Материал из РУВИКИ — свободной энциклопедии

Ядерный ракетный двигатель

Классификация ядерных ракетных двигателей[1]

Я́дерный раке́тный дви́гатель (ЯРД) — разновидность ракетного двигателя, которая использует деление или синтез ядер для создания реактивного ускорения[2].

Основная структура такого двигателя включает в себя тепловую камеру, где ядерный реактор выступает в роли источника тепла, систему подачи рабочего тела и сопло для выпуска газа[3][2].

Существует три основных варианта ядерных ракетных двигателей, и их классификация в этом случае основана на физическом состоянии ядерного топлива, когда оно находится в активной части реактора: твердофазные, газофазные и жидкофазные[2].

Водород выступает в качестве главного рабочего топлива для ядерного ракетного двигателя. В процессе работы он подаётся в активную зону реактора из специализированного контейнера. Там водород нагревается и затем выбрасывается через сопло, создавая тем самым требуемую тягу[3].

В СССР разработками ядерного ракетного двигателя занимались Мстислав Келдыш, Игорь Курчатов и Сергей Королёв[4][5]. Практические испытания таких двигателей начались в 1950-е годы.[6].

В США исследования ЯРД начались в 1961 году в рамках совместной программы NASA и Комиссии по атомной энергии под названием Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application (NERVA), которая реализовывалась в рамках планировавшегося тогда полёта на Марс[7].

В XXI веке к разработке новых поколений ЯРД снова вернулись ведущие космические агентства мира, в том числе в рамках разработки двигателей для полёта космических экспедиций на Красную планету[8].

Проекты использования ЯРД

В СССР разработками ядерного ракетного двигателя, который мог бы позволить совершить межпланетные космические полёты хотя бы в масштабах Солнечной системы, занимались Мстислав Келдыш, Игорь Курчатов и Сергей Королёв. Практические испытания таких двигателей начались в 1950-е годы. Результатом этих работ стало создание первого (и единственного) советского ядерного ракетного двигателя РД-0410 («Иргит»). Испытания как самого двигателя, так и отдельных его элементов, проводились на Семипалатинском полигоне. Работы по проекту велись в течение 20 лет (1965—1985)[9].

Также проходили и работы, в ходе которых целью ставилось создание ядерного прямоточного воздушно-реактивного двигателя для военных целей, над этим проектом работали в ОКБ-670 под руководством Бондарюка. ЯПВРД был предназначен для модификации межконтинентальной крылатой ракеты «Буря», которую с 1954 года проектировало ОКБ-301 под руководством Семёна Лавочкина, однако после его смерти проект не получил развития[10].

В США аналогичный проект также существовал, работы по нему проводились на полигоне в Неваде, а конечной задачей проекта было обеспечение возможности полёта на Марс на ядерных двигателях. Проект был назван NERVA. Работая на полную мощность, ядерный двигатель должен был нагреваться до температуры в 2000 °C[7]. В январе 1965 года были произведены испытания ядерного ракетного двигателя под кодовым названием «КИВИ» (KIWI)[11].

Тем не менее, полноценно реализовать проекты и ввести в эксплуатацию ядерные двигатели в космической отрасли того времени не смогли. Однако, спустя время к разработкам вернулись научные сообщества разных стран[9].

В ноябре 2017 года Китайская аэрокосмическая научно-техническая корпорация (CASC) опубликовала дорожную карту развития космической программы КНР на период 2017—2045 годы. Она предусматривает, в частности, создание многоразового корабля, работающего на ядерном ракетном двигателе[12].

В феврале 2018 года появились сообщения о том, что НАСА возобновляет научно-исследовательские работы в этой области[8]: проект DRACO по созданию ядерной двигательной установки для полёта на Луну (запуск и демонстрация намечены на 2027 год)[13].

ЯРД NERVA

Виды ядерных ракетных двигателей

Существует несколько основных разновидностей ядерных ракетных двигателей (ЯРД). У каждой из них есть свои преимущества и недостатки, их разработка в некоторых случаях была скорее опытной и экспериментальной, другие же получали активное развитие проектов и перспективы использования. Существуют и современные (начало XXI века) новые наработки по созданию ядерных двигателей[3][9].

Твердофазный ЯРД

ТфЯРД

В твердофазных ЯРД (ТфЯРД) делящееся вещество, как и в обычных ядерных реакторах, размещено в сборках-стержнях (ТВЭЛах) сложной формы с развитой поверхностью, что позволяет эффективно нагревать газообразное рабочее тело (обычно — водород, реже — аммиак), одновременно являющееся теплоносителем, охлаждающим элементы конструкции и сами сборки. Температура нагрева ограничена температурой плавления элементов конструкции (не более 3000 К). Удельный импульс твердофазного ЯРД, по современным оценкам, составит 850—900 с, что более чем вдвое превышает показатели наиболее совершенных химических ракетных двигателей[14]. Наземные демонстраторы технологий ТфЯРД в XX веке были созданы и успешно испытаны на стендах (программа NERVA в США, РД-0410 в СССР)[2][9].

Жидкофазный и коллоидный ЯРД

Создание жидкофазных и коллоидных ЯРД не получило активного развития, поскольку по своей эффективности сравнительно мало превосходят твердофазные, а по технической сложности сравнимы с газофазными (проблемы организации запуска, регулирования и выключения для жидкофазных и коллоидных ЯРД являются столь же сложными)[1][3][9].

Газофазный ЯРД

Газофазный ядерный реактивный двигатель (ГЯРД) — концептуальный тип реактивного двигателя, в котором реактивная сила создаётся за счёт выброса теплоносителя (рабочего тела) из ядерного реактора, топливо в котором находится в газообразной форме или в виде плазмы. Считается, что в подобных двигателях удельный импульс составит 30—50 тыс. м/с. Перенос тепла от топлива к теплоносителю достигается в основном за счёт излучения, большей частью в ультрафиолетовой области спектра (при температурах топлива около 25 000 °C)[2][9].

Импульсный ЯРД

В отличие от трёх указанных выше типов ЯРД, работа которых базируется на делении ядер, импульсный ядерный двигатель работает на стыке использования тепловой и кинетической энергии[3]. Атомные заряды мощностью примерно в килотонну на этапе взлёта должны взрываться со скоростью один заряд в секунду. Ударная волна — расширяющееся плазменное облако — должна была приниматься «толкателем» — мощным металлическим диском с теплозащитным покрытием и потом, отразившись от него, создать реактивную тягу. Импульс, принятый плитой толкателя, через элементы конструкции должен передаваться кораблю. Затем, когда высота и скорость вырастут, частоту взрывов можно будет уменьшить. При взлёте корабль должен лететь строго вертикально, чтобы минимизировать площадь радиоактивного загрязнения атмосферы[2][9].

В США космические разработки с использованием импульсных ядерных ракетных двигателей осуществлялись с 1958 по 1965 год в рамках проекта «Орион» компанией «Дженерал Атомикс» по заказу ВВС США[7].

Космический корабль проекта «Орион», рисунок художника

По проекту «Орион» проводились не только расчёты, но и натурные, а также лётные испытания моделей летательного аппарата с импульсным приводом (для взрывов использовалась обычная химическая взрывчатка). Были получены положительные результаты о принципиальной возможности управляемого полёта аппарата с импульсным двигателем[15].

В СССР аналогичный проект разрабатывался в 1950—70-х годах[16]. Устройство содержало дополнительные химические реактивные двигатели, выводящие его на 30—40 км от поверхности Земли; затем предполагалось включать основной ядерно-импульсный двигатель. Основной проблемой была прочность экрана-толкателя, который не выдерживал огромных тепловых нагрузок от близких ядерных взрывов. Вместе с тем были предложены несколько технических решений, позволяющих разработать конструкцию плиты-толкателя с достаточным ресурсом. Проект не был завершён. Реальных испытаний импульсного ЯРД с подрывом ядерных устройств не проводилось[9].

Ядерная электродвигательная установка

Ядерная электродвигательная установка (ЯЭДУ) используется для выработки электроэнергии, которая, в свою очередь, используется для работы электрического ракетного двигателя[3].

Подобная программа в США (проект NERVA) была свёрнута в 1971 году, но в 2020 году американцы вновь вернулись к данной теме, заказав разработку ядерного теплового двигателя (Nuclear Thermal Propulsion, NTP) компании Gryphon Technologies для военных космических рейдеров на атомных двигателях, которые планируется использовать для патрулирования окололунного и околоземного пространства[17]. Также с 2015 года идут работы по проекту Kilopower[18].

Перспективы использования ЯРД

По оценкам А. В. Багрова, М. А. Смирнова и С. А. Смирнова, ядерный ракетный двигатель может позволить добраться до Плутона за 2 месяца[19][20] и вернуться обратно за 4 месяца с затратой 75 тонн топлива, до Альфы Центавра за 12 лет, а до Эпсилона Эридана за 24,8 года[21][22].

С 2010 года в России начались работы над проектом ядерной электродвигательной установки мегаваттного класса для космических транспортных систем (космический буксир «Нуклон»). По состоянию на 2021 год велась отработка макета; к 2025 году планируется создать опытные образцы данной ядерной энергоустановки. Заявлена плановая дата лётных испытаний космического тягача с ЯЭДУ — 2030 год[23].

В 2021 году Космическое агентство Великобритании заключило соглашение с компанией Rolls-Royce, в рамках которого планируется создать ядерный силовой двигатель для космических аппаратов дальнего действия[24].

В 2023 году NASA продолжило работы по созданию современных ядерных ракетных двигателей, выделив полмиллиарда долларов США на проект DRACO (Demonstration Rocket for Agile). В рамках работы над проектом в конце 2023 года прозвучало заявление о намерении разработчиков провести демонстрацию работы двигателя в космосе в 2027 году[25][26].

В культуре

В СССР был снят небольшой научно-популярный фильм про устройство ядерных ракетных двигателей и их возможные перспективы использования.[27] Похожий фильм, снятый совместно NASA и Комиссией по ядерной энергетике, был выпущен и в США[28].

См. также

Примечания

  1. ↑ 1 2 Паневин, Прищепа, 1978.
  2. ↑ 1 2 3 4 5 6 Ядерные ракетные двигатели, 2001.
  3. ↑ 1 2 3 4 5 6 Татьяна Ревунова. Ядерные ракетные двигатели. Центр «Космонавтика и авиация» на ВДНХ. Дата обращения: 18 января 2024.
  4. ↑ Центр Келдыша, 2003, с. 192.
  5. ↑ Энергомаш, 2008, Очерк разработки ядерных ракетных двигателей в КБ Энергомаш.
  6. ↑ Loura Hall. Nuclear Thermal Propulsion: Game Changing Technology for Deep Space Exploration (англ.). НАСА (25 мая 2018). Дата обращения: 18 января 2024.
  7. ↑ 1 2 3 Александр Бумагин. Если завтра на Марс. ИМБП РАН (6 апреля 2007). Дата обращения: 18 января 2024.
  8. ↑ 1 2 Даниил Ревадзе. NASA возвращается к идее ядерного двигателя для космических кораблей. Хайтек (17 февраля 2018). Дата обращения: 18 января 2024.
  9. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 Белогуров А. И., Колбая Т. Ч., Рачук В. С., 2011.
  10. ↑ Ядерные двигатели в крылатых ракетах. Досье. ТАСС (19 июля 2018). Дата обращения: 18 января 2024.
  11. ↑ С. В. Каплун. Ядерные двигатели. XXIV межвузовская молодежная научная школа-конференция имени Б. С. Ишханова «Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине». Дата обращения: 18 января 2024.
  12. ↑ Названы сроки запуска ядерного космического корабля. AEX.ru (20 ноября 2017). Дата обращения: 18 января 2024.
  13. ↑ Георгий Голованов. Пентагон и NASA проведут испытания ядерного ракетного двигателя. Хайтек+ (25 января 2023). Дата обращения: 18 января 2024.
  14. ↑ Центр Келдыша, 2003, с. 195.
  15. ↑ Проект «Орион»: почему первый ядерный взрыволет так и не запустили в космос. Хайтек (3 августа 2021). Дата обращения: 18 января 2024.
  16. ↑ Российские ядерные двигатели могут быть использованы при полете на Марс. Взгляд (16 мая 2012). Дата обращения: 18 января 2024.
  17. ↑ Gryphon Technologies (ManTech). Factories in space. Дата обращения: 18 января 2024.
  18. ↑ Анатолий Глянцев. НАСА продемонстрировало ядерный реактор для колонизации Марса и Луны. Вести.Наука (4 мая 2018). Дата обращения: 18 января 2024.
  19. ↑ Багров А. В., Смирнов М. А., Смирнов С. А. Межзвездные корабли с магнитным зеркалом // Труды Двадцатых чтений К. Э. Циолковского. — Калуга, 1985.
  20. ↑ Багров А. В., Смирнов М. А. Каравеллы для звездоплавателей // Наука и человечество. 1992—1994. — М.: Знание, 1994.
  21. ↑ Багров А. В., Смирнов М. А. XXI век: строим звездолет // Международный ежегодник «Гипотезы, прогнозы, наука и фантастика». — 1991.
  22. ↑ Георгий Голованой. Двухрежимный ядерный двигатель доставит космонавтов на Марс за 45 дней. Хайтек+ (18 января 2023). Дата обращения: 18 января 2024.
  23. ↑ Александр Емельяненко. Ядерный "Нуклон" для космического "Зевса" проходит испытания. Российская газета (15 июня 2021). Дата обращения: 18 января 2024.
  24. ↑ Геннадий Детинич. Rolls-Royce получила деньги на создание ядерного реактора для лунной базы. 3dnews (17 марта 2023). Дата обращения: 18 января 2024.
  25. ↑ Американские NASA и DARPA испытают ядерный тепловой ракетный двигатель в космосе в 2027 году. Атомная энергия 2.0 (26 января 2023). Дата обращения: 18 января 2024.
  26. ↑ Анатолий Глянцев. DRACO в космосе: зачем в NASA создают ядерный двигатель. Forbes (30 июля 2023). Дата обращения: 18 января 2024.
  27. ↑ Подборка фильмов по ядерной и атомной физике. Интересное.me (6 июля 2019). Дата обращения: 18 января 2024.
  28. ↑ Ядерный двигатель США 1968 (Nuclear Propulsion in Space 1968). YouTube. Дата обращения: 18 января 2024.

Литература

Ссылки

Источник — https://ru.ruwiki.ru/w/index.php?title=Ядерный_ракетный_двигатель&oldid=1207147686