Bilis ng makina ng nuclear space. Rocket mula sa impiyerno

Sinubukan ng Russia ang cooling system para sa isang nuclear power plant (NPP), isa sa mga pangunahing elemento ng isang spacecraft sa hinaharap, na makakapagsagawa ng mga interplanetary flight. Bakit kailangan ito sa kalawakan makinang nuklear kung paano ito gumagana at kung bakit itinuturing ng Roskosmos ang pag-unlad na ito bilang pangunahing Russian space trump card, sabi ni Izvestia.

Kasaysayan ng atom

Kung ilalagay mo ang iyong kamay sa iyong puso, pagkatapos ay mula noong panahon ng Korolev, ang mga sasakyang paglulunsad na ginagamit para sa mga paglipad sa kalawakan ay hindi sumailalim sa mga pangunahing pagbabago. Ang pangkalahatang prinsipyo ng operasyon - kemikal, batay sa pagkasunog ng gasolina na may isang oxidizer, ay nananatiling pareho. Ang mga makina, sistema ng kontrol, mga uri ng gasolina ay nagbabago. Ang batayan ng paglalakbay sa kalawakan ay nananatiling pareho - tinutulak ng jet propulsion ang isang rocket o spacecraft pasulong.

Madalas marinig na kailangan ang isang malaking tagumpay, isang pag-unlad na may kakayahang palitan ang jet engine upang mapataas ang kahusayan at gawing mas makatotohanan ang mga flight sa Buwan at Mars. Ang katotohanan ay sa kasalukuyan, halos karamihan sa masa ng interplanetary spacecraft ay gasolina at oxidizer. Ngunit paano kung abandunahin natin ang kemikal na makina at simulan ang paggamit ng enerhiya ng nuclear engine?

Ang ideya ng paglikha ng isang nuclear propulsion system ay hindi bago. Sa USSR, isang detalyadong utos ng gobyerno sa problema ng paglikha ng isang nuclear rocket engine ay nilagdaan noong 1958. Kahit na noon, ang mga pag-aaral ay isinagawa na nagpakita na, gamit ang isang nuclear rocket engine na may sapat na lakas, maaari kang makarating sa Pluto (na hindi pa nawawala ang katayuan sa planeta) at bumalik sa loob ng anim na buwan (dalawa doon at apat sa likod), gumastos ng 75 toneladang gasolina sa biyahe.

Nakikibahagi sila sa pagbuo ng isang nuclear rocket engine sa USSR, ngunit ang mga siyentipiko ay nagsimulang lumapit sa tunay na prototype ngayon lamang. Ito ay hindi tungkol sa pera, ang paksa ay naging napaka kumplikado na wala sa mga bansa ang nakagawa ng isang gumaganang prototype sa ngayon, at sa karamihan ng mga kaso ang lahat ay natapos sa mga plano at mga guhit. Sa Estados Unidos, sinubukan ang sistema ng propulsion para sa paglipad patungong Mars noong Enero 1965. Ngunit ang proyekto ng NERVA upang masakop ang Mars sa isang nuclear engine ay hindi lumipat sa kabila ng mga pagsubok sa KIWI, at ito ay mas simple kaysa sa kasalukuyang pag-unlad ng Russia. Isinama ng Tsina sa mga plano sa pagpapaunlad ng kalawakan nito ang paglikha ng isang nuclear engine na mas malapit sa 2045, na napakalapit din.

Sa Russia, isang bagong yugto ng trabaho sa proyekto ng isang nuclear electric propulsion system (NPP) ng isang megawatt na klase para sa mga sistema ng transportasyon sa kalawakan ay nagsimula noong 2010. Ang proyekto ay pinagsama-samang nilikha ng Roscosmos at Rosatom, at maaari itong tawaging isa sa mga pinakaseryoso at ambisyosong mga proyekto sa kalawakan nitong mga nakaraang panahon. Ang pangunahing kontratista para sa mga nuclear power plant ay ang Research Center. M.V. Keldysh.

kilusang nuklear

Sa buong panahon ng pag-unlad, ang balita tungkol sa kahandaan ng isa o iba pang bahagi ng hinaharap na nuclear engine ay tumutulo sa press. Kasabay nito, sa pangkalahatan, maliban sa mga espesyalista, kakaunti ang nag-iisip kung paano at dahil sa kung ano ito gagana. Sa totoo lang, ang kakanyahan ng isang space nuclear engine ay halos kapareho ng sa Earth. Ang enerhiya ng reaksyong nuklear ay ginagamit upang init at patakbuhin ang turbogenerator-compressor. Sa madaling salita, ang isang nuclear reaction ay ginagamit upang makabuo ng kuryente, halos kapareho ng sa isang conventional nuclear power plant. At sa tulong ng kuryente, gumagana ang mga electric rocket engine. Sa pag-install na ito, ito ay mga high-power na ion thruster.

Sa mga ion thruster, ang thrust ay nilikha sa pamamagitan ng paglikha ng jet thrust batay sa ionized gas na pinabilis sa mataas na bilis sa isang electric field. Nandoon pa rin ang mga makina ng Ion, sinusubok sila sa kalawakan. Sa ngayon, isa lang ang problema nila - halos lahat sila ay may napakakaunting thrust, bagama't napakakaunting gasolina ang kanilang ginagamit. Para sa paglalakbay sa kalawakan, ang mga naturang makina ay isang mahusay na pagpipilian, lalo na kung malulutas mo ang problema ng pagkuha ng kuryente sa kalawakan, na gagawin ng isang nuclear installation. Bilang karagdagan, ang mga makina ng ion ay maaaring gumana nang mahabang panahon, ang maximum na panahon ng tuluy-tuloy na operasyon ng mga pinaka-modernong sample ng mga makina ng ion ay higit sa tatlong taon.

Kung titingnan mo ang diagram, makikita mo na ang enerhiyang nuklear ay hindi nagsisimula sa kapaki-pakinabang na gawain nito kaagad. Una, ang heat exchanger ay pinainit, pagkatapos ay nabuo ang kuryente, ginagamit na ito upang lumikha ng thrust para sa ion engine. Sa kasamaang palad, ang sangkatauhan ay hindi pa natutong gumamit ng mga instalasyong nukleyar para sa paggalaw sa mas simple at mas mahusay na paraan.

Sa USSR, ang mga satellite na may nuclear installation ay inilunsad bilang bahagi ng Legend target designation complex para sa naval missile-carrying aviation, ngunit ito ay napakaliit na mga reactor, at ang kanilang trabaho ay sapat lamang upang makabuo ng kuryente para sa mga device na nakabitin sa satellite. Ang sasakyang pangkalawakan ng Soviet ay may kapasidad sa pag-install na tatlong kilowatts, ngunit ngayon ang mga espesyalista sa Russia ay nagtatrabaho sa paglikha ng isang pag-install na may kapasidad na higit sa isang megawatt.

Mga Isyu sa Kosmiko

Naturally, ang pag-install ng nuklear sa kalawakan ay may mas maraming problema kaysa sa Earth, at ang pinakamahalaga sa kanila ay ang paglamig. Sa ilalim ng normal na mga kondisyon, ang tubig ay ginagamit para dito, na sumisipsip ng init ng makina nang napakahusay. Sa kalawakan, hindi ito magagawa, at nangangailangan ng mga nuclear engine mahusay na sistema paglamig - at ang init mula sa kanila ay dapat alisin sa kalawakan, iyon ay, maaari lamang itong gawin sa anyo ng radiation. Karaniwan, para sa layuning ito, ang mga radiator ng panel ay ginagamit sa spacecraft - gawa sa metal, na may isang coolant na nagpapalipat-lipat sa kanila. Sa kasamaang palad, ang mga naturang radiator, bilang panuntunan, ay may malaking timbang at sukat, bilang karagdagan, hindi sila protektado mula sa mga meteorite sa anumang paraan.

Noong Agosto 2015, sa MAKS air show, ipinakita ang isang modelo ng drop cooling ng mga nuclear power propulsion system. Sa loob nito, ang likido, na nakakalat sa anyo ng mga droplet, ay lumilipad sa bukas na espasyo, lumalamig, at pagkatapos ay nakolekta muli sa pag-install. Isipin na lang ang isang malaking spaceship, sa gitna nito ay isang higanteng shower installation, kung saan ang bilyun-bilyong microscopic na patak ng tubig ay lumalabas, lumipad sa kalawakan, at pagkatapos ay sinipsip sa malaking bibig ng isang space vacuum cleaner.

Kamakailan lamang, nalaman na ang drop cooling system ng isang nuclear propulsion system ay nasubok sa mga kondisyon ng terrestrial. Kasabay nito, ang sistema ng paglamig ay ang pinakamahalagang yugto sa paglikha ng pag-install.

Ngayon ay isang bagay na subukan ang pagganap nito sa ilalim ng walang timbang na mga kondisyon, at pagkatapos lamang nito ay posible na subukang lumikha ng isang sistema ng paglamig sa mga sukat na kinakailangan para sa pag-install. Ang bawat matagumpay na pagsubok ay nagdudulot ng mga espesyalista sa Russia ng kaunti pa malapit sa paglikha ng isang nuclear installation. Nagmamadali ang mga siyentipiko, dahil pinaniniwalaan na ang paglulunsad ng isang nuclear engine sa kalawakan ay makakatulong sa Russia na mabawi ang posisyon ng pamumuno nito sa kalawakan.

edad ng espasyo ng nukleyar

Ipagpalagay na ito ay magtagumpay, at sa ilang taon ang isang nuclear engine ay magsisimulang gumana sa kalawakan. Paano ito makakatulong, paano ito magagamit? Upang magsimula, ito ay nagkakahalaga ng paglilinaw na sa anyo kung saan umiiral ang isang nuclear propulsion system ngayon, maaari lamang itong gumana sa kalawakan. Hindi ito maaaring mag-alis mula sa Earth at mapunta sa form na ito sa anumang paraan, sa ngayon imposibleng gawin nang walang tradisyonal na mga kemikal na rocket.

Bakit sa kalawakan? Buweno, mabilis na lumilipad ang sangkatauhan sa Mars at Buwan, at iyon lang? Hindi tiyak sa ganoong paraan. Sa kasalukuyan, ang lahat ng mga proyekto ng mga pabrika ng orbital at mga pabrika na tumatakbo sa orbit ng Earth ay natigil dahil sa kakulangan ng mga hilaw na materyales para sa trabaho. Walang saysay na magtayo ng isang bagay sa kalawakan hanggang sa makahanap ng paraan para ilagay ito sa orbit. malaking bilang ng kinakailangang hilaw na materyales, tulad ng metal ore.

Ngunit bakit itataas ang mga ito mula sa Earth, kung, sa kabaligtaran, maaari mong dalhin sila mula sa kalawakan. Sa parehong asteroid belt sa solar system, mayroon lamang malaking reserba ng iba't ibang mga metal, kabilang ang mga mahal. At sa kasong ito, ang paglikha ng isang nuclear tug ay magiging isang lifesaver lamang.

Magdala ng malaking platinum o gold-bearing asteroid sa orbit at simulan ang pag-ukit dito mismo sa kalawakan. Ayon sa mga eksperto, ang naturang produksyon, na isinasaalang-alang ang dami, ay maaaring maging isa sa mga pinaka kumikita.

Mayroon bang hindi gaanong kamangha-manghang paggamit para sa isang nuclear tug? Halimbawa, maaari itong magamit upang maghatid ng mga satellite sa nais na mga orbit o magdala ng spacecraft sa nais na punto sa kalawakan, halimbawa, sa lunar orbit. Sa kasalukuyan, ang mga itaas na yugto ay ginagamit para dito, halimbawa, ang Russian Fregat. Ang mga ito ay mahal, kumplikado at disposable. Magagawang kunin ng isang nuclear tug ang mga ito sa mababang orbit ng Earth at maihatid ang mga ito saanman kinakailangan.

Ang parehong ay totoo para sa interplanetary paglalakbay. Kung wala mabilis na paraan upang maghatid ng mga kargamento at mga tao sa orbit ng Mars, walang pagkakataon na magsimula ng kolonisasyon. Ang mga ilunsad na sasakyan ng kasalukuyang henerasyon ay gagawin ito nang napakamahal at sa mahabang panahon. Hanggang ngayon, ang tagal ng paglipad ay nananatiling isa sa mga pinakaseryosong problema kapag lumilipad sa ibang mga planeta. Ang nakaligtas na buwan ng paglipad patungong Mars at pabalik sa isang saradong kapsula ng spacecraft ay hindi isang madaling gawain. Makakatulong din dito ang nuclear tug, na makabuluhang bawasan ang oras na ito.

Kailangan at sapat

Sa kasalukuyan, ang lahat ng ito ay mukhang science fiction, ngunit ayon sa mga siyentipiko, ilang taon na lamang ang natitira bago subukan ang prototype. Ang pangunahing bagay na kinakailangan ay hindi lamang upang makumpleto ang pag-unlad, ngunit din upang mapanatili ang kinakailangang antas ng astronautics sa bansa. Kahit na may pagbaba sa pagpopondo, ang mga rocket ay dapat na patuloy na lumipad, ang spacecraft ay dapat itayo, at ang pinakamahalagang mga espesyalista ay dapat gumana.

Kung hindi man, ang isang nuclear engine na walang naaangkop na imprastraktura ay hindi makakatulong sa dahilan; para sa maximum na kahusayan, napakahalaga hindi lamang na ibenta ang pag-unlad, ngunit gamitin ito nang nakapag-iisa, na nagpapakita ng lahat ng mga kakayahan ng bagong sasakyan sa espasyo.

Samantala, ang lahat ng mga naninirahan sa bansa na hindi nakatali sa trabaho ay maaari lamang tumingin sa langit at umaasa na ang Russian cosmonautics ay magtatagumpay. At isang nuclear tug, at ang pangangalaga ng kasalukuyang mga kakayahan. Ayokong maniwala sa ibang resulta.

Maaaring simulan ng isa ang artikulong ito sa isang tradisyunal na sipi tungkol sa kung paano ang mga manunulat ng science fiction ay naglalagay ng mga matatapang na ideya, at binibigyang-buhay sila ng mga siyentipiko. Posible, ngunit ayaw kong magsulat gamit ang mga selyo. Mas mabuting tandaan na ang mga modernong rocket engine, solid at likido, ay may higit sa hindi kasiya-siyang pagganap para sa mga flight sa medyo malalayong distansya. Pinapayagan ka nilang maglagay ng kargamento sa orbit ng Earth, maghatid ng isang bagay sa Buwan - masyadong, kahit na ang naturang flight ay mas mahal. Ngunit ang paglipad sa Mars gamit ang gayong mga makina ay hindi na madali. Bigyan sila ng gasolina at oxidizer sa tamang dami. At ang mga volume na ito ay direktang proporsyonal sa distansya na malalampasan.

Ang isang alternatibo sa tradisyunal na kemikal na rocket engine ay mga electric, plasma at nuclear engine. Sa lahat ng mga alternatibong makina, isang sistema lamang ang umabot sa yugto ng pag-unlad ng makina - nuclear (NRE). Sa Unyong Sobyet at Estados Unidos, noong 1950s, nagsimula ang trabaho sa paglikha ng mga nuclear rocket engine. Ang mga Amerikano ay nagtrabaho sa parehong mga opsyon para sa naturang planta ng kuryente: jet at impulse. Ang unang konsepto ay nagsasangkot ng pagpainit ng gumaganang likido gamit ang isang nuclear reactor, na sinusundan ng pagbuga sa pamamagitan ng mga nozzle. Ang impulse NRE, naman, ay nagtutulak sa spacecraft sa pamamagitan ng sunud-sunod na pagsabog ng kaunting nuclear fuel.

Gayundin sa USA, naimbento ang proyekto ng Orion, pinagsasama ang parehong bersyon ng YARD. Ginawa ito sa sumusunod na paraan: ang mga maliliit na singil sa nuklear na may kapasidad na halos 100 tonelada ng TNT ay itinapon mula sa buntot ng barko. Sa likod nila, pinaputok ang mga metal disk. Sa isang distansya mula sa barko, ang singil ay pinasabog, ang disk ay sumingaw, at ang sangkap ay nakakalat sa iba't ibang direksyon. Ang bahagi nito ay tumama sa reinforced tail section ng barko at pinasulong ito. Ang isang maliit na pagtaas sa thrust ay dapat na ibinigay sa pamamagitan ng pagsingaw ng plato na tumatagal ng mga suntok. Ang halaga ng yunit ng naturang flight ay 150 lamang pagkatapos ay dolyar bawat kilo ng kargamento.

Dumating pa ito sa mga pagsubok: ipinakita ng karanasan na ang paggalaw sa tulong ng sunud-sunod na mga impulses ay posible, pati na rin ang paglikha ng isang mahigpit na plato ng sapat na lakas. Ngunit ang proyekto ng Orion ay isinara noong 1965 bilang unpromising. Gayunpaman, ito ay sa ngayon ang tanging umiiral na konsepto na maaaring magbigay-daan para sa mga ekspedisyon ng hindi bababa sa pamamagitan ng solar system.

Bago ang pagtatayo ng isang prototype, posible lamang na maabot ang isang jet YARD. Ito ay ang Soviet RD-0410 at ang American NERVA. Nagtrabaho sila sa parehong prinsipyo: sa isang "conventional" nuclear reactor, ang gumaganang fluid ay pinainit, na, kapag inilabas mula sa mga nozzle, ay lumilikha ng thrust. Ang gumaganang likido ng parehong mga makina ay likidong hydrogen, ngunit sa Sobyet, ang heptane ay ginamit bilang isang pantulong na sangkap.

Ang thrust ng RD-0410 ay 3.5 tonelada, ang NERVA ay nagbigay ng halos 34, ngunit mayroon din itong malalaking sukat: 43.7 metro ang haba at 10.5 ang lapad kumpara sa 3.5 at 1.6 metro, ayon sa pagkakabanggit, para sa makina ng Sobyet. Kasabay nito, ang makina ng Amerikano ay nawala ng tatlong beses sa Sobyet sa mga tuntunin ng mapagkukunan - ang RD-0410 ay maaaring gumana nang isang oras.

Gayunpaman, ang parehong mga makina, sa kabila ng pangako, ay nanatili din sa Earth at hindi lumipad kahit saan. pangunahing dahilan ang pagsasara ng parehong mga proyekto (NERVA noong kalagitnaan ng 70s, RD-0410 noong 1985) - pera. Ang mga katangian ng mga kemikal na makina ay mas masahol kaysa sa mga nukleyar na makina, ngunit ang presyo ng isang paglulunsad ng isang barko na may nuclear rocket engine na may parehong kargamento ay maaaring 8-12 beses na higit pa kaysa sa paglulunsad ng parehong Soyuz na may isang rocket engine. At ito ay hindi isinasaalang-alang ang lahat ng mga gastos na kinakailangan upang dalhin ang mga nuclear engine sa pagiging angkop para sa praktikal na paggamit.

Ang pag-decommission ng "murang" na mga Shuttle at ang kamakailang kawalan ng mga rebolusyonaryong tagumpay sa teknolohiya sa kalawakan ay nangangailangan ng mga bagong solusyon. Noong Abril ng taong ito, ang pinuno noon ng Roscosmos, A. Perminov, ay inihayag ang kanyang intensyon na bumuo at magpatakbo ng isang ganap na bagong NRE. Ito ay, ayon sa Roskosmos, na dapat na radikal na mapabuti ang "sitwasyon" sa buong mundo astronautics. Ngayon ay naging malinaw na kung sino ang dapat na maging susunod na mga rebolusyonaryo ng cosmonautics: ang FSUE "Keldysh Center" ay makikibahagi sa pagbuo ng NRE. CEO enterprise A. Koroteev ay natuwa sa publiko na ang paunang disenyo ng spacecraft para sa bagong nuclear rocket engine ay magiging handa sa susunod na taon. Ang disenyo ng makina ay dapat na handa sa 2019, na may mga pagsubok na naka-iskedyul para sa 2025.

Ang complex ay pinangalanang TEM - transport at energy module. Magdadala ito ng gas-cooled nuclear reactor. Ang direktang pagpapaandar ay hindi pa napagpasyahan: alinman ito ay isang jet engine tulad ng RD-0410, o isang electric rocket engine (EP). Gayunpaman, ang huling uri ay hindi pa gaanong ginagamit saanman sa mundo: tatlong spacecraft lamang ang nilagyan ng mga ito. Ngunit ang katotohanan na ang reactor ay maaaring magpaandar hindi lamang ang makina, kundi pati na rin ang maraming iba pang mga yunit, o kahit na gamitin ang buong TEM bilang isang planta ng kuryente sa kalawakan, ay nagsasalita pabor sa EJE.

Ang mga makinang pang-likido na rocket ay naging posible para sa tao na makapunta sa kalawakan - sa malapit sa mga orbit ng Earth. Ngunit ang bilis ng jet stream sa LRE ay hindi lalampas sa 4.5 km / s, at para sa mga flight sa ibang mga planeta, sampu-sampung kilometro bawat segundo ang kailangan. Ang isang posibleng paraan ay ang paggamit ng enerhiya ng mga reaksyong nuklear.

Ang praktikal na paglikha ng mga nuclear rocket engine (NRE) ay isinasagawa lamang ng USSR at USA. Noong 1955, sinimulan ng Estados Unidos na ipatupad ang Rover program upang bumuo ng isang nuclear rocket engine para sa spacecraft. Pagkalipas ng tatlong taon, noong 1958, ang proyekto ay kinuha ng NASA, na nagtakda ng isang tiyak na gawain para sa mga barko na may YARD - isang paglipad sa Buwan at Mars. Mula noon, ang programa ay naging kilala bilang NERVA, na nangangahulugang "nuclear engine para sa pag-install sa mga rocket."

Noong kalagitnaan ng 1970s, sa loob ng balangkas ng programang ito, dapat itong magdisenyo ng isang nuclear rocket engine na may thrust na halos 30 tonelada (para sa paghahambing, ang katangian na thrust ng isang rocket engine noong panahong iyon ay halos 700 tonelada), ngunit na may bilis ng tambutso ng gas na 8.1 km / s. Gayunpaman, noong 1973, ang programa ay isinara dahil sa pagbabago sa mga interes ng US patungo sa space shuttle.

Sa USSR, ang disenyo ng unang NRE ay isinagawa sa ikalawang kalahati ng 50s. Kasabay nito, ang mga taga-disenyo ng Sobyet, sa halip na lumikha ng isang buong sukat na modelo, ay nagsimulang gumawa ng hiwalay na mga bahagi ng YARD. At pagkatapos ang mga pag-unlad na ito ay sinubukan sa pakikipagtulungan sa isang espesyal na idinisenyong pulsed graphite reactor (IGR).

Noong 70-80s ng huling siglo, ang Salyut Design Bureau, ang Khimavtomatika Design Bureau at ang Luch Research and Production Association ay lumikha ng mga proyekto para sa space nuclear rocket engine na RD-0411 at RD-0410 na may thrust na 40 at 3.6 tonelada, ayon sa pagkakabanggit. Sa panahon ng proseso ng disenyo, isang reaktor, isang "malamig" na makina at isang bench prototype ay ginawa para sa pagsubok.

Noong Hulyo 1961, inihayag ng akademikong Sobyet na si Andrei Sakharov ang proyekto para sa isang nuclear explosion sa isang pulong ng mga nangungunang atomic scientist sa Kremlin. Ang pampasabog ay may kumbensyonal na liquid-propellant rocket engine para sa take-off, habang nasa kalawakan ito ay dapat na sumabog ng maliliit na singil sa nuklear. Ang mga produktong fission na nabuo sa panahon ng pagsabog ay naglipat ng kanilang momentum sa barko, na naging sanhi ng paglipad nito. Gayunpaman, noong Agosto 5, 1963, isang kasunduan ang nilagdaan sa Moscow na nagbabawal sa mga pagsubok sa armas nukleyar sa atmospera, kalawakan at sa ilalim ng tubig. Ito ang dahilan ng pagsasara ng nuclear explosive program.

Posible na ang pag-unlad ng YARD ay nauna sa panahon nito. Gayunpaman, hindi sila masyadong napaaga. Pagkatapos ng lahat, ang paghahanda ng isang manned flight sa ibang mga planeta ay tumatagal ng ilang dekada, at ang mga propulsion system para dito ay dapat na ihanda nang maaga.

Disenyo ng isang nuclear rocket engine

Ang nuclear rocket engine (NRE) ay isang jet engine kung saan ang enerhiya na nabuo sa pamamagitan ng nuclear decay o fusion reaction ay nagpapainit sa gumaganang fluid (madalas na hydrogen o ammonia).

Mayroong tatlong uri ng NRE ayon sa uri ng gasolina para sa reaktor:

solidong yugto;
likido-phase;
yugto ng gas.

Ang pinakakumpleto ay solidong yugto opsyon sa makina. Ang figure ay nagpapakita ng isang diagram ng pinakasimpleng NRE na may solid nuclear fuel reactor. Ang gumaganang likido ay matatagpuan sa isang panlabas na tangke. Sa tulong ng isang bomba, ito ay pinapakain sa silid ng makina. Sa silid, ang gumaganang likido ay na-spray sa tulong ng mga nozzle at nakikipag-ugnay sa nuclear fuel na bumubuo ng init. Kapag pinainit, ito ay lumalawak at lumilipad palabas ng silid sa pamamagitan ng isang nozzle sa napakabilis.

likidong yugto- ang nuclear fuel sa reactor core ng naturang engine ay nasa likidong anyo. Ang mga parameter ng traksyon ng naturang mga makina ay mas mataas kaysa sa mga solid-phase, dahil sa mas mataas na temperatura ng reaktor.

AT gas-phase YARD fuel (halimbawa, uranium) at ang working fluid ay nasa estado ng gas(sa anyo ng plasma) at pinananatili sa lugar ng pagtatrabaho ng isang electromagnetic field. Pinainit hanggang sampu-sampung libong degree, ang uranium plasma ay naglilipat ng init sa gumaganang likido (halimbawa, hydrogen), na, naman, na pinainit sa mataas na temperatura, ay bumubuo ng isang jet.

Ayon sa uri ng reaksyong nukleyar, ang isang radioisotope rocket engine, isang thermonuclear rocket engine, at isang nuclear engine proper (ang enerhiya ng nuclear fission ay ginagamit) ay nakikilala.

Ang isang kagiliw-giliw na pagpipilian ay isang pulsed NRE din - iminungkahi na gumamit ng nuclear charge bilang isang mapagkukunan ng enerhiya (gasolina). Ang ganitong mga pag-install ay maaaring nasa panloob at panlabas na mga uri.

Ang pangunahing bentahe ng YRD ay:

mataas na tiyak na salpok;
makabuluhang reserba ng enerhiya;
pagiging compactness ng propulsion system;
ang posibilidad na makakuha ng napakalaking thrust - sampu, daan at libu-libong tonelada sa isang vacuum.

Ang pangunahing kawalan ay ang mataas na panganib sa radiation ng propulsion system:

mga flux ng penetrating radiation (gamma radiation, neutrons) sa panahon ng mga nuclear reaction;
pag-alis ng mataas na radioactive compound ng uranium at mga haluang metal nito;
pag-agos ng mga radioactive na gas kasama ang gumaganang likido.

Samakatuwid, ang paglulunsad ng isang nuclear engine ay hindi katanggap-tanggap para sa mga paglulunsad mula sa ibabaw ng Earth dahil sa panganib ng radioactive contamination.

Nakakita ng isang kawili-wiling artikulo. Sa pangkalahatan, ang nuclear spacecraft ay palaging interesado sa akin. Ito ang kinabukasan ng paggalugad sa kalawakan. Ang malawak na gawain sa paksang ito ay isinagawa din sa USSR. Ang artikulo ay tungkol sa kanila.

Atomic-powered space. Mga pangarap at katotohanan.

Doktor ng Physical and Mathematical Sciences Yu. Ya. Stavissky

Noong 1950, ipinagtanggol ko ang aking degree sa engineering physics sa Moscow Mechanical Institute (MMI) ng Ministry of Munitions. Limang taon na ang nakalilipas, noong 1945, isang departamento ng engineering physics ang nabuo doon, na nagsanay ng mga espesyalista para sa isang bagong industriya, na ang mga gawain ay pangunahing kasama ang paggawa ng mga sandatang nuklear. Pangalawa ang faculty. Kasama ang pangunahing pisika sa saklaw ng mga kurso sa unibersidad (mga pamamaraan ng matematikal na pisika, teorya ng relativity, quantum mechanics, electrodynamics, statistical physics, at iba pa), tinuruan kami ng isang buong hanay ng mga disiplina sa engineering: chemistry, metal science, strength of materials. , teorya ng mga mekanismo at makina, atbp. Nilikha ng isang natatanging Soviet physicist na si Alexander Ilyich Leipunsky, ang Faculty of Engineering Physics ng MMI ay lumago sa paglipas ng panahon sa Moscow Engineering Physics Institute (MEPhI). Ang isa pang Faculty of Engineering Physics, na kalaunan ay pinagsama sa MEPhI, ay nabuo sa Moscow Power Engineering Institute (MPEI), ngunit kung sa MMI ang pangunahing diin ay sa pangunahing pisika, pagkatapos ay sa Energy Institute ito ay sa thermal at electrophysics.

Nag-aral kami ng quantum mechanics gamit ang libro ni Dmitry Ivanovich Blokhintsev. Isipin ang aking pagtataka nang, sa panahon ng pamamahagi, ako ay ipinadala upang magtrabaho kasama niya. Ako ay isang masugid na eksperimento (bilang isang bata ay binuwag ko ang lahat ng orasan sa bahay), at bigla akong nakarating sa isang kilalang teorista. Nakuha ako ng bahagyang gulat, ngunit pagdating sa lugar - "Object B" ng USSR Ministry of Internal Affairs sa Obninsk - napagtanto ko kaagad na nag-aalala ako nang walang kabuluhan.

Sa oras na ito, ang pangunahing paksa ng "Object B", na talagang pinamumunuan ni A.I. Leipunsky, nabuo na. Dito lumikha sila ng mga reactor na may pinalawak na pagpaparami ng nuclear fuel - "mabilis na mga breeder". Bilang direktor, pinasimulan ni Blokhintsev ang pagbuo ng isang bagong direksyon - ang paglikha ng mga makina na pinapagana ng atomic para sa mga flight sa kalawakan. Ang mastering space ay isang lumang pangarap ni Dmitry Ivanovich, kahit na sa kanyang kabataan ay nakipag-ugnayan siya at nakipagkita kay K.E. Tsiolkovsky. Sa tingin ko na ang pag-unawa sa napakalaking posibilidad ng nuclear energy, calorific value milyun-milyong beses na mas mahusay kaysa sa pinakamahusay na mga kemikal na panggatong, at determinado landas buhay DI. Blokhintsev.
“You can't see a face to face” ... Sa mga taong iyon, hindi namin gaanong naiintindihan. Ngayon lamang, nang sa wakas ay naging posible na ihambing ang mga gawa at kapalaran ng mga natitirang siyentipiko ng Physico-Energy Institute (IPPE) - ang dating "Object B", na pinalitan ng pangalan noong Disyembre 31, 1966 - mayroon bang tama, tila para sa akin, ang pag-unawa sa mga ideyang nagpakilos sa kanila noong panahong iyon. Sa lahat ng iba't ibang mga kaso na kinailangang harapin ng institute, posibleng iisa ang priyoridad siyentipikong direksyon, na lumabas na nasa saklaw ng mga interes ng mga nangungunang physicist nito.

Ang pangunahing interes ng AIL (bilang Alexander Ilyich Leipunsky ay tinawag sa likod ng institute) ay ang pagbuo ng pandaigdigang enerhiya batay sa mabilis na mga reactor ng breeder (mga nuclear reactor na walang mga paghihigpit sa mga mapagkukunan ng nuclear fuel). Mahirap na labis na timbangin ang kahalagahan ng tunay na "kosmiko" na problemang ito, kung saan inilaan niya ang huling quarter ng isang siglo ng kanyang buhay. Gumugol din si Leipunsky ng maraming enerhiya sa pagtatanggol ng bansa, lalo na, sa paglikha ng mga atomic engine para sa mga submarino at mabibigat na sasakyang panghimpapawid.

Mga interes D.I. Ang Blokhintsev (ang palayaw na "D.I." ay itinalaga sa kanya) ay naglalayong malutas ang problema ng paggamit ng nuclear energy para sa mga flight sa kalawakan. Sa kasamaang palad, sa huling bahagi ng 1950s, napilitan siyang umalis sa trabahong ito at pamunuan ang paglikha ng isang internasyonal na sentrong pang-agham - ang Joint Institute for Nuclear Research sa Dubna. Doon siya nagtrabaho sa pulsed fast reactors - IBR. Ito ang huling malaking bagay sa kanyang buhay.

Isang layunin - isang koponan

DI. Si Blokhintsev, na nagturo noong huling bahagi ng 1940s sa Moscow State University, ay napansin doon, at pagkatapos ay inanyayahan ang batang physicist na si Igor Bondarenko na magtrabaho sa Obninsk, na literal na nag-rave tungkol sa mga nuclear-powered spaceships. Ang kanyang unang superbisor ay si A.I. Si Leipunsky, at Igor, siyempre, ay nakikitungo sa kanyang paksa - mabilis na mga breeder.

Sa ilalim ng D.I. Blokhintsev, isang pangkat ng mga siyentipiko na nabuo sa paligid ng Bondarenko, na nagkaisa upang malutas ang mga problema sa paggamit ng atomic energy sa kalawakan. Bilang karagdagan kay Igor Ilyich Bondarenko, kasama ang grupo: Viktor Yakovlevich Pupko, Edvin Alexandrovich Stumbur at ang may-akda ng mga linyang ito. Si Igor ang pangunahing ideologist. Si Edwin ay nagsagawa ng mga eksperimentong pag-aaral ng mga ground model ng nuclear reactors sa mga instalasyon sa kalawakan. Pangunahin akong nakikibahagi sa "mababang thrust" na mga rocket engine (ang thrust sa kanila ay nilikha ng isang uri ng accelerator - "ion propulsion", na pinapagana ng enerhiya mula sa isang space nuclear power plant). Sinuri namin ang mga proseso
dumadaloy sa ion thrusters, sa ground stand.

Sa Victor Pupko (sa hinaharap
naging pinuno siya ng departamento ng teknolohiya sa espasyo ng IPPE) nagkaroon ng malaking gawaing pang-organisasyon. Si Igor Ilyich Bondarenko ay isang natatanging pisiko. Malinaw niyang naramdaman ang eksperimento, nag-set up ng simple, elegante at napaka-epektibong mga eksperimento. Sa tingin ko, bilang walang eksperimento, at, marahil, ilang mga theorists, "nadama" pangunahing pisika. Palaging tumutugon, bukas at palakaibigan, si Igor ay tunay na kaluluwa ng instituto. Hanggang ngayon nabubuhay ang FEI sa kanyang mga ideya. Namuhay si Bondarenko nang hindi makatarungan maikling buhay. Noong 1964, sa edad na 38, malubha siyang namatay dahil sa isang medikal na pagkakamali. Para bang ang Diyos, nang makita kung gaano karami ang ginawa ng tao, ay nagpasya na ito ay sobra na at nag-utos: "Sapat na."

Imposibleng hindi maalala ang isa pang natatanging personalidad - si Vladimir Alexandrovich Malykh, isang technologist "mula sa Diyos", ang modernong Leskovsky Levsha. Kung ang "mga produkto" ng mga siyentipiko na nabanggit sa itaas ay pangunahing mga ideya at kinakalkula na mga pagtatantya ng kanilang katotohanan, kung gayon ang mga gawa ni Malykh ay palaging may output "sa metal". Ang sektor ng teknolohiya nito, na noong kapanahunan ng IPPE ay may bilang na higit sa dalawang libong empleyado, ay kayang gawin, nang walang pagmamalabis, ang lahat. Bukod dito, siya mismo ay palaging gumaganap ng isang mahalagang papel.

V.A. Nagsimula si Malykh bilang isang katulong sa laboratoryo sa Research Institute of Nuclear Physics ng Moscow State University, na mayroong tatlong kurso sa Physics Department sa likod ng kanyang kaluluwa - hindi pinahintulutan siya ng digmaan na tapusin ang kanyang pag-aaral. Noong huling bahagi ng 1940s, nagawa niyang lumikha ng isang teknolohiya para sa paggawa ng mga teknikal na keramika batay sa beryllium oxide, isang natatanging materyal, isang dielectric na may mataas na thermal conductivity. Bago ang Malykh, marami ang hindi nagtagumpay sa problemang ito. At ang fuel cell batay sa serial stainless steel at natural na uranium, na kanyang binuo para sa unang nuclear power plant, ay isang himala para sa mga iyon at maging sa ngayon. O ang thermionic fuel na elemento ng reactor-electric generator na idinisenyo ni Malykh upang palakasin ang spacecraft - ang "garland". Hanggang ngayon, walang mas mahusay na lumitaw sa lugar na ito. Ang mga nilikha ni Malykh ay hindi mga laruang demonstrasyon, ngunit mga elemento ng teknolohiyang nuklear. Nagtrabaho sila ng ilang buwan at taon. Si Vladimir Alexandrovich ay naging Doctor of Technical Sciences, laureate ng Lenin Prize, Hero of Socialist Labor. Noong 1964, malubha siyang namatay mula sa mga kahihinatnan ng isang concussion ng militar.

Hakbang-hakbang

S.P. Korolev at D.I. Matagal nang inalagaan ni Blokhintsev ang pangarap ng manned space flight. Naitatag ang malapit na ugnayan sa pagitan nila. Ngunit noong unang bahagi ng 1950s, sa kasagsagan ng malamig na digmaan", ang mga pondo ay hindi iniligtas lamang para sa mga layuning militar. Itinuring lamang ang teknolohiya ng rocket bilang isang carrier ng mga nuclear charge, at hindi man lang naisip ang mga satellite. Samantala, si Bondarenko, na alam ang tungkol sa pinakabagong mga nagawa ng mga rocket scientist, ay patuloy na nagtaguyod ng paglikha ng isang artipisyal na satellite ng Earth. Kasunod nito, walang nakaalala nito.

Ang kasaysayan ng paglikha ng rocket na nag-angat sa unang kosmonaut ng planeta, si Yuri Gagarin, sa kalawakan ay kakaiba. Ito ay nauugnay sa pangalan ni Andrei Dmitrievich Sakharov. Noong huling bahagi ng 1940s, nakabuo siya ng pinagsamang fission-thermonuclear charge - "puff", na tila independyente sa "ama ng hydrogen bomb" na si Edward Teller, na nagmungkahi ng katulad na produkto na tinatawag na "alarm clock". Gayunpaman, sa lalong madaling panahon natanto ni Teller na ang isang nuclear charge ng naturang disenyo ay magkakaroon ng "limitado" na ani, hindi hihigit sa ~ 500 kiloton na katumbas ng paghatak. Ito ay hindi sapat para sa "ganap" na sandata, kaya ang "alarm clock" ay inabandona. Sa Union, noong 1953, pinasabog nila ang Sakharov puff RDS-6s.

Matapos ang matagumpay na mga pagsubok at ang halalan kay Sakharov bilang isang akademiko, ang pinuno noon ng Minsredmash V.A. Inanyayahan siya ni Malyshev sa kanyang lugar at itakda ang gawain ng pagtukoy ng mga parameter ng susunod na henerasyon ng bomba. Tinantya ni Andrei Dmitrievich (nang walang detalyadong pag-aaral) ang bigat ng bago, mas malakas na singil. Ang ulat ni Sakharov ay naging batayan ng resolusyon ng Komite Sentral ng CPSU at ng Konseho ng mga Ministro ng USSR, na nag-oobliga sa S.P. Korolev na bumuo ng ballistic launch vehicle para sa singil na ito. Ito ay tulad ng isang R-7 rocket na tinatawag na Vostok na naglunsad ng isang artipisyal na Earth satellite noong 1957 at isang spacecraft kasama si Yuri Gagarin noong 1961 sa orbit. Hindi na ito pinlano na gamitin ito bilang isang carrier ng isang mabigat na nuclear charge, dahil ang pagbuo ng mga thermonuclear na armas ay nagpunta sa ibang paraan.

Sa paunang yugto IPPE space nuclear program kasama ang V.N. Gumawa si Chelomeya ng cruise atomic missile. Ang direksyon na ito ay hindi nabuo nang matagal at natapos sa mga kalkulasyon at pagsubok ng mga elemento ng engine na nilikha sa departamento ng V.A. Malykha. Sa katunayan, ito ay isang low-flying unmanned aircraft na may ramjet nuclear engine at isang nuclear warhead (isang uri ng nuclear analogue ng "buzzing bug" - ang German V-1). Ang sistema ay inilunsad gamit ang conventional rocket boosters. Matapos maabot ang isang naibigay na bilis, ang thrust ay nilikha ng hangin sa atmospera, na pinainit ng isang chain reaction ng fission ng beryllium oxide na pinapagbinhi ng enriched uranium.

Sa pangkalahatan, ang kakayahan ng isang rocket na magsagawa ng isa o isa pang gawain sa kosmonautikal ay tinutukoy ng bilis na nakukuha nito pagkatapos gamitin ang buong supply ng gumaganang likido (gasolina at oxidizer). Kinakalkula ito ayon sa pormula ng Tsiolkovsky: V = c × lnMn / Mk, kung saan ang c ay ang bilis ng pag-agos ng gumaganang likido, at ang Mn at Mk ay ang paunang at panghuling masa ng rocket. Sa conventional chemical rockets, ang bilis ng tambutso ay tinutukoy ng temperatura sa combustion chamber, ang uri ng gasolina at oxidizer, at ang molekular na bigat ng mga produkto ng combustion. Halimbawa, ginamit ng mga Amerikano ang hydrogen bilang panggatong sa pagbaba ng sasakyan upang mapunta ang mga astronaut sa buwan. Ang produkto ng pagkasunog nito ay tubig, na ang molecular weight ay medyo mababa, at ang daloy ng rate ay 1.3 beses na mas mataas kaysa sa pagsunog ng kerosene. Ito ay sapat na para sa pagbaba ng sasakyan na may mga astronaut upang maabot ang ibabaw ng Buwan at pagkatapos ay ibalik ang mga ito sa orbit ng artipisyal na satellite nito. Sa Korolev, ang trabaho sa hydrogen fuel ay nasuspinde dahil sa isang aksidente na may mga nasawi. Wala kaming oras upang lumikha ng isang lunar descent na sasakyan para sa mga tao.

Ang isa sa mga paraan upang makabuluhang taasan ang bilis ng tambutso ay ang paglikha ng mga nuclear thermal rocket. Mayroon kaming ballistic atomic missiles (BAR) na may hanay na ilang libong kilometro (isang magkasanib na proyekto ng OKB-1 at IPPE), ang mga Amerikano ay may mga katulad na sistema ng uri ng Kiwi. Sinuri ang mga makina sa mga lugar ng pagsubok malapit sa Semipalatinsk at sa Nevada. Ang prinsipyo ng kanilang operasyon ay ang mga sumusunod: ang hydrogen ay pinainit sa isang nuclear reactor sa mataas na temperatura, pumasa sa isang atomic na estado, at nasa form na ito ay nag-expire mula sa isang rocket. Sa kasong ito, ang bilis ng tambutso ay tumataas ng higit sa apat na beses kumpara sa isang kemikal na hydrogen rocket. Ang tanong ay upang malaman kung anong temperatura ang hydrogen ay maaaring pinainit sa isang solid fuel cell reactor. Ang mga kalkulasyon ay nagbigay ng humigit-kumulang 3000°K.

Sa NII-1, na ang superbisor ay si Mstislav Vsevolodovich Keldysh (noon ay presidente ng USSR Academy of Sciences), ang departamento ng V.M. Si Ievleva, kasama ang pakikilahok ng IPPE, ay nakikibahagi sa isang ganap na kamangha-manghang pamamaraan - isang gas-phase reactor kung saan ang isang chain reaction ay nagpapatuloy sa isang gas na halo ng uranium at hydrogen. Ang hydrogen ay umaagos mula sa naturang reactor nang sampung beses na mas mabilis kaysa sa solid fuel, habang ang uranium ay pinaghihiwalay at nananatili sa core. Ang isa sa mga ideya ay ang paggamit ng centrifugal separation, kapag ang isang mainit na gas na pinaghalong uranium at hydrogen ay "pinaikot" ng papasok na malamig na hydrogen, bilang isang resulta kung saan ang uranium at hydrogen ay pinaghihiwalay, tulad ng sa isang centrifuge. Sinubukan ni Ievlev, sa katunayan, na direktang kopyahin ang mga proseso sa silid ng pagkasunog ng isang kemikal na rocket, gamit bilang isang mapagkukunan ng enerhiya hindi ang init ng pagkasunog ng gasolina, ngunit isang reaksyon ng kadena ng fission. Nagbukas ito ng daan sa buong paggamit ng lakas ng enerhiya ng atomic nuclei. Ngunit ang tanong ng posibilidad ng pag-agos ng purong hydrogen (walang uranium) mula sa reaktor ay nanatiling hindi nalutas, hindi sa banggitin ang mga teknikal na problema na nauugnay sa pagpapanatili ng mataas na temperatura ng mga mixture ng gas sa mga presyon ng daan-daang mga atmospheres.

Ang gawain ng IPPE sa mga ballistic atomic missiles ay natapos noong 1969-1970 na may "mga pagsubok sa sunog" sa site ng pagsubok ng Semipalatinsk ng isang prototype na nuclear rocket engine na may mga solidong elemento ng gasolina. Ito ay nilikha ng IPPE sa pakikipagtulungan sa Voronezh Design Bureau A.D. Konopatov, Moscow NII-1 at isang bilang ng iba pang mga teknolohikal na grupo. Ang makina na may thrust na 3.6 tonelada ay batay sa IR-100 nuclear reactor na may mga elemento ng gasolina na ginawa mula sa isang solidong solusyon ng uranium carbide at zirconium carbide. Ang temperatura ng hydrogen ay umabot sa 3000°K sa lakas ng reactor na ~170 MW.

Nuclear thrusters

Sa ngayon, pinag-uusapan natin ang tungkol sa mga rocket na may thrust na mas malaki kaysa sa kanilang timbang, na maaaring ilunsad mula sa ibabaw ng Earth. Sa ganitong mga sistema, ang pagtaas sa rate ng tambutso ay ginagawang posible upang mabawasan ang stock ng gumaganang likido, pagtaas payload at umiwas sa multitasking. Gayunpaman, may mga paraan upang makamit ang halos walang limitasyong mga tulin ng tambutso, halimbawa, ang pagbilis ng bagay. mga electromagnetic field. Nagtrabaho ako sa lugar na ito sa malapit na pakikipag-ugnayan kay Igor Bondarenko sa loob ng halos 15 taon.

Ang acceleration ng isang rocket na may electric jet engine (EP) ay tinutukoy ng ratio ng partikular na kapangyarihan ng space nuclear power plant (KAES) na naka-install sa kanila sa exhaust velocity. Sa nakikinita na hinaharap, ang tiyak na kapangyarihan ng KNPP, tila, ay hindi lalampas sa 1 kW/kg. Kasabay nito, posible na lumikha ng mga rocket na may mababang thrust, sampu at daan-daang beses na mas mababa kaysa sa bigat ng rocket, at may napakababang pagkonsumo ng gumaganang likido. Ang nasabing rocket ay maaari lamang ilunsad mula sa orbit ng isang artipisyal na satellite ng Earth at, dahan-dahang bumibilis, umabot sa mataas na bilis.

Para sa mga flight sa loob solar system kailangan namin ng mga rocket na may bilis ng tambutso na 50-500 km/s, at para sa mga flight papunta sa mga bituin kailangan namin ng "photon rockets" na lampas sa aming imahinasyon na may bilis ng tambutso na katumbas ng bilis ng liwanag. Upang makapagsagawa ng malayuang paglipad sa kalawakan sa anumang makatwirang tagal, kailangan ang hindi maisip na ratio ng power-to-weight ng mga power plant. Sa ngayon, imposibleng isipin kung anong mga pisikal na proseso ang maaari nilang ibase.

Ang mga kalkulasyon na isinagawa ay nagpakita na sa panahon ng Great Confrontation, kapag ang Earth at Mars ay pinakamalapit sa isa't isa, posibleng lumipad ng nuclear spacecraft na may crew sa Mars sa isang taon at ibalik ito sa orbit ng isang artipisyal na satellite ng Earth. . Ang kabuuang bigat ng naturang barko ay halos 5 tonelada (kabilang ang reserba ng working fluid - cesium, katumbas ng 1.6 tonelada). Ito ay pangunahing tinutukoy ng masa ng KNPP na may lakas na 5 MW, at ang reaktibong thrust ay tinutukoy ng isang dalawang-megawatt beam ng mga cesium ions na may enerhiya na 7 kiloelectronvolts*. Nagsisimula ang barko mula sa orbit ng isang artipisyal na satellite ng Earth, papasok sa orbit ng isang satellite ng Mars, at kailangang bumaba sa ibabaw nito sa isang apparatus na may hydrogen chemical engine, katulad ng American lunar one.

Ang direksyong ito, batay sa mga teknikal na solusyon na posible na ngayon, ay nakatuon sa isang malaking ikot ng mga gawaing IPPE.

Mga ion thruster

Sa mga taong iyon, tinalakay ang mga paraan upang lumikha ng iba't ibang mga electric propulsion system para sa mga sasakyang pangkalawakan, tulad ng "plasma guns", electrostatic accelerators ng "dust" o mga likidong patak. Gayunpaman, wala sa mga ideya ang may malinaw na pisikal na batayan. Ang pagtuklas ay ang surface ionization ng cesium.

Noong 1920s, natuklasan ng American physicist na si Irving Langmuir ang surface ionization ng mga alkali metal. Kapag ang isang cesium atom ay sumingaw mula sa ibabaw ng isang metal (sa aming kaso, tungsten), na ang electron work function ay mas malaki kaysa sa cesium ionization potential, ito ay nawawala ang isang mahinang nakagapos na electron sa halos 100% ng mga kaso at lumalabas na isang solong naka-charge na ion. Kaya, ang ibabaw na ionization ng cesium sa tungsten ay ang pisikal na proseso na ginagawang posible na lumikha ng isang ion propulsor na may halos 100% na paggamit ng gumaganang likido at may kahusayan sa enerhiya na malapit sa pagkakaisa.

Ang aming kasamahan na si Stal Yakovlevich Lebedev ay may mahalagang papel sa paglikha ng mga modelo ng isang ion propulsor ng naturang pamamaraan. Sa kanyang bakal na tiyaga at tiyaga, nalampasan niya ang lahat ng balakid. Bilang isang resulta, posible na magparami sa metal ng isang flat three-electrode circuit ng isang ion propulsor. Ang unang elektrod ay isang tungsten plate na humigit-kumulang 10 × 10 cm ang laki na may potensyal na +7 kV, ang pangalawa ay isang tungsten grid na may potensyal na -3 kV, at ang pangatlo ay isang thoriated tungsten grid na may zero potential. Ang "molecular gun" ay nagbigay ng beam ng cesium vapor, na nahulog sa lahat ng grids papunta sa ibabaw ng tungsten plate. Ang isang balanse at naka-calibrate na metal plate, ang tinatawag na balanse, ay nagsilbi upang sukatin ang "puwersa", ibig sabihin, ang thrust ng ion beam.

Ang isang accelerating na boltahe sa unang grid ay nagpapabilis ng mga cesium ions sa 10,000 eV, habang ang isang nagpapabagal na boltahe sa pangalawang grid ay nagpapabagal sa mga ito hanggang sa 7,000 eV. Ito ang enerhiya kung saan dapat umalis ang mga ion sa propeller, na tumutugma sa bilis ng pag-agos na 100 km/s. Ngunit ang isang ion beam, na nililimitahan ng isang space charge, ay hindi maaaring "lumabas sa outer space". Ang volumetric na singil ng mga ion ay dapat mabayaran ng mga electron upang makabuo ng isang quasi-neutral na plasma, na malayang nagpapalaganap sa kalawakan at lumilikha ng reaktibong thrust. Ang pinagmulan ng mga electron para sa pagpunan ng space charge ng ion beam ay ang ikatlong grid (cathode) na pinainit ng kasalukuyang. Ang pangalawa, ang "pagla-lock" na grid ay pumipigil sa mga electron mula sa katod patungo sa tungsten plate.

Ang unang karanasan sa modelo ng ion propulsion ay minarkahan ang simula ng higit sa sampung taon ng trabaho. Ang isa sa mga pinakabagong modelo - na may porous na tungsten emitter, na nilikha noong 1965, ay nagbigay ng "thrust" na humigit-kumulang 20 g sa isang ion beam current na 20 A, ay mayroong energy utilization factor na halos 90% at isang matter utilization rate na 95 %.

Direktang conversion ng nuclear heat sa kuryente

Ang mga paraan upang direktang i-convert ang enerhiya ng nuclear fission sa elektrikal na enerhiya ay hindi pa natagpuan. Hindi pa rin namin magagawa nang walang intermediate link - isang heat engine. Dahil ang kahusayan nito ay palaging mas mababa kaysa sa pagkakaisa, ang "basura" na init ay dapat ilagay sa isang lugar. Sa lupa, sa tubig at sa hangin, walang mga problema dito. Sa espasyo, mayroon lamang isang paraan - thermal radiation. Kaya, hindi magagawa ng KNPP nang walang "refrigerator-emitter". Ang density ng radiation ay proporsyonal sa ika-apat na kapangyarihan ng ganap na temperatura, kaya ang temperatura ng radiator-emitter ay dapat na mas mataas hangga't maaari. Pagkatapos ay posible na bawasan ang lugar ng radiating surface at, nang naaayon, ang masa planta ng kuryente. Nakabuo kami ng ideya na gamitin ang "direktang" conversion ng nuclear heat sa kuryente, nang walang turbine o generator, na tila mas maaasahan para sa pangmatagalang operasyon sa mataas na temperatura.

Mula sa panitikan, alam namin ang tungkol sa mga gawa ni A.F. Ioffe - ang nagtatag ng paaralan ng Sobyet ng teknikal na pisika, isang pioneer sa pag-aaral ng mga semiconductor sa USSR. Kaunti na lang ang naaalala ang kasalukuyang mga mapagkukunan na kanyang binuo, na ginamit noong mga taon ng Dakila Digmaang Makabayan. Sa oras na iyon, higit sa isang partisan detachment ang may koneksyon sa mainland salamat sa "kerosene" TEGs - mga thermoelectric generator ng Ioffe. Ang "korona" ng mga TEG (ito ay isang hanay ng mga elemento ng semiconductor) ay inilagay sa isang lampara ng kerosene, at ang mga wire nito ay konektado sa mga kagamitan sa radyo. Ang "mainit" na mga dulo ng mga elemento ay pinainit ng apoy ng isang lampara ng kerosene, at ang "malamig" na mga dulo ay pinalamig sa hangin. Ang daloy ng init, na dumadaan sa semiconductor, ay nakabuo ng isang electromotive na puwersa, na sapat para sa isang sesyon ng komunikasyon, at sa mga agwat sa pagitan ng mga ito, sinisingil ng TEG ang baterya. Nang, sampung taon pagkatapos ng Tagumpay, binisita namin ang planta ng Moscow ng TEGs, lumabas na nakahanap pa rin sila ng mga benta. Maraming mga taganayon noon ang may matipid na radio receiver na "Rodina" na may mga direktang maliwanag na lampara, na pinapagana ng baterya. Ang mga TEG ay kadalasang ginagamit sa halip.

Ang problema sa kerosene TEG ay ang mababang kahusayan nito (mga 3.5%) lamang at mababang temperatura sa paglilimita (350°K). Ngunit ang pagiging simple at pagiging maaasahan ng mga device na ito ay nakaakit ng mga developer. Kaya, ang mga semiconductor converter na binuo ng pangkat ng I.G. Si Gverdtsiteli sa Sukhumi Institute of Physics and Technology, ay nakahanap ng aplikasyon sa mga pag-install sa espasyo ng uri ng Buk.

Sa isang pagkakataon, si A.F. Iminungkahi ni Ioffe ang isa pang thermionic converter - isang diode sa vacuum. Ang prinsipyo ng operasyon nito ay ang mga sumusunod: ang isang pinainit na katod ay nagpapalabas ng mga electron, bahagi ng mga ito, na nagtagumpay sa potensyal ng anode, ay gumagana. Ang device na ito ay inaasahang magkakaroon ng mas mataas na kahusayan (20-25%) sa temperatura ng pagpapatakbo higit sa 1000°K. Bilang karagdagan, hindi tulad ng isang semiconductor, ang isang vacuum diode ay hindi natatakot sa neutron radiation, at maaari itong isama sa isang nuclear reactor. Gayunpaman, lumabas na imposibleng mapagtanto ang ideya ng "vacuum" Ioffe converter. Tulad ng sa ion propulsion, sa vacuum converter, kailangan mong alisin ang singil sa espasyo, ngunit sa pagkakataong ito ay hindi mga ions, ngunit mga electron. A.F. Inilaan ni Ioffe na gumamit ng mga micron gaps sa pagitan ng cathode at anode sa isang vacuum converter, na halos imposible sa ilalim ng mga kondisyon ng mataas na temperatura at thermal deformation. Dito nagagamit ang cesium: isang cesium ion, na ginawa ng surface ionization sa cathode, ay nagbabayad para sa space charge na humigit-kumulang 500 electron! Sa katunayan, ang cesium converter ay isang "reversed" ion propulsor. Ang mga pisikal na proseso sa kanila ay malapit.

"Garlands" V.A. Malykha

Isa sa mga resulta ng trabaho ng IPPE sa mga thermionic converter ay ang paglikha ng V.A. Malykh at serial production sa kanyang departamento ng mga elemento ng gasolina mula sa mga series-connected thermionic converter - "garlands" para sa Topaz reactor. Nagbigay sila ng hanggang 30 V - isang daang beses na higit pa kaysa sa mga nag-convert ng solong elemento na nilikha ng "mga nakikipagkumpitensyang organisasyon" - ang pangkat ng Leningrad ng M.B. Barabash at kalaunan - ng Institute of Atomic Energy. Ginawa nitong posible na "alisin" ang sampu at daan-daang beses na mas maraming kapangyarihan mula sa reaktor. Gayunpaman, ang pagiging maaasahan ng system, na pinalamanan ng libu-libong mga thermionic na elemento, ay nagdulot ng pag-aalala. Sa parehong oras, singaw at mga halaman ng gas turbine nagtrabaho nang walang kamali-mali, kaya ibinaling namin ang aming atensyon sa "makina" na conversion ng nuclear heat sa kuryente.

Ang buong kahirapan ay nakasalalay sa mapagkukunan, dahil sa mahabang hanay na mga flight sa espasyo, ang mga turbogenerator ay dapat gumana sa loob ng isang taon, dalawa, o kahit ilang taon. Upang mabawasan ang pagkasira, ang "mga rebolusyon" (bilis ng turbine) ay dapat panatilihing mababa hangga't maaari. Sa kabilang banda, mahusay na gumagana ang turbine kung ang bilis ng mga molekula ng gas o singaw ay malapit sa bilis ng mga blades nito. Samakatuwid, sa una ay isinasaalang-alang namin ang paggamit ng pinakamabigat - mercury vapor. Ngunit kami ay natakot sa matinding radiation-induced corrosion ng bakal at hindi kinakalawang na asero na naganap sa isang mercury-cooled nuclear reactor. Sa loob ng dalawang linggo, ang kaagnasan ay "kinain" ang mga elemento ng gasolina ng eksperimentong mabilis na reaktor na "Clementine" sa laboratoryo ng Argon (USA, 1949) at ang BR-2 reactor sa IPPE (USSR, Obninsk, 1956).

Ang singaw ng potasa ay nakatutukso. Ang reactor na may potasa na kumukulo sa loob nito ay naging batayan ng planta ng kuryente na aming binuo para sa isang low-thrust spacecraft - ang potassium steam ay pinaikot ang turbogenerator. Ang ganitong "makina" na paraan ng pag-convert ng init sa elektrisidad ay naging posible na umasa sa isang kahusayan ng hanggang sa 40%, habang ang mga tunay na thermionic na pag-install ay nagbigay ng kahusayan na halos 7%. Gayunpaman, ang mga KNPP na may "machine" conversion ng nuclear heat sa kuryente ay hindi pa nabuo. Ang kaso ay natapos sa paglabas ng isang detalyadong ulat, sa katunayan, isang "pisikal na tala" sa teknikal na disenyo ng isang low-thrust spacecraft para sa isang flight na may isang crew sa Mars. Ang proyekto mismo ay hindi kailanman binuo.

Sa hinaharap, sa palagay ko, ang interes sa mga flight sa kalawakan gamit ang mga nuclear rocket engine ay nawala lamang. Matapos ang pagkamatay ni Sergei Pavlovich Korolev, ang suporta para sa gawain ng IPPE sa ion propulsion at "machine" nuclear power plants ay kapansin-pansing humina. Ang OKB-1 ay pinamumunuan ni Valentin Petrovich Glushko, na walang interes sa matapang na pangakong mga proyekto. Ang Energiya design bureau na nilikha niya ay nagtayo ng makapangyarihang mga kemikal na rocket at ang Buran spacecraft na bumabalik sa Earth.

"Buk" at "Topaz" sa mga satellite ng seryeng "Cosmos".

Magtrabaho sa paglikha ng isang KNPP na may direktang conversion ng init sa kuryente, ngayon bilang mga pinagmumulan ng kapangyarihan para sa malalakas na mga satellite ng radyo (mga istasyon ng radar ng espasyo at mga broadcaster sa telebisyon), ay nagpatuloy hanggang sa pagsisimula ng perestroika. Mula 1970 hanggang 1988, humigit-kumulang 30 radar satellite ang inilunsad sa kalawakan kasama ang Buk nuclear power plants na may mga semiconductor converter reactor at dalawa na may Topaz thermionic installations. Ang Buk, sa katunayan, ay isang TEG - isang Ioffe semiconductor converter, sa halip na isang lampara ng kerosene ay gumamit ito ng isang nuclear reactor. Ito ay isang mabilis na reaktor na may lakas na hanggang 100 kW. Ang buong load ng highly enriched uranium ay humigit-kumulang 30 kg. Inilipat ang init mula sa core likidong metal— eutectic alloy ng sodium at potassium semiconductor na mga baterya. Ang kuryente ay umabot sa 5 kW.

Ang pasilidad ng Buk sa ilalim ng siyentipikong pangangasiwa ng IPPE ay binuo ng mga espesyalista ng OKB-670 na M.M. Bondaryuk, mamaya - NPO Krasnaya Zvezda (punong taga-disenyo - G.M. Gryaznov). Ang Dnepropetrovsk Design Bureau Yuzhmash (Chief Designer M.K. Yangel) ay itinalaga upang lumikha ng isang launch vehicle para sa paglulunsad ng satellite sa orbit.

Ang oras ng pagpapatakbo ng Buk ay 1-3 buwan. Kung nabigo ang pag-install, ang satellite ay inilipat sa isang pangmatagalang orbit na may taas na 1000 km. Sa loob ng halos 20 taon ng paglulunsad, mayroong tatlong kaso ng pagbagsak ng satellite sa Earth: dalawa sa karagatan at isa sa lupa, sa Canada, sa paligid ng Great Slave Lake. Ang Cosmos-954, na inilunsad noong Enero 24, 1978, ay nahulog doon. Nagtrabaho siya ng 3.5 buwan. Ang mga elemento ng uranium ng satellite ay ganap na nasunog sa atmospera. Sa lupa, tanging ang mga labi ng isang beryllium reflector at mga semiconductor na baterya ang natagpuan. (Ang lahat ng data na ito ay ibinigay sa magkasanib na ulat ng US at Canadian nuclear commissions sa Operation Morning Light.)

Sa Topaz thermionic nuclear power plant, ginamit ang isang thermal reactor na may lakas na hanggang 150 kW. Ang buong load ng uranium ay humigit-kumulang 12 kg - makabuluhang mas mababa kaysa sa Buk. Ang batayan ng reaktor ay mga elemento ng gasolina - "garlands", na binuo at ginawa ng pangkat ni Malykh. Sila ay isang kadena ng mga thermoelement: ang katod ay isang "thimble" ng tungsten o molibdenum na puno ng uranium oxide, ang anode ay isang manipis na pader na tubo ng niobium na pinalamig ng likidong sodium-potassium. Ang temperatura ng cathode ay umabot sa 1650 ° C. Ang lakas ng kuryente ng pag-install ay umabot sa 10 kW.

Ang unang modelo ng paglipad, ang Kosmos-1818 satellite na may pag-install ng Topaz, ay pumasok sa orbit noong Pebrero 2, 1987 at nagtrabaho nang walang kamali-mali sa loob ng anim na buwan, hanggang sa maubos ang mga reserbang cesium. Ang pangalawang satellite, ang Cosmos-1876, ay inilunsad makalipas ang isang taon. Siya ay nagtrabaho sa orbit halos dalawang beses ang haba. Ang pangunahing developer ng Topaz ay ang OKB MMZ Soyuz, na pinamumunuan ni S.K. Tumansky (dating bureau ng disenyo ng taga-disenyo ng makina ng sasakyang panghimpapawid A.A. Mikulin).

Noong huling bahagi ng 1950s, nang kami ay gumagawa ng ion propulsion, at siya ay nasa ikatlong yugto ng makina para sa isang rocket na lilipad sa paligid ng buwan at dumapo dito. Ang mga alaala ng laboratoryo ni Melnikov ay sariwa hanggang ngayon. Ito ay matatagpuan sa Podlipki (ngayon ay ang lungsod ng Korolev), sa site No. 3 ng OKB-1. Isang malaking pagawaan na may lawak na humigit-kumulang 3000 m2, na may linyang dose-dosenang mga mesa na may mga loop oscilloscope na nagre-record sa 100 mm roll paper (ito ay nakaraang panahon, ngayon ay sapat na ang isang personal na computer). Sa harap na dingding ng workshop ay may isang stand kung saan naka-mount ang combustion chamber ng "lunar" rocket engine. Libu-libong mga wire ang pumupunta sa mga oscilloscope mula sa mga sensor para sa bilis ng gas, presyon, temperatura at iba pang mga parameter. Magsisimula ang araw sa 9.00 sa pag-aapoy ng makina. Ito ay tumatakbo ng ilang minuto, pagkatapos ay kaagad pagkatapos na ito ay ihinto, ang unang shift mechanic team ay binubuwag ito, maingat na sinusuri at sinusukat ang silid ng pagkasunog. Kasabay nito, ang mga oscilloscope tape ay sinusuri at ang mga rekomendasyon para sa mga pagbabago sa disenyo ay ginawa. Ang pangalawang shift - ang mga taga-disenyo at manggagawa sa pagawaan ay gumagawa ng mga inirerekomendang pagbabago. Sa ikatlong shift, isang bagong combustion chamber at isang diagnostic system ang naka-mount sa stand. Makalipas ang isang araw, eksaktong 9.00, ang susunod na sesyon. At kaya walang araw na walang pasok linggo, buwan. Higit sa 300 mga pagpipilian sa makina bawat taon!

Ito ay kung paano nilikha ang mga kemikal na rocket engine, na kailangang gumana nang 20-30 minuto lamang. Ano ang masasabi natin tungkol sa pagsubok at pagpipino ng mga nuclear power plant - ang kalkulasyon ay dapat silang gumana nang higit sa isang taon. Nangangailangan ito ng isang napakalaking pagsisikap.

Ang Russia ay naging at nananatili pa ring nangunguna sa larangan ng nuclear space energy. Ang mga organisasyon tulad ng RSC Energia at Roskosmos ay may karanasan sa pagdidisenyo, pagbuo, paglulunsad at pagpapatakbo ng spacecraft na nilagyan ng nuclear power source. Ang isang nuclear engine ay ginagawang posible na magpatakbo ng sasakyang panghimpapawid sa loob ng maraming taon, na lubos na nagdaragdag sa kanilang praktikal na pagiging angkop.

makasaysayang salaysay

Kasabay nito, ang paghahatid ng isang research apparatus sa mga orbit ng mga panlabas na planeta ng solar system ay nangangailangan ng pagtaas sa mapagkukunan ng naturang pag-install ng nukleyar sa 5-7 taon. Napatunayan na ang isang complex na may nuclear propulsion system na may lakas na humigit-kumulang 1 MW bilang bahagi ng isang research spacecraft ay magbibigay-daan para sa pinabilis na paghahatid ng mga artipisyal na satellite ng pinakamalayong planeta, mga planetary rover sa ibabaw ng natural na mga satellite ng mga planetang ito. at paghahatid ng lupa mula sa mga kometa, asteroid, Mercury at mga satellite ng Jupiter at Saturn.

Reusable tug (MB)

Ang isa sa pinakamahalagang paraan upang madagdagan ang kahusayan ng mga operasyon ng transportasyon sa kalawakan ay ang magagamit muli ng mga elemento ng sistema ng transportasyon. Ang isang nuclear engine para sa spacecraft na may lakas na hindi bababa sa 500 kW ay ginagawang posible na lumikha ng isang magagamit muli na paghatak at sa gayon ay makabuluhang pinapataas ang kahusayan ng isang multi-link na sistema ng transportasyon sa espasyo. Ang ganitong sistema ay lalong kapaki-pakinabang sa isang programa upang matiyak ang malalaking taunang daloy ng kargamento. Ang isang halimbawa ay ang Moon exploration program na may paglikha at pagpapanatili ng patuloy na lumalagong habitable base at pang-eksperimentong teknolohikal at pang-industriyang complex.

Pagkalkula ng paglilipat ng kargamento

Ayon sa mga pag-aaral sa disenyo ng RSC Energia, sa panahon ng pagtatayo ng base, ang mga module na tumitimbang ng humigit-kumulang 10 tonelada ay dapat ihatid sa ibabaw ng Buwan, hanggang sa 30 tonelada sa orbit ng Buwan. , at ang taunang daloy ng kargamento upang matiyak ang paggana at pag-unlad ng base ay 400-500 tonelada.

Gayunpaman, ang prinsipyo ng pagpapatakbo ng isang nuclear engine ay hindi nagpapahintulot na ikalat ang transporter nang mabilis. Dahil sa mahabang panahon ng transportasyon at, nang naaayon, ang makabuluhang oras na ginugol ng payload sa mga radiation belt ng Earth, hindi lahat ng kargamento ay maaaring maihatid gamit ang mga tugs na pinapagana ng nuklear. Samakatuwid, ang daloy ng kargamento na masisiguro batay sa NEP ay tinatayang nasa 100-300 tonelada lamang/taon.

Pang-ekonomiyang kahusayan

Bilang kriterya para sa kahusayan sa ekonomiya ng interorbital transport system, ipinapayong gamitin ang halaga ng partikular na halaga ng pagdadala ng unit mass of payload (PG) mula sa ibabaw ng Earth patungo sa target na orbit. Ang RSC Energia ay bumuo ng isang pang-ekonomiya at matematikal na modelo na isinasaalang-alang ang mga pangunahing bahagi ng gastos sa sistema ng transportasyon:

para sa paglikha at paglulunsad ng mga tug modules sa orbit;
para sa pagbili ng isang gumaganang pag-install ng nuklear;
mga gastos sa pagpapatakbo, pati na rin ang mga gastos sa R&D at posibleng mga gastos sa kapital.

Ang mga tagapagpahiwatig ng gastos ay nakasalalay sa pinakamainam na mga parameter ng MB. Gamit ang modelong ito, isang comparative kahusayan sa ekonomiya ang paggamit ng isang reusable tug batay sa nuclear propulsion system na may kapasidad na humigit-kumulang 1 MW at isang disposable tug batay sa advanced na liquid propellant sa programa upang matiyak ang paghahatid ng isang payload na may kabuuang mass na 100 tonelada/taon mula sa Earth sa orbit ng Buwan na may taas na 100 km. Kapag gumagamit ng parehong sasakyang paglulunsad na may kapasidad na dala na katumbas ng kapasidad ng pagdadala ng sasakyang panglunsad ng Proton-M at isang scheme ng dalawang paglunsad para sa pagbuo ng isang sistema ng transportasyon, ang halaga ng yunit ng paghahatid ng isang yunit ng masa ng kargamento gamit ang isang nuclear-powered tug ay tatlong beses na mas mababa kaysa kapag gumagamit ng mga disposable tugboat batay sa mga rocket na may mga likidong makina ng uri ng DM-3.

Konklusyon

Ang isang mahusay na nuclear engine para sa espasyo ay nag-aambag sa solusyon Mga isyu sa kapaligiran Earth, manned flight sa Mars, ang paglikha ng isang wireless power transmission system sa kalawakan, ang pagpapatupad na may mas mataas na kaligtasan ng paglilibing sa kalawakan ng partikular na mapanganib na radioactive na basura mula sa ground-based na nuclear energy, ang paglikha ng isang habitable lunar base at ang simula ng ang pang-industriyang paggalugad ng Buwan, na tinitiyak ang proteksyon ng Earth mula sa panganib ng asteroid-comet.