Los motores de cohetes de propulsante líquido le dieron al hombre la oportunidad de ir al espacio, a órbitas cercanas a la Tierra. Sin embargo, tales cohetes queman el 99% del combustible en los primeros minutos de vuelo. El combustible restante puede no ser suficiente para viajar a otros planetas, y la velocidad será tan baja que el viaje llevará decenas o cientos de años. Los motores nucleares pueden resolver el problema. ¿Cómo? Averigüémoslo juntos.

El principio de funcionamiento de un motor a reacción es muy simple: convierte el combustible en la energía cinética del avión (la ley de conservación de la energía), debido a la dirección de este avión, el cohete se mueve en el espacio (la ley de conservación de la energía). impulso). Es importante entender que no podemos acelerar un cohete o un avión a una velocidad mayor que la velocidad de salida del combustible - gas caliente expulsado.

Nave espacial Nuevos Horizontes

¿Qué distingue a un motor eficiente de un homólogo obsoleto o sin éxito? En primer lugar, cuánto combustible necesitará el motor para acelerar el cohete a la velocidad deseada. Este parámetro más importante de un motor de cohete se llama impulso especifico, que se define como la relación entre el impulso total y el consumo de combustible: cuanto mayor sea esta cifra, más eficiente será el motor del cohete. Si el cohete consiste casi en su totalidad en combustible (lo que significa que no hay lugar para una carga útil en él, el caso límite), el impulso específico puede considerarse igual a la velocidad del combustible (propulsor) que sale de la tobera del cohete. Lanzar un cohete es una tarea extremadamente costosa; se tiene en cuenta cada gramo no solo de la carga útil, sino también del combustible, que también pesa y ocupa espacio. Por lo tanto, los ingenieros seleccionan cada vez más combustible activo, cuya unidad daría el máximo retorno, aumentando el impulso específico.

La gran mayoría de los cohetes en la historia y en la actualidad estaban equipados con motores que utilizan la reacción química de combustión (oxidación) del combustible.

Hicieron posible llegar a la Luna, Venus, Marte e incluso a los planetas de la zona lejana: Júpiter, Saturno y Neptuno. Es cierto que las expediciones espaciales tomaron meses y años (estaciones automáticas Pioneer, Voyager, New Horizons, etc.). Cabe señalar que todos estos cohetes consumen una parte importante del combustible para despegar de la Tierra y luego continúan volando por inercia con raros momentos de encendido del motor.

Nave espacial pionera

Dichos motores son adecuados para lanzar cohetes a una órbita cercana a la Tierra, pero para acelerarlos al menos a una cuarta parte de la velocidad de la luz, se necesitará una cantidad increíble de combustible (los cálculos muestran que se necesitan 103200 gramos de combustible, a pesar de el hecho de que la masa de nuestra Galaxia no supera los 1056 gramos). Es obvio que para llegar a los planetas más cercanos, y más aún a las estrellas, necesitamos velocidades suficientemente altas, que los cohetes de combustible líquido no son capaces de proporcionar.

Motor nuclear de fase gaseosa

El espacio profundo es un asunto completamente diferente. Tomemos, por ejemplo, Marte, "habitado" por escritores de ciencia ficción de todas partes: está bien estudiado y es científicamente prometedor, y lo más importante, está cerca como ningún otro. El punto es para el "autobús espacial", que puede llevar a la tripulación allí en un tiempo razonable, es decir, lo más rápido posible. Pero hay problemas con el transporte interplanetario. Es difícil acelerarlo a la velocidad deseada, manteniendo un tamaño aceptable y gastando una cantidad razonable de combustible.

RS-25 (Rocket System 25) es un motor de cohete de propulsante líquido fabricado por Rocketdine, EE. UU. Se utilizó en el planeador del sistema de transporte espacial "Space Shuttle", cada uno de los cuales estaba equipado con tres motores de este tipo. Mejor conocido como el motor SSME (English Space Shuttle Main Engine - el motor principal del transbordador espacial). Los principales componentes del combustible son oxígeno líquido (oxidante) e hidrógeno (combustible). RS-25 utiliza un esquema de ciclo cerrado (con poscombustión del gas del generador).

La solución podría ser un "átomo pacífico" empujando naves espaciales. En la creación de un dispositivo ligero y compacto capaz de lanzarse al menos a sí mismo en órbita, los ingenieros pensaron a finales de los años 50 del siglo pasado. La principal diferencia entre los motores nucleares y los cohetes con motores de combustión interna es que energía cinética se obtiene no debido a la combustión del combustible, sino debido a la energía térmica de la descomposición de los elementos radiactivos. Comparemos estos enfoques.

De motores líquidos sale un "cóctel" caliente de gases de escape (la ley de conservación del impulso), formado durante la reacción del combustible y el oxidante (la ley de conservación de la energía). En la mayoría de los casos, esta es una combinación de oxígeno e hidrógeno (el resultado de quemar hidrógeno es agua ordinaria). El H2O tiene una masa molar mucho mayor que el hidrógeno o el helio, por lo que es más difícil de acelerar, el impulso específico para un motor de este tipo es de 4500 m/s.

Pruebas terrestres de la NASA nuevo sistema lanzamiento cohetes espaciales, 2016 (Utah, EE. UU.). Estos motores se instalarán en la nave espacial Orion, que está planeando una misión a Marte.

EN motores nucleares se propone usar solo hidrógeno y acelerarlo (calentarlo) debido a la energía de la descomposición nuclear. Por lo tanto, hay un ahorro en el oxidante (oxígeno), que ya es maravilloso, pero no todo. Dado que el hidrógeno tiene una gravedad específica relativamente baja, es más fácil para nosotros acelerarlo a velocidades más altas. Por supuesto, también se pueden usar otros gases sensibles al calor (helio, argón, amoníaco y metano), pero todos ellos son al menos dos veces inferiores al hidrógeno en lo más importante: el impulso específico alcanzable (más de 8 km / s).

Entonces, ¿vale la pena perder? La ganancia es tan grande que ni la complejidad del diseño y control del reactor, ni su gran peso, ni siquiera un peligro de radiación. Además, nadie comenzará desde la superficie de la Tierra: el ensamblaje de tales naves se llevará a cabo en órbita.

Reactor "volador"

¿Cómo funciona un motor nuclear? reactor en motor espacial mucho más pequeños y compactos que sus contrapartes terrestres, pero todos los componentes principales y mecanismos de control son fundamentalmente los mismos. El reactor actúa como un calentador al que se suministra hidrógeno líquido. Las temperaturas en el núcleo alcanzan (y pueden superar) los 3000 grados. Luego, el gas calentado se libera a través de la boquilla.

Sin embargo, tales reactores emiten radiación dañina. Para proteger a la tripulación y numerosos equipo electronico La radiación debe tomarse en serio. Por lo tanto, los proyectos de naves interplanetarias con un motor nuclear a menudo se asemejan a un paraguas: el motor está ubicado en un bloque separado blindado conectado al módulo principal por una viga o tubería larga.

"Cámara de combustión" El núcleo del reactor sirve como motor nuclear, en el que el hidrógeno suministrado a alta presión se calienta a 3000 grados o más. Este límite sólo está determinado por la resistencia al calor de los materiales del reactor y las propiedades del combustible, aunque al aumentar la temperatura aumenta el impulso específico.

elementos combustibles- estos son cilindros acanalados resistentes al calor (para aumentar el área de transferencia de calor) - "vasos" llenos de gránulos de uranio. Son "lavados" por el flujo de gas, que desempeña el papel tanto de fluido de trabajo como de enfriador del reactor. Toda la estructura está aislada con pantallas reflectantes de berilio que no liberan al exterior radiaciones peligrosas. Para controlar la liberación de calor, se ubican tambores giratorios especiales junto a las pantallas.

Hay una serie de diseños prometedores de motores de cohetes nucleares, cuya implementación está esperando en las alas. Después de todo, se utilizarán principalmente en viajes interplanetarios que, aparentemente, están a la vuelta de la esquina.

proyectos de motores nucleares

Estos proyectos se archivaron por varias razones: falta de dinero, complejidad del diseño o incluso la necesidad de ensamblar e instalar en el espacio exterior.

"ORIÓN" (EE. UU., 1950-1960)

El proyecto de una nave espacial tripulada de pulso nuclear ("explosiva") para el estudio del espacio interplanetario e interestelar.

Principio de funcionamiento. Desde el motor de la nave, en la dirección opuesta al vuelo, se expulsa una carga nuclear de un pequeño equivalente y se detona a una distancia relativamente corta de la nave (hasta 100 m). La fuerza del impacto rebota en la placa reflectante masiva en la cola del barco, "empujándolo" hacia adelante.

"PROMETEO" (EE. UU., 2002-2005)

Proyecto de la agencia espacial de la NASA para desarrollar un motor nuclear para astronave.

Principio de funcionamiento. Se suponía que el motor de la nave espacial consistía en partículas ionizadas que crean empuje y un reactor nuclear compacto que proporciona energía para la instalación. El motor de iones produce un empuje de unos 60 gramos, pero podrá trabajar constantemente. En última instancia, el barco podrá adquirir gradualmente una gran velocidad: 50 km / s, gastando una cantidad mínima de energía.

"PLUTON" (EEUU, 1957-1964)

Proyecto para el desarrollo de un motor estatorreactor nuclear.

Principio de funcionamiento. El aire a través de la parte delantera del vehículo ingresa al reactor nuclear, donde se calienta. El aire caliente se expande, adquiere mayor velocidad y sale por la tobera, proporcionando el empuje necesario.

NERVA (Estados Unidos, 1952–1972)

(ing. Motor nuclear para aplicaciones de vehículos cohete) es un programa conjunto de la Comisión de Energía Atómica de EE. UU. y la NASA para crear un motor de cohete nuclear.

Principio de funcionamiento. El hidrogel líquido se introduce en un compartimento especial, donde se calienta mediante un reactor nuclear. El gas caliente se expande y se libera en la boquilla, creando empuje.

Sergeev Alexey, 9 Clase "A" MOU "Escuela secundaria No. 84"

Consultor científico: , Director Adjunto de la asociación sin fines de lucro para actividades científicas e innovadoras "Tomsk Atomic Center"

Supervisor: , profesor de física, MOU "Escuela Secundaria No. 84" ZATO Seversk

Introducción

Los sistemas de propulsión a bordo de una nave espacial están diseñados para generar empuje o impulso. Según el tipo de empuje que utiliza el sistema de propulsión, se dividen en químicos (CRD) y no químicos (NCRD). Los HRD se dividen en líquidos (LRE), combustibles sólidos (RDTT) y combinados (KRD). A su vez, los sistemas de propulsión no química se dividen en nucleares (NRE) y eléctricos (EP). El gran científico Konstantin Eduardovich Tsiolkovsky, hace un siglo, creó el primer modelo de un sistema de propulsión que funcionaba con combustibles sólidos y líquidos. Posteriormente, en la segunda mitad del siglo XX, se realizaron miles de vuelos utilizando principalmente LRE y motores de cohetes de combustible sólido.

Sin embargo, en la actualidad, para vuelos a otros planetas, por no hablar de las estrellas, el uso de motores de cohetes de propulsante líquido y motores de cohetes de propulsante sólido es cada vez menos rentable, aunque se han desarrollado muchos motores de cohetes. Lo más probable es que las posibilidades de LRE y los motores de cohetes de propulsante sólido se hayan agotado por completo. La razón aquí es que el impulso específico de todos los motores de cohetes químicos es bajo y no excede los 5000 m/s, lo que requiere una operación a largo plazo del sistema de propulsión y, en consecuencia, grandes reservas de combustible para desarrollar velocidades suficientemente altas, o bien, como es habitual en la astronáutica, valores grandes del número de Tsiolkovsky, es decir, la relación entre la masa de un cohete con combustible y la masa de uno vacío. Así, RN Energia, que pone en órbita baja 100 toneladas de carga útil, tiene una masa de lanzamiento de unas 3.000 toneladas, lo que le da al número de Tsiolkovsky un valor en el rango de 30.

Para un vuelo a Marte, por ejemplo, el número de Tsiolkovsky debería ser aún mayor, alcanzando valores de 30 a 50. Es fácil estimar que con una carga útil de unas 1.000 toneladas, es decir, la masa mínima requerida para proporcionar todo lo necesario para la tripulación que parta hacia Marte teniendo en cuenta el suministro de combustible para el vuelo de regreso a la Tierra, la masa inicial de la nave espacial debe ser de al menos 30.000 toneladas, lo que claramente supera el nivel de desarrollo de la astronáutica moderna basada en el uso de líquido motores de cohetes propulsores y motores de cohetes propulsores sólidos.

Por lo tanto, para que las tripulaciones tripuladas lleguen incluso a los planetas más cercanos, es necesario desarrollar vehículos de lanzamiento con motores que funcionen con principios diferentes a los de la propulsión química. Los más prometedores en este sentido son los motores a reacción eléctricos (EP), termoquímicos motores de cohetes y jet nuclear (YARD).

1.Conceptos básicos

Un motor de cohete es un motor a reacción que no utiliza el medio ambiente (aire, agua) para funcionar. Los motores de cohetes químicos más utilizados. Se están desarrollando y probando otros tipos de motores de cohetes: eléctricos, nucleares y otros. En las estaciones y vehículos espaciales, también se utilizan ampliamente los motores de cohetes más simples que funcionan con gases comprimidos. Usualmente usan nitrógeno como fluido de trabajo. /1/

Clasificación de los sistemas de propulsión

2. Propósito de los motores de cohetes.

Según su propósito, los motores de cohetes se dividen en varios tipos principales: aceleración (arranque), frenado, sostén, control y otros. Los motores de cohetes se utilizan principalmente en cohetes (de ahí el nombre). Además, los motores de cohetes a veces se utilizan en la aviación. Los motores de cohetes son los motores principales en la astronáutica.

Los misiles militares (de combate) suelen tener motores de combustible sólido. Esto se debe al hecho de que dicho motor se reabastece de combustible en la fábrica y no requiere mantenimiento durante todo el período de almacenamiento y servicio del cohete. Los motores de combustible sólido se utilizan a menudo como propulsores para cohetes espaciales. Especialmente ampliamente, en esta capacidad, se utilizan en los EE. UU., Francia, Japón y China.

Los motores de cohetes de propulsante líquido tienen características de empuje más altas que los de propulsante sólido. Por lo tanto, se utilizan para lanzar cohetes espaciales en órbita alrededor de la Tierra y en vuelos interplanetarios. Los principales propulsores líquidos para cohetes son el queroseno, el heptano (dimetilhidrazina) y el hidrógeno líquido. Para tales combustibles, se requiere un agente oxidante (oxígeno). El ácido nítrico y el oxígeno licuado se utilizan como agentes oxidantes en dichos motores. El ácido nítrico es inferior al oxígeno licuado en términos de propiedades oxidantes, pero no requiere mantener un régimen de temperatura especial durante el almacenamiento, el reabastecimiento de combustible y el uso de cohetes.

Los motores para vuelos espaciales se diferencian de los terrestres en que estos, con la menor masa y volumen posible, deben producir la mayor potencia posible. Además, están sujetos a requisitos tales como exclusivamente alta eficiencia y fiabilidad, considerable tiempo de funcionamiento. Según el tipo de energía utilizada, los sistemas de propulsión de las naves espaciales se dividen en cuatro tipos: termoquímicos, nucleares, eléctricos, de vela solar. Cada uno de estos tipos tiene sus propias ventajas y desventajas y puede usarse en ciertas condiciones.

Actualmente, las naves espaciales, las estaciones orbitales y los satélites terrestres no tripulados se lanzan al espacio mediante cohetes equipados con potentes motores termoquímicos. También hay motores en miniatura de bajo empuje. Esta es una copia reducida de motores potentes. Algunos de ellos pueden caber en la palma de tu mano. La fuerza de empuje de tales motores es muy pequeña, pero es suficiente para controlar la posición de la nave en el espacio.

3. Motores de cohetes termoquímicos.

Se sabe que en el motor de combustión interna, el horno de una caldera de vapor, dondequiera que tenga lugar la combustión, el oxígeno atmosférico toma la parte más activa. No hay aire en el espacio exterior, y para el funcionamiento de los motores de cohetes en el espacio exterior, es necesario tener dos componentes: combustible y oxidante.

En los motores de cohetes termoquímicos líquidos, se utilizan como combustible alcohol, queroseno, gasolina, anilina, hidracina, dimetilhidracina e hidrógeno líquido. Como agente oxidante, oxígeno líquido, peróxido de hidrógeno, Ácido nítrico. Es posible que el flúor líquido se use como agente oxidante en el futuro, cuando se inventen métodos para almacenar y usar dicho químico activo.

El combustible y el oxidante para los motores a reacción de propulsante líquido se almacenan por separado en tanques especiales y se bombean a la cámara de combustión. Cuando se combinan en la cámara de combustión, se desarrolla una temperatura de hasta 3000 - 4500 ° C.

Los productos de combustión, al expandirse, adquieren una velocidad de 2500 a 4500 m/s. Comenzando desde la carcasa del motor, crean un empuje de chorro. Al mismo tiempo, cuanto mayor sea la masa y la velocidad de la salida de gases, mayor será la fuerza de empuje del motor.

Es costumbre estimar el empuje específico de los motores por la cantidad de empuje creado por una unidad de masa de combustible quemado en un segundo. Este valor se denomina impulso específico del motor del cohete y se mide en segundos (kg de empuje / kg de combustible quemado por segundo). Los mejores motores de cohetes de combustible sólido tienen un impulso específico de hasta 190 s, es decir, 1 kg de combustible quemado en un segundo crea un empuje de 190 kg. El motor cohete de hidrógeno-oxígeno tiene un impulso específico de 350 s. Teóricamente, un motor de hidrógeno-flúor puede desarrollar un impulso específico de más de 400 s.

El esquema de uso común de un motor de cohete de propulsante líquido funciona de la siguiente manera. El gas comprimido crea la presión necesaria en los tanques con combustible criogénico para evitar la aparición de burbujas de gas en las tuberías. Las bombas suministran combustible a los motores de cohetes. El combustible se inyecta en la cámara de combustión a través de un gran número de inyectores. Además, se inyecta un agente oxidante en la cámara de combustión a través de las boquillas.

En cualquier automóvil, durante la combustión del combustible, se forman grandes flujos de calor que calientan las paredes del motor. Si no enfría las paredes de la cámara, se quemará rápidamente, sin importar de qué material esté hecho. Un motor a reacción de propulsante líquido generalmente se enfría con uno de los componentes propulsores. Para esto, la cámara está hecha de dos paredes. El componente de combustible frío fluye en el espacio entre las paredes.

Aluminio" href="/text/category/aluminij/" rel="bookmark">aluminio, etc. Especialmente como aditivo a los combustibles convencionales, como el hidrógeno-oxígeno. Tales "composiciones triples" pueden proporcionar la mayor velocidad posible para la salida de combustibles químicos - hasta 5 km / s. Pero este es prácticamente el límite de los recursos de la química. Prácticamente no puede hacer más. Aunque la descripción propuesta todavía está dominada por motores de cohetes líquidos, debe decirse que el primero en la historia de la humanidad fue creado un motor de cohete termoquímico en combustible sólido - Motor de cohete de propulsor sólido. El combustible, por ejemplo, pólvora especial, se encuentra directamente en la cámara de combustión. La cámara de combustión con una boquilla de chorro llena de combustible sólido, ese es el diseño completo. El modo de combustión del combustible sólido depende del propósito del motor de cohete de propulsante sólido (arranque, marcha o combinado). Para los cohetes de propulsor sólido utilizados en asuntos militares, se caracterizan por la presencia de motores de arranque y sustentadores. El propulsor sólido de arranque motor de cohete desarrolla un gran empuje durante un tiempo muy corto, que es necesario para que el cohete abandone el lanzador y su aceleración inicial. Un motor de cohete de propulsor sólido en marcha está diseñado para mantener una velocidad de vuelo constante del cohete en la sección principal (crucero) de la ruta de vuelo. Las diferencias entre ellos radican principalmente en el diseño de la cámara de combustión y el perfil de la superficie de combustión de la carga de combustible, que determinan la tasa de quema de combustible, de la que depende el tiempo de funcionamiento y el empuje del motor. A diferencia de estos cohetes, los vehículos de lanzamiento espacial para lanzar satélites terrestres, estaciones orbitales y naves espaciales, así como las estaciones interplanetarias, operan solo en el modo inicial desde el lanzamiento del cohete hasta que el objeto se pone en órbita alrededor de la Tierra o en una trayectoria interplanetaria. En general, los motores de cohetes de combustible sólido no tienen muchas ventajas sobre los motores de combustible líquido: son fáciles de fabricar, largo tiempo se puede almacenar, siempre listo para la acción, relativamente a prueba de explosiones. Pero en términos de empuje específico, los motores de propulsante sólido son un 10-30% inferiores a los líquidos.

4. Motores de cohetes eléctricos

Casi todos los motores de cohetes discutidos anteriormente desarrollan un empuje tremendo y están diseñados para poner naves espaciales en órbita alrededor de la Tierra y acelerarlas a velocidades espaciales para vuelos interplanetarios. Es un asunto completamente diferente: los sistemas de propulsión para naves espaciales ya puestas en órbita o en una trayectoria interplanetaria. Aquí, por regla general, se necesitan motores de baja potencia (varios kilovatios o incluso vatios) que pueden funcionar cientos y miles de horas y encenderse y apagarse repetidamente. Te permiten mantener el vuelo en órbita oa lo largo de una trayectoria determinada, compensando la resistencia al vuelo creada por la atmósfera superior y el viento solar. En los motores de cohetes eléctricos, el fluido de trabajo se acelera a una cierta velocidad calentándolo con energía eléctrica. La electricidad proviene de paneles solares o una central nuclear. Los métodos de calentamiento del fluido de trabajo son diferentes, pero en realidad se utiliza principalmente arco eléctrico. Demostró ser muy confiable y resiste una gran cantidad de inclusiones. El hidrógeno se utiliza como fluido de trabajo en los motores de arco eléctrico. Mediante el uso arco eléctrico el hidrógeno se calienta a una temperatura muy alta y se convierte en plasma, una mezcla eléctricamente neutra de iones positivos y electrones. La velocidad de salida del plasma del propulsor alcanza los 20 km/s. Cuando los científicos resuelvan el problema del aislamiento magnético del plasma de las paredes de la cámara del motor, será posible aumentar significativamente la temperatura del plasma y llevar la velocidad de salida a 100 km/s. El primer motor de cohete eléctrico se desarrolló en la Unión Soviética en los años. bajo el liderazgo (más tarde se convirtió en el creador de motores para cohetes espaciales soviéticos y académico) en el famoso laboratorio de dinámica de gases (GDL). / 10 /

5.Otros tipos de motores

También hay proyectos más exóticos de motores de cohetes nucleares, en los que el material fisionable se encuentra en estado líquido, gaseoso o incluso de plasma, pero la implementación de tales diseños en el nivel actual de tecnología y tecnología no es realista. Existen, mientras se encuentran en la etapa teórica o de laboratorio, los siguientes proyectos de motores de cohetes

Motores de cohetes nucleares de pulso que utilizan la energía de explosiones de pequeñas cargas nucleares;

Motores de cohetes termonucleares que pueden utilizar un isótopo de hidrógeno como combustible. La eficiencia energética del hidrógeno en tal reacción es de 6,8*1011 kJ/kg, es decir, aproximadamente dos órdenes de magnitud superior a la productividad de las reacciones de fisión nuclear;

Motores de vela solar - que usan presión luz de sol(viento solar), cuya existencia empíricamente demostrado por un físico ruso en 1899. Por cálculo, los científicos han establecido que un dispositivo que pesa 1 tonelada, equipado con una vela con un diámetro de 500 m, puede volar de la Tierra a Marte en unos 300 días. Sin embargo, la eficiencia de una vela solar disminuye rápidamente con la distancia al Sol.

6. Motores de cohetes nucleares

Una de las principales desventajas de los motores de cohetes de propulsante líquido está asociada con la velocidad limitada de la salida de gases. En los motores de cohetes nucleares, parece posible utilizar la colosal energía liberada durante la descomposición del "combustible" nuclear para calentar la sustancia de trabajo. El principio de funcionamiento de los motores de cohetes nucleares es casi el mismo que el principio de funcionamiento de los motores termoquímicos. La diferencia radica en el hecho de que el fluido de trabajo se calienta no debido a su propia energía química, sino a la energía "extraña" liberada durante la reacción intranuclear. El fluido de trabajo pasa a través de un reactor nuclear, en el que tiene lugar la reacción de fisión de los núcleos atómicos (por ejemplo, el uranio) y, al mismo tiempo, se calienta. Los motores de cohetes nucleares eliminan la necesidad de un oxidante y, por lo tanto, solo se puede usar un líquido. Como fluido de trabajo, es recomendable utilizar sustancias que permitan que el motor desarrolle una gran fuerza de tracción. El hidrógeno satisface más plenamente esta condición, seguido del amoníaco, la hidracina y el agua. Los procesos en los que se libera energía nuclear se dividen en transformaciones radiactivas, reacciones de fisión de núcleos pesados y reacciones de fusión de núcleos ligeros. Las transformaciones de radioisótopos se realizan en las llamadas fuentes de energía isotópicas. La energía de masa específica (la energía que puede liberar una sustancia que pesa 1 kg) de los isótopos radiactivos artificiales es mucho mayor que la de los combustibles químicos. Así, para 210Ро es igual a 5*10 8 KJ/kg, mientras que para el combustible químico más eficiente energéticamente (berilio con oxígeno) este valor no supera los 3*10 4 KJ/kg. Desafortunadamente, todavía no es racional usar tales motores en vehículos de lanzamiento espacial. La razón de esto es el alto costo de la sustancia isotópica y la dificultad de operación. Después de todo, el isótopo libera energía constantemente, incluso cuando se transporta en un contenedor especial y cuando el cohete está estacionado en la salida. Los reactores nucleares utilizan combustible más eficiente energéticamente. Así, la energía de masa específica del 235U (el isótopo fisible del uranio) es de 6,75 * 10 9 kJ/kg, es decir, aproximadamente un orden de magnitud superior a la del isótopo 210Ро. Estos motores se pueden "encender" y "apagar", el combustible nuclear (233U, 235U, 238U, 239Pu) es mucho más económico que el isótopo. En tales motores, no solo se puede usar agua como fluido de trabajo, sino también sustancias de trabajo más eficientes: alcohol, amoníaco, hidrógeno líquido. El empuje específico de un motor con hidrógeno líquido es de 900 s. EN el circuito mas simple motor de cohete nuclear con un reactor que funciona con combustible nuclear sólido, el fluido de trabajo se coloca en el tanque. La bomba lo envía a la cámara del motor. Rociado con la ayuda de boquillas, el fluido de trabajo entra en contacto con el combustible nuclear que produce calor, se calienta, se expande y es expulsado a través de la boquilla a alta velocidad. El combustible nuclear en términos de reservas de energía supera a cualquier otro tipo de combustible. Entonces surge una pregunta natural: ¿por qué las instalaciones de este combustible todavía tienen un empuje específico relativamente pequeño y una gran masa? El hecho es que el empuje específico de un motor de cohete nuclear de fase sólida está limitado por la temperatura del material fisionable, y la planta de energía emite una fuerte radiación ionizante durante la operación, lo que tiene un efecto nocivo en los organismos vivos. La protección biológica contra tal radiación es de gran importancia y no es aplicable a las naves espaciales. Desarrollos prácticos Los motores de cohetes nucleares que utilizan combustible nuclear sólido se lanzaron a mediados de la década de 1950 en la Unión Soviética y los Estados Unidos, casi simultáneamente con la construcción de las primeras plantas de energía nuclear. El trabajo se llevó a cabo en un ambiente de alto secreto, pero se sabe que tales motores de cohetes aún no han recibido un uso real en la astronáutica. Hasta ahora, todo se ha limitado al uso de fuentes isotópicas de electricidad de potencia relativamente baja en satélites artificiales no tripulados de la Tierra, naves espaciales interplanetarias y el mundialmente famoso "rover lunar" soviético.

7. Motores de reacción nuclear, principio de funcionamiento, métodos para obtener un impulso en un motor de cohete nuclear.

NRE obtuvo su nombre debido al hecho de que crean empuje mediante el uso de la energía nuclear, es decir, la energía que se libera como resultado de las reacciones nucleares. En un sentido general, estas reacciones significan cualquier cambio en el estado de energía de los núcleos atómicos, así como la transformación de unos núcleos en otros, asociada con el reordenamiento de la estructura de los núcleos o un cambio en el número de partículas elementales contenidas en ellos. - nucleones. Además, las reacciones nucleares, como es sabido, pueden ocurrir de forma espontánea (es decir, espontáneamente) o inducidas artificialmente, por ejemplo, cuando unos núcleos son bombardeados por otros (o por partículas elementales). Las reacciones nucleares de fisión y fusión en términos de energía superan a las reacciones químicas en millones y decenas de millones de veces, respectivamente. Esto se explica por el hecho de que la energía de enlace químico de los átomos en las moléculas es muchas veces menor que la energía de enlace nuclear de los nucleones en el núcleo. La energía nuclear en los motores de cohetes se puede utilizar de dos formas:

1. La energía liberada se utiliza para calentar el fluido de trabajo, que luego se expande en la boquilla, como en un motor de cohete convencional.

2. La energía nuclear se convierte en energía eléctrica y luego se utiliza para ionizar y acelerar partículas del fluido de trabajo.

3. Finalmente, el impulso es creado por los propios productos de fisión, formados en el proceso DIV_ADBLOCK265">

Por analogía con el LRE, el fluido de trabajo original del NRE se almacena en estado líquido en el tanque del sistema de propulsión y se alimenta mediante una unidad de turbobomba. El gas para la rotación de esta unidad, compuesta por una turbina y una bomba, se puede producir en el propio reactor.

En la figura se muestra un diagrama de dicho sistema de propulsión.

Hay muchas NRE con un reactor de fisión:

fase sólida

fase gaseosa

NRE con reactor de fusión

Pulse YARD y otros

De todos los tipos posibles de NRE, los más desarrollados son el motor térmico de radioisótopos y el motor con reactor de fisión en fase sólida. Pero si las características de los NRE de radioisótopos no permiten esperar su amplia aplicación en astronáutica (al menos en un futuro próximo), entonces la creación de NRE en fase sólida abre grandes perspectivas para la astronáutica. Un NRE típico de este tipo contiene un reactor de fase sólida en forma de cilindro con una altura y un diámetro de aproximadamente 1 a 2 m (si estos parámetros son cercanos, la fuga de neutrones de fisión al espacio circundante es mínima).

El reactor consta de una zona activa; un reflector que rodea esta zona; los órganos de gobierno; Caja de alimentación y otros elementos. El núcleo contiene combustible nuclear: material fisible (uranio enriquecido), encerrado en elementos combustibles y un moderador o diluyente. El reactor que se muestra en la figura es homogéneo: en él, el moderador es parte de los elementos combustibles y se mezcla homogéneamente con el combustible. El moderador también se puede colocar por separado del combustible nuclear. En este caso, el reactor se llama heterogéneo. Los diluyentes (pueden ser, por ejemplo, metales refractarios, tungsteno, molibdeno) se utilizan para impartir propiedades especiales a las sustancias fisionables.

Los elementos combustibles del reactor de fase sólida están perforados con canales a través de los cuales fluye el fluido de trabajo de la NRE, calentándose gradualmente. Los canales tienen un diámetro de aproximadamente 1-3 mm y su área total es del 20-30% de la sección transversal del núcleo. El núcleo está suspendido por una rejilla especial dentro de la carcasa de potencia para que pueda expandirse cuando se calienta el reactor (de lo contrario, colapsaría debido a las tensiones térmicas).

El núcleo experimenta altas cargas mecánicas asociadas con la acción de importantes caídas de presión hidráulica (hasta varias decenas de atmósferas) del fluido de trabajo que fluye, tensiones térmicas y vibraciones. El aumento del tamaño del núcleo durante el calentamiento del reactor alcanza varios centímetros. La zona activa y el reflector se colocan dentro de una carcasa de potencia fuerte, que percibe la presión del fluido de trabajo y el empuje creado por la boquilla de chorro. El estuche está cerrado por una cubierta fuerte. Acomoda mecanismos neumáticos, de resorte o eléctricos para el accionamiento de los cuerpos reguladores, puntos de fijación del NRE a la nave espacial, bridas para conectar el NRE con las tuberías de suministro del fluido de trabajo. También se puede ubicar una unidad de turbobomba en la cubierta.

8 - Boquilla,

9 - Boquilla de expansión,

10 - Selección de la sustancia de trabajo a la turbina,

11 - Cuerpo de poder,

12 - Tambor de control

13 - Escape de turbina (utilizado para controlar la actitud y aumentar el empuje),

14 - Tambores de control de unidades de anillo)

A principios de 1957, se determinó la dirección final del trabajo del Laboratorio de Los Álamos y se tomó la decisión de construir un reactor nuclear de grafito con combustible de uranio disperso en grafito. El reactor Kiwi-A creado en esta dirección fue probado en 1959 el 1 de julio.

Motor a reacción nuclear de fase sólida estadounidense XE primer en un banco de pruebas (1968)

Además de la construcción del reactor, el Laboratorio de Los Álamos estaba en plena construcción de un sitio de prueba especial en Nevada, y también llevó a cabo una serie de pedidos especiales de la Fuerza Aérea de EE. UU. en áreas relacionadas (desarrollo de TNRE individuales unidades). En nombre del Laboratorio de Los Álamos, todos los pedidos especiales para la fabricación de componentes individuales fueron realizados por las firmas: Aerojet General, la división Rocketdyne de North American Aviation. En el verano de 1958, todo el control del programa Rover pasó de la Fuerza Aérea de EE. UU. a la recién organizada Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio (NASA). Fruto de un acuerdo especial entre la AEC y la NASA a mediados del verano de 1960, se formó la Oficina de Motores Nucleares Espaciales bajo la dirección de G. Finger, que lideró el programa Rover en el futuro.

Los resultados de seis "pruebas en caliente" de motores a reacción nucleares fueron muy alentadores y, a principios de 1961, se preparó un informe sobre las pruebas de vuelo del reactor (RJFT). Luego, a mediados de 1961, se lanzó el proyecto Nerva (el uso de un motor nuclear para cohetes espaciales). Aerojet General fue elegido como contratista general y Westinghouse como subcontratista responsable de la construcción del reactor.

10.2 Trabajo de TNRD en Rusia

Estadounidenses" href="/text/category/amerikanetc/" rel="bookmark">Estadounidenses Científicos rusos utilizaron las pruebas más económicas y eficientes de elementos combustibles individuales en reactores de investigación. Toda la gama de trabajos realizados en los años 70-80 hizo posible en Salyut Design Bureau, Chemical Automation Design Bureau, IAE, NIKIET y NPO Luch (PNITI) desarrollar varios proyectos de NRE espaciales y centrales nucleares híbridas. En la Oficina de Diseño de Automatización Química, bajo el liderazgo científico de NIITP (IPPE, IAE, NIKIET, NIITVEL, NPO Luch, MAI fueron responsables de los elementos del reactor), PATIO RD 0411 y un motor nuclear de mínima dimensión RD 0410 empuje de 40 y 3,6 toneladas, respectivamente.

Como resultado, se fabricaron un reactor, un motor “frío” y un prototipo de banco para realizar pruebas con hidrógeno gaseoso. A diferencia del estadounidense, con un impulso específico de no más de 8250 m/s, el TNRE soviético, debido al uso de elementos combustibles más resistentes al calor y avanzados y alta temperatura en el núcleo, tenía este indicador igual a 9100 m/ sy superior. La base del banco para probar el TNRD de la expedición conjunta de NPO Luch se ubicó a 50 km al suroeste de la ciudad de Semipalatinsk-21. Comenzó a trabajar en 1962. En los años Los elementos combustibles a gran escala de los prototipos NRE se probaron en el sitio de prueba. Al mismo tiempo, los gases de escape ingresaron al sistema de emisión cerrado. El complejo de bancos para pruebas a gran escala de motores nucleares "Baikal-1" se encuentra a 65 km al sur de la ciudad de Semipalatinsk-21. Desde 1970 hasta 1988, se llevaron a cabo unos 30 "arranques en caliente" de reactores. Al mismo tiempo, la potencia no superó los 230 MW a un caudal de hidrógeno de hasta 16,5 kg/s y su temperatura a la salida del reactor de 3100 K. Todos los lanzamientos fueron exitosos, sin accidentes y según lo previsto.

TYARD RD-0410 soviético: el único motor de cohete nuclear industrial confiable y que funciona en el mundo

Actualmente, dicho trabajo en el vertedero se ha detenido, aunque el equipo se mantiene en condiciones relativamente operativas. La base de banco de NPO Luch es el único complejo experimental en el mundo donde es posible probar elementos de reactores NRE sin costos financieros y de tiempo significativos. Es posible que la reanudación en los Estados Unidos del trabajo en TNRE para vuelos a la Luna y Marte como parte del programa Iniciativa de Investigación Espacial con la participación prevista de especialistas de Rusia y Kazajstán conduzca a la reanudación de las actividades de Semipalatinsk. base y la implementación de la expedición "marciana" en la década de 2020.

Características principales

Impulso específico sobre hidrógeno: 910 - 980 segundo(teórico hasta 1000 segundo).

· Velocidad de expiración de un cuerpo de trabajo (hidrógeno): 9100 - 9800 m/seg.

· Empuje alcanzable: hasta cientos y miles de toneladas.

· Temperaturas máximas de trabajo: 3000°С - 3700°С (inclusión a corto plazo).

· Vida útil: hasta varios miles de horas (activación periódica). /5/

11.Dispositivo

El dispositivo del motor de cohete nuclear de fase sólida soviético RD-0410

1 - línea del tanque del fluido de trabajo

2 - grupo turbobomba

3 - accionamiento del tambor de control

4 - Protección de radiación

5 - tambor de control

6 - retardador

7 - conjunto de combustible

8 - vasija del reactor

9 - fondo de fuego

10 - Línea de refrigeración de boquillas

11- cámara de boquilla

12 - boquilla

12. Principio de funcionamiento

El TNRD, según su principio de funcionamiento, es un reactor-intercambiador de alta temperatura, en el que se introduce a presión el fluido de trabajo (hidrógeno líquido), y a medida que se calienta hasta altas temperaturas(más de 3000°C) se expulsa a través de una boquilla enfriada. La recuperación de calor en la boquilla es muy beneficiosa, ya que permite un calentamiento mucho más rápido del hidrógeno y, al utilizar una cantidad significativa de energía térmica, aumentar el impulso específico a 1000 segundos (9100-9800 m/s).

Reactor de motor de cohete nuclear

Tabla MsoNormal">

cuerpo de trabajo

Densidad, g/cm3

Empuje específico (a las temperaturas indicadas en la cámara de calentamiento, °K), segundo

0,071 (líquido)

0,682 (líquido)

1,000 (líquido)

No. datos

(Nota: la presión en la cámara de calentamiento es de 45,7 atm, la expansión a una presión de 1 atm a una temperatura constante composición química cuerpo de trabajo) /6/

15.Ventajas

La principal ventaja del TNRD frente a los motores de cohetes químicos es la obtención de un impulso específico superior, una importante reserva de energía, un sistema compacto y la capacidad de obtener empujes muy elevados (decenas, centenas y miles de toneladas en vacío). En general, el impulso específico alcanzado en el vacío es mayor que el del combustible químico gastado de dos componentes para cohetes (queroseno-oxígeno, hidrógeno-oxígeno) en 3-4 veces, y cuando se opera a la intensidad de calor más alta en 4-5 veces. En la actualidad, en los EE. UU. y Rusia existe una experiencia considerable en el desarrollo y construcción de dichos motores y, si es necesario (programas especiales de exploración espacial), dichos motores se pueden producir en poco tiempo y tendrán un costo razonable. En el caso de usar TNRD para acelerar naves espaciales en el espacio, y sujeto al uso adicional de maniobras de perturbación utilizando el campo gravitacional de los grandes planetas (Júpiter, Urano, Saturno, Neptuno), los límites alcanzables del estudio del sistema solar se están expandiendo significativamente y el tiempo requerido para alcanzar el distante planetas se reduce significativamente. Además, TNRD se puede utilizar con éxito para vehículos que operan en órbitas bajas de planetas gigantes utilizando su atmósfera enrarecida como fluido de trabajo, o para trabajar en su atmósfera. /8/

16. Desventajas

La principal desventaja de TNRD es la presencia de un poderoso flujo de radiación penetrante (radiación gamma, neutrones), así como la eliminación de compuestos de uranio altamente radiactivos, compuestos refractarios con radiación inducida y gases radiactivos con el fluido de trabajo. En este sentido, TNRD es inaceptable para lanzamientos terrestres a fin de evitar el deterioro de la situación ambiental en el sitio de lanzamiento y en la atmósfera. /14/

17. Mejorar las características del TJARD. TNRD híbrido

Como cualquier cohete o cualquier motor en general, un motor a reacción nuclear de fase sólida tiene limitaciones significativas en cuanto a la capacidad alcanzable. las caracteristicas mas importantes. Estas restricciones representan la imposibilidad del dispositivo (TNRD) de trabajar en el rango de temperatura que exceda el rango de temperaturas máximas de operación de los materiales estructurales del motor. Para expandir las capacidades y aumentar significativamente los principales parámetros operativos del TNRD, se pueden aplicar varios esquemas híbridos en los que el TNRD desempeña el papel de una fuente de calor y energía y se utilizan métodos físicos adicionales para acelerar los cuerpos de trabajo. El más confiable, factible en la práctica y con altas características en términos de impulso y empuje específicos es un esquema híbrido con un circuito MHD adicional (circuito magnetohidrodinámico) para acelerar el fluido de trabajo ionizado (hidrógeno y aditivos especiales). /13/

18. Riesgo de radiación de YARD.

Un NRE en funcionamiento es una poderosa fuente de radiación: radiación gamma y de neutrones. Si no se toman medidas especiales, la radiación puede provocar un calentamiento inaceptable del fluido de trabajo y la estructura de la nave espacial, fragilización de los materiales estructurales metálicos, destrucción del plástico y envejecimiento de las piezas de caucho, violación del aislamiento de los cables eléctricos y fallas en los equipos electrónicos. La radiación puede causar radiactividad inducida (artificial) de los materiales: su activación.

En la actualidad, el problema de la protección radiológica de las naves espaciales con NRE se considera en principio resuelto. También se han resuelto las cuestiones fundamentales relacionadas con el mantenimiento de motores de cohetes nucleares en bancos de pruebas y sitios de lanzamiento. Aunque un PATIO en funcionamiento representa un peligro para personal de servicio"Ya un día después del final del trabajo de la NRE, es posible, sin ningún equipo de protección personal, permanecer durante varias decenas de minutos a una distancia de 50 m de la NRE e incluso acercarse a ella. El medio de protección más simple permita que el personal de mantenimiento ingrese al área de trabajo del NRE poco después de la prueba.

El nivel de contaminación de los complejos de lanzamiento y ambiente, aparentemente, no será un obstáculo para el uso de NRE en las etapas inferiores de los cohetes espaciales. El problema del riesgo de radiación para el medio ambiente y el personal operativo se mitiga en gran medida por el hecho de que el hidrógeno, utilizado como fluido de trabajo, prácticamente no se activa al pasar por el reactor. Por lo tanto, el jet NRE no es más peligroso que el jet LRE. / 4 /

Conclusión

Al considerar las perspectivas para el desarrollo y uso de motores de cohetes nucleares en la astronáutica, se debe partir de las características logradas y esperadas varios tipos NRE, de lo que les puede dar a la astronáutica, su aplicación y, finalmente, de la presencia de una estrecha conexión entre el problema de NRE y el problema del suministro de energía en el espacio y con el desarrollo de la energía en general.

Como se mencionó anteriormente, de todos los tipos posibles de NRE, los más desarrollados son el motor de radioisótopos térmicos y el motor con un reactor de fisión en fase sólida. Pero si las características de los NRE de radioisótopos no permiten esperar su amplia aplicación en astronáutica (al menos en un futuro próximo), entonces la creación de NRE en fase sólida abre grandes perspectivas para la astronáutica.

Por ejemplo, se ha propuesto un dispositivo con una masa inicial de 40.000 toneladas (es decir, aproximadamente 10 veces mayor que la de los vehículos de lanzamiento modernos más grandes), con 1/10 de esta masa recayendo en la carga útil y 2/3 en la nuclear. cargos Si cada 3 segundos explota una carga, entonces su suministro será suficiente para 10 días de operación continua del motor de cohete nuclear. Durante este tiempo, el dispositivo acelerará hasta una velocidad de 10.000 km/s y en el futuro, después de 130 años, podrá alcanzar la estrella Alfa Centauro.

Las centrales nucleares tienen Características únicas, que incluyen una intensidad energética prácticamente ilimitada, independencia de funcionamiento del entorno, no susceptibilidad a influencias externas (radiación cósmica, daños por meteoritos, altas y bajas temperaturas, etc.). Sin embargo poder maximo instalaciones de radioisótopos nucleares se limita a un valor del orden de varios cientos de vatios. Esta restricción no existe para las plantas de energía de reactores nucleares, lo que predetermina la rentabilidad de su uso durante vuelos de larga duración de naves espaciales pesadas en el espacio cercano a la Tierra, durante vuelos a planetas distantes del sistema solar y en otros casos.

Las ventajas de la fase sólida y otras NRE con reactores de fisión se revelan más plenamente en el estudio de programas espaciales tan complejos como los vuelos tripulados a los planetas del sistema solar (por ejemplo, durante una expedición a Marte). En este caso, un aumento en el impulso específico de la RD permite resolver problemas cualitativamente nuevos. Todos estos problemas se ven facilitados en gran medida por el uso de un NRE de fase sólida con un impulso específico dos veces mayor que el de los LRE modernos. En este caso, también es posible reducir significativamente los tiempos de vuelo.

Lo más probable es que, en un futuro próximo, los NRE de fase sólida se conviertan en uno de los RD más comunes. El NRE de fase sólida se puede utilizar como vehículos para vuelos de largo alcance, por ejemplo, a planetas como Neptuno, Plutón e incluso volar fuera del Sistema Solar. Sin embargo, para vuelos a las estrellas, el NRE, basado en los principios de la fisión, no es adecuado. En este caso, los NRE o, más precisamente, los motores a reacción termonucleares (TRD) que funcionan según el principio de las reacciones de fusión y los motores a reacción fotónicos (PRD), en los que la reacción de aniquilación de materia y antimateria es la fuente del impulso, son prometedores. Sin embargo, lo más probable es que la humanidad para viajar en el espacio interestelar use un método de movimiento diferente, diferente al jet.

En conclusión, reformularé la famosa frase de Einstein: para viajar a las estrellas, la humanidad debe idear algo que sea comparable en complejidad y percepción a un reactor nuclear para un neandertal.

LITERATURA

Fuentes:

1. "Cohetes y personas. Libro 4 Carrera lunar" - M: Knowledge, 1999.
2. http://www. lpre. de/energomash/índice. htm
3. Pervushin "Batalla por las estrellas. Confrontación espacial" - M: conocimiento, 1998.
4. L. Gilberg "Conquista del cielo" - M: Conocimiento, 1994.
5. http://epizodsspace. *****/biblia/molodtsov
6. "Motor", "Motores nucleares para vehículos espaciales", No. 5, 1999

7. "Motor", "Motores nucleares de fase gaseosa para vehículos espaciales",

Nº 6, 1999
7.http://www. *****/contenido/números/263/03.shtml
8.http://www. lpre. de/energomash/índice. htm
9. http://www. *****/contenido/números/219/37.shtml
10., Chekalin transporte del futuro.

Moscú: Conocimiento, 1983.

11., exploración espacial Chekalin.- M.:

Conocimiento, 1988.

12. "Energy - Buran" - un paso hacia el futuro // Ciencia y Vida.-

13. Tecnología espacial.- M.: Mir, 1986.

14., Sergeyuk y el comercio.- M .: APN, 1989.

15 .URSS en el espacio. 2005.-M.: APN, 1989.

16. De camino al espacio profundo // Energía. - 1985. - Nº 6.

SOLICITUD

Principales características de los motores a reacción nucleares de fase sólida

País fabricante	Motor	Empuje en vacío, kN	impulso específico, segundo	Trabajo del proyecto, año
























	NERVA/Lox Ciclo Mixto

Rusia ha sido y sigue siendo un líder en el campo de la energía espacial nuclear. Organizaciones como RSC Energia y Roskosmos tienen experiencia en el diseño, construcción, lanzamiento y operación de naves espaciales equipadas con una fuente de energía nuclear. El motor nuclear permite la explotación aviones muchos años, aumentando repetidamente su idoneidad práctica.

crónica histórica

Al mismo tiempo, la entrega de un aparato de investigación a las órbitas de los planetas distantes del sistema solar requiere un aumento en el recurso de dicha instalación nuclear a 5-7 años. Se ha demostrado que un complejo con un sistema de propulsión nuclear con una potencia de aproximadamente 1 MW como parte de una nave espacial de investigación permitirá la entrega acelerada de satélites artificiales de los planetas más distantes, rovers planetarios a la superficie de los satélites naturales de estos planetas. y entrega de suelo de cometas, asteroides, Mercurio y satélites de Júpiter y Saturno.

Remolcador reutilizable (MB)

Una de las formas más importantes de mejorar la eficiencia operaciones de transporte en el espacio es el uso reutilizable de elementos del sistema de transporte. Un motor nuclear para naves espaciales con una potencia de al menos 500 kW permite crear un remolcador reutilizable y, por lo tanto, aumentar significativamente la eficiencia de un sistema de transporte espacial multienlace. Tal sistema es especialmente útil en un programa para asegurar grandes flujos de carga anuales. Un ejemplo sería el programa de exploración de la Luna con la creación y mantenimiento de una base habitable en constante crecimiento y complejos tecnológicos e industriales experimentales.

Cálculo de la rotación de carga

De acuerdo con los estudios de diseño de RSC Energia, durante la construcción de la base, los módulos con una masa de alrededor de 10 toneladas deberían ser entregados a la superficie lunar, hasta 30 toneladas en la órbita lunar. construcción de un habitable base lunar y la estación orbital lunar visitada se estima en 700-800 toneladas, y el flujo de carga anual para garantizar el funcionamiento y desarrollo de la base es de 400-500 toneladas.

Sin embargo, el principio de funcionamiento de un motor nuclear no permite dispersar el transportador lo suficientemente rápido. Debido al largo tiempo de transporte y, en consecuencia, al tiempo significativo que pasa la carga útil en los cinturones de radiación de la Tierra, no toda la carga puede entregarse utilizando remolcadores de propulsión nuclear. Por lo tanto, el flujo de carga que se puede asegurar sobre la base de NEP se estima en solo 100-300 toneladas/año.

Eficiencia económica

Como criterio de eficiencia económica del sistema de transporte interorbital, se recomienda utilizar el valor del costo unitario de transportar una unidad de masa de carga útil (PG) desde la superficie terrestre hasta la órbita objetivo. RSC Energia desarrolló un modelo económico y matemático que tiene en cuenta los principales componentes de coste del sistema de transporte:

para la creación y puesta en órbita de módulos remolcadores;
para la compra de una instalación nuclear en funcionamiento;
costes operativos, así como costes de I+D y posibles costes de capital.

Los indicadores de costos dependen de los parámetros óptimos del MB. Usando este modelo, una comparación eficiencia económica el uso de un remolcador reutilizable basado en sistemas de propulsión nuclear con una capacidad de aproximadamente 1 MW y un remolcador desechable basado en propulsores líquidos avanzados en el programa para garantizar la entrega de una carga útil con una masa total de 100 t/año desde la Tierra a la órbita lunar con una altura de 100 km. Cuando se utiliza el mismo vehículo de lanzamiento con una capacidad de carga igual a la capacidad de carga del vehículo de lanzamiento Proton-M y un esquema de dos lanzamientos para construir un sistema de transporte, el costo unitario de entregar una unidad de masa de carga útil usando un remolcador basado en un motor nuclear será tres veces menor que cuando se utilizan remolcadores desechables basados en cohetes con motores líquidos del tipo DM-3.

Conclusión

Un motor nuclear eficiente para el espacio contribuye a la solución de los problemas ambientales de la Tierra, el vuelo tripulado a Marte, la creación de un sistema inalámbrico de transmisión de energía en el espacio, la implementación de la eliminación de alta seguridad en el espacio de desechos radiactivos terrestres altamente peligrosos . energía nuclear, la creación de una base lunar habitable y el comienzo del desarrollo industrial de la luna, asegurando la protección de la Tierra del peligro de cometas y asteroides.

EN una de las secciones En LiveJournal, un ingeniero electrónico escribe constantemente sobre máquinas nucleares y termonucleares: reactores, instalaciones, laboratorios de investigación, aceleradores, así como sobre. El nuevo cohete ruso, el testimonio durante el mensaje anual del Presidente, despertó el vivo interés del bloguero. Y esto es lo que encontró sobre el tema.

Sí, históricamente ha habido desarrollos de misiles de crucero con motor de aire nuclear ramjet: este es el misil SLAM en los EE. UU. con el reactor TORY-II, el concepto Avro Z-59 en el Reino Unido y desarrollos en la URSS.

Una representación moderna del concepto de cohete Avro Z-59, que pesa alrededor de 20 toneladas.

Sin embargo, todos estos trabajos continuaron en los años 60 como I+D de diversos grados de profundidad (Estados Unidos fue el más lejano, como se analiza más adelante) y no continuaron en forma de muestras en servicio. No lo consiguieron por la misma razón que muchos otros desarrollos de la era atómica: aviones, trenes, cohetes con plantas de energía nuclear. Todas estas opciones Vehículo con algunas ventajas que da la frenética densidad de energía en el combustible nuclear, tienen desventajas muy serias: alto costo, complejidad de operación, requisitos de protección constante y, finalmente, resultados de desarrollo insatisfactorios, de los que generalmente se sabe poco (publicando resultados de I + D, es más rentable para todas las partes exhibir logros y ocultar fracasos).

En particular, es mucho más fácil para los misiles de crucero crear un portaaviones (submarino o avión) que "arrastrará" muchos misiles al sitio de lanzamiento que jugar con una pequeña flota (y es increíblemente difícil dominar una gran flota). flota) de misiles de crucero lanzados desde el propio territorio. Un producto universal, barato y de masas ganó al final uno pequeño, caro y con ventajas ambiguas. Los misiles de crucero nucleares no fueron más allá de las pruebas en tierra.

Este callejón sin salida conceptual de los años 60 del KR con las centrales nucleares, en mi opinión, sigue siendo relevante ahora, por lo que la pregunta principal para el que se muestra es "¿por qué?". Pero se vuelve aún más convexo por los problemas que surgen en el desarrollo, prueba y operación de tales armas, de las que hablaremos más adelante.

Entonces, comencemos con el reactor. Los conceptos SLAM y Z-59 eran cohetes de vuelo bajo de tres máquinas de dimensiones y masa impresionantes (más de 20 toneladas después de que se lanzaron los propulsores de lanzamiento). El terriblemente costoso supersónico de bajo vuelo permitió aprovechar la presencia de una fuente de energía prácticamente ilimitada a bordo, además, característica importante motor de chorro de aire nuclear es mejoras en la eficiencia del trabajo (ciclo termodinámico) con velocidad creciente, es decir, La misma idea, pero a velocidades de 1000 km/h tendría un motor mucho más pesado y en general. Finalmente, 3M a una altura de cien metros en 1965 significó invulnerabilidad para la defensa aérea. Resulta que antes el concepto de lanzadores de misiles con plantas de energía nuclear estaba "atado" a alta velocidad, donde las ventajas del concepto eran fuertes, y los competidores con combustible de hidrocarburo se estaban debilitando.El cohete que se muestra, en mi opinión, parece transónico o ligeramente supersónico (a menos, por supuesto, que creas que es ella en el video). Pero al mismo tiempo, el tamaño del reactor disminuyó significativamente en comparación con TORIA II desde el cohete SLAM, donde tenía hasta 2 metros, incluido un reflector de neutrones radiales de grafito

¿Es posible colocar un reactor con un diámetro de 0,4-0,6 metros?

Comencemos con un reactor fundamentalmente mínimo: un blanco de Pu239. Buen ejemplo La implementación de tal concepto es el reactor espacial Kilopower, donde, sin embargo, se usa U235. ¡El diámetro del núcleo del reactor es de solo 11 centímetros! Si cambia a plutonio 239, las dimensiones del núcleo se reducirán entre 1,5 y 2 veces más. talla minima Comenzaremos a caminar hacia un verdadero motor a reacción de aire nuclear, recordando las dificultades.

Lo primero que se debe agregar al tamaño del reactor es el tamaño del reflector; en particular, en Kilopower, BeO triplica el tamaño. En segundo lugar, no podemos usar un U o Pu en blanco, simplemente se quemarán en una corriente de aire en solo un minuto. Se necesita una vaina, como el incaloy, que resiste la oxidación instantánea hasta 1000 C, u otras aleaciones de níquel con posible recubrimiento cerámico. Solicitud un número grande el material de las capas en el núcleo aumenta inmediatamente la cantidad requerida de combustible nuclear varias veces; después de todo, ¡la absorción "improductiva" de neutrones en el núcleo ahora ha aumentado dramáticamente!

Además, la forma metálica de U o Pu ya no es adecuada: estos materiales en sí mismos no son refractarios (el plutonio generalmente se funde a 634 C), pero también interactúan con el material de las cubiertas metálicas. Convertimos el combustible en la forma clásica de UO2 o PuO2: obtenemos una dilución más del material en el núcleo, ahora con oxígeno.

Finalmente, recordamos el propósito del reactor. Necesitamos bombear mucho aire a través de él, al que desprenderemos calor. Aproximadamente 2/3 del espacio estará ocupado por "tubos de aire".

Como resultado, el diámetro mínimo del núcleo crece hasta los 40-50 cm (para el uranio) y el diámetro del reactor con un reflector de berilio de 10 cm hasta los 60-70 cm. MITO diseñado para vuelos en la atmósfera de Júpiter. Este es completamente proyecto de papel(por ejemplo, la temperatura del núcleo se proporciona a 3000 K, y las paredes están hechas de berilio, que puede soportar una fuerza de 1200 K) tiene un diámetro del núcleo calculado a partir de la neutrónica de 55,4 cm, mientras que el enfriamiento con hidrógeno hace Es posible reducir ligeramente el tamaño de los canales a través de los cuales se bombea el refrigerante.

En mi opinión, un motor a reacción nuclear de aire se puede empujar en un cohete con un diámetro de aproximadamente un metro, que, sin embargo, todavía no es cardinalmente más grande que los 0,6-0,74 m expresados, pero sigue siendo alarmante. La planta de energía nuclear tendrá una potencia de ~ varios megavatios, alimentados por ~ 10 ^ 16 desintegraciones por segundo. Esto significa que el propio reactor creará un campo de radiación de varias decenas de miles de roentgens cerca de la superficie y de hasta mil roentgens a lo largo de todo el cohete. Incluso la instalación de varios cientos de kg de protección del sector no reducirá en gran medida estos niveles, porque. los neutrones y los cuantos gamma se reflejarán en el aire y "pasarán por alto la protección".

En unas pocas horas, dicho reactor producirá ~10 ^ 21-10 ^ 22 átomos de productos de fisión c con una actividad de varios (varias decenas) petabecquerels, que, incluso después de apagarse, crearán un fondo de varios miles de roentgens cerca del reactor.

El diseño del cohete se activará a aproximadamente 10 ^ 14 Bq, aunque los isótopos serán principalmente emisores beta y solo son peligrosos por bremsstrahlung. El fondo de la estructura en sí puede alcanzar decenas de rayos X a una distancia de 10 metros del cuerpo del cohete.

Todas estas "alegrías" dan la idea de que el desarrollo y prueba de un misil de este tipo es una tarea al borde de lo posible. Es necesario crear un conjunto completo de equipos de navegación y control resistentes a la radiación, para probarlo todo de una manera bastante compleja (radiación, temperatura, vibraciones, y todo esto para estadísticas). Las pruebas de vuelo con un reactor en funcionamiento en cualquier momento pueden convertirse en una catástrofe de radiación con una liberación de cientos de terrabecquerels a unidades de petabecquerels. Incluso sin situaciones catastróficas, la despresurización de las barras de combustible individuales y la liberación de radionucleidos son muy probables.

Por supuesto, en Rusia todavía hay Polígono de Novaya Zemlya sobre los que se pueden realizar tales pruebas, pero esto sería contrario al espíritu del tratado sobre prohibición de los ensayos nucleares en tres entornos (La prohibición se introdujo para evitar la contaminación sistemática de la atmósfera y el océano con radionucleidos).

Hoy NIKIET cuenta con un equipo de diseñadores que realizan trabajos de diseño de reactores ( refrigerado por gas de alta temperatura RUGK , reactores rápidos MBIR, ), mientras que IPPE y Luch continúan ocupándose de cálculos y tecnologías relacionados, respectivamente. El Instituto Kurchatov, en las últimas décadas, se ha movido más hacia la teoría de los reactores nucleares.

En resumen, me gustaría decir que la creación de un misil de crucero con motores de chorro de aire con plantas de energía nuclear es generalmente una tarea factible, pero al mismo tiempo extremadamente costosa y compleja, que requiere una importante movilización de humanos y recursos financieros, como me parece, en mayor medida que todos los demás proyectos sonoros ("Sarmat", "Dagger", "Status-6", "Vanguard"). Es muy extraño que esta movilización no haya dejado el menor rastro. Y lo más importante, no está del todo claro cuál es el beneficio de obtener este tipo de armas (en el contexto de los portadores existentes) y cómo pueden superar las numerosas desventajas: problemas de seguridad radiológica, alto costo, incompatibilidad con armas estratégicas tratados de reducción.

PD Sin embargo, las "fuentes" ya comienzan a suavizar la situación: "Dijo una fuente cercana al complejo militar-industrial" Vedomosti ”, que se garantizó la seguridad radiológica durante las pruebas de misiles. planta nuclear a bordo presentó una maqueta eléctrica, dice la fuente.

Se trata de un misil de crucero con "alcance ilimitado debido a una planta de energía nuclear superpoderosa" en las dimensiones de los misiles de crucero Tomahawk (0,53 m de diámetro y un peso de 1400 kg) o Kh-101 (0,74 m de diámetro y un peso de 2300 kg).

prototipo soviético RD-0410(Índice GRAU - 11B91, también conocido como "Irgit" e "IR-100") - el primer y único motor de cohete nuclear soviético

Comencemos con una presentación en video del PIB

Resumiendo las sensaciones del proyecto mostrado, podemos decir que esta es una sorpresa extrema al borde de la falta de fiabilidad de lo mostrado. Intentaré explicar por qué.

Una representación moderna del concepto de cohete Avro Z-59, que pesa alrededor de 20 toneladas.

Sin embargo, todos estos trabajos continuaron en los años 60 como I + D de diversos grados de profundidad (Estados Unidos fue el más lejano, como se analiza a continuación) y no recibió continuación en forma de modelos en servicio. No lo consiguieron por la misma razón que muchos otros desarrollos de la era atómica: aviones, trenes, cohetes con plantas de energía nuclear. Todas estas opciones de vehículos, con algunas ventajas que otorga la frenética densidad energética del combustible nuclear, tienen inconvenientes muy serios: alto costo, complejidad de operación, requisitos de protección constante y, finalmente, resultados de desarrollo insatisfactorios, de los cuales poco se sabe (publicación Los resultados de I+D son más rentables para todas las partes, exponen los logros y ocultan los fracasos).

En particular, para los misiles de crucero es mucho más fácil crear un portaaviones (submarino o avión) que "arrastre" muchos misiles de crucero al sitio de lanzamiento que jugar con una pequeña flota (y es increíblemente difícil dominar un gran flota) de misiles de crucero lanzados desde el propio territorio. Un producto universal, barato y de masas ganó al final uno pequeño, caro y con ventajas ambiguas. Los misiles de crucero nucleares no fueron más allá de las pruebas en tierra.

Este callejón sin salida conceptual de los años 60 de la República Kirguisa con las plantas de energía nuclear, en mi opinión, sigue siendo relevante ahora, por lo que la pregunta principal para el que se muestra es "¿por qué?". Pero se vuelve aún más convexo por los problemas que surgen en el desarrollo, prueba y operación de tales armas, de las que hablaremos más adelante.

Resulta que antes el concepto de CR con plantas de energía nuclear estaba "atado" a alta velocidad, donde las ventajas del concepto eran fuertes y los competidores con combustible de hidrocarburo se estaban debilitando.

El cohete que se muestra, en mi opinión, es transónico o débilmente supersónico (a menos, por supuesto, que creas que es ella en el video). Pero al mismo tiempo, el tamaño del reactor disminuyó significativamente en comparación con el TORY-II del cohete SLAM, donde llegó a medir 2 metros, incluido un reflector de neutrones radiales hecho de grafito.

El núcleo del primer reactor de prueba TORY-II-A durante el montaje.

¿Es posible colocar un reactor con un diámetro de 0,4-0,6 metros? Comencemos con un reactor fundamentalmente mínimo: un blanco de Pu239. Un buen ejemplo de la implementación de tal concepto es el reactor espacial Kilopower, que, sin embargo, utiliza U235. ¡El diámetro del núcleo del reactor es de solo 11 centímetros! Si cambiamos a plutonio 239, las dimensiones del núcleo se reducirán entre 1,5 y 2 veces más.

Ahora, desde el tamaño mínimo, comenzaremos a dar un paso hacia un motor a reacción de aire nuclear real, recordando la complejidad. Lo primero que se debe agregar al tamaño del reactor es el tamaño del reflector; en particular, en Kilopower, BeO triplica el tamaño. En segundo lugar, no podemos usar un U o Pu en blanco, simplemente se quemarán en una corriente de aire en solo un minuto. Se necesita una vaina, como el incaloy, que resiste la oxidación instantánea hasta 1000 C, u otras aleaciones de níquel con posible recubrimiento cerámico. La introducción de una gran cantidad de material de capa en el núcleo aumenta inmediatamente la cantidad requerida de combustible nuclear en varias veces; después de todo, ¡la absorción "improductiva" de neutrones en el núcleo ahora ha aumentado dramáticamente!

Finalmente, recordamos el propósito del reactor. Necesitamos bombear mucho aire a través de él, al que desprenderemos calor. aproximadamente 2/3 del espacio estará ocupado por "tubos de aire".

TORY-IIC. Las barras de combustible en la zona activa son tubos huecos hexagonales hechos de UO2, cubiertos con una cubierta protectora de cerámica, ensamblados en elementos combustibles de incalo.

Como resultado, el diámetro mínimo del núcleo crece hasta 40-50 cm (para uranio), y el diámetro del reactor con un reflector de berilio de 10 cm hasta 60-70 cm Júpiter. Este proyecto completamente en papel (por ejemplo, la temperatura del núcleo se proporciona a 3000 K, y las paredes están hechas de berilio, que puede soportar una fuerza de 1200 K) tiene un diámetro del núcleo calculado a partir de neutrones de 55,4 cm, mientras que el enfriamiento con hidrógeno permite reducir ligeramente el tamaño de los canales a través de los cuales se bombea el refrigerante.

La sección transversal de la zona activa del motor nuclear a reacción atmosférico MITEE y las masas mínimas alcanzables para varias variantes de la geometría del núcleo; entre paréntesis, se encuentran las relaciones entre la longitud y el paso de la barra de combustible (primer dígito), el número de barras de combustible (segundo dígito), el número de elementos reflectores (dígito terciario) para diferentes composiciones. La opción con combustible en forma de Americio 242m y un reflector de hidrógeno líquido no carece de interés :)

En mi opinión, un motor a reacción nuclear de aire se puede empujar en un cohete con un diámetro de aproximadamente un metro, que, por cierto, todavía no es cardinalmente más grande que los 0,6-0,74 m expresados, pero sigue siendo alarmante.

De una forma u otra, la planta de energía nuclear tendrá una potencia de ~varios megavatios, alimentados por ~10^16 desintegraciones por segundo. Esto significa que el propio reactor creará un campo de radiación de varias decenas de miles de roentgens cerca de la superficie y de hasta mil roentgens a lo largo de todo el cohete. Incluso la instalación de varios cientos de kg de protección del sector no reducirá en gran medida estos niveles, porque. los neutrones y los cuantos gamma se reflejarán en el aire y "pasarán por alto la protección". En unas pocas horas, dicho reactor producirá ~10 ^ 21-10 ^ 22 átomos de productos de fisión c con una actividad de varios (varias decenas) petabecquerels, que, incluso después de apagarse, crearán un fondo de varios miles de roentgens cerca del reactor. El diseño del cohete se activará a aproximadamente 10 ^ 14 Bq, aunque los isótopos serán principalmente emisores beta y solo son peligrosos por bremsstrahlung. El fondo de la estructura en sí puede alcanzar decenas de rayos X a una distancia de 10 metros del cuerpo del cohete.

Radiografía del cohete SLAM. Todos los accionamientos son neumáticos, el equipo de control está en una cápsula que atenúa la radiación.

Por supuesto, en Rusia todavía hay un sitio de prueba de Novaya Zemlya donde se pueden llevar a cabo tales pruebas, pero esto sería contrario al espíritu del tratado que prohíbe las pruebas de armas nucleares en tres entornos (la prohibición se introdujo para evitar la contaminación sistemática de los atmósfera y el océano con radionucleidos).

Finalmente, es interesante quién en la Federación Rusa podría desarrollar un reactor de este tipo. Tradicionalmente, el Instituto Kurchatov (diseño general y cálculos), el Obninsk FEI (ensayos experimentales y combustible) y el Instituto de Investigación Luch en Podolsk (tecnología de combustible y materiales) estuvieron inicialmente involucrados en reactores de alta temperatura. Más tarde, el equipo de NIKIET se unió al diseño de tales máquinas (por ejemplo, los reactores IGR e IVG, prototipos de la zona activa del motor de cohete nuclear RD-0410). En la actualidad, NIKIET cuenta con un equipo de diseñadores que realizan trabajos de diseño de reactores (RUGK refrigerado por gas de alta temperatura, reactores rápidos MBIR, ), e IPPE y Luch siguen ocupándose de los cálculos y tecnologías relacionados, respectivamente. El Instituto Kurchatov, en las últimas décadas, se ha movido más hacia la teoría de los reactores nucleares.

Los parientes más cercanos de los NRE aéreos son los NRE espaciales purgados con hidrógeno.

En resumen, me gustaría decir que la creación de un misil de crucero con motores de chorro de aire con centrales nucleares es, en general, una tarea factible, pero al mismo tiempo extremadamente costosa y compleja, que requiere una importante movilización de recursos humanos y los recursos financieros, según me parece, en mayor medida que todos los demás proyectos sonoros (" Sarmat", "Dagger", "Status-6", "Vanguard"). Es muy extraño que esta movilización no haya dejado el menor rastro. Y lo más importante, no está del todo claro cuál es el beneficio de obtener este tipo de armas (en el contexto de los portadores existentes) y cómo pueden superar las numerosas desventajas: problemas de seguridad radiológica, alto costo, incompatibilidad con armas estratégicas tratados de reducción.

PD Sin embargo, las "fuentes" ya están comenzando a suavizar la situación: "Una fuente cercana al complejo militar-industrial le dijo a Vedomosti que la seguridad radiológica durante las pruebas de misiles estaba garantizada. La instalación nuclear a bordo era una maqueta eléctrica, dice la fuente ."

RD-0410

En el RD-0410 se utilizó un reactor heterogéneo de neutrones térmicos, el hidruro de zirconio sirvió como moderador, los reflectores de neutrones fueron de berilio, el combustible nuclear fue un material a base de uranio y carburos de tungsteno, enriquecido en el isótopo 235 alrededor del 80%. El diseño incluía 37 elementos combustibles cubiertos con aislamiento térmico separándolos del moderador. El diseño preveía que el flujo de hidrógeno pasara primero por el reflector y el moderador, manteniendo su temperatura a temperatura ambiente, y luego entrara al núcleo, donde enfriaba los elementos combustibles, calentándolos hasta 3100 K. En el stand, el reflector y el moderador estaban enfriado por un flujo de hidrógeno separado.

El reactor pasó por una importante serie de pruebas, pero nunca se probó durante toda la duración de la operación. Los nodos extra-reactores estaban completamente elaborados.

Vídeo muy interesante:

Se muestran bastantes cosas interesantes. Aparentemente, el video se realizó a fines de los 80 para uso interno de Minsredmashevsky / Minsredmashevsky, y a principios de los 90 se insertaron subtítulos en inglés para interesar a los estadounidenses en la tecnología.