© Oksana Viktorova/Kolase/Ridus
Pernyataan yang dibuat oleh Vladimir Putin saat berpidato di depan Majelis Federal tentang kehadiran rudal jelajah yang digerakkan oleh mesin nuklir di Rusia menyebabkan badai kegembiraan di masyarakat dan media. Pada saat yang sama, hingga saat ini, sangat sedikit yang diketahui baik oleh masyarakat umum maupun para ahli tentang apa itu mesin dan kemungkinan penggunaannya.
"Reedus" mencoba mencari tahu apa perangkat teknis presiden dapat berbicara dan apa yang membuatnya unik.
Mengingat presentasi di Manege tidak dibuat untuk audiens spesialis teknis, tetapi untuk masyarakat “umum”, penulisnya dapat mengizinkan substitusi konsep tertentu, Georgiy Tikhomirov, wakil direktur Institut Fisika Nuklir dan Teknologi Nuklir Universitas Riset Nuklir Nasional MEPhI, tidak menutup kemungkinan.
“Apa yang dikatakan dan ditunjukkan oleh presiden, para ahli menyebutnya pembangkit listrik kompak, eksperimen yang awalnya dilakukan dalam penerbangan, dan kemudian dalam eksplorasi luar angkasa. Ini adalah upaya untuk memecahkan masalah yang tidak terpecahkan mengenai pasokan bahan bakar yang cukup saat terbang dalam jarak yang tidak terbatas. Dalam hal ini, presentasinya sepenuhnya benar: kehadiran mesin semacam itu memastikan pasokan daya yang sewenang-wenang untuk sistem roket atau perangkat lainnya. untuk waktu yang lama" katanya pada Reedus.
Pekerjaan dengan mesin seperti itu di Uni Soviet dimulai tepat 60 tahun yang lalu di bawah kepemimpinan akademisi M. Keldysh, I. Kurchatov dan S. Korolev. Pada tahun yang sama, pekerjaan serupa dilakukan di Amerika Serikat, namun dihentikan pada tahun 1965. Di Uni Soviet, pekerjaan berlanjut selama sekitar satu dekade sebelum dianggap tidak relevan. Mungkin itu sebabnya Washington tidak bereaksi terlalu banyak dan mengatakan bahwa mereka tidak terkejut dengan presentasi rudal Rusia.
Di Rusia, gagasan tentang mesin nuklir tidak pernah mati - khususnya, sejak 2009, pengembangan praktis pembangkit listrik semacam itu telah berlangsung. Dilihat dari waktunya, tes yang diumumkan oleh presiden sangat sesuai dengan hal ini sebuah proyek bersama Roscosmos dan Rosatom - sejak pengembang berencana untuk melaksanakannya tes lapangan mesin pada tahun 2018. Mungkin karena alasan politik Mereka memaksakan diri sedikit lebih keras dan memindahkan tenggat waktu “ke kiri.”
“Secara teknologi dirancang sedemikian rupa sehingga unit tenaga nuklir menjadi panas pendingin gas. Dan gas yang dipanaskan ini memutar turbin atau menciptakan daya dorong jet secara langsung. Kelicikan tertentu dalam presentasi roket yang kami dengar adalah bahwa jangkauan terbangnya tidak terbatas: ia dibatasi oleh volume fluida kerja – gas cair, yang secara fisik dapat dipompa ke dalam tangki roket,” kata sang spesialis.
Pada saat yang sama, roket luar angkasa dan rudal jelajah memiliki fungsi yang fundamental skema yang berbeda kontrol penerbangan, karena mereka memiliki tugas yang berbeda. Yang pertama terbang di ruang tanpa udara, tidak perlu bermanuver - cukup memberinya dorongan awal, dan kemudian bergerak sepanjang lintasan balistik yang dihitung.
Sebaliknya, rudal jelajah harus terus-menerus mengubah lintasannya, sehingga harus memiliki pasokan bahan bakar yang cukup untuk menciptakan impuls. Apakah bahan bakar ini akan dibakar oleh pembangkit listrik tenaga nuklir atau pembangkit listrik tradisional? pada kasus ini tidak penting. Satu-satunya hal yang penting adalah pasokan bahan bakar ini, tegas Tikhomirov.
“Yang dimaksud dengan instalasi nuklir ketika terbang ke luar angkasa adalah adanya sumber energi di dalamnya untuk memberi daya pada sistem perangkat untuk waktu yang tidak terbatas. Dalam hal ini, tidak hanya reaktor nuklir, tetapi juga generator termoelektrik radioisotop. Namun arti dari pemasangan roket semacam itu, yang penerbangannya tidak akan memakan waktu lebih dari beberapa puluh menit, masih belum sepenuhnya jelas bagi saya,” aku fisikawan tersebut.
Laporan Manege hanya terlambat beberapa minggu dibandingkan dengan pengumuman NASA pada tanggal 15 Februari bahwa Amerika melanjutkan penelitian pada mesin roket nuklir yang mereka tinggalkan setengah abad yang lalu.
Omong-omong, pada bulan November 2017, China Aerospace Science and Technology Corporation (CASC) mengumumkan bahwa pesawat ruang angkasa bertenaga nuklir akan dibuat di Tiongkok pada tahun 2045. Oleh karena itu, saat ini kita dapat dengan aman mengatakan bahwa perlombaan propulsi nuklir global telah dimulai.
Seringkali dalam publikasi pendidikan umum tentang astronotika, mereka tidak membedakan perbedaan antara mesin roket nuklir (NRE) dan sistem propulsi listrik nuklir (NURE). Namun, singkatan ini tidak hanya menyembunyikan perbedaan prinsip transformasi energi nuklir karena daya dorong roketnya, tetapi juga sejarah perkembangan astronotika yang sangat dramatis.
Drama ceritanya terletak pada kenyataan bahwa jika mereka mampir alasan ekonomi Sejak penelitian tentang propulsi nuklir dan propulsi nuklir berlanjut di Uni Soviet dan AS, penerbangan manusia ke Mars sudah lama menjadi hal biasa.
Semuanya dimulai dengan pesawat atmosferik dengan mesin nuklir ramjet
Para perancang di AS dan Uni Soviet menganggap instalasi nuklir “bernafas” mampu menarik udara luar dan memanaskannya hingga suhu yang sangat tinggi. Mungkin, prinsip pembangkitan daya dorong ini dipinjam dari mesin ramjet, hanya saja energi fisi inti atom uranium dioksida 235 digunakan sebagai pengganti bahan bakar roket.Di AS, mesin semacam itu dikembangkan sebagai bagian dari proyek Pluto. Amerika berhasil membuat dua prototipe mesin baru - Tory-IIA dan Tory-IIC, yang bahkan menggerakkan reaktor. Kapasitas instalasi seharusnya 600 megawatt.
Mesin yang dikembangkan sebagai bagian dari proyek Pluto rencananya akan dipasang pada rudal jelajah, yang pada tahun 1950-an dibuat dengan sebutan SLAM (Supersonic Low Altitude Missile, rudal ketinggian rendah supersonik).
Amerika Serikat berencana membuat roket dengan panjang 26,8 meter, diameter tiga meter, dan berat 28 ton. Badan roket itu seharusnya berisi hulu ledak nuklir, serta sistem propulsi nuklir yang memiliki panjang 1,6 meter dan diameter 1,5 meter. Dibandingkan dengan ukuran lainnya, pemasangannya terlihat sangat kompak, yang menjelaskan prinsip pengoperasian aliran langsung.
Para pengembang percaya bahwa berkat mesin nuklir, jangkauan penerbangan rudal SLAM setidaknya akan mencapai 182 ribu kilometer.
Pada tahun 1964, Departemen Pertahanan AS menutup proyek tersebut. Alasan resminya adalah bahwa dalam penerbangan, rudal jelajah bertenaga nuklir terlalu banyak mencemari segala sesuatu di sekitarnya. Namun nyatanya, penyebabnya adalah besarnya biaya pemeliharaan roket tersebut, apalagi pada saat itu ilmu roket berkembang pesat berdasarkan mesin roket berbahan bakar cair, yang perawatannya jauh lebih murah.
Uni Soviet tetap setia pada gagasan untuk menciptakan desain ramjet untuk mesin bertenaga nuklir lebih lama daripada Amerika Serikat, dan menutup proyek tersebut hanya pada tahun 1985. Namun hasilnya ternyata jauh lebih signifikan. Jadi, nuklir Soviet pertama dan satu-satunya mesin roket dikembangkan di biro desain Khimavtomatika, Voronezh. Ini adalah RD-0410 (Indeks GRAU - 11B91, juga dikenal sebagai “Irbit” dan “IR-100”).
RD-0410 menggunakan reaktor neutron termal heterogen, moderatornya adalah zirkonium hidrida, reflektor neutron terbuat dari berilium, bahan bakar nuklirnya terbuat dari bahan uranium dan tungsten karbida, dengan pengayaan sekitar 80% pada isotop 235.
Desainnya mencakup 37 unit bahan bakar, ditutupi dengan insulasi termal yang memisahkannya dari moderator. Desainnya menyatakan bahwa aliran hidrogen pertama-tama melewati reflektor dan moderator, menjaga suhunya pada suhu kamar, dan kemudian memasuki inti, di mana ia mendinginkan kumpulan bahan bakar, memanas hingga 3100 K. Di dudukannya, reflektor dan moderator berada didinginkan oleh aliran hidrogen terpisah.
Reaktor tersebut menjalani serangkaian pengujian yang signifikan, tetapi tidak pernah diuji selama durasi pengoperasian penuh. Namun, komponen luar reaktor telah habis seluruhnya.
Karakteristik teknis RD 0410
Daya dorong dalam kehampaan: 3,59 tf (35,2 kN)
Tenaga termal reaktor: 196 MW
Impuls gaya dorong spesifik dalam ruang hampa: 910 kgf s/kg (8927 m/s)
Jumlah permulaan: 10
Sumber daya kerja: 1 jam
Komponen bahan bakar: fluida kerja - hidrogen cair, zat pembantu - heptana
Berat dengan proteksi radiasi: 2 ton
Dimensi mesin: tinggi 3,5 m, diameter 1,6 m.
Relatif kecil ukuran dan berat, suhu tinggi bahan bakar nuklir (3100 K) di sistem yang efektif pendinginan oleh aliran hidrogen menunjukkan bahwa RD0410 adalah prototipe mesin propulsi nuklir yang hampir ideal untuk rudal jelajah modern. Dan, dengan mempertimbangkan teknologi modern untuk memproduksi bahan bakar nuklir yang dapat berhenti sendiri, meningkatkan sumber daya dari satu jam menjadi beberapa jam adalah tugas yang sangat nyata.
Desain mesin roket nuklir
Mesin roket nuklir (NRE) adalah mesin jet yang energinya dihasilkan ketika reaksi nuklir pembusukan atau sintesis, memanaskan fluida kerja (paling sering hidrogen atau amonia).Ada tiga jenis mesin propulsi nuklir tergantung pada jenis bahan bakar reaktornya:
- fase padat;
- fase cair;
- fase gas.
Dalam mesin propelan nuklir fase gas, bahan bakar (misalnya uranium) dan fluida kerja berada dalam bentuk gas (dalam bentuk plasma) dan disimpan dalam area kerja medan elektromagnetik. Plasma uranium yang dipanaskan hingga puluhan ribu derajat memindahkan panas ke fluida kerja (misalnya hidrogen), yang selanjutnya dipanaskan hingga suhu tinggi dan membentuk aliran jet.
Berdasarkan jenis reaksi nuklir, dibedakan antara mesin roket radioisotop, mesin roket termonuklir, dan mesin nuklir itu sendiri (yang menggunakan energi fisi nuklir).
Pilihan yang menarik juga merupakan mesin roket nuklir berdenyut - diusulkan untuk menggunakan muatan nuklir sebagai sumber energi (bahan bakar). Instalasi tersebut dapat berupa tipe internal dan eksternal.
Keuntungan utama dari mesin bertenaga nuklir adalah:
- impuls spesifik yang tinggi;
- cadangan energi yang signifikan;
- kekompakan sistem propulsi;
- kemungkinan memperoleh daya dorong yang sangat tinggi - puluhan, ratusan, dan ribuan ton dalam ruang hampa.
- fluks radiasi penetrasi (radiasi gamma, neutron) selama reaksi nuklir;
- penghilangan senyawa uranium dan paduannya yang sangat radioaktif;
- keluarnya gas radioaktif dengan fluida kerja.
Sistem propulsi nuklir
Mengingat informasi yang dapat dipercaya tentang pembangkit listrik tenaga nuklir dari publikasi, termasuk dari artikel ilmiah, tidak mungkin diperoleh, prinsip pengoperasian instalasi tersebut sebaiknya dipertimbangkan dengan menggunakan contoh bahan paten terbuka, meskipun mengandung pengetahuan.Misalnya, ilmuwan Rusia terkemuka Anatoly Sazonovich Koroteev, penulis penemuan berdasarkan paten, memberikan solusi teknis untuk komposisi peralatan untuk YARDU modern. Di bawah ini saya sajikan sebagian dari dokumen paten tersebut kata demi kata dan tanpa komentar.
Inti dari solusi teknis yang diusulkan diilustrasikan oleh diagram yang disajikan pada gambar. Sistem propulsi nuklir yang beroperasi dalam mode energi propulsi berisi sistem propulsi listrik (EPS) (contoh diagram menunjukkan dua mesin roket listrik 1 dan 2 dengan sistem umpan 3 dan 4 yang sesuai), instalasi reaktor 5, turbin 6, kompresor 7, generator 8, penukar panas-recuperator 9, tabung pusaran Ranck-Hilsch 10, kulkas-radiator 11. Dalam hal ini, turbin 6, kompresor 7 dan generator 8 digabungkan menjadi satu unit - turbogenerator-kompresor. Unit propulsi nuklir dilengkapi dengan pipa 12 fluida kerja dan saluran listrik 13 yang menghubungkan generator 8 dan unit propulsi listrik. Penukar-penukar panas (9) memiliki apa yang disebut masukan fluida kerja suhu tinggi 14 dan suhu rendah 15, serta keluaran fluida kerja suhu tinggi 16 dan suhu rendah 17.Tautan:Keluaran unit reaktor 5 dihubungkan ke masukan turbin 6, keluaran turbin 6 dihubungkan ke masukan suhu tinggi 14 dari penukar panas-penukar panas 9. Keluaran suhu rendah 15 dari penukar panas-pemulih panas 9 dihubungkan ke pintu masuk ke tabung pusaran Ranck-Hilsch 10. Tabung pusaran Ranck-Hilsch 10 mempunyai dua keluaran, salah satunya (melalui fluida kerja “panas”) dihubungkan ke radiator lemari es 11, dan yang lainnya ( melalui fluida kerja “dingin”) dihubungkan ke masukan kompresor 7. Keluaran kulkas radiator 11 juga dihubungkan ke masukan kompresor 7. Keluaran kompresor 7 dihubungkan ke masukan suhu rendah 15 ke heat exchanger-recuperator 9. Output suhu tinggi 16 dari heat exchanger-recuperator 9 dihubungkan ke input instalasi reaktor 5. Dengan demikian, elemen utama pembangkit listrik tenaga nuklir dihubungkan oleh satu rangkaian fluida kerja .
Pembangkit listrik tenaga nuklir bekerja sebagai berikut. Fluida kerja yang dipanaskan di instalasi reaktor 5 dikirim ke turbin 6, yang menjamin pengoperasian kompresor 7 dan generator 8 dari kompresor-turbogenerator. Generator 8 menghasilkan energi listrik, yang saluran listrik 13 diarahkan ke mesin roket listrik 1 dan 2 dan sistem umpannya 3 dan 4, memastikan pengoperasiannya. Setelah keluar dari turbin (6), fluida kerja dialirkan melalui saluran masuk suhu tinggi (14) ke penukar panas-recuperator (9), dimana fluida kerja didinginkan sebagian.
Kemudian, dari outlet suhu rendah (17) dari heat exchanger-recuperator (9), fluida kerja diarahkan ke dalam tabung pusaran Ranque-Hilsch (10), di dalamnya aliran fluida kerja dibagi menjadi komponen “panas” dan “dingin”. Bagian “panas” dari fluida kerja kemudian menuju ke emitor pendingin (11), di mana bagian fluida kerja ini didinginkan secara efektif. Bagian “dingin” dari fluida kerja menuju ke saluran masuk kompresor (7), dan setelah pendinginan, bagian fluida kerja yang keluar dari lemari es yang memancar (11) juga mengikuti di sana.
Kompresor 7 mensuplai fluida kerja yang didinginkan ke heat exchanger-recuperator 9 melalui saluran masuk suhu rendah 15. Fluida kerja yang didinginkan di heat exchanger-recuperator 9 ini memberikan pendinginan parsial dari aliran balik fluida kerja yang masuk ke heat exchanger-recuperator 9 dari turbin 6 melalui saluran masuk suhu tinggi 14. Selanjutnya, fluida kerja yang dipanaskan sebagian (akibat pertukaran panas dengan aliran balik fluida kerja dari turbin 6) dari penukar panas-recuperator 9 melalui saluran masuk suhu tinggi outlet 16 kembali masuk ke instalasi reaktor 5, siklus berulang lagi.
Jadi, terletak di lingkaran tertutup fluida kerja tunggal memastikan pengoperasian pembangkit listrik tenaga nuklir secara terus-menerus, dan penggunaan tabung pusaran Ranque-Hilsch sebagai bagian dari pembangkit listrik tenaga nuklir sesuai dengan solusi teknis yang diklaim meningkatkan karakteristik berat dan ukuran pembangkit listrik tenaga nuklir, meningkatkan keandalan operasinya, dan menyederhanakannya diagram desain dan memungkinkan peningkatan efisiensi pembangkit listrik tenaga nuklir secara keseluruhan.
Perjalanan luar angkasa militer Rusia
Banyak keributan di media dan jejaring sosial disebabkan oleh pernyataan Vladimir Putin bahwa Rusia sedang menguji rudal jelajah generasi baru dengan hampir tak terbatas jangkauannya dan oleh karena itu secara praktis kebal terhadap semua sistem pertahanan rudal yang ada dan yang direncanakan.
“Pada akhir tahun 2017 di tempat latihan pusat Federasi Rusia Rudal jelajah terbaru Rusia berhasil diluncurkan dari nuklir energi instalasi. Selama penerbangan, pembangkit listrik mencapai daya yang ditentukan dan memberikan tingkat daya dorong yang diperlukan,” kata Putin dalam pidato tradisionalnya di Majelis Federal.
Rudal tersebut dibahas dalam konteks perkembangan canggih Rusia lainnya di bidang persenjataan, bersama dengan rudal balistik antarbenua Sarmat yang baru, rudal hipersonik Kinzhal, dll. Oleh karena itu, sama sekali tidak mengherankan jika pernyataan Putin dianalisis terutama dalam sebuah jalur militer-politik. Namun, kenyataannya, pertanyaannya jauh lebih luas: tampaknya Rusia berada di ambang pembangunan teknologi nyata masa depan, mampu membawa perubahan revolusioner pada teknologi roket dan luar angkasa dan seterusnya. Tapi hal pertama yang pertama…
Teknologi jet: jalan buntu “kimia”.
Hampir sekarang seratus tahun Ketika kita berbicara tentang mesin jet, yang paling sering kita maksud adalah mesin jet kimia. Dan pesawat jet dan roket luar angkasa digerakkan oleh energi yang diperoleh dari pembakaran bahan bakar di kapal.
DI DALAM garis besar umum cara kerjanya seperti ini: bahan bakar memasuki ruang bakar, di mana ia dicampur dengan zat pengoksidasi ( udara atmosfer dalam mesin pernafasan atau oksigen dari cadangan di dalam mesin roket). Campuran tersebut kemudian terbakar, menghasilkan pelepasan yang cepat jumlah yang signifikan energi dalam bentuk panas, yang ditransfer ke produk pembakaran gas. Ketika dipanaskan, gas dengan cepat mengembang dan seolah-olah keluar melalui nosel mesin dengan kecepatan tinggi. Aliran jet muncul dan dorongan jet tercipta, mendorong pesawat terbang dalam arah yang berlawanan dengan arah aliran jet.
Dia 178 dan Falcon Heavy adalah produk dan mesin yang berbeda, tapi ini tidak mengubah esensinya.
Mesin jet dan roket dengan segala keragamannya (dari jet Heinkel 178 pertama hingga Falcon Heavy milik Elon Musk) menggunakan prinsip ini dengan tepat - hanya pendekatan penerapannya yang berubah. Dan semua perancang peroketan terpaksa, dengan satu atau lain cara, untuk menerima kelemahan mendasar dari prinsip ini: kebutuhan untuk membawa sejumlah besar bahan bakar yang cepat habis ke dalam pesawat. Bagaimana kerja bagus semakin baik kinerja mesin, semakin banyak bahan bakar yang harus dibawa dan semakin sedikit muatan yang dapat dibawa pesawat dalam penerbangan.
Misalnya, berat lepas landas maksimum sebuah pesawat Boeing 747-200 adalah sekitar 380 ton. Dari jumlah tersebut, 170 ton untuk pesawat itu sendiri, sekitar 70 ton untuk muatan (berat kargo dan penumpang), dan 140 ton, atau sekitar 35%, bahan bakar berbobot, yang terbakar saat terbang dengan kecepatan sekitar 15 ton per jam. Artinya, untuk setiap ton muatan terdapat 2,5 ton bahan bakar. Dan roket Proton-M, untuk meluncurkan 22 ton kargo ke orbit referensi rendah, mengkonsumsi sekitar 630 ton bahan bakar, yaitu hampir 30 ton bahan bakar per ton muatan. Seperti yang Anda lihat, “koefisien tindakan yang bermanfaat"Lebih dari sederhana.
Jika kita berbicara tentang penerbangan yang sangat jauh, misalnya ke planet lain tata surya, maka rasio bahan bakar-beban menjadi sangat mematikan. Misalnya, roket Saturn 5 Amerika dapat mengirimkan 45 ton kargo ke Bulan, sambil membakar lebih dari 2000 ton bahan bakar. Dan Falcon Heavy milik Elon Musk, dengan massa peluncuran satu setengah ribu ton, hanya mampu mengirimkan 15 ton kargo ke orbit Mars, yaitu 0,1% dari massa awalnya.
Itu sebabnya berawak penerbangan ke bulan masih merupakan tugas yang berada pada batas kemampuan teknologi umat manusia, dan penerbangan ke Mars melampaui batas tersebut. Lebih buruk lagi: Tidak mungkin lagi memperluas kemampuan ini secara signifikan sambil terus meningkatkan kemampuan roket kimia. Dalam perkembangannya, umat manusia telah “mencapai” batas yang ditentukan oleh hukum alam. Untuk melangkah lebih jauh, diperlukan pendekatan yang berbeda secara mendasar.
Dorongan "Atom".
Pembakaran bahan bakar kimia sudah lama tidak lagi menjadi metode paling efisien dalam menghasilkan energi.
Dari 1 kilogram batu bara Anda bisa mendapatkan energi sekitar 7 kilowatt-jam, sedangkan 1 kilogram uranium mengandung sekitar 620 ribu kilowatt-jam.
Dan jika Anda membuat mesin yang akan menerima energi dari nuklir, dan bukan dari proses kimia, maka mesin seperti itu akan diperlukan puluhan ribu(!) kali lebih sedikit bahan bakar untuk melakukan pekerjaan yang sama. Kelemahan utama mesin jet dapat dihilangkan dengan cara ini. Namun, dari ide hingga implementasi, terdapat jalan panjang yang harus dilalui dengan banyak permasalahan kompleks. Pertama, perlu dibuat reaktor nuklir yang ringan dan cukup kompak sehingga bisa dipasang di pesawat terbang. Kedua, penting untuk mengetahui dengan tepat bagaimana menggunakan energi peluruhan inti atom untuk memanaskan gas di mesin dan menciptakan aliran jet.
Pilihan yang paling jelas adalah dengan melewatkan gas melalui inti reaktor yang panas. Namun, jika berinteraksi langsung dengan kumpulan bahan bakar, gas ini akan menjadi sangat radioaktif. Membiarkan mesin dalam bentuk aliran jet akan sangat mencemari segala sesuatu di sekitarnya, jadi penggunaan mesin seperti itu di atmosfer tidak dapat diterima. Ini berarti panas dari inti harus dipindahkan dengan cara yang berbeda, tetapi bagaimana tepatnya? Dan di mana Anda bisa mendapatkan bahan yang dapat mempertahankan sifat strukturalnya selama berjam-jam pada suhu tinggi?
Lebih mudah lagi untuk membayangkan penggunaan tenaga nuklir pada “kendaraan laut dalam tak berawak”, yang juga disebutkan oleh Putin dalam pesan yang sama. Faktanya, itu akan menjadi sesuatu seperti torpedo super yang akan menyedot air laut, mengubahnya menjadi uap panas, yang akan membentuk aliran jet. Torpedo semacam itu akan mampu melakukan perjalanan ribuan kilometer di bawah air, bergerak di kedalaman berapa pun dan mampu mengenai sasaran apa pun di laut atau pantai. Pada saat yang sama, hampir tidak mungkin untuk mencegatnya dalam perjalanan menuju target.
Sampel saat ini siap untuk diterapkan perangkat serupa Rusia tampaknya belum memilikinya. Mengenai rudal jelajah bertenaga nuklir yang dibicarakan Putin, kita tampaknya berbicara tentang uji peluncuran “model ukuran massal” dari rudal tersebut dengan pemanas listrik dan bukan yang nuklir. Hal inilah yang dimaksud dengan kata-kata Putin tentang “mencapai kekuatan tertentu” dan “tingkat daya dorong yang tepat” – yaitu memeriksa apakah mesin perangkat tersebut dapat beroperasi dengan “parameter masukan” tersebut. Tentu saja, tidak seperti sampel bertenaga nuklir, produk “model” tidak mampu terbang dalam jarak yang signifikan, tetapi hal ini tidak diperlukan. Dengan menggunakan sampel seperti itu, dimungkinkan untuk menemukan solusi teknologi yang berkaitan dengan bagian “propulsi” murni, sementara reaktor sedang diselesaikan dan diuji di stand. Pisahkan tahap ini dari penyampaian produk jadi mungkin hanya sebentar – satu atau dua tahun.
Nah, jika mesin seperti itu bisa digunakan pada rudal jelajah, lalu apa yang mencegahnya digunakan dalam penerbangan? Membayangkan pesawat bertenaga nuklir, mampu menempuh jarak puluhan ribu kilometer tanpa mendarat atau mengisi bahan bakar, tanpa menghabiskan ratusan ton bahan bakar penerbangan yang mahal! Secara umum, yang sedang kita bicarakan sebuah penemuan yang di masa depan dapat membuat revolusi nyata di sektor transportasi...
Apakah Mars ada di depan?
Namun, tujuan utama pembangkit listrik tenaga nuklir tampaknya jauh lebih menarik - untuk menjadi jantung nuklir dari pesawat ruang angkasa generasi baru, yang akan memungkinkan adanya hubungan transportasi yang dapat diandalkan dengan planet lain di tata surya. Tentu saja, Anda tidak bisa menggunakan turbo di ruang tanpa udara. mesin jet menggunakan udara luar. Suka atau tidak, Anda harus membawa bahan tersebut untuk membuat aliran jet di sini. Tugasnya adalah menggunakannya dengan lebih hemat selama pengoperasian, dan untuk itu, laju aliran zat dari nosel mesin harus setinggi mungkin. Pada mesin roket kimia, kecepatan ini mencapai 5 ribu meter per detik (biasanya 2–3 ribu), dan tidak mungkin ditingkatkan secara signifikan.
Kecepatan yang jauh lebih tinggi dapat dicapai dengan menggunakan prinsip berbeda dalam menciptakan aliran jet - percepatan partikel bermuatan (ion) Medan listrik. Kecepatan pancaran pada mesin ion dapat mencapai 70 ribu meter per detik, artinya untuk memperoleh jumlah gerak yang sama diperlukan zat yang dikeluarkan 20-30 kali lebih sedikit. Benar, mesin seperti itu akan mengkonsumsi listrik yang cukup banyak. Dan untuk menghasilkan energi ini diperlukan reaktor nuklir.
Model instalasi reaktor pembangkit listrik tenaga nuklir kelas megawatt
Mesin roket listrik (ion dan plasma) sudah ada, misalnya. kembali pada tahun 1971 Uni Soviet meluncurkan pesawat ruang angkasa Meteor ke orbit dengan mesin plasma stasioner SPD-60 yang dikembangkan oleh Biro Desain Fakel. Saat ini, mesin serupa secara aktif digunakan untuk mengoreksi orbit satelit Bumi buatan, tetapi tenaganya tidak melebihi 3–4 kilowatt (5 setengah tenaga kuda).
Namun pada tahun 2015, Pusat Penelitian tersebut dinamai demikian. Keldysh mengumumkan pembuatan prototipe mesin ion dengan kekuatan sebesar 35 kilowatt(48 hp). Kedengarannya tidak terlalu mengesankan, tetapi beberapa mesin ini cukup untuk menggerakkan pesawat ruang angkasa yang bergerak di ruang hampa dan jauh dari medan gravitasi yang kuat. Akselerasi yang diberikan mesin tersebut pada pesawat ruang angkasa akan kecil, tetapi mereka akan mampu mempertahankannya untuk waktu yang lama (mesin ion yang ada memiliki waktu pengoperasian yang terus menerus. hingga tiga tahun).
Di pesawat ruang angkasa modern, mesin roket hanya beroperasi untuk waktu yang singkat, sedangkan untuk sebagian besar penerbangan, kapal terbang karena inersia. Mesin ion, yang menerima energi dari reaktor nuklir, akan beroperasi sepanjang penerbangan - di babak pertama, mempercepat kapal, di babak kedua, mengeremnya. Perhitungan menunjukkan bahwa pesawat ruang angkasa semacam itu dapat mencapai orbit Mars dalam 30-40 hari, dan bukan dalam setahun, seperti kapal bermesin kimia, dan juga membawa modul keturunan yang dapat mengantarkan seseorang ke permukaan Mars. Planet, lalu jemput dia dari sana.
Artikel ini dapat dimulai dengan sebuah bagian tradisional tentang bagaimana penulis fiksi ilmiah mengemukakan ide-ide berani, dan para ilmuwan kemudian mewujudkannya. Bisa, tapi Anda tidak ingin menulis dengan prangko. Perlu diingat bahwa mesin roket modern, baik berbahan bakar padat maupun cair, memiliki lebih dari sekadar karakteristik yang tidak memuaskan untuk penerbangan dalam jarak yang relatif jauh. Mereka memungkinkan Anda meluncurkan kargo ke orbit Bumi dan mengirimkan sesuatu ke Bulan, meskipun penerbangan seperti itu lebih mahal. Namun terbang ke Mars dengan mesin seperti itu tidak lagi mudah. Beri mereka bahan bakar dan oksidator dalam jumlah yang dibutuhkan. Dan volume tersebut berbanding lurus dengan jarak yang harus ditempuh.
Alternatif mesin roket kimia tradisional adalah mesin listrik, plasma dan nuklir. Dari semua mesin alternatif, hanya satu sistem yang telah mencapai tahap pengembangan mesin - nuklir (Nuclear Reaction Engine). Di Uni Soviet dan Amerika Serikat, pekerjaan pembuatan mesin roket nuklir dimulai pada tahun 50-an abad yang lalu. Amerika sedang mengerjakan kedua opsi untuk pembangkit listrik tersebut: reaktif dan berdenyut. Konsep pertama melibatkan pemanasan fluida kerja menggunakan reaktor nuklir dan kemudian melepaskannya melalui nozel. Mesin penggerak nuklir berdenyut, pada gilirannya, mendorong pesawat ruang angkasa melalui ledakan sejumlah kecil bahan bakar nuklir secara berurutan.
Juga di AS, proyek Orion ditemukan, menggabungkan kedua versi mesin bertenaga nuklir. Hal ini dilakukan dengan cara sebagai berikut: muatan nuklir kecil dengan kapasitas sekitar 100 ton TNT dikeluarkan dari bagian ekor kapal. Cakram logam ditembakkan setelahnya. Pada jarak tertentu dari kapal, muatan diledakkan, piringan tersebut menguap, dan zat tersebut tersebar ke berbagai arah. Sebagian jatuh ke bagian ekor kapal yang diperkuat dan dipindahkan ke depan. Peningkatan kecil dalam gaya dorong seharusnya disebabkan oleh penguapan pelat yang menerima pukulan. Biaya satuan penerbangan semacam itu seharusnya hanya 150 dolar per kilogram muatan.
Bahkan sampai pada titik pengujian: pengalaman menunjukkan bahwa pergerakan dengan bantuan impuls yang berurutan adalah mungkin, begitu pula dengan penciptaan pelat buritan dengan kekuatan yang cukup. Namun proyek Orion ditutup pada tahun 1965 karena tidak menjanjikan. Namun, sejauh ini hanya konsep tersebut yang memungkinkan ekspedisi setidaknya melintasi tata surya.
Itu hanya mungkin untuk mencapai pembangunan prototipe dengan mesin roket bertenaga nuklir. Ini adalah RD-0410 Soviet dan NERVA Amerika. Mereka bekerja dengan prinsip yang sama: dalam reaktor nuklir “konvensional”, fluida kerja dipanaskan, yang ketika dikeluarkan dari nozel, menciptakan daya dorong. Fluida kerja kedua mesin adalah hidrogen cair, tetapi mesin Soviet menggunakan heptana sebagai bahan pembantu.
Daya dorong RD-0410 adalah 3,5 ton, NERVA menghasilkan hampir 34, tetapi juga memiliki dimensi besar: panjang 43,7 meter dan diameter 10,5 versus masing-masing 3,5 dan 1,6 meter, untuk mesin Soviet. Pada saat yang sama, mesin Amerika tiga kali lebih rendah dari mesin Soviet dalam hal sumber daya - RD-0410 dapat bekerja selama satu jam.
Namun, kedua mesin tersebut, meski menjanjikan, juga tetap berada di Bumi dan tidak terbang kemana pun. alasan utama penutupan kedua proyek (NERVA pada pertengahan 70-an, RD-0410 pada tahun 1985) - uang. Karakteristik mesin kimia lebih buruk dibandingkan mesin nuklir, namun biaya satu peluncuran kapal dengan mesin propulsi nuklir dengan muatan yang sama bisa 8-12 kali lebih mahal dibandingkan peluncuran Soyuz yang sama dengan mesin propelan cair. . Dan ini belum termasuk semua biaya yang perlu dikeluarkan mesin nuklir sampai cocok untuk penggunaan praktis.
Penonaktifan angkutan "murah" dan ketiadaan Akhir-akhir ini Terobosan revolusioner dalam teknologi luar angkasa memerlukan solusi baru. Pada bulan April tahun ini, kepala Roscosmos A. Perminov mengumumkan niatnya untuk mengembangkan dan mengoperasikan sistem propulsi nuklir yang benar-benar baru. Inilah yang, menurut Roscosmos, harus secara radikal memperbaiki “situasi” di seluruh kosmonotika dunia. Sekarang menjadi jelas siapa yang harus menjadi revolusioner berikutnya di bidang astronotika: pengembangan mesin propulsi nuklir akan dilakukan oleh Perusahaan Kesatuan Negara Federal Keldysh Center. CEO perusahaan A. Koroteev telah menyenangkan publik bahwa desain awal pesawat ruang angkasa untuk mesin propulsi nuklir baru akan siap pada tahun tahun depan. Desain mesin harus siap pada tahun 2019, dengan pengujian dijadwalkan pada tahun 2025.
Kompleks itu disebut TEM - modul transportasi dan energi. Kapal ini akan membawa reaktor nuklir berpendingin gas. Sistem propulsi langsungnya belum diputuskan: apakah itu mesin jet seperti RD-0410, atau mesin roket listrik (ERE). Namun tipe terakhir Sejauh ini, alat ini belum banyak digunakan di mana pun di dunia: hanya tiga pesawat ruang angkasa yang dilengkapi dengan alat tersebut. Tetapi fakta bahwa reaktor tidak hanya dapat menggerakkan mesin, tetapi juga banyak unit lainnya, atau bahkan menggunakan seluruh TEM sebagai pembangkit listrik luar angkasa, mendukung mesin penggerak listrik.
Pada akhir dekade ini, pesawat ruang angkasa bertenaga nuklir untuk perjalanan antarplanet mungkin akan dibuat di Rusia. Dan hal ini akan secara dramatis mengubah situasi baik di ruang dekat Bumi maupun di Bumi itu sendiri.
Pembangkit listrik tenaga nuklir (PLTN) akan siap terbang pada tahun 2018. Hal ini diumumkan oleh direktur Keldysh Center, akademisi Anatoly Koroteev. “Kita harus menyiapkan sampel pertama (pembangkit listrik tenaga nuklir kelas megawatt. – Catatan Expert Online) untuk uji terbang pada tahun 2018. Mau terbang atau tidak itu soal lain, mungkin ada antrian, tapi harus siap terbang,” RIA Novosti melaporkan perkataannya. Hal di atas berarti bahwa salah satu proyek Soviet-Rusia paling ambisius di bidang eksplorasi ruang angkasa sedang memasuki fase implementasi praktis segera.
Inti dari proyek ini, yang akarnya berasal dari pertengahan abad yang lalu, adalah sebagai berikut. Kini penerbangan ke luar angkasa dekat Bumi dilakukan dengan roket yang bergerak akibat pembakaran cairan atau cairan di mesinnya. bahan bakar padat. Intinya, ini adalah mesin yang sama seperti pada mobil. Hanya di dalam mobil bensin, ketika dibakar, mendorong piston di dalam silinder, mentransfer energinya melalui piston ke roda. Dan pada mesin roket, pembakaran minyak tanah atau heptil secara langsung mendorong roket ke depan.
Selama setengah abad terakhir, teknologi roket ini telah disempurnakan di seluruh dunia hingga ke detail terkecil. Namun para ilmuwan roket sendiri mengakui hal itu. Perbaikan - ya, itu perlu. Mencoba meningkatkan muatan roket dari saat ini 23 ton menjadi 100 dan bahkan 150 ton berdasarkan mesin pembakaran yang “ditingkatkan” - ya, Anda perlu mencobanya. Namun ini adalah jalan buntu dari sudut pandang evolusi. " Tidak peduli seberapa keras para ahli mesin roket di seluruh dunia bekerja, efek maksimal, yang kami terima akan dihitung dalam pecahan persen. Secara kasar, semuanya telah dikeluarkan dari mesin roket yang ada, baik itu bahan bakar cair atau padat, dan upaya untuk meningkatkan daya dorong dan impuls spesifik hanyalah sia-sia. Sistem propulsi tenaga nuklir memberikan peningkatan berlipat ganda. Dengan menggunakan contoh penerbangan ke Mars, kini dibutuhkan waktu satu setengah hingga dua tahun untuk terbang kesana dan pulang, namun bisa juga dilakukan dalam dua hingga empat bulan. “- mantan kepala Badan Antariksa Federal Rusia menilai situasinya pada suatu waktu Anatoly Perminov.
Oleh karena itu, pada tahun 2010, Presiden Rusia saat itu, dan sekarang Perdana Menteri Dmitry Medvedev Pada akhir dekade ini, sebuah perintah diberikan untuk membuat modul transportasi ruang angkasa dan energi di negara kita berdasarkan pembangkit listrik tenaga nuklir kelas megawatt. Direncanakan untuk mengalokasikan 17 miliar rubel dari anggaran federal, Roscosmos dan Rosatom untuk pengembangan proyek ini hingga 2018. 7,2 miliar dari jumlah ini dialokasikan ke perusahaan negara Rosatom untuk pembuatan pabrik reaktor (ini dilakukan oleh Institut Penelitian dan Desain Teknik Energi Dollezhal), 4 miliar - ke Pusat Keldysh untuk pembuatan tenaga nuklir pabrik penggerak. 5,8 miliar rubel dialokasikan oleh RSC Energia untuk membuat modul transportasi dan energi, dengan kata lain, kapal roket.
Tentu saja, semua pekerjaan ini tidak dilakukan dalam ruang hampa. Dari tahun 1970 hingga 1988, Uni Soviet sendiri meluncurkan lebih dari tiga lusin satelit mata-mata ke luar angkasa, dilengkapi dengan pembangkit listrik tenaga nuklir berdaya rendah seperti Buk dan Topaz. Mereka digunakan untuk membuat sistem segala cuaca untuk memantau target permukaan di seluruh Samudra Dunia dan mengeluarkan penunjukan target dengan transmisi ke pembawa senjata atau pos komando - sistem pengintaian ruang angkasa dan penunjukan target angkatan laut Legend (1978).
NASA dan perusahaan-perusahaan Amerika, yang memproduksi pesawat ruang angkasa dan kendaraan pengantarnya, selama ini belum mampu membuat reaktor nuklir yang dapat beroperasi secara stabil di luar angkasa, meskipun mereka telah mencobanya sebanyak tiga kali. Oleh karena itu, pada tahun 1988, PBB mengeluarkan larangan penggunaan pesawat ruang angkasa dengan sistem propulsi tenaga nuklir, dan produksi satelit tipe US-A dengan propulsi nuklir di Uni Soviet dihentikan.
Secara paralel, pada tahun 60-70an abad terakhir, Keldysh Center melakukan kerja aktif untuk membuat mesin ion (mesin elektroplasma), yang paling cocok untuk menciptakan sistem propulsi berdaya tinggi yang beroperasi dengan bahan bakar nuklir. Reaktor menghasilkan panas, yang diubah menjadi listrik oleh generator. Dengan bantuan listrik, gas xenon inert dalam mesin tersebut pertama-tama diionisasi, dan kemudian partikel bermuatan positif (ion xenon positif) dipercepat dalam medan elektrostatik hingga kecepatan tertentu dan menciptakan gaya dorong ketika meninggalkan mesin. Ini adalah prinsip pengoperasian mesin ion, yang prototipenya telah dibuat di Keldysh Center.
« Pada tahun 90-an abad ke-20, kami di Keldysh Center kembali mengerjakan mesin ion. Kini kerja sama baru harus diciptakan untuk proyek yang begitu kuat. Sudah ada prototipe mesin ion yang menjadi dasar teknologi dan Keputusan yang konstruktif. Namun produk standar masih perlu diciptakan. Kami memiliki tenggat waktu yang ditetapkan - pada tahun 2018 produk harus siap untuk uji terbang, dan pada tahun 2015 pengujian mesin utama harus selesai. Selanjutnya - ujian hidup dan ujian seluruh unit secara keseluruhan.“, kata tahun lalu kepala departemen elektrofisika Pusat Penelitian M.V. Keldysh, Profesor, Fakultas Penelitian Aerofisika dan Antariksa, MIPT Oleg Gorshkov.
Apa manfaat praktis bagi Rusia dari perkembangan ini? Manfaat ini jauh melebihi 17 miliar rubel yang akan dibelanjakan negara pada tahun 2018 untuk pembuatan kendaraan peluncuran dengan pembangkit listrik tenaga nuklir berkapasitas 1 MW. Pertama, ini merupakan perluasan dramatis kemampuan negara kita dan kemanusiaan secara umum. Pesawat luar angkasa bertenaga nuklir memberikan peluang nyata bagi manusia untuk mencapai berbagai hal di planet lain. Sekarang banyak negara yang memiliki kapal seperti itu. Mereka juga dilanjutkan di Amerika Serikat pada tahun 2003, setelah Amerika menerima dua sampel satelit Rusia dengan pembangkit listrik tenaga nuklir.
Namun, meski demikian, ia menjadi anggota komisi khusus NASA untuk penerbangan berawak Edward Crowley misalnya, ia percaya bahwa sebuah kapal untuk penerbangan internasional ke Mars harus memiliki mesin nuklir Rusia. " Pengalaman Rusia dalam pengembangan mesin nuklir sangat dibutuhkan. Saya pikir Rusia memiliki dampak yang sangat besar pengalaman hebat baik dalam pengembangan mesin roket maupun teknologi nuklir. Dia juga memiliki pengalaman luas dalam adaptasi manusia terhadap kondisi luar angkasa, karena kosmonot Rusia melakukan penerbangan yang sangat jauh “,” kata Crowley kepada wartawan musim semi lalu setelah kuliah di Universitas Negeri Moskow tentang rencana Amerika untuk eksplorasi ruang angkasa berawak.
Kedua, kapal semacam itu memungkinkan untuk secara tajam mengintensifkan aktivitas di ruang dekat Bumi dan memberikan peluang nyata untuk memulai kolonisasi Bulan (sudah ada proyek konstruksi di satelit Bumi pembangkit listrik tenaga nuklir). « Penggunaan sistem propulsi nuklir sedang dipertimbangkan untuk sistem berawak besar, bukan untuk pesawat ruang angkasa kecil, yang dapat terbang dengan instalasi jenis lain menggunakan mesin ion atau energi angin surya. Sistem propulsi nuklir dengan mesin ion dapat digunakan pada kapal tunda interorbital yang dapat digunakan kembali. Misalnya, mengangkut kargo antara orbit rendah dan tinggi, dan terbang ke asteroid. Anda dapat membuat kapal tunda bulan yang dapat digunakan kembali atau mengirim ekspedisi ke Mars“, kata Profesor Oleg Gorshkov. Kapal seperti ini secara dramatis mengubah perekonomian eksplorasi ruang angkasa. Menurut perhitungan spesialis RSC Energia, kendaraan peluncuran bertenaga nuklir mengurangi biaya peluncuran muatan ke orbit bulan lebih dari setengahnya dibandingkan dengan mesin roket cair.
Ketiga, ini adalah material dan teknologi baru yang akan dibuat selama implementasi proyek ini dan kemudian diperkenalkan ke industri lain - metalurgi, teknik mesin, dll. Artinya, ini adalah salah satu proyek terobosan yang benar-benar dapat mendorong kemajuan perekonomian Rusia dan global.