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

Ядерный ракетный двигатель принцип работы

Ядерный «Нуклон» для космического «Зевса» проходит испытания

Касаясь этого перспективного проекта, глава «Роскосмоса» заявил, что разрабатываемый в России ядерный буксир «Зевс» займется поиском жизни во Вселенной. На первом этапе планируются миссии на Марс и Венеру. «А в будущем, после создания термоядерных возможностей, при движении за пределы Солнечной системы станет важнейшей задачей обнаружить и понять: одни ли мы в космосе, или есть иная жизнь», — цитирует РИА Новости сказанное Дмитрием Рогозиным.

Тема ядерной энергетики для освоения космического пространства была обсуждаемой и на совещании с участием президента России, которое прошло в Самаре 12 апреля 2021 года — в знаковый день 60-летия первого полета в космос. Тогда главе государства доложили, что некоторые элементы ядерного буксира уже существуют «в железе».

Напомним: в 2010 году правительство России выделило первые 500 миллионов рублей на создание «космического корабля с атомным реактором». А точнее — с ядерной энерго-двигательной установкой мегаваттной мощности. Такой, чтобы могла служить тяговым (или разгонным) двигателем в полете и быть при необходимости источником энергии для орбитальной станции или посадочного модуля.

К решению этой задачи официально подключились государственная корпорация «Росатом» и Федеральное космическое агентство (ныне — ГК «Роскосмос»). Как считали тогда и считают сегодня, такие двигатели, особым образом сконструированные для работы в условиях невесомости, неизбежно потребуются для длительных космических миссий — межпланетных полетов, долговременных станций на земной и лунной орбитах, а в перспективе — для стационарных баз на Луне и других объектах Солнечной системы…

Сама по себе идея использовать ядерные двигатели на космических аппаратах родилась не на пустом месте и уходит корнями в начало 60-х. Уже тогда академики Мстислав Келдыш, Сергей Королев и Игорь Курчатов — первые лица советской космической программы и советского Атомного проекта — выдвигали подобные задачи. Аналогичные разработки с прицелом на создание новых вооружений велись и в США.

Советский Союз вывел с 1970 по 1988 годы на различные орбиты 32 космических аппарата с термоэлектрической ядерной энергоустановкой (принцип ее работы основан на превращении энергии распада атома в электрическую энергию). Те установки имели сравнительно небольшую мощность и ограниченный во времени срок службы, после чего сходили с орбиты, создавая головную боль — куда упадут радиоактивные обломки? — для наземных служб слежения.

В конце 80-х была заключена договоренность не запускать больше спутники с такими энергоустановками. Но сейчас, в связи с активной подготовкой международных экспедиций к Луне и Марсу, прежние запреты могут быть пересмотрены.

Именно с таким расчетом за создание общей концепции ТЭМ взялись специалисты Центра имени Келдыша («Роскосмос»), а ядерную установку для него стали проектировать в московском НИКИЭТ («Росатом») с участием подмосковного НПО «Луч», где занялись разработкой особых видов ядерного топлива. Весь проект, рассчитанный на 9 лет, предусматривал финансирование в объеме 17 миллиардов рублей. К 2012 году обещали эскизный проект, а дальше — техническое проектирование и моделирование всей системы на суперкомпьютерах. Отработка ядерного реактора как двигательной установки для ТЭМ — 2015 год.

Время от времени в печати проскальзывали отрывочные сведения о состоянии работ, а потом под предлогом режима секретности и они перестали появляться. Вновь об этой теме заговорили на уровне первых лиц «Роскосмоса» и «Росатома» летом-осенью 2020 года. И тогда же стало известно, что к проекту активным образом подключилось конструкторское бюро «Арсенал», расположенное в Петербурге и располагающее своей производственной базой.

В декабре 2020 года с «Арсеналом» заключён контракт на участие в проекте «Зевс-Нуклон». По сведениям из открытых источников, контракт оценен в 4, 2 миллиарда рублей и предусматривает создание аванпроекта, в котором должны быть учтены-интегрированы все наиболее значимые наработки, полученные в организациях «Росатома» и «Роскосмосе» в рамках общего проекта. Оговорено, что указанные в контракте работы предстоит завершить к июлю 2024 года.

Досье «РГ»

Конструкторского бюро «Арсенал» известно пилотными разработками в области космической техники с конца 60-х годов прошлого века. Именно здесь созданы космические аппараты радиолокационной разведки «УС-А» с ядерной энергоустановкой. Их летно-конструкторские испытания начались в 1973 году, а в 1975-м они приняты в эксплуатацию. Эта и другие успешно выполненные работы дали основание закрепить за КБ «Арсенал» статус головного предприятия по созданию космических комплексов наблюдения.

Двигателестроение

текст Владимир Тесленко , кандидат химических наук

Россия — абсолютный мировой монополист в разработке энергодвигательной установки с ядерным реактором мегаваттного класса.

Проект создания транспортно-энергетического модуля на основе ядерной энергодвигательной установки (ЯЭДУ) мегаваттного класса выполняется совместно предприятиями Росатома и Роскосмоса в соответствии с решением, принятым в 2009 году президентской комиссией по модернизации. Не имеющая аналогов энерготранспортная установка позволит создать качественно новую технику высокой энерговооруженности для изучения и освоения дальнего космоса. Новый проект предполагает использование ионных электрореактивных двигателей, в которых реактивная тяга создается за счет ускоренного электрическим полем потока ионов. При использовании космических ядерных энергоустановок можно приступить к решению таких задач, как полет на Марс, детальные исследования планет и их спутников, промышленное производство в космосе. Также можно будет заниматься очисткой околоземного космического пространства от космического мусора, бороться с астероидной опасностью, создавать на планетах автоматизированные базы.

Читать еще:  Шуруповерт как двигатель для велосипеда

Большими достоинствами проекта являются практически важные эксплуатационные характеристики — высокий ресурс (10 лет эксплуатации), значительный межремонтный интервал и продолжительное время работы на одном включении. Они не могут не впечатлять специалистов из других стран, в первую очередь США.

Тайный проект

ЯЭДУ содержит три главные устройства: 1) реакторную установку с рабочим телом и вспомогательными устройствами (теплообменник-рекуператор и турбогенератор-компрессор); 2) электроракетную двигательную установку; 3) холодильник-излучатель.

Проблема радиационной безопасности решается теневой защитой — реактор закрывают только с одной стороны, с той, где расположено оборудование и полезный груз. Излучение может свободно распространяться во все остальные стороны, там нет ничего, кроме космической пустоты. Так можно существенно сэкономить на весе защиты.

рис.01 Компоновка ЯЭДУ. Транспортно-энергетический модуль

Масса кг 20290
Габаритные размеры (рабочее положение), м 53,4-21,6-21,6
Электрическая мощность ЭБ, МВт 1,0
Удельный импульс ЭРД, км/с не менее 70,0
Мощность ЭРД, МВт не более 0,94
Суммарная тяга маршевых ЭРД, Н не менее 18,0
Ресурс, лет 10
Средство выделения РН «Ангара-А5»

    Назначение
  • межорбитальная буксировка полезной нагрузки
  • передача на полезную нагрузку энергии (до 225 кВт)

Главным конструктором реакторной установки и координатором работ от Росатома является НИКИЭТ — Научно-исследовательский и конструкторский институт энерготехники имени Н.А. Доллежаля.

С атомным реактором для космического применения нет принципиальных затруднений. В период с 1962 по 1993 год в нашей стране был накоплен богатый опыт производства аналогичных установок. Похожие работы велись и в США таб. 01 .

По состоянию на июль 2015 года в НИКИЭТ уже защищен технический проект активной зоны — ключевого элемента ядерного реактора. В конце года планируется защитить технический проект всей реакторной установки.

С физической точки зрения это компактный газоохлаждаемый реактор на быстрых нейтронах.

Сейчас в двух центрах — Институте реакторных материалов в городе Заречном Свердловской области и Научно-исследовательском институте атомных реакторов в Димитровграде — проходят испытания тепловыделяющих элементов (твэлов). Они разработаны в Физико-энергетическом институте им. А.И. Лейпунского (Обнинск), а изготовлены в прошлом году на Машиностроительном заводе в Электростали (ОАО «ТВЭЛ»).

Этому топливу придется работать при очень высоких температурах. В обычной ядерной топливной энергетике температуры на тысячу градусов ниже. Поэтому необходимо было выбрать такие материалы, которые смогут сдерживать негативные факторы, связанные с температурой, и в то же время позволят топливу выполнять его основную функцию — нагревать газовый теплоноситель, с помощью которого будет производиться электроэнергия.

В качестве топлива используется соединение (диоксид или карбонитрид) урана, но, поскольку конструкция должна быть очень компактной, уран имеет более высокое обогащение по изотопу 235, чем в твэлах на обычных (гражданских) атомных станциях, возможно, выше 20%. А оболочка их — монокристаллический сплав тугоплавких металлов на основе молибдена (разработка НПО «Луч» в Подольске).

Уникальность проекта в использовании специального теплоносителя — гелий-ксеноновой смеси. В установке обеспечивается высокий коэффициент полезного действия. Схема дана на рис. 02 .

рис. 02 Компоновка ядерной установки. 3D-модель РУ с карбонитридным топливом

Охлаждение газа в процессе работы ядерной установки совершенно необходимо. Как же сбрасывать тепло в открытом космосе?

На Земле для охлаждения электростанций используется либо вода, либо гигантские градирни. В космосе эти способы не доступны. Единственная возможность — охлаждение излучением. Нагретая поверхность в пустоте охлаждается, излучая электромагнитные волны в широком диапазоне, в том числе видимый свет.

Общая схема холодильника представлена на рис. 03-04 .

По состоянию на лето 2015 г. промежуточные результаты такие:

  • для экспериментального подтверждения принципа работы капельного холодильника-излучателя был проведен первый этап космического эксперимента «Капля-2» на российском сегменте Международной космической станции;
  • для теплообменных аппаратов выбрана, экспериментально обоснована и изготовлена моноблочная бескорпусная конструкция с использованием теплообменной матрицы из унифицированных штампованных пластин.

Рис. 03 Параметры холодильника ЯЭДУ

    Вариант компоновки ЯЭДУ в составе многоразового межорбитального буксира:
  • с панельным холодильником-излучателем
  • с капельным холодильником излучателем
Рис. 04

    Варианты размещения ЯЭДУ под обтекателем в транспортном положении:
  • с панельным холодильником-излучателем
  • с капельным холодильником излучателем

В 2010 году были сформулированы технические предложения по проекту. С этого года началось проектирование.

Известно, что с начала 1960-х годов в мире было разработано несколько типов электрореактивных двигателей: ионный, стационарный плазменный, двигатель с анодным слоем, импульсный плазменный двигатель, магнитоплазменный, магнитоплазмодинамический.

Исследовательский центр имени М.В. Келдыша (ранее РНИИ, НИИ-1, НИИТП) разработал и изготовил опытный образец ионного двигателя высокой мощности ИД-500. Его параметры такие: мощность 32-35 кВт, тяга 375-750 мН, удельный импульс 70000м/с, коэффициент полезного действия 0,75.

На данном этапе опытный образец ИД-500 имеет электроды ионно-оптической системы, выполненные из титана с диаметром перфорированной отверстиями зоны 500 мм, катод газоразрядной камеры, который обеспечивает ток разряда в диапазоне 20-70 А и катод-нейтрализатор, способный обеспечить нейтрализацию ионного пучка в диапазоне токов 2-9 А. На следующем этапе разработки двигатель будет оснащен электродами из углерод-углеродного композиционного материала и катодом с графитовым поджигным электродом.

Принцип действия ионного двигателя следующий. В газоразрядной камере с помощью анодов и катодного блока, расположенных в магнитном поле, создается разреженная плазма. Из нее эмиссионным электродом «вытягиваются» ионы рабочего тела (ксенона или другого вещества) и ускоряются в промежутке между ним и ускоряющим электродом.

Читать еще:  Шевроле орландо технические характеристики двигателя

По планам, к концу 2017 года будет осуществлена подготовка ядерной энергодвигательной установки для комплектации транспортно-энергетического модуля (перелетного межпланетного модуля). К концу 2018 года ЯЭДУ будет подготовлена к летно-конструкторским испытаниям. Финансирование проекта осуществляется за счет средств федерального бюджета. Смета на период 2010-2018 гг. составляет 7245 млн руб.

Проект создания транспортно-энергетического модуля на основе ядерной энергодвигательной установки мегаваттного класса вызвал нешуточные научно-технологические дискуссии в среде двух выликих кланов — атомного и космического. Но пока живы «проигравшие», подробности решено не выносить на публику.

Таб. 01 Сравнительные показатели результатов, полученных по программам разработок ядерных реактивных двигателей в СССР и в США в 1959-1989 гг.

Ядерный ракетный двигатель принцип работы

Добавить новость в:

Одна из главных мировых космических новостей странным образом осталась вне фокуса общественного внимания. А она, между тем, имеет, без всякой натяжки, планетарное значение — 11 декабря «Роскосмос» заключил контракт стоимостью 4,2 миллиарда рублей на разработку аванпроекта космического ядерного буксира «Нуклон» для полетов к Луне, Юпитеру и Венере. И сделано это было после того, как были завершены работы и наземные испытания первого в мире космического ядерного двигателя. Об этом было ранее сообщено в акте приёмки, размещённом на сайте госзакупок. В документе сказано, что «работы выполнены в полном объёме, результаты соответствуют требованиям технического задания. …Были выявлены закономерности функционирования элементов и узлов перспективных систем отвода тепла ЯЭДУ мегаваттного класса в наземных условиях, максимально приближенных к условиям космического пространства».

Что значат эти сухие строки?

Много лет ядерная энергодвигательная установка мегаваттного класса (ЯЭДУ) — перспективный двигатель для космических аппаратов — считалась аббревиатурой из области научной фантастики, фигурирующей в романах про отдалённое будущее. С помощью ЯЭДУ космолёты совершали перелёты по солнечной системе. Именно ядерный двигатель позволит совершать межпланетные полёты в несколько раз быстрее, чем сейчас. Тот же полёт на Марс на тяге ядерно-ионных двигателей займёт уже не месяцы, а лишь несколько недель. Но главное, что с его появлением будет преодолено «проклятие» химических двигателей — необходимость транспортировки многих сотен тонн горючего и окислителя, делающих космические корабли для дальнего космоса настоящими техническими одноразовыми мастодонтами. Ядерный двигатель почти полностью снимает эту проблему. Принцип его работы заключается в том, что компактный ядерный реактор вырабатывает тепловую энергию, которая с помощью турбины преобразуется в электрическую, которая в свою очередь нужна для того, чтобы питать энергией ионные электрореактивные двигатели и оборудование корабля. Всего одной загрузки реактора — несколько сотен килограммов ядерного топлива — хватит на несколько полётов на Марс и обратно.

И вот теперь этот двигатель создан! И создан в России, русскими учёными и инженерами! Фактически с созданием этой технологии цивилизация перешла на новую ступень своего развития — эру освоения солнечной системы непосредственно людьми.

Попытки создать такой двигатель велись с середины прошлого века многими странами. Наиболее продвинулись в этом направлении СССР и США. Но американцы так и не смогли решить главную проблему ядерного двигателя — создать систему охлаждения в космическом безвоздушном пространстве, и работы в итоге свернули. В СССР, наоборот, был проведён целый ряд исследований и испытаний, в результате чего была разработана принципиально новая схема отвода тепла. С помощью уникального генератора холодильник-излучатель формирует капельные струйки горячего теплоносителя, который охлаждается на пути к гидросборнику и, собираясь в нём, направляется снова в рабочий контур. Подобная технология не предусматривает использования труб и таким образом облегчает конструкцию системы охлаждения.

К созданию ЯЭДУ наши конструкторы в упор подошли в конце 80-х, и не случись развал Союза, первый прототип ядерного двигателя был бы испытан еще в начале 90-х. Но Союз распался. В России к власти пришли проходимцы и воры ельцинской команды, и все работы были свёрнуты почти на двадцать лет. Только в 2010 году, после доклада Путину, снова началось финансирование проекта. Инициатором создания ЯЭДУ называют академика отделения физико-технических проблем энергетики РАН, бывшего генерального директора ФГУП «Исследовательский центр им. Келдыша» Анатолия Коротеева. Головным разработчиком атомной энергодвигательной установки является Научно-исследовательский и конструкторский институт энерготехники им. Н. А. Доллежаля (НИКИЭТ).

Основой ЯЭДУ был выбран реактор на быстрых нейтронах с газовым охлаждением. По предъявляемым характеристикам реактор — высокотемпературный и должен выдерживать разогрев до 1 200 градусов Цельсия. Теплоноситель — смесь гелия (78%) и ксенона (22%), топливом служит уран. И для охлаждения его необходимо было создать и испытать космический генератор капель — главную деталь холодильника-излучателя (КХИ).

И вот спустя десять лет мы вышли на финишную прямую. Ядерный двигатель создан, и это позволит на порядок увеличить электрическую мощность на любых космических аппаратах. А это, в свою очередь, даёт возможность использовать ракетные двигатели повышенной мощности — ещё один неизменный элемент фантастических романов — ионные двигатели, которые теперь тоже стали реальностью. Такие двигатели — ИД-500 — были созданы и испытаны в государственном научном центре им. Келдыша в 2014 году!

Читать еще:  Чем закрыть горловину двигателя

Теперь, после заключения контракта с Роскосмосом, предстоит работа по созданию аванпроекта космического ядерного буксира «Нуклон» — соединения всех этих уникальных технологий в испытательный прототип космического корабля будущего. «Реализация этого проекта позволит на базе уже имеющегося задела поднять отечественную технику на принципиально новый уровень, во многом опережающий зарубежные разработки», — заявил в октябре 2009 года на заседании комиссии по модернизации глава «Роскосмоса» (в 2004—2011 годах) Анатолий Перминов. Сегодня эти слова становятся реальностью!

Ядерные двигатели в крылатых ракетах. Досье

ТАСС-ДОСЬЕ. 19 июля 2018 года в Минобороны сообщили журналистам, что Россия готовится провести летные испытания опытных образцов усовершенствованной крылатой ракеты «Буревестник» с ядерным двигателем. В ведомстве указали, что малозаметная крылатая ракета с практически неограниченной дальностью, несущая ядерную боевую часть, является неуязвимой для всех существующих и перспективных систем как противоракетной, так и противовоздушной обороны.

Редакция ТАСС-ДОСЬЕ подготовила справочный материал о проектах использования ядерных двигателей в крылатых ракетах.

Ядерные двигатели

Идея использовать ядерные двигатели в авиации и космонавтике возникла в 1950-х годах вскоре после создания технологии управляемой атомной реакции. Плюсом такого двигателя является длительное время работы на практически не расходуемом в полете компактном источнике топлива, что означает неограниченную дальность полета. Минусами были большой вес и габариты атомных реакторов того времени, сложность их перезарядки, необходимость обеспечения биологической защиты обслуживающего персонала. С начала 1950-х годов ученые СССР и США независимо друг от друга изучали возможность создания разных типов атомных двигателей:

  • ядерный прямоточный воздушно-реактивный двигатель (ЯПВРД): в нем поступающий через воздухозаборник воздух попадает в активную зону реактора, нагревается и выбрасывается через сопло, создавая нужную тягу;
  • ядерный турбореактивный двигатель: действует по похожей схеме, но воздух перед попаданием в реактор сжимается компрессором;
  • ядерный ракетный двигатель: тяга создается за счет нагрева реактором рабочего тела, водорода, аммиака, других газов или жидкостей, которые затем выбрасываются в сопло;
  • ядерный импульсный двигатель: реактивную тягу создают поочередные ядерные взрывы малой мощности;
  • электрореактивный двигатель: вырабатываемая реактором электроэнергия используется для нагрева рабочего тела до состояния плазмы.

Наиболее подходящими для крылатых ракет и самолетов являются прямоточный воздушно-реактивный или турбореактивный двигатель. В проектах крылатых ракет предпочтение традиционно отдавалось первому варианту.

Советские проекты

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

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

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

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

Опыт США

С середины 1950-х годов ученые Радиационной лаборатории в Ливерморе (штат Калифорния) в рамках проекта Pluto разрабатывали ядерный прямоточный воздушно-реактивный двигатель для сверхзвуковой крылатой ракеты.

К началу 1960-х годов были созданы несколько прототипов ЯПВРД, первый из которых — Tory-IIA — был испытан в мае 1961 года. В 1964 году начались испытания новой модификации двигателя — Tory-IIC, который смог проработать пять минут, показав тепловую мощность около 500 МВт и тягу в 16 т.

Однако вскоре проект был закрыт. Традиционно считают, что причиной этого как в США, так и в СССР стало успешное создание межконтинентальных баллистических ракет, способных доставить ядерные боезаряды на территорию противника. В этой ситуации межконтинентальные крылатые ракеты не выдержали конкуренции.

В России

1 марта 2018 года, выступая с посланием Федеральному собранию РФ, президент России Владимир Путин сообщил, что в конце 2017 года на Центральном полигоне Российской Федерации была успешно испытана новейшая крылатая ракета с ядерной энергоустановкой, дальность полета которой «является практически неограниченной». Ее разработка была начата после выхода США в декабре 2001 года из Договора об ограничении систем противоракетной обороны 1972 года. Название «Буревестник» ракета получила 22 марта 2018 года по итогам открытого голосования на сайте Минобороны.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector