonic low-altitude projektil).
Sjedinjene Američke Države planirale su da naprave raketu dugu 26,8 metara, prečnik tri metra i tešku 28 tona. Telo rakete je trebalo da sadrži nuklearnu bojevu glavu, kao i nuklearni pogonski sistem dužine 1,6 metara i prečnika 1,5 metara. U poređenju sa drugim veličinama, instalacija je izgledala veoma kompaktno, što objašnjava njen princip rada direktnog protoka.
Programeri su vjerovali da će, zahvaljujući nuklearnom motoru, domet letenja rakete SLAM biti najmanje 182 hiljade kilometara.
Godine 1964. Ministarstvo odbrane SAD je zatvorilo projekat. Zvanični razlog je bio taj što u letu krstareća raketa na nuklearni pogon previše zagađuje sve okolo. Ali u stvari, razlog su bili značajni troškovi održavanja takvih raketa, pogotovo jer se do tada ubrzano razvijala raketna tehnika bazirana na raketnim motorima na tekuće gorivo, čije je održavanje bilo znatno jeftinije.
SSSR je ostao vjeran ideji stvaranje ramjet dizajna za nuklearni motor mnogo duže od Sjedinjenih Država, zatvorivši projekt tek 1985. godine. Ali rezultati su se pokazali mnogo značajnijim. Dakle, prvi i jedini sovjetski nuklearni raketni motor razvijen je u dizajnerskom birou Khimavtomatika u Voronježu. Ovo je RD-0410 (GRAU indeks - 11B91, također poznat kao “Irbit” i “IR-100”).
RD-0410 je koristio heterogeni reaktor termičkih neutrona, moderator je bio cirkonijum hidrid, reflektori neutrona su bili od berilija, nuklearno gorivo je bio materijal na bazi karbida uranijuma i volframa, sa oko 80% obogaćenja izotopom 235.
Dizajn je uključivao 37 gorivih sklopova, prekrivenih toplinskom izolacijom koja ih je odvajala od moderatora. Projektom je predviđeno da tok vodonika prvo prolazi kroz reflektor i moderator, održavajući njihovu temperaturu na sobnoj temperaturi, a zatim ulazi u jezgro, gdje hladi gorivne sklopove, zagrijavajući se do 3100 K. Na štandu su reflektor i moderator bili hladi odvojenim vodonikom.
Reaktor je prošao kroz značajnu seriju testova, ali nikada nije testiran za njegovo puno trajanje. Međutim, vanjske komponente reaktora bile su potpuno iscrpljene.
Tehničke karakteristike RD 0410
Potisak u praznini: 3,59 tf (35,2 kN)
Toplinska snaga reaktora: 196 MW
Specifični impuls potiska u vakuumu: 910 kgf s/kg (8927 m/s)
Broj startova: 10
Radni resurs: 1 sat
Komponente goriva: radni fluid - tečni vodonik, pomoćna supstanca - heptan
Težina sa zaštitom od zračenja: 2 tone
Dimenzije motora: visina 3,5 m, prečnik 1,6 m.
Relativno mali dimenzije i težina, visoka temperatura nuklearnog goriva (3100 K) pri efikasan sistem hlađenje vodoničnim tokom ukazuje da je RD0410 gotovo idealan prototip nuklearnog pogonskog motora za moderne krstareće rakete. A, uzimajući u obzir moderne tehnologije za proizvodnju samozaustavljivog nuklearnog goriva, povećanje resursa sa jednog sata na nekoliko sati je vrlo stvaran zadatak.
Dizajn nuklearnih raketnih motora
Nuklearni raketni motor (NRE) je mlazni motor u kojem se energija stvara kada nuklearna reakcija raspadanja ili sinteze, zagrijava radni fluid (najčešće vodonik ili amonijak).Postoje tri tipa nuklearnih pogonskih motora ovisno o vrsti goriva za reaktor:
- čvrsta faza;
- tečna faza;
- gasna faza.
U nuklearnim pogonskim motorima u gasnoj fazi, gorivo (na primjer, uran) i radni fluid su u plinovitom stanju (u obliku plazme) i drže se u radni prostor elektromagnetno polje. Uranijumska plazma zagrijana na desetine hiljada stepeni prenosi toplotu na radni fluid (na primer, vodonik), koji se zauzvrat zagreva na visoke temperature i formira mlazni tok.
Na osnovu vrste nuklearne reakcije, razlikuje se radioizotopni raketni motor, termonuklearni raketni motor i sam nuklearni motor (koristi se energija nuklearne fisije).
Zanimljiva opcija je i pulsni nuklearni raketni motor - predlaže se korištenje nuklearnog punjenja kao izvora energije (goriva). Takve instalacije mogu biti unutrašnje i vanjske.
Glavne prednosti nuklearnih motora su:
- visok specifični impuls;
- značajne rezerve energije;
- kompaktnost pogonskog sistema;
- mogućnost dobijanja veoma velikog potiska - desetine, stotine i hiljade tona u vakuumu.
- tokovi prodornog zračenja (gama zračenje, neutroni) tokom nuklearnih reakcija;
- uklanjanje visoko radioaktivnih spojeva uranijuma i njegovih legura;
- oticanje radioaktivnih gasova sa radnim fluidom.
Nuklearni pogonski sistem
Uzimajući u obzir da su sve pouzdane informacije o nuklearnim elektranama iz publikacija, uključujući iz naučni članci, nemoguće je dobiti, princip rada ovakvih instalacija najbolje je razmotriti na primjerima otvorenih patentnih materijala, iako oni sadrže know-how.Na primjer, izvanredni ruski naučnik Anatolij Sazonovič Korotejev, autor izuma pod patentom, pružio je tehničko rješenje za sastav opreme za moderan YARDU. U nastavku donosim dio pomenutog patentnog dokumenta doslovno i bez komentara.
Suštinu predloženog tehničkog rješenja ilustruje dijagram prikazan na crtežu. Nuklearni pogonski sistem koji radi u pogonsko-energetskom režimu sadrži električni pogonski sistem (EPS) (primjer dijagrama prikazuje dva električna raketna motora 1 i 2 sa odgovarajućim sistemima napajanja 3 i 4), reaktorsku instalaciju 5, turbinu 6, kompresor 7, generator 8, izmjenjivač topline-rekuperator 9, Ranck-Hilsch vrtložna cijev 10, hladnjak-radijator 11. U ovom slučaju, turbina 6, kompresor 7 i generator 8 su spojeni u jednu jedinicu - turbogenerator-kompresor. Nuklearna pogonska jedinica je opremljena cjevovodima 12 radnog fluida i električnim vodovima 13 koji povezuju generator 8 i električni pogon. Izmjenjivač-rekuperator topline 9 ima tzv. visokotemperaturni 14 i niskotemperaturni 15 ulaz radnog fluida, kao i visokotemperaturni 16 i niskotemperaturni 17 izlaz radnog fluida.Linkovi:Izlaz reaktorske jedinice 5 povezan je sa ulazom turbine 6, izlaz turbine 6 povezan je sa visokotemperaturnim ulazom 14 izmenjivača toplote-rekuperatora 9. Niskotemperaturni izlaz 15 izmenjivača toplote-rekuperatora 9 spojen je na ulaz u Ranck-Hilsch vrtložnu cijev 10. Ranck-Hilsch vortex cijev 10 ima dva izlaza od kojih je jedan (preko „vruće“ radne tekućine) povezan sa hladnjakom hladnjaka 11, a drugi ( preko „hladnog” radnog fluida) spojen je na ulaz kompresora 7. Izlaz hladnjaka radijatora 11 je takođe povezan sa ulazom u kompresor 7. Izlaz kompresora 7 je povezan sa niskotemperaturnim ulazom 15 za izmjenjivač topline-rekuperator 9. Visokotemperaturni izlaz 16 izmjenjivača-rekuperatora topline 9 povezan je sa ulazom u reaktorsku instalaciju 5. Dakle, glavni elementi nuklearne elektrane su međusobno povezani jednim krugom radnog fluida. .
Nuklearna elektrana radi na sljedeći način. Radni fluid zagrejan u reaktorskoj instalaciji 5 šalje se u turbinu 6, koja obezbeđuje rad kompresora 7 i generatora 8 turbogeneratora-kompresora. Generator 8 proizvodi električnu energiju, koja električni vodovi 13 je usmjeren na električne raketne motore 1 i 2 i njihove sisteme napajanja 3 i 4, osiguravajući njihov rad. Nakon izlaska iz turbine 6, radni fluid se kroz visokotemperaturni ulaz 14 šalje u izmjenjivač topline-rekuperator 9, gdje se radni fluid djelimično hladi.
Zatim se iz niskotemperaturnog izlaza 17 izmjenjivača topline-rekuperatora 9 radni fluid usmjerava u Ranque-Hilsch vrtložnu cijev 10, unutar koje se strujanje radnog fluida dijeli na "vruću" i "hladnu" komponentu. „Vrući” deo radnog fluida zatim odlazi u frižider-emiter 11, gde se ovaj deo radnog fluida efikasno hladi. “Hladni” dio radnog fluida ide do ulaza u kompresor 7, a nakon hlađenja tamo slijedi i dio radnog fluida koji napušta hladnjak 11.
Kompresor 7 napaja hlađeni radni fluid u izmenjivač toplote-rekuperator 9 kroz niskotemperaturni ulaz 15. Ovaj hlađeni radni fluid u izmenjivaču-rekuperatoru toplote 9 obezbeđuje delimično hlađenje protivtoka radnog fluida koji ulazi u izmenjivač-rekuperator toplote. 9 od turbine 6 preko visokotemperaturnog ulaza 14. Zatim, delimično zagrejani radni fluid (zbog razmene toplote sa protivtokom radnog fluida iz turbine 6) iz izmenjivača toplote-rekuperatora 9 kroz visokotemperaturni izlaz 16 ponovo ulazi u reaktorsku instalaciju 5, ciklus se ponovo ponavlja.
Dakle, smješten u zatvorena petlja jedan radni fluid osigurava neprekidan rad nuklearne elektrane, a korištenje Ranque-Hilsch vrtložne cijevi kao dijela nuklearne elektrane u skladu s traženim tehničkim rješenjem poboljšava karakteristike težine i veličine nuklearne elektrane, povećava pouzdanost njegovog rada i pojednostavljuje ga dijagram dizajna i omogućava povećanje efikasnosti nuklearnih elektrana u cjelini.
Ruski vojni svemirski pogon
Veliku buku u medijima i društvenim mrežama izazvale su izjave Vladimira Putina da Rusija testira krstareću raketu nove generacije sa skoro neograničeno domet i stoga je praktično neranjiv na sve postojeće i planirane sisteme protivraketne odbrane.
“Krajem 2017. godine na centralnom poligonu Ruska Federacija Najnovija ruska krstareća raketa uspješno je lansirana iz nuklearna energije instalacija. Tokom leta elektrana je dostigla zadatu snagu i obezbedila potreban nivo potiska”, rekao je Putin tokom svog tradicionalnog obraćanja Saveznoj skupštini.
O raketi se govorilo iu kontekstu drugih naprednih ruskih dostignuća u oblasti naoružanja, uz novu interkontinentalnu balističku raketu Sarmat, hipersoničnu raketu Kinzhal itd. Stoga uopće ne čudi što se Putinove izjave analiziraju prvenstveno u vojno-političkim venama. Međutim, u stvari, pitanje je mnogo šire: čini se da je Rusija na rubu razvoja prava tehnologija budućnosti, sposoban da donese revolucionarne promjene u raketnoj i svemirskoj tehnologiji i šire. Ali pre svega…
Jet tehnologije: “hemijska” slijepa ulica
Skoro sada sto godina Kada govorimo o mlaznom motoru, najčešće mislimo na hemijski mlazni motor. I mlazni avioni i svemirske rakete pokreću se energijom dobivenom sagorijevanjem goriva na brodu.
IN generalni nacrt funkcionira ovako: gorivo ulazi u komoru za sagorijevanje, gdje se miješa sa oksidantom ( atmosferski vazduh u motoru koji diše vazduh ili kiseonikom iz rezervi na brodu u raketnom motoru). Smjesa se zatim zapali, što rezultira brzim oslobađanjem značajan iznos energija u obliku topline, koja se prenosi na plinovite produkte sagorijevanja. Kada se zagrije, plin se brzo širi i, takoreći, istiskuje se kroz mlaznicu motora značajnom brzinom. Pojavljuje se mlazni tok i stvara se mlazni potisak, gurajući aviona u smjeru suprotnom od smjera strujanja mlaza.
He 178 i Falcon Heavy su različiti proizvodi i motori, ali to ne mijenja suštinu.
Mlazni i raketni motori u svoj svojoj raznolikosti (od prvog Heinkel 178 mlaznog aviona do Falcon Heavy Elona Muska) koriste upravo ovaj princip - samo se mijenjaju pristupi njegovoj primjeni. I svi projektanti raketne tehnike su primorani, na ovaj ili onaj način, da se pomire sa fundamentalnim nedostatkom ovog principa: potrebom da se u avion nosi značajna količina brzo potrošenog goriva. Kako odličan posao motor mora da radi, što više goriva mora biti na brodu i što manje korisnog tereta avion može ponijeti sa sobom tokom leta.
Na primjer, maksimalna težina pri polijetanju aviona Boeing 747-200 je oko 380 tona. Od toga je 170 tona za sam avion, oko 70 tona za nosivost (masa tereta i putnika), a 140 tona ili oko 35% težina goriva, koji gori u letu brzinom od oko 15 tona na sat. Odnosno, na svaku tonu tereta dolazi 2,5 tone goriva. A raketa Proton-M, za lansiranje 22 tone tereta u nisku referentnu orbitu, troši oko 630 tona goriva, odnosno skoro 30 tona goriva po toni korisnog tereta. Kao što vidite, „koeficijent korisna akcija„Više nego skromno.
Ako govorimo o zaista dugim letovima, na primjer, na druge planete Solarni sistem, tada odnos goriva i opterećenja postaje jednostavno ubitačan. Na primjer, američka raketa Saturn 5 mogla bi isporučiti 45 tona tereta na Mjesec, dok bi sagorjela preko 2000 tona goriva. A Falcon Heavy Elona Muska, sa lansirnom masom od hiljadu i po tona, sposoban je isporučiti samo 15 tona tereta u orbitu Marsa, odnosno 0,1% svoje početne mase.
Zato sa posadom let na mjesec i dalje ostaje zadatak na granici tehnoloških mogućnosti čovječanstva, a let na Mars prelazi te granice. Još gore: Više nije moguće značajno proširiti ove mogućnosti uz nastavak daljeg poboljšanja hemijskih raketa. U svom razvoju, čovječanstvo je "pogodilo" plafon koji je određen zakonima prirode. Da bi se išlo dalje, potreban je suštinski drugačiji pristup.
"Atomski" potisak
Sagorevanje hemijskih goriva odavno je prestalo da bude najefikasniji poznati način proizvodnje energije.
Od 1 kilograma ugalj možete dobiti oko 7 kilovat-sati energije, dok 1 kilogram uranijuma sadrži oko 620 hiljada kilovat-sati.
A ako stvorite motor koji će primati energiju iz nuklearnih, a ne iz kemijskih procesa, tada će takav motor zahtijevati desetine hiljada(!) puta manje goriva za isti posao. Ključni nedostatak mlaznih motora može se eliminisati na ovaj način. Međutim, od ideje do realizacije dug je put kojim se mora riješiti mnogo složenih problema. Prvo, bilo je potrebno napraviti nuklearni reaktor koji je dovoljno lagan i kompaktan da se može ugraditi u avion. Drugo, bilo je potrebno shvatiti kako točno iskoristiti energiju raspada atomskog jezgra za zagrijavanje plina u motoru i stvaranje mlazne struje.
Najočiglednija opcija bila je jednostavno propuštanje gasa kroz vruću jezgru reaktora. Međutim, u direktnoj interakciji sa gorivnim sklopovima, ovaj gas bi postao veoma radioaktivan. Ostavljajući motor u obliku mlazne struje, on bi jako zagadio sve okolo, pa bi korištenje takvog motora u atmosferi bilo neprihvatljivo. To znači da se toplota iz jezgre mora prenositi nekako drugačije, ali kako tačno? A gdje se mogu nabaviti materijali koji mogu zadržati svoja strukturna svojstva mnogo sati na tako visokim temperaturama?
Još je lakše zamisliti upotrebu nuklearne energije u "dubokomorskim vozilima bez posade", koje je Putin također spomenuo u istoj poruci. U stvari, to će biti nešto poput super torpeda koji će usisati morsku vodu, pretvoriti je u zagrijanu paru, koja će formirati mlazni tok. Takvo torpedo će moći putovati hiljadama kilometara pod vodom, krećući se na bilo kojoj dubini i biti sposobno da pogodi bilo koju metu na moru ili na obali. U isto vrijeme, bit će gotovo nemoguće presresti ga na putu do cilja.
Uzorci su trenutno spremni za primenu slični uređaji Rusija ga, izgleda, još nema. Što se tiče krstareće rakete na nuklearni pogon o kojoj je Putin govorio, očito je riječ o probnom lansiranju “masovnog modela” takve rakete s električnim grijačem umjesto nuklearnog. Upravo to mogu značiti Putinove riječi o “dostizanju zadate snage” i “odgovarajućem nivou potiska” – provjeriti da li motor takvog uređaja može raditi s takvim “ulaznim parametrima”. Naravno, za razliku od uzorka na nuklearni pogon, "modelni" proizvod nije sposoban preletjeti značajnu udaljenost, ali to se od njega ne zahtijeva. Na ovakvom uzorku moguće je razraditi tehnološka rješenja vezana za čisto „pogonski“ dio, dok se reaktor finalizira i testira na štandu. Odvojite ovu fazu od isporuke gotov proizvod možda samo malo vremena - godinu ili dvije.
Pa, ako se takav motor može koristiti u krstarećim projektilima, što će onda spriječiti da se koristi u avijaciji? Zamislite avion na nuklearni pogon, sposoban da pređe desetine hiljada kilometara bez sletanja ili punjenja goriva, a da ne potroši stotine tona skupog avionskog goriva! Općenito, govorimo o otkriće koje bi u budućnosti moglo napraviti pravu revoluciju u transportnom sektoru...
Je li Mars ispred?
Međutim, čini se da je glavna svrha nuklearne elektrane mnogo uzbudljivija – da postane nuklearno srce nove generacije svemirskih letjelica, što će omogućiti pouzdane transportne veze sa drugim planetama Sunčevog sistema. Naravno, ne možete koristiti turbo u prostoru bez vazduha. mlazni motori korišćenje spoljašnjeg vazduha. Šta god neko rekao, moraćete da ponesete supstancu sa sobom da ovde stvorite mlazni tok. Zadatak je koristiti ga mnogo ekonomičnije tokom rada, a za to brzina protoka tvari iz mlaznice motora mora biti što veća. Kod hemijskih raketnih motora ova brzina je do 5 hiljada metara u sekundi (obično 2-3 hiljade), a nije je moguće značajno povećati.
Mnogo veće brzine se mogu postići korištenjem drugačijeg principa stvaranja mlaznog toka - ubrzanja nabijenih čestica (jona) električno polje. Brzina mlaza u ionskom motoru može doseći 70 hiljada metara u sekundi, odnosno za postizanje iste količine kretanja bit će potrebno potrošiti 20-30 puta manje tvari. Istina, takav motor će trošiti dosta električne energije. A za proizvodnju ove energije trebat će vam nuklearni reaktor.
Model reaktorske instalacije za nuklearnu elektranu megavatne klase
Električni (jonski i plazma) raketni motori već postoje, npr. davne 1971 SSSR je lansirao u orbitu svemirski brod Meteor sa stacionarnim plazma motorom SPD-60 koji je razvio Fakel Design Biro. Danas se slični motori aktivno koriste za korekciju orbite umjetnih Zemljinih satelita, ali njihova snaga ne prelazi 3-4 kilovata (5 i pol konjskih snaga).
Međutim, 2015. godine Istraživački centar nazvan po. Keldysh je najavio stvaranje prototipa ionskog motora snage reda 35 kilovata(48 KS). Ne zvuči baš impresivno, ali nekoliko ovih motora sasvim je dovoljno da napajaju svemirsku letjelicu koja se kreće u praznini i daleko od jakih gravitacijskih polja. Ubrzanje koje će takvi motori dati letjelici bit će malo, ali će moći da ga održavaju dugo vremena (postojeći jonski motori imaju neprekidno vrijeme rada do tri godine).
U modernim svemirskim letjelicama raketni motori rade samo kratko, dok najveći dio leta brod leti po inerciji. Jonski motor, koji prima energiju iz nuklearnog reaktora, radit će tijekom cijelog leta - u prvoj polovini, ubrzavajući brod, u drugom, kočeći ga. Proračuni pokazuju da bi takva svemirska letjelica mogla doći do orbite Marsa za 30-40 dana, a ne za godinu dana, poput broda s kemijskim motorima, a sa sobom bi mogla nositi i modul za spuštanje koji bi čovjeka mogao iznijeti na površinu Crvenog Planet, a onda ga pokupite odatle.
Moglo bi se započeti ovaj članak tradicionalnim odlomkom o tome kako pisci naučne fantastike iznose hrabre ideje, a naučnici ih zatim oživljavaju. Možete, ali ne želite pisati markicama. Bolje je zapamtiti da moderni raketni motori, na čvrsto gorivo i tekućine, imaju više nego nezadovoljavajuće karakteristike za letove na relativno velikim udaljenostima. Oni vam omogućavaju da lansirate teret u Zemljinu orbitu i isporučite nešto na Mjesec, iako je takav let skuplji. Ali let na Mars s takvim motorima više nije lak. Dajte im gorivo i oksidant u potrebnim količinama. A ovi volumeni su direktno proporcionalni udaljenosti koju treba savladati.
Alternativa tradicionalnim hemijskim raketnim motorima su električni, plazma i nuklearni motori. Od svih alternativnih motora, samo je jedan sistem dostigao fazu razvoja motora - nuklearni (Nuclear Reaction Engine). U Sovjetskom Savezu i Sjedinjenim Državama rad na stvaranju nuklearnih raketnih motora započeo je još 50-ih godina prošlog stoljeća. Amerikanci su radili na obje opcije za takvu elektranu: reaktivnu i pulsnu. Prvi koncept uključuje zagrijavanje radnog fluida pomoću nuklearnog reaktora, a zatim njegovo ispuštanje kroz mlaznice. Impulsni nuklearni pogonski motor, zauzvrat, pokreće svemirski brod kroz uzastopne eksplozije malih količina nuklearnog goriva.
Takođe u SAD-u je izmišljen projekat Orion, koji kombinuje obe verzije motora na nuklearni pogon. To je učinjeno na sljedeći način: mala nuklearna punjenja kapaciteta oko 100 tona TNT-a izbačena su iz repa broda. Za njima su pucali metalni diskovi. Na udaljenosti od broda, punjenje je detonirano, disk je ispario, a supstanca se raspršila u različitim smjerovima. Dio je pao u ojačani repni dio broda i pomaknuo ga naprijed. Malo povećanje potiska trebalo je osigurati isparavanjem ploče koja prima udarce. Jedinična cijena takvog leta trebala je biti samo 150 dolara po kilogramu tereta.
Došlo je čak i do tačke testiranja: iskustvo je pokazalo da je kretanje uz pomoć uzastopnih impulsa moguće, kao i stvaranje krmene ploče dovoljne snage. Ali projekat Orion je zatvoren 1965. godine kao neperspektivan. Međutim, ovo je za sada jedini postojeći koncept koji može omogućiti ekspedicije barem širom Sunčevog sistema.
Bilo je moguće doći samo do izgradnje prototipa sa raketnim motorom na nuklearni pogon. To su bili sovjetski RD-0410 i američki NERVA. Radili su na istom principu: u "konvencionalnom" nuklearnom reaktoru radni fluid se zagrijava, koji, kada se izbaci iz mlaznica, stvara potisak. Radni fluid oba motora bio je tečni vodonik, ali je sovjetski koristio heptan kao pomoćnu tvar.
Potisak RD-0410 bio je 3,5 tone, NERVA je dao skoro 34, ali je imao i velike dimenzije: 43,7 metara dužine i 10,5 u prečniku u odnosu na 3,5 i 1,6 metara, respektivno, za sovjetski motor. U isto vrijeme, američki motor je bio tri puta inferiorniji od sovjetskog u smislu resursa - RD-0410 je mogao raditi sat vremena.
Međutim, oba motora su, uprkos obećanju, također ostala na Zemlji i nikuda nisu letjela. glavni razlog zatvaranje oba projekta (NERVA sredinom 70-ih, RD-0410 1985.) - novac. Karakteristike hemijskih motora su gore od onih kod nuklearnih motora, ali trošak jednog lansiranja broda s nuklearnim pogonskim motorom s istim nosivim opterećenjem može biti 8-12 puta veći od lansiranja istog Sojuza s motorom na tekuće gorivo . I to bez uzimanja u obzir svih troškova koje je potrebno donijeti nuklearnih motora dok ne bude pogodan za praktičnu upotrebu.
Stavljanje van pogona "jeftinih" šatlova i odsustvo U poslednje vreme Revolucionarna otkrića u svemirskoj tehnologiji zahtijevaju nova rješenja. U aprilu ove godine tadašnji šef Roskosmosa A. Perminov najavio je nameru da razvije i pusti u rad potpuno novi nuklearni pogonski sistem. Upravo to bi, po mišljenju Roskosmosa, trebalo radikalno da poboljša „situaciju“ u čitavoj svetskoj kosmonautici. Sada je postalo jasno ko bi trebao postati sljedeći revolucionar u astronautici: razvoj nuklearnih pogonskih motora vršit će Federalno državno jedinstveno preduzeće Keldysh Center. CEO preduzeće A. Koroteev je već obradovao javnost da će idejni projekat letelice za novi nuklearni pogonski motor biti gotov u sljedeće godine. Dizajn motora trebao bi biti gotov do 2019. godine, a testiranje je zakazano za 2025. godinu.
Kompleks je nazvan TEM - transportni i energetski modul. Nosit će nuklearni reaktor hlađen plinom. Sistem direktnog pogona još nije odlučen: ili će to biti mlazni motor poput RD-0410, ili električni raketni motor (ERE). kako god poslednji tip Do sada nije bio u širokoj upotrebi nigdje u svijetu: samo tri svemirske letjelice bile su opremljene njima. Ali činjenica da reaktor može pokretati ne samo motor, već i mnoge druge jedinice, ili čak koristiti cijeli TEM kao svemirsku elektranu, govori u prilog električnom pogonskom motoru.
Već krajem ove decenije u Rusiji bi mogla biti stvorena svemirska letelica na nuklearni pogon za međuplanetarna putovanja. A to će dramatično promijeniti situaciju kako u svemiru blizu Zemlje, tako i na samoj Zemlji.
Nuklearna elektrana (NPP) će biti spremna za let 2018. To je najavio direktor Keldysh centra, akademik Anatolij Korotejev. “Moramo pripremiti prvi uzorak (nuklearne elektrane klase megavata. – napomena Expert Online) za letne testove 2018. godine. Da li će ona leteti ili ne, to je druga stvar, možda će biti u redu, ali ona mora da bude spremna da leti“, prenele su njegove reči RIA Novosti. Navedeno znači da jedan od najambicioznijih sovjetsko-ruskih projekata u oblasti istraživanja svemira ulazi u fazu neposredne praktične implementacije.
Suština ovog projekta, čiji korijeni sežu do sredine prošlog stoljeća, je ovo. Sada se letovi u svemir blizu Zemlje obavljaju na raketama koje se kreću zbog sagorijevanja tekućine ili tekućine u njihovim motorima. čvrsto gorivo. U suštini, ovo je isti motor kao u automobilu. Samo u automobilu benzin, kada izgori, gura klipove u cilindrima, prenoseći svoju energiju kroz njih na točkove. A u raketnom motoru, goreći kerozin ili heptil direktno gura raketu naprijed.
U proteklih pola stoljeća ova raketna tehnologija je usavršena u cijelom svijetu do najsitnijih detalja. Ali i sami raketni naučnici to priznaju. Poboljšanje - da, neophodno je. Pokušavajući povećati nosivost raketa sa sadašnjih 23 tone na 100, pa čak i 150 tona na osnovu "poboljšanih" motora s unutarnjim izgaranjem - da, morate pokušati. Ali ovo je ćorsokak sa evolucijske tačke gledišta. " Koliko god stručnjaci za teške raketne motore širom svijeta radili, maksimalan efekat, koje dobijemo izračunat ćemo u dijelovima postotka. Grubo rečeno, iz postojećih raketnih motora sve je istisnuto, bilo na tečno ili čvrsto gorivo, a pokušaji povećanja potiska i specifičnog impulsa jednostavno su uzaludni. Nuklearni pogonski sistemi pružaju višestruko povećanje. Na primjeru leta do Marsa, sada je potrebno godinu i po do dvije godine da se leti tamo i nazad, ali će se moći letjeti za dva do četiri mjeseca “ – ocijenio je svojevremeno situaciju bivši šef ruske Federalne svemirske agencije Anatolij Perminov.
Dakle, još 2010. godine tadašnji predsjednik Rusije, a sada premijer Dmitry Medvedev Do kraja ove decenije dat je nalog da se u našoj zemlji napravi svemirski transportno-energetski modul na bazi nuklearne elektrane klase megavat. Planirano je da se za razvoj ovog projekta do 2018. godine izdvoji 17 milijardi rubalja iz federalnog budžeta, Roskosmosa i Rosatoma. Od ovog iznosa 7,2 milijarde dodijeljeno je državnoj korporaciji Rosatom za stvaranje reaktorske elektrane (ovo radi Dollezhal istraživački i projektantski institut za energetski inženjering), 4 milijarde - Keldysh centru za stvaranje nuklearne energije pogonsko postrojenje. RSC Energia izdvaja 5,8 milijardi rubalja za izradu transportnog i energetskog modula, odnosno raketnog broda.
Naravno, sav ovaj posao se ne obavlja u vakuumu. Od 1970. do 1988. samo SSSR je lansirao više od tri desetine špijunskih satelita u svemir, opremljenih nuklearnim elektranama male snage kao što su Buk i Topaz. Korišćeni su za kreiranje sistema za praćenje površinskih ciljeva širom Svetskog okeana za sve vremenske uslove i izdavanje oznake cilja sa prenosom na nosače oružja ili komandna mesta - Legend pomorski sistem za izviđanje i označavanje ciljeva (1978).
NASA i američke kompanije, koji proizvode svemirske letjelice i njihova vozila za dostavu, nisu uspjeli stvoriti nuklearni reaktor koji bi stabilno funkcionisao u svemiru za to vrijeme, iako su pokušali tri puta. Stoga je 1988. godine kroz UN donesena zabrana korištenja svemirskih letjelica s nuklearnim pogonskim sistemima, a proizvodnja satelita tipa US-A s nuklearnim pogonom na brodu u Sovjetskom Savezu je obustavljena.
Paralelno, 60-70-ih godina prošlog stoljeća vodio je Keldysh centar aktivan rad stvoriti jonski motor (elektroplazma motor), koji je najpogodniji za stvaranje pogonskog sistema velike snage koji radi na nuklearno gorivo. Reaktor proizvodi toplinu, koju generator pretvara u električnu energiju. Uz pomoć električne energije inertni plin ksenon u takvom motoru se prvo ionizira, a zatim se pozitivno nabijene čestice (pozitivni ioni ksenona) ubrzavaju u elektrostatičkom polju do zadate brzine i stvaraju potisak pri izlasku iz motora. Ovo je princip rada jonskog motora, čiji je prototip već kreiran u Keldysh centru.
« Devedesetih godina 20. vijeka mi u Keldysh centru smo nastavili rad na jonskim motorima. Sada se mora stvoriti nova saradnja za tako moćan projekat. Već postoji prototip ionskog motora na kojem su bazične tehnološke i Konstruktivne odluke. Ali standardne proizvode još uvijek treba kreirati. Imamo određen rok - do 2018. proizvod bi trebao biti spreman za letna testiranja, a do 2015. bi trebalo da bude završeno glavno testiranje motora. Dalje - životni testovi i testovi cijele jedinice u cjelini.“, napomenuo je prošle godine šef odjela za elektrofiziku Istraživačkog centra M.V. Keldysh, profesor, Fakultet za aerofiziku i svemirska istraživanja, MIPT Oleg Gorshkov.
Koja je praktična korist za Rusiju od ovog razvoja? Ova korist daleko premašuje 17 milijardi rubalja koje država namjerava potrošiti do 2018. godine na stvaranje rakete-nosača s nuklearnom elektranom na brodu kapaciteta 1 MW. Prvo, ovo je dramatično proširenje mogućnosti naše zemlje i čovječanstva općenito. Svemirska letjelica na nuklearni pogon pruža stvarne mogućnosti ljudima da postignu stvari na drugim planetama. Sada mnoge zemlje imaju takve brodove. Nastavljeni su i u Sjedinjenim Državama 2003. godine, nakon što su Amerikanci dobili dva uzorka ruskih satelita s nuklearnim elektranama.
Međutim, unatoč tome, član NASA-ine posebne komisije za letove s posadom Edward Crowley na primjer, on smatra da bi brod za međunarodni let na Mars trebao imati ruske nuklearne motore. " Rusko iskustvo u razvoju nuklearnih motora je traženo. Mislim da Rusija ima veoma odlično iskustvo kako u razvoju raketnih motora tako iu nuklearnoj tehnologiji. Takođe ima veliko iskustvo u prilagođavanju ljudi na svemirske uslove, budući da su ruski kosmonauti imali veoma duge letove. “, rekao je Crowley novinarima prošlog proljeća nakon predavanja na Moskovskom državnom univerzitetu o američkim planovima za istraživanje svemira s ljudskom posadom.
Drugo, takvi brodovi omogućavaju naglo intenziviranje aktivnosti u svemiru blizu Zemlje i pružaju pravu priliku za početak kolonizacije Mjeseca (već postoje projekti izgradnje na Zemljinom satelitu nuklearne elektrane). « Razmatra se upotreba nuklearnih pogonskih sistema za velike sisteme s ljudskom posadom, a ne za male svemirske letjelice, koje mogu letjeti na drugim tipovima instalacija koristeći jonske motore ili energiju solarnog vjetra. Nuklearni pogonski sistemi sa jonskim motorima mogu se koristiti na interorbitalnom tegljaču za višekratnu upotrebu. Na primjer, prevozite teret između niske i visoke orbite i letite do asteroida. Možete kreirati lunarni tegljač za višekratnu upotrebu ili poslati ekspediciju na Mars“, kaže profesor Oleg Gorškov. Ovakvi brodovi dramatično mijenjaju ekonomiju istraživanja svemira. Prema proračunima stručnjaka RSC Energia, raketa-nosač na nuklearni pogon smanjuje troškove lansiranja korisnog tereta u lunarnu orbitu za više od pola u odnosu na tečne raketne motore.
Treće, radi se o novim materijalima i tehnologijama koje će se stvarati tokom realizacije ovog projekta, a potom uvoditi u druge industrije - metalurgiju, mašinstvo itd. Odnosno, ovo je jedan od onih prodornih projekata koji zaista mogu pogurati i rusku i globalnu ekonomiju naprijed.