Promlebedka.ru

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

Что за атомный двигатель для полета на марс

Ядерный ракетный двигатель

Я́дерный раке́тный дви́гатель (ЯРД) — разновидность ракетного двигателя, которая использует энергию деления или синтеза ядер для создания реактивной тяги.

Традиционный ЯРД в целом представляет собой конструкцию из нагревательной камеры с ядерным реактором как источником тепла, системы подачи рабочего тела и сопла. 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. Существуют различные конструкции ЯРД: твердофазный, жидкофазный и газофазный — соответствующие агрегатному состоянию ядерного топлива в активной зоне реактора — твёрдое, расплав или высокотемпературный газ (либо даже плазма).

В СССР развёрнутое постановление правительства по проблеме создания ЯРД было подписано в 1958 году. Этим документом руководство работами в целом было возложено на академиков М. В. Келдыша, И. В. Курчатова и С. П. Королёва [2] [3] . К работам были подключены десятки исследовательских, проектных, конструкторских, строительных и монтажных организаций. ЯРД активно разрабатывались КБХА в Воронеже и испытывались в СССР (см. РД-0410) и США (см. NERVA) с середины 1950-х годов. Исследования продолжаются и в 21-м веке [4] .

История атома

Если положить руку на сердце, то со времен Королева ракеты-носители, используемые для полетов в космос, кардинальных изменений не претерпели. Общий принцип работы — химический, основанный на сгорании топлива с окислителем, остается прежним. Меняются двигатели, система управления, виды топлива. Основа путешествий в космосе остается неизменной — реактивная тяга толкает ракету или космический аппарат вперед.

Очень часто можно услышать, что нужен серьезный прорыв, разработка, способная заменить реактивный двигатель, чтобы повысить эффективность и сделать полеты к Луне и Марсу более реалистичными. Дело в том, что в настоящее время едва ли не большая часть массы межпланетных космических аппаратов, — это топливо и окислитель. А что если отказаться от химического двигателя вообще и начать использовать энергию ядерного двигателя?

Сергей Павлович Королев, советский ученый, конструктор и главный организатор производства ракетно-космической техники и ракетного оружия СССР, основоположник практической космонавтики

Идея создания ядерной двигательной установки не нова. В СССР развернутое постановление правительства по проблеме создания ЯРД было подписано еще в далеком 1958 году. Уже тогда были проведены исследования, показавшие, что, используя ядерный ракетный двигатель достаточной мощности, можно добраться до Плутона (еще не утратившего свой планетный статус) и обратно за шесть месяцев (два туда и четыре обратно), потратив на путешествие 75 т топлива.

Занимались в СССР разработкой ядерного ракетного двигателя, однако приближаться к реальному прототипу ученые стали только сейчас. Дело не в деньгах, тема оказалась настолько сложной, что ни одна из стран не смогла до сих пор создать работающий прототип, а в большинстве случаев всё заканчивалось планами и чертежами. В США проводились испытания двигательной установки для полета на Марс в январе 1965 года. Но дальше тестов KIWI проект NERVA по покорению Марса на ядерном двигателе не сдвинулся, да и был он значительно проще, чем нынешняя российская разработка. Китай поставил в свои планы космического развития создание ядерного двигателя поближе к 2045 году, что тоже очень и очень не скоро.

В России же новый виток работы над проектом ядерной электродвигательной установки (ЯЭДУ) мегаваттного класса для космических транспортных систем начался в 2010 году. Проект создается силами «Роскосмоса» и «Росатома» совместно, и его можно назвать одним из самых серьезных и амбициозных космических проектов последнего времени. Головным исполнителем по ЯЭДУ является Исследовательский центр им. М.В. Келдыша.

Ядерный ракетный двигатель строят для полетов на Марс. Чем он опасен?

NASA разработает ядерный двигатель для быстрого полета на Марс. Ракеты с ядерными двигателями будут более мощными и вдвое более эффективными, чем с химическими, которые используются сегодня. Рассказываем подробнее о разработке, как быстро она будет передвигаться и чем опасна.

Читайте «Хайтек» в

Что такое ядерный ракетный двигатель?

Ядерный ракетный двигатель (ЯРД) — разновидность ракетного двигателя, которая использует энергию деления или синтеза ядер для создания реактивной тяги.

Традиционный ЯРД в целом представляет собой конструкцию из нагревательной камеры с ядерным реактором как источником тепла, системы подачи рабочего тела и сопла. Рабочее тело (как правило — водород) подается 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.

Существуют различные конструкции ЯРД: твердофазный, жидкофазный и газофазный — соответствующие агрегатному состоянию ядерного топлива в активной зоне реактора — твердое, расплав или высокотемпературный газ (либо даже плазма).

Твердофазный ядерный ракетный двигатель

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.

Наземные демонстраторы технологий ТфЯРД в ХХ веке были созданы и успешно испытаны на стендах (программа NERVA в США, РД-0410 в СССР).

Газофазный ядерный ракетный двигатель

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.

Читать еще:  Вертолет своими руками с двигателем от ваз 2106

Перенос тепла от топлива к теплоносителю достигается в основном за счет излучения, большей частью в ультрафиолетовой области спектра (при температурах топлива около 25 000 °C).

Ядерный импульсный двигатель

Атомные заряды мощностью примерно в килотонну на этапе взлета 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 взлете корабль должен лететь строго вертикально, чтобы минимизировать площадь радиоактивного загрязнения атмосферы.

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.

По проекту «Орион» проводились не только расчеты, но и натурные испытания. Летные 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. Также для исследования прочности тяговой плиты проведены испытания на атолле Эниветок.

Во время ядерных испытаний на этом атолле покрытые графитом стальные сферы были размещены в 9 м от эпицентра взрыва. Сферы после взрыва найдены неповрежденными, тонкий слой графита испарился (аблировал) с их поверхностей.

В СССР аналогичный проект разрабатывался в 1950–1970-х годах. 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 завершен. Реальных испытаний импульсного ЯРД с подрывом ядерных устройств не проводилось.

Ядерная электродвигательная установка

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

Подобная программа в США (проект NERVA) была свернута 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 для патрулирования окололунного и околоземного пространства, также с 2015 года идут работы по проекту Kilopower.

С 2010 года в России начались работы над проектом ядерной электродвигательной установки мегаваттного класса для космических транспортных систем (космический буксир «Нуклон»). На 2021 год ведется отработка макета; к 2025 году планируется создать опытные образцы данной ядерной энергоустановки; заявлена плановая дата летных испытаний космического тягача с ЯЭДУ — 2030 год.

Мощность

По оценкам А. В. Багрова, М. А. Смирнова и С. А. Смирнова, ядерный ракетный двигатель может добраться до Плутона за 2 месяца 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.

Ядерный двигатель опасен?

Основным недостатком является высокая радиационная 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.

Использование открытия российских ученых в гражданском секторе тесно связано с безопасностью ядерной силовой установки. Нужно было обеспечить безопасность его выхлопа.

Защита малогабаритного ядерного двигателя меньше, чем у большего по размерам, поэтому нейтроны будут проникать в «камеру сгорания», тем самым с некоторой вероятностью делая радиоактивным все вокруг.

Азот и кислород имеют радиоактивные изотопы с малым временем полураспада и не опасны. Радиоактивный углерод вещь долгоживущая. Но есть и хорошие новости.

Радиоактивный углерод образуется в верхних слоях атмосферы под действием космических лучей. Но главное, концентрация углекислого газа в сухом воздухе составляет всего 0,02÷0,04%.

Учитывая же, что процент углерода, становящийся радиоактивным, величина еще на несколько порядков меньшая, предварительно можно считать, что выхлоп ядерных двигателей не более опасен, чем выхлоп ТЭЦ, работающей на угле.

Собираются ли использовать ядерный двигатель для новейших полетов в космос?

Да, в начале февраля стало известно, что NASA проведет тестирование новейшего ядерного двигателя для полетов на Марс. Ожидается, что с его помощью можно будет добраться до Красной планеты всего лишь за три месяца.

В последние годы ученые и инженеры NASA и других космических агентств мира активно обсуждают планы по постройке постоянных обитаемых баз на поверхности Луны и Марса.

  • В чем его преимущества?

Главным ключом к обеспечению их автономности и удешевлению постройки специалисты NASA считают технологии трехмерной печати, позволяющие использовать воду и местные ресурсы — почву, горные породы и газы из атмосферы — для постройки зданий базы прямо на месте.

Подобные принтеры, как показывают опыты на борту МКС и на Земле, позволяют напечатать почти все необходимое для жизни колонистов на Марсе, за исключением одного, самой главного компонента базы — источника питания, чья мощность была бы достаточной для обеспечения работы самого 3D-принтера, а также питания и обогрева всей базы.

В рамках подготовки NASA к высадке на Марс в 2035 г. американская компания Ultra Safe Nuclear Technologies (USNT) из Сиэтла предложила свое решение — ядерный тепловой двигатель (NTP)

  • Каким будет ядерный двигатель?

USNT предлагает классическое решение — ядерный двигатель с использованием сжиженного водорода в качестве рабочего тела: ядерный реактор вырабатывает тепло из уранового топлива, эта энергия нагревает жидкий водород, проходящий по теплоносителям, который расширяется в газ и выбрасывается через сопло двигателя, создавая тягу.

Читать еще:  Что будет если залить в двигатель автомобиля яйца

Одна из основных проблем при создании такого типа двигателей — найти урановое топливо, которое может выдерживать резкие колебания температуры внутри двигателя. В USNT утверждают, что решили эту проблему, разработав топливо, которое может работать при температурах до 2 400 градусов Цельсия.

Топливная сборка содержит карбид кремния: этот материал, используемый в слое триструктурально-изотропного покрытия, образует газонепроницаемую преграду, препятствующую утечке радиоактивных продуктов из ядерного реактора, защищая космонавтов.

Кроме того, для защиты экипажа и на случай непредвиденных ситуаций ядерный двигатель не будет использоваться во время старта с Земли — он начнет работу уже на орбите, чтобы минимизировать возможные повреждения в случае аварии или нештатной работы.

Космические двигатели будущего: солнечные паруса и топливо из темной материи

Пока ядерные ракетные двигатели остаются не более чем амбициозными проектами, которые когда-нибудь позволят человечеству исследовать космос. Наравне с ними также существуют еще более дерзкие идеи того, какими могут быть двигатели будущего.

Одна из таких идей, разработка которой уже началась, заключается в создании космических кораблей со световым парусом. В теории такие аппараты смогут долететь до Альфа Центавра за ­20–30 лет. Для этого космический корабль должен двигаться со скоростью от 15% до 20% от скорости света.

Авторы проекта Breakthrough Starshot сперва собираются запустить небольшие зонды со световыми парусами. С Земли на них направят мощные лазеры, каждый парус размером 4х4 м будет получать луч с энергией в 1 тераджоуль. Лазеры направят зонды в систему Альфа Центавра и разгонят их до необходимой скорости.

Если идея с солнечными парусами может еще хоть как-то сойти за реальный научный проект, то остальные планы скорее похожи на фантастику.

Некоторые физики-тео­ретики предполагают, что существует возможность создать топливо из антивещества. Как известно, вещество и антивещество самоуничтожаются, когда сталкиваются друг с другом, именно этот процесс аннигиляции и хотят использовать в ракетах. Вместо того чтобы использовать химическое или даже ядерное топливо, где только часть массы, поступающей на борт, преобразуется в энергию, аннигиляция вещества-антивещества преобразует 100% массы в энергию. Для топлива это предельная эффективность.

Еще более сумасшедшей идеей кажется двигатель, работающий на гипотетически существующей темной материи. Согласно теории, темной материи крайне много во Вселенной. И если ученые найдут способ собирать ее и превращать частицы темной материи в энергию, то у человечества появится источник энергии с высокой эффективностью и в неограниченных количествах.

Преимущество заключается в том, что в галактике темная материя находится буквально повсюду, а это означает, что не нужно будет брать с собой топливо.

Внедрение подобных технологий открыло бы одну из самых впечатляющих перспектив из всех: возможность достичь любого места во Вселенной. Если человечество ограничится сегодняшними ракетными технологиями, то потребуются как минимум десятки тысяч лет, чтобы совершить путешествие от Земли до ближайшей звездной системы за пределами Солнечной.

Как работает ядерный двигатель?

О том, как работает ядерный двигатель, вкратце рассказало издание CNN. Сперва ядерный реактор вырабатывает тепло из уранового топлива. Затем полученная тепловая энергия нагревает жидкое топливо, роль которого обычно играет жидкий водород. Топливо расширяется в газ и выбрасывается из сопла, создавая тягу. Ядерный двигатель производит вдвое большую тягу на единицу топлива, чем двигатели на основе химических процессов.

Впервые об использовании ядерных двигателей в космосе задумались в XX веке

Но чтобы использовать ядерный двигатель в космосе, нужно найти урановое топливо, которое способно выдерживать высокие температуры внутри двигателя. Компания USNC-Tech уверяет, что разработало топливо, которое может работает даже при 4400 градусах Цельсия. Оно содержит карбид кремния, который часто используется в качестве покрытия для элементов ядерного топлива в реакторах с высокими температурами.

Примерно так будет выглядеть производство ракетных двигателей USNC-Tech

Евробот на Красной планете

У нас немало конкурентов не только в США, но и в Евросоюзе. На юге Испании, в районе реки Тинто, проходит испытание новая техника для полётов на Марс. Испытательная площадка расположена в районе бывших карьеров. Руководитель экспедиции профессор Роберт Грумер из Инсбрукского университета (Австрия) объясняет: «Эта местность полна минерала, который называют ярозит. Это именно то, что мы и ожидаем встретить на Марсе».

Сегодня тут испытывают австрийский тренажёр скафандра Aouda X. Ещё тест на красной скалистой местности проходит голландский робот Евробот.

Мы не отстаём от ЕС: у нас на Земле уже работает «марсианский челнок».

НАСА: проложить путь людям на Марс может лишь ракета с ядерным реактором

На днях на Хабре публиковалась статья о сложностях высадки марсохода на поверхность Красной планеты. Если кратко, то рассчитать и реализовать эту высадку — чудовищно сложно. Еще сложнее организовать доставку на Марс людей — колонистов или космонатов-исследователей. Но если говорить о регулярном сообщении с Красной планетой, то проблема выходит на новый уровень.

Основная проблема — в отсутствии надежного транспортного средства. Сейчас идет подготовка ракеты и корабля от SpaceX, но до реального полета на Марс может пройти (и скорее всего, пройдет) несколько лет. Причем реактивная тяга такой ракеты образуется в результате сжигания жидкого топлива. А по мнению НАСА, ракеты на жидком топливе — не самый эффективный вид транспорта, нужны ядерные системы.

Топливо для ракет очень дорогое, а по словам представителей НАСА, для полета на Марс понадобится от 1000 до 4000 тонн топлива. Это несколько миллиардов долларов США за пуск (хотя, помнится, Маск говорил, что топливо — это всего 5% стоимости всего пуска). Правда, все сказанное относится к ракете самого агентства, которая называется Space Launch System. Она разрабатывается уже много лет, и пока что свет в конце туннеля этого проекта не появился.

Читать еще:  Что можно сделать из двигателя от пылесоса циклон

Тем не менее, расчеты по полету на Марс с использованием сверхтяжелой ракеты-носителя SLS у НАСА есть. И эти расчеты показывают, что один пуск обойдется в $2 млрд. И это вроде только стоимость топлива. 10 пусков, которые нужны для отправки достаточного для основания небольшой станции полезного груза, обойдутся в $20 млрд.

По мнению представителей НАСА, более эффективный способ запуска — это ядерные ракеты.

Космический транспорт на ядерной тяге

Специалисты агентства подготовили отчет, в котором говорится, что для реализации миссии по отправке человека на Марс в 2039 году требуется именно ядерный транспорт.

«Один из ключевых моментов путешествия на Марс в том, что если мы хотим отправлять людей регулярно, то наиболее удобный путь — это как раз ракеты на ядерной тяге», — заявил Бобби Браун, представитель Jet Propulsion Laboratory.

К сожалению, в отчете не указывается конкретная технология — авторов документа и не просили это делать. В общих чертах описано, что есть два варианта — ядерная тепловая силовая установка и ядерная электродвигательная силовая установка. НАСА, насколько можно понять, отдает предпочтение первому варианту.

Ядерная система требует гораздо меньше топлива — около 500 тонн вместо 4000, уже упоминавшихся выше. Если говорить об эксплуатации такой системы, то, по мнению агентства, расходы будут ниже, чем в случае эксплуатации топливной ракеты.

И что теперь?

В отчете говорится, что если НАСА планирует использовать ракеты на ядерной тяге через 10-15 лет, то разработку соответствующих технологий нужно начинать уже сейчас. Все это несколько странно, поскольку ранее агентство очень активно продвигало идею полетов на SLS. Сейчас эту ракету-носитель предлагается использовать для полетов на Луну.

Самое интересное в проекте то, что средства на него НАСА не запрашивала, но Конгресс США все равно выделил средства. Причем в этом году агентство получило сразу $110 млн именно на исследование возможностей ядерных систем запуска.

Если НАСА решит все же развивать это направление и дальше, то средств понадобится еще больше. Тем не менее, агентство считает, что справится со всеми проблемами. «Это технологический проект, для работы над которыми и было создано НАСА, так что вся страна ждет от нас результатов», — заявил Браун.

А что Starship?

Несмотря на проблемы, топливная ракета-носитель Starship, разрабатываемая SpaceX, постепенно эволюционирует. Результаты испытаний дают надежду на то, что в течение нескольких лет ракета сможет отправить людей и оборудование на Марс.

Да, топлива понадобится много, но если рейсы станут регулярными, то компания Маска планирует создать нечто вроде промежуточной заправочной станции на низкой орбите Земли. Другие ракеты-носители станут доставлять в определенные точки горючее, которым заправят уже ракеты, отправляющиеся на Марс.

Представители НАСА при этом считают, что у проекта Маска есть все шансы на реализацию, так что два параллельных сценария полета на Красную планету — это хорошо.

Реальна ли ядерная ракета в ближайшем обозримом будущем?

Честно говоря, вряд ли. Скорее всего, этот отчет — просто чисто теоретическое изыскание, которое не получит продолжения, по крайней мере, сейчас. Дело в том, что даже с отработанной технологией двигателей на жидком топливе у НАСА проблемы.

Та же ракета-носитель SLS уже давно вызывает вопросы не только у обычных людей, но и у правительства США. Проект стоит огромную кучу денег, на проект SLS НАСА тратит в год примерно столько, сколько хватило бы на 15-20 пусков Falcon Heavy. Эта ракета отъедает весьма изрядную долю бюджета агентства, речь идет о миллиардах и миллиардах долларов.

В 2018 году НАСА попыталось рассказать о том, насколько полезной будет эта ракета. Дескать, она может выводить на орбиту «цельные грузы большой массы» за раз. Другие ракеты вроде бы так делать не могут. И все бы хорошо, но это просто слова, поскольку плана эксплуатации SLS пока нет — просто потому, что и такие вот «цельные» грузы пока выводить на орбиту не требуется.

И, повторимся, речь идет о технологии, которой уже несколько десятков лет. Да, конечно, сверхтяжелая ракета отличается от всего того, что использовало НАСА ранее, но разница не кардинальная.

А в случае ядерных ракет мы говорим о совершенно новых технологиях, которые разрабатывались ранее лишь в порядке чисто теоретических проектов. Проблемой будет даже создание относительно небольшой ракеты на ядерной тяге для полетов на орбиту. Сложно представить, сколько средств, ресурсов и времени понадобится для того, чтобы с нуля создать огромную ракету с ядерным реактором для полета на Марс. $110 млн, которые получило НАСА на проработку этого направления — просто капля в море. Полный бюджет проекта будет таким, что не то, что у НАСА, у всей страны денег не хватит.

И нельзя забывать о временных рамках — та же SLS разрабатывается много лет, сроки постоянно срываются, переносятся и т.п. И до сих пор ракета никуда полететь не может — буквально месяц назад SLS тестировали, проводя огневые испытания, но те прошли неудачно. Спустя минуту двигатели отключились из-за отказа одного из них.

Так что ядерные ракеты пока так и останутся красивой теорией. А если у Маска все пройдет хорошо, и его проект по полету на Марс будет реализован, то и необходимости в «ядерных полетах», скорее всего, уже не будет.

Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector