Ядерные ракетные двигатели кратко

Обновлено: 07.07.2024

Двигательные установки на борту транспортного средства предназначены для создания силы тяги или момента импульса. В последние десятилетия все большее внимание уделяется таким характеристикам как расход топлива и создаваемая тяга. Все большее внимание начинает уделяться разработкам ядерных двигателей на транспортных средствах. Одной из наиболее перспективных областей применения ядерных ракетных двигателей является космонавтика. В настоящее время для полетов на другие планеты, не говоря уж о звездах, применение жидкостных ракетных двигателей и твердотопливных ракетных двигателей становится все более невыгодным, хотя и было разработано множество ракетных двигателей.
Таким образом, для достижения пилотируемыми экипажами даже ближайших планет необходимо развивать ракетоносители на двигателях, работающих на принципах, отличных от химических двигательных установок. Наиболее перспективными в этом плане являются электрические реактивные двигатели, лазерные реактивные двигатели и ядерные реактивные.

1. Силовые установки

Ядерная силовая установка (ЯСУ) — это силовая установка, работающая на энергии цепной реакции деления ядра. ЯСУ состоит из ядерного реактора и паро- или газотурбинной установки, в которой тепловая энергия, выделяющаяся в реакторе, преобразуется в механическую или электрическую энергию. Преимуществами подобной установки являются неограниченная автономность передвижения (дальность хода), и большая мощность двигателей: и как следствие, возможность длительно использовать высокую скорость движения, транспортировать более тяжёлые грузы и способность работать в тяжёлых условиях.
Основная сфера применения ЯСУ — морской флот: как надводный, так и подводный, также потенциально ЯСУ может быть использована в автомобильном, железнодорожном, авиационном и космическом транспортном средстве.

2. Ядерные ракетные двигатели (ЯРД)

2.1. Устройство и принцип действия ЯРД.

Ядерные ракетные двигатели бывают газофазными, жидкофазными и твердофазными в зависимости от агрегатного состояния ядерного топлива. Также они могут подразделяться на жидкостные и импульсно-взрывные. Жидкостные ядерные ракетные двигатели используют нагрев жидкого рабочего тела в нагревательной камере от ядерного реактора и вывод газа через сопло, а импульсно-взрывные основаны на создании ядерных взрывов малой мощности через равные промежутки времени.
ТЯРД может использовать различные виды термоядерных реакций в зависимости от вида применяемого топлива. В частности, на настоящее время принципиально осуществимы следующие типы реакций:

Реакция дейтерий + тритий (топливо D-T)

2 H + 3 H = 4 He + n + 17.6 МэВ

Такая реакция наиболее легко осуществима с точки зрения современных технологий, даёт значительный выход энергии, топливные компоненты относительно дёшевы. Недостаток её — весьма большой выход нежелательной (и бесполезной для прямого создания тяги) нейтронной радиации, уносящей большую часть выходной энергии реакции и, как следствие, резко снижающей КПД двигателя. Тритий радиоактивен, период его полураспада около 12 лет, то есть долговременное хранение трития невозможно. В то же время, возможно окружить дейтериево-тритиевый реактор оболочкой, содержащей литий: последний, в результате облучения нейтронным потоком, превращается в тритий, что приводит к замыканию топливного цикла, поскольку реактор работает в режиме размножителя (бридера). Таким образом, топливом для D-T-реактора фактически служат дейтерий и литий.

Реакция дейтерий + гелий-3

2 H + 3 He = 4 He + p + 18.3 МэВ

Условия её достижения значительно сложнее. Гелий-3, кроме того, редкий и чрезвычайно дорогой изотоп. В промышленных масштабах на настоящее время не производится. Кроме того, что энергетический выход этой реакции выше, чем у D-T-реакции, она имеет следующие дополнительные преимущества:

При реакции D- 3 He в форме нейтронов выделяется всего около 5% мощности (против 80% для D-T). Около 20% выделяется в форме рентгеновского излучения. Вся остальная энергия может быть непосредственно использована для создания реактивной тяги. Таким образом, реакция D- 3 He намного более перспективна для применения в реакторе ТЯРД.

Другие виды реакций

Реакции между ядрами дейтерия (D-D, монотопливо):

2 H + 2 H → 3 He + n + 3.3 МэВ,

2 H + 2 H →> 3 H + p + 4 МэВ.

Нейтронный выход в данном случае весьма значителен.
Возможны и некоторые другие типы реакций:

p + 6 Li → 4 He (1.7 MeV) + 3 He (2.3 MэВ)

3 He + 6 Li → 2 4 He + p + 16.9 MэВ

Рабочее тело, контактируя с ТВЭЛом, поглощает энергию и нагревается, увеличивается в объеме, после чего выходит через сопло двигателя под высоким давлением.
Принцип работы жидкофазного ЯРД и его устройство аналогично твердофазным, только топливо находится в жидком состоянии, что позволяет увеличить температуру, а значит и тягу.
Газофазные ЯРД работают на топливе в газообразном состоянии. Газообразное топливо может удерживаться в корпусе электрическим полем или же находится в герметичной прозрачной колбе – ядерной лампе. В первом случае возникает контакт рабочего тела с топливом, а также частичная утечка последнего, поэтому кроме основной массы топлива в двигателе должен быть предусмотрен его запас для периодического пополнения. В случае с ядерной лампой утечки не происходит, а топливо полностью изолировано от потока рабочего тела.

2.2 Ядерный импульсный двигатель

2.3 Другие разработки

Рис. 4. Прототип двигателя в рамках проекта Pluto

Двигатели, разработанные в рамках проекта Pluto, планировалось устанавливать на крылатые ракеты, которые в 1950-х годах создавались под обозначением SLAM (Supersonic Low Altitude Missile (сверхзвуковая маловысотная ракета)). Планировалось построить ракету длиной 26.8 метра, диаметром три метра, и массой в 28 тонн. В корпусе ракеты должен был располагаться ядерный боезаряд, а также ядерная двигательная установка, имеющая длину 1.6 метра и диаметр 1.5 метра. На фоне других размеров установка выглядела весьма компактной, что и объясняет её прямоточный принцип работы.
Разработчики полагали, что, благодаря ядерному двигателю, дальность полета ракеты SLAM составит, по меньшей мере, 182 тысячи километров.
В 1964 году министерство обороны США проект закрыло. Официальной причиной послужило то, что в полете крылатая ракета с ядерным двигателем слишком сильно загрязняет все вокруг. Но в действительности причина состояла в значительных затратах на обслуживание таких ракет, тем более к тому времени бурно развивалось ракетостроение на основе жидкостных реактивных ракетных двигателей, обслуживание которых было значительно дешевле.

Технические характеристики РД 0410 [9]:

• Тяга в пустоте: 3,59 тс (35,2 кН)
• Тепловая мощность реактора: 196 МВт
• Удельный импульс тяги в пустоте: 910 кгс·с/кг (8927 м/с)
• Число включений: 10
• Ресурс работы: 1 час
• Компоненты топлива: рабочее тело — жидкий водород, вспомогательное вещество — гептан
• Масса с радиационной защитой: 2 тонны
• Габариты двигателя: высота 3,5 м, диаметр 1,6 м.

3. Проблема межпланетных полетов

3.1 Использование гравитационного маневра при полете к Марсу

Рассмотрим изменение характеристической скорости при полёте с околоземной круговой (опорной) орбиты к Марсу с использованием гравитационного манёвра у Луны [7].

Рис. 6. Эллиптическая орбита Гомана

Для перехода с круговой орбиты Земли вокруг Солнца на эллиптическую орбиту перелёта к Марсу (орбиту Гомана) необходима дополнительная характеристическая скорость (рис. 6) [8]:

где V_кр1 – первая (круговая) скорость относительно Солнца на орбите Земли, R 1 – радиус орбиты Земли, R 2 – радиус орбиты Марса.
Но, чтобы выйти на круговую орбиту Земли вокруг Солнца, нужно выйти из сферы притяжения Земли, т.е. получить вторую космическую (параболическую) V_пар01 = √2V_кр01 скорость относительно Земли. Следовательно, мы должны дать космическому аппарату такую кинетическую энергию на околоземной круговой орбите, что бы её хватило на выход из сферы притяжения Земли и переход на эллиптическую орбиту перелёта к Марсу (рис. 7)

Рис. 7. 1 – Орбита Земли вокруг Солнца, 2 – Эллиптическая орбита Гомана

Здесь V 1 – скорость отлёта из неподвижной относительно Земли точки, расположенной на круговой околоземной орбите. Учитывая, что мы уже движемся по этой орбите с круговой скоростью, для окончательной скорости отлёта к Марсу требуется скорость

Аналогично для перехода с эллиптической орбиты на орбиту вокруг Марса имеем

Здесь – первая (круговая) скорость относительно Марса, – первая (круговая) скорость на орбите Земли (рис. 6), – первая (круговая) скорость на орбите Марса (рис. 6), – первая (круговая) скорость относительно Земли, μ = GM – произведение массы тела M на гравитационную постоянную G . Значения параметра μ для Солнца, Земли и Марса
μ_с = 1.327·10 20 м 3 /с 2 , μ_з = 3.99·10 14 м 3 /с 2 , μ_мар = 4.228·10 13 м 3 /с 2

С учётом дополнительных затрат на управление и ориентацию (добавляем 5%) получим полную характеристическую скорость:

Если использовать гравитационный манёвр, то характеристическая скорость уменьшится

Соответственно выигрыш в скорости составит

Проведём расчёт характеристической скорости с учетом следующих значений радиусов орбит движения Земли и Марса вокруг Солнца:

R₁ = 1.5·10 11 м, R₂ = 2.28·10 11 м,

а также примем значения радиусов околоземной орбиты и орбиты около Марса

R₀₁ = 6.8·10 6 м, R₀₂ = 3.4·10 6 м

Максимальная скорость, которую мы можем получить при использовании гравитационного маневра у Луны, равняется:

ΔV_з = 3561 м/с, ΔV_мар = 2133 м/с,
ΔV_хар1 = 5979 м/с, ΔV_хар2 = 4379 м/с.

Выигрыш в скорости при использовании гравитационного маневра

При дальнейших расчетах будем использовать значение скорости ΔV_хар2 так как это позволяет нам сэкономить топливо.

3.2 Время полета к Марсу по орбите Гомана

Также необходимо рассчитать время полета к Марсу по выбранной нами траектории. Для этого используем формулы [8]:

Тогда время полета составит: Т ≈ 260 суток.

3.3 Сравнение затрат топлива жидкостного (Ж) и твердофазного ядерного (ТЯ) ракетного двигателя при полете к Марсу

Для нахождения массы топлива используем формулу К. Э. Циолковского [3]:

где M_т − масса топлива, M_к − конечная масса ракеты (без топлива), V_к − конечная скорость полета, V₀ − начальная скорость, W − скорость истечения газов из двигателя.
Обозначим:

Здесь: k ТО – весовой коэффициент топливного отсека, k су – весовой коэффициент системы управления, k ду – весовой коэффициент двигательной установки, n – коэффициент перегрузки, g 0 – ускорение силы тяжести, M пг – масса полезного груза. Также можно рассчитать какой процент топлива мы сэкономим при использовании ТЯРД по формуле:

Произведем расчеты при следующих параметрах для ЖРД и ЯРД:

ЖРД: W = 4599 м/с, k_ду = 0.001, k_су = 0.01, k_ТО = 0.1
ЯРД: W = 9000 м/с, k_ду = 0.01, k_су = 0.01, k_ТО = 0.1
n = 1, g = 9.81 мс -2 , M_пг = 128000 кг

Тогда имеем: D_ж = 1.65, D_я = 0.63, M_ж = 269903 кг, M_я = 105994 кг

Соответствующая экономия топлива составит ΔM = 69.7%.
Таким образом, использование гравитационного маневра у Луны дает значительный выигрыш в скорости, также следует отметить преимущество использования ТЯРД перед ЖРД.

Заключение

Преимущество, заключающееся в высоком показателе удельного импульса ядерных ракетных двигателей по сравнению с химическими, очевидно. Для твердофазных моделей величина удельного импульса составляет 8000-9000 м/с, для жидкофазных – 14000 м/с, для газофазных – 30000 м/с. Однако, когда речь идет о ядерном топливе, никогда не следует забывать о пагубном воздействии на экологию нашей планеты. Так и в случае с ядерными ракетными двигателями необходимо учитывать загрязнение атмосферы Земли. Поэтому, несмотря на существование действующих моделей ядерных ракетных двигателей, пока ни один из них так и не был задействован вне лабораторий или научных баз. Потенциал таких двигателей высочайший, однако, и риск, связанный с их использованием, тоже немалый, так что пока они существуют только в проектах.

Ядерный ракетный двигатель — ракетный двигатель, принцип действия которого основан на ядерной реакции или радиоактивном распаде, при этом выделяется энергия, нагревающая рабочее тело, которым могут служить продукты реакций либо какое-то другое вещество, например водород.

Давайте разберем варианты и принципы из действия…

Существует несколько разновидностей ракетных двигателей, использующих вышеописанный принцип действия: ядерный, радиоизотопный, термоядерный. Используя ядерные ракетные двигатели, можно получить значения удельного импульса значительно выше тех, которые могут дать химические ракетные двигатели. Высокое значение удельного импульса объясняется большой скоростью истечения рабочего тела — порядка 8—50 км/с. Сила тяги ядерного двигателя сравнима с показателями химических двигателей, что позволит в будущем заменить все химические двигатели на ядерные.

Основным препятствием на пути полной замены является радиоактивное загрязнение окружающей среды, которое наносят ядерные ракетные двигатели.

Их разделяют на два типа — твердо-и газофазные. В первом типе двигателей делящееся вещество размещается в сборках-стержнях с развитой поверхностью. Это позволяет эффективно нагревать газообразное рабочее тело, обычно в качестве рабочего тела выступает водород. Скорость истечения ограничена максимальной температурой рабочего тела, которая, в свою очередь, напрямую зависит от максимально допустимой температуры элементов конструкции, а она не превышает 3000 К. В газофазных ядерных ракетных двигателях делящееся вещество находится в газообразном состоянии. Его удержание в рабочей зоне осуществляется посредством воздействия электромагнитного поля. Для этого типа ядерных ракетных двигателей элементы конструкции не являются сдерживающим фактором, поэтому скорость истечения рабочего тела может превышать 30 км/с. Могут быть использованы в качестве двигателей первой ступени, невзирая на утечку делящегося вещества.

В 70-х гг. XX в. в США и Советском Союзе активно испытывались ядерные ракетные двигатели с делящимся веществом в твердой фазе. В США разрабатывалась программа по созданию опытного ядерного ракетного двигателя в рамках программы NERVA.

В настоящее время в стадии теоретической разработки находится газофазный ядерный ракетный двигатель. В газофазном ядерном двигателе подразумевается использовать плутоний, медленно движущаяся газовая струя которого окружена более быстрым потоком охлаждающего водорода. На орбитальных космических станциях МИР и МКС проводились эксперименты, которые могут дать толчок к дальнейшему развитию газофазных двигателей.

Жидкостные ракетные двигатели дали возможность выйти человеку в космос — на околоземные орбиты. Но скорость истечения реактивной струи в ЖРД не превышает 4,5 км/с, а для полетов на другие планеты нужны десятки километров в секунду. Возможным выходом является использование энергии ядерных реакций.

К середине 70-х годов в рамках этой программы предполагалось спроектировать ЯРД с тягой около 30 тонн (для сравнения у ЖРД этого времени характерная тяга была примерно 700 тонн), но со скоростью истечения газов — 8,1 км/с. Однако, в 1973 году программа была закрыта из-за смещения интересов США в сторону космических челноков.

В СССР проектирование первых ЯРД велось во второй половине 50-х годов. При этом советские конструкторы, вместо создания полномасштабной модели, стали делать отдельные части ЯРД. А потом эти наработки испытывались во взаимодействии со специально разработанным импульсным графитовым реактором (ИГР).

Принципиальная и конструктивная схемы взрыволета А. Д. Сахарова

В июле 1961 года советский академик Андрей Сахаров сообщил о проекте ядерного взрыволета на совещании ведущих атомщиков в Кремле. Взрыволет имел обычные жидкостные ракетные двигатели для взлета, в космосе же предполагалось взрывать небольшие ядерные заряды. Возникающие при взрыве продукты деления передавали свой импульс кораблю, заставляя его лететь. Однако 5 августа 1963 года в Москве был подписан договор о запрещении испытаний ядерного оружия в атмосфере, космическом пространстве и под водой. Это послужило причиной закрытия программы ядерных взрыволетов.

ракетный двигатель РД-0410

Возможно, что разработки ЯРД опережали свое время. Однако они не были слишком преждевременными. Ведь подготовка пилотируемого полета к другим планетам длится несколько десятилетий, и двигательные установки для него должны готовиться заранее.

Конструкция ядерного ракетного двигателя

Ядерный ракетный двигатель (ЯРД) — реактивный двигатель, в котором энергия, возникающая при ядерной реакции распада или синтеза, нагревает рабочее тело (чаще всего, водород или аммиак).

Существует три типа ЯРД по виду топлива для реактора:

• твердофазный;
• жидкофазный;
• газофазный.

Наиболее законченным является твердофазный вариант двигателя. На рисунке изображена схема простейшего ЯРД с реактором на твердом ядерном горючем. Рабочее тело располагается во внешнем баке. С помощью насоса оно подается в камеру двигателя. В камере рабочее тело распыляется с помощью форсунок и вступает в контакт с тепловыделяющим ядерным топливом. Нагреваясь, оно расширяется и с огромной скоростью вылетает из камеры через сопло.

Жидкофазный — ядерное топливо в активной зоне реактора такого двигателя находится в жидком виде. Тяговые параметры таких двигателей выше, чем у твердофазных, за счет более высокой температуры реакторе.

В газофазных ЯРД топливо (например, уран) и рабочее тело находится в газообразном состоянии (в виде плазмы) и удерживается в рабочей зоне электромагнитным полем. Нагретая до десятков тысяч градусов урановая плазма передает тепло рабочему телу (например, водороду), которое, в свою очередь, будучи нагретым до высоких температур и образует реактивную струю.

Принцип действия ЯРД

По типу ядерной реакции различают радиоизотопный ракетный двигатель, термоядерный ракетный двигатель и собственно ядерный двигатель (используется энергия деления ядер).

Интересным вариантом также является импульсный ЯРД — в качестве источника энергии (горючего) предлагается использовать ядерный заряд. Такие установки могут быть внутреннего и внешнего типов.

Основными преимуществами ЯРД являются:

• высокий удельный импульс;
• значительный энергозапас;
• компактность двигательной установки;
• возможность получения очень большой тяги — десятки, сотни и тысячи тонн в вакууме.

Основным недостатком является высокая радиоционная опасность двигательной установки:

• потоки проникающей радиации (гамма-излучение, нейтроны) при ядерных реакциях;
• вынос высокорадиоактивных соединений урана и его сплавов;
• истечение радиоактивных газов с рабочим телом.

Поэтому запуск ядерного двигателя неприемлем для стартов с поверхности Земли из-за риска радиоактивного загрязнения.

Принципиальная схема ядерного ракетного двигателя: 1 – бак с жидким водородом; 2 – насос; 3 – турбина; 4 – тепловыделяющие элементы; 5 – выпуск газов из турбины; 6 &ndash.

Я́ДЕРНЫЙ РАКЕ́ТНЫЙ ДВИ́ГАТЕЛЬ (ЯРД), ре­ак­тив­ный дви­га­тель , в ко­то­ром энер­гия, воз­ни­каю­щая при ядер­ной ре­ак­ции де­ле­ния или син­те­за ядер, на­гре­ва­ет ра­бо­чее те­ло и соз­да­ёт ре­ак­тив­ную тя­гу. Раз­ли­ча­ют ЯРД ре­ак­тив­ные (на­грев ра­бо­че­го те­ла в ядер­ном ре­ак­то­ре и вы­вод га­за че­рез со­пло) и им­пульс­но-взрыв­ные (ядер­ные взры­вы ма­лой мощ­но­сти при рав­ных про­ме­жут­ках вре­ме­ни). ЯРД пред­став­ля­ет со­бой кон­ст­рук­цию из ядер­но­го ре­ак­то­ра , сис­те­мы по­да­чи ра­бо­че­го те­ла и со­пла (рис.). Ра­бо­чее те­ло (как пра­ви­ло, во­до­род) по­да­ёт­ся из ба­ка в ак­тив­ную зо­ну ре­ак­то­ра, где, про­хо­дя че­рез на­гре­тые ре­ак­ци­ей ядер­но­го рас­па­да ка­на­лы, ра­зо­гре­ва­ет­ся до вы­со­ких тем­пе­ра­тур и за­тем вы­бра­сы­ва­ет­ся че­рез со­пло, соз­да­вая ре­ак­тив­ную тя­гу.

Читайте также:

  
• Логика в публичном выступлении кратко
  
• Суеверие голубя кратко скиннер
  
• Заслуги медведева перед россией кратко
  
• Татищев основатель перми кратко
  
• Спирты гомологический ряд кратко