При старте с поверхности Земли космическому кораблю надо решить сразу четыре задачи (ограничения по задаче №3 для пилотируемого и непилотируемого старта различны, хотя для вывода людей на околоземную орбиту они, в общем-то, гораздо строже).
Вот суть этих четырёх ограничений:1) обеспечить достаточную тягу основных двигателей ракеты, для того, чтобы она хотя бы оторвалась от Земли и поборола постоянно действующую на него гравитационную помеху;
2) не разрушить конструкцию ракеты интенсивным трением о нижние слои земной атмосферы;
3) не угробить экипаж ракеты или груз чрезмерным начальным ускорением, которое позволяет хоть как-то минимизировать время действия на ракету гравитационной и атмосферной помехи;
4) ну и хоть как-то обеспечить минимально возможный расход реактивной массы на решение задач по пунктам 1-3.
Гравитационный колодец Земли
Из существующих и доведенных до сколь-либо вменяемого технического и инженерного состояния систем этим условиям соответствуют ракеты на химическом топливе, в которых горючее и окислитель в рамках химической реакции реально «сгорают», обеспечивая резкое повышение температуры в камере сгорания ракетного двигателя и столь же катастрофическое расширение образовавшихся в результате химической реакции продуктов сгорания.
Поскольку камера сгорания открыта в ракетном двигателе в сторону сопла, дальше процесс уже понятен: расширяющиеся нагретые газы, ведомые градиентом давления, попадают в сопло ракетного двигателя и с помощью специально подобранной формы стенок ракетного сопла — формируют реактивную струю, которая и движет ракету в направлении, противоположном установленным соплам.
При этом, в общем-то источник нагрева реактивной массы, которым в обычных, привычных нам ракетах высвобождающаяся химическая энергия горючего и окислителя, в целом для концепции реактивного (и его частного случая — ракетного двигателя) совершенно не важен.
Нам лишь надо каким-то удобным для нас способом передать свободную энергию реактивной массе, а потом превратить её из теплового движения молекул реактивной массы в упорядоченное, кинетическое движение.
При этом, в общем-то, совершенно непринципиально, чем вы нагрели реактивную массу — сжиганием керосина в кислороде или же простым нагревом совершенно инертного гелия, например, в активной зоне ядерного реактора.
Именно по такому пути попробовали пойти в 1960-х годах американцы, когда они просто взяли — и стали устанавливать в основание реактивного сопла ракетного двигателя небольшой ядерный реактор.
Линейка американских ядерных ракетных двигателей — от первого «Киви А» и до предпоследнего, «Феб-2», вскорости после успешного пуска которого программа NERVA и была фактически закрыта.
Американская программа создания ядерного ракетного двигателя (ЯРД) продолжалась с 1952 по 1972 год, успев достичь за 20 лет впечатляющих результатов.
Первые двигатели данной программы, служившие скорее испытательными стендами, не могли бы оторвать от Земли даже свою собственную конструкцию — так, экспериментальный ЯРД «Киви А», развивавший тягу около 2 тонн, весил в сборе более 10 тонн только сам, без веса трубопроводов и бака реактивной массы, которой в случае американских ЯРД выступал жидкий водород.
А вот последние двигатели программы NERVA, в частности, показанный на рисунке «Феб-2» имел соотношение реактивной тяги двигателя (T) к его массе (W) в пределе от 3 до 4, то есть — при определённых условиях эти двигатели даже можно было рассматривать для стартакосмического аппарата с поверхности Земли.
Сухая масса стендового образца «Феба-2» составляла 34 тонны, полностью заправленный топливом он весил 178 тонн.
При этом реактивная струя нагретого водорода вырывалась из двигателя при температуре от 2000 до 3000 °C, а сам двигатель вырабатывал в этот момент тепловую мощность до 5 гигаватт (что соответствует тепловой мощности такого немаленького реактора, как ВВЭР-1000).
Удельный импульс двигателя «Феб-2» составил около 850 секунд, что почти что вдвое превышало удельный импульс лучших ЖРД на паре кислород-водород, которые могли похвастаться удельным импульсом в районе 450 секунд.
То есть, при прочих равных условиях, ракета с ЯРД затрачивала бы на то же самое приращение скорости вдвое меньше топлива, нежели ракета с ЖРД!
Например, замена кислородно-водородного ЖРД J-2 на третьей ступени лунной ракеты «Сатурн-V» позволяля бы легко поднять полезную нагрузку на НОО для этой ракеты до цифры в 154 тонны, вместо 118 тонн у стандартного «Сатурна-V»!
И, для поддержания ситуации «луносрача», подчеркну, что рабочий экземпляр «Феба-2», при минимальной доводке и модификации способный заменить J-2 на третьей ступени «Сатурна-V», был готов и испытан уже в 1967 году.
В общем, если хотите написать эпик на тему «а власти-то скрывают» — копайте в сторону проекта NERVA и его скоропалительного закрытия уже в 1972 году.
Вот достаточно обстоятельный американский ролик, который повествует о шагах американской программы разработки ЯРД по состоянию на момент пика её успехов, в районе 1968 года:
А вот похожий ролик, который рассказывает в той же стилистике и о программе создания ЯРД в СССР:
Как видите — многие идеи конструкции ЯРД были похожими у США и СССР, что и неудивительно — сходство поставленных задач определяло и сходство технических и функциональных решений.
Советский проект твердотельного ЯРД был гораздо более скромным, нежели американская программа NERVA и включал в себя только одну реализованную «в уране и в бериллии» модель — экспериментальный ЯРД РД-0410.
Мощность советского РД-0410 тоже была небольшой — реактор развивал тепловую мощность «всего лишь» в 196 МВт.
Но вот его массово-габаритное совершенство было уникальным — в такой микроскопический по меркам «Киви», а тем более — «Феба» объём советские инженеры смогли уложить всё то, что американцы смогли сделать лишь на двигателе, в десятки раз более мощном и крупном.
При этом ресурс РД-0410, подтверждённый испытаниями на Семипалатинском ядерном полигоне, проведенными на полной мощности, составил более 4000 секунд (около 70 минут), что превосходило лучшие достижения американцев с графитовыми зонами своих ЯРД более, чем втрое.
Кроме того, высокий удельный импульс советского ЯРД обуславливался тем, что, в отличии от американцев, которые на «Фебе-2» не рисковали постоянно держать температуру в 3000 °C, предпочитая более комфортные условия 2000-2500 °C, советский двигатель по-честному отработал на 3000 °C все 4000 секунд (у американцев подъём температуры на их ЯРД постоянно сопровождался частичным разрушением активной зоны, что и обуславливало низкий удельный импульс их прототипов).
Важно также отметить, что испытания советского ЯРД, в отличии от длительных доводок американских двигателей по программе NERVA, которые даже в конце испытаний продолжали страдать от выноса радиоактивных элементов в реактивную струю двигателя, показали полное отсутствие радиоактивных продуктов из активной зоны реактора в реактивной струе ЯРД.
То есть — выхлоп советского ЯРД был ещё и предельно «чистым».
В общем, если резюмировать в целом тему твердотельных ЯРД, которую независимо друг от друга вели СССР и США по обе стороны «железного занавеса» — то получится, что США показал, что можно создавать двигатели мощные и обладающие соотношением T/W в пределе от 3 до 4, а СССР эти двигатели ещё и заставил работать с уникально большим удельным импульсом и на гораздо более высоких температурах.
Источник: alex-anpilogov и
http://universe-tss.su/
Дополнение от PL(
http://universe-tss.su/user/pl/):
В первой половине 1960-х годов советские инженеры рассматривали экспедицию на Марс как логичное продолжение разворачиваемой в то время программы полета человека на Луну. На волне воодушевления, вызванного приоритетом СССР в космосе, даже такие чрезвычайно сложные проблемы оценивались с повышенным оптимизмом.Одной из самых главных проблем была (и остается по сей день) проблема энергодвигательного обеспечения. Было ясно, что ЖРД, даже перспективные кислородно-водородные, если и могут в принципе обеспечить пилотируемый полет на Марс, то только при огромных стартовых массах межпланетного комплекса, с большим количеством стыковок отдельных блоков на монтажной околоземной орбите.В поисках оптимальных решений ученые и инженеры обратились к ядерной энергии, постепенно присматриваясь к этой проблеме.В СССР исследования по проблемам использования энергии ядра в ракетно-космической технике начались во второй половине 50-х годов, еще до запуска первых ИСЗ. В нескольких научно-исследовательских институтах возникли небольшие группы энтузиастов, поставивших целью создание ракетных и космических ядерных двигателей и энергоустановок.Конструкторы ОКБ-11 С.П.Королева совместно со специалистами НИИ-12 под руководством В.Я.Лихушина рассматривали несколько вариантов космических и боевых (!) ракет, оснащенных ядерными ракетными двигателями (ЯРД). В качестве рабочего тела оценивались вода и сжиженные газы – водород, аммиак и метан.Перспектива была многообещающей; постепенно работы нашли понимание и финансовое обеспечение в правительстве СССР.Уже самый первый анализ показал, что среди множества возможных схем космических ядерных энергодвигательных установок (ЯЭДУ) наибольшие перспективы имеют три:
• с твердофазным ядерным реактором;• с газофазным ядерным реактором;• электроядерные ракетные ЭДУ.Схемы отличались принципиально; по каждой из них наметили несколько вариантов для развертывания теоретических и экспериментальных работ.Наиболее близким к реализации представлялся твердофазный ЯРД. Стимулом к развертыванию работ в этом направлении послужили аналогичные разработки, проводившиеся в США с 1955 г. по программе ROVER, а также перспективы (как тогда казалось) создания отечественного межконтинентального пилотируемого самолета-бомбардировщика с ЯЭДУ.Твердофазный ЯРД работает как прямоточный двигатель. Жидкий водород поступает в сопловую часть, охлаждает корпус реактора, тепловыделяющие сборки (ТВС), замедлитель, а далее разворачивается и попадает внутрь ТВС, где нагревается до 3000 К и выбрасывается в сопло, ускоряясь до высоких скоростей.Принципы работы ЯРД не вызывали сомнений. Однако конструктивное выполнение (и характеристики) его во многом зависели от «сердца» двигателя – ядерного реактора и определялись, прежде всего, его «начинкой» – активной зоной.Разработчики первых американских (и советских) ЯРД стояли за гомогенный реактор с графитовой активной зоной. Несколько особняком шли работы поисковой группы по новым видам высокотемпературного топлива, созданной в 1958 г. в лаборатории №21 (руководитель – Г.А.Меерсон) НИИ-93 (директор – А.А.Бочвар). Под влиянием развернутых в то время работ по реактору для самолета (соты из оксида бериллия) в группе предприняли попытки (опять же поисковые) получить материалы на основе карбида кремния и циркония, стойкие к окислению.По воспоминаниям Р.Б.Котельникова, сотрудника НИИ-9, весной 1958 г. у руководителя лаборатории №21 состоялась встреча с представителем НИИ-1 В.Н.Богиным. Он рассказал, что в качестве основного материала для тепловыделяющих элементов (твэлов) реактора в их институте (кстати, в то время головном в ракетной отрасли; начальник института В.Я.Лихушин, научный руководитель М.В.Келдыш, начальник лаборатории В.М.Иевлев) применяют графит. В частности, уже научились наносить на образцы покрытия для защиты от водорода. Со стороны НИИ-9 было предложено рассмотреть возможность применения карбидов UC-ZrC как основы твэлов.Спустя короткое время появился еще один заказчик на твэлы – ОКБ М.М.Бондарюка, которое идейно конкурировало с НИИ-1. Если последний стоял за многоканальную цельноблочную конструкцию, то ОКБ М.М.Бондарюка взяло курс на разборный пластинчатый вариант, ориентируясь на легкость механообработки графита и не смущаясь сложностью деталей – пластин миллиметровой толщины с такими же ребрышками. Карбиды обрабатываются гораздо сложнее; в то время из них невозможно было изготовить такие детали, как многоканальные блоки и пластины. Стала ясна необходимость создания какой-то иной конструкции, соответствующей специфике карбидов.В конце 1959 г. – начале 1960 г. было найдено решающее условие для твэлов ЯРД – стержневой тип сердечника, удовлетворяющий заказчиков – НИИ Лихушина и ОКБ Бондарюка. Как основную для них обосновали схему гетерогенного реактора на тепловых нейтронах; ее основные достоинства (по сравнению с альтернативным гомогенным графитовым реактором) таковы:
• возможно использовать низкотемпературный водородосодержащий замедлитель, что позволяет создать ЯРД с высоким массовым совершенством;• возможно разработать малоразмерный прототип ЯРД тягой порядка 30…50 кН с высокой степенью преемственности для двигателей и ЯЭДУ следующего поколения;• возможно широко применять в твэлах и других деталях конструкции реактора тугоплавкие карбиды, что позволяет максимально увеличить температуру нагрева рабочего тела и обеспечить повышенный удельный импульс;• возможно поэлементно автономно отработать основные узлы и системы ЯРД (ЯЭДУ), такие как тепловыделяющие сборки, замедлитель, отражатель, турбонасосный агрегат (ТНА), систему управления, сопло и др.; это позволяет проводить отработку параллельно, сокращая объем дорогостоящих комплексных испытаний энергоустановки в целом.
Примерно в 1962–1963 гг. работы по проблеме ЯРД возглавил НИИ-1, имеющий мощную экспериментальную базу и прекрасные кадры. Им не хватало только технологии по урану, а также ядерщиков. С привлечением НИИ-9, а потом и ФЭИ сложилась кооперация, которая взяла за идеологию создание минимального по тяге (около 3.6 тс), но «настоящего» летнего двигателя с «прямоточным» реактором ИР-100 (испытательный или исследовательский, мощностью 100 МВт, главный конструктор – Ю.А.Трескин). Поддержанный постановлениями правительства, НИИ-1 строил электродуговые стенды, неизменно поражавшие воображение – десятки баллонов по 6–8 м высоты, громадные горизонтальные камеры мощностью свыше 80 кВт, броневые стекла в боксах. Участников совещаний вдохновляли красочные плакаты со схемами полетов к Луне, Марсу и т.д. Предполагалось, что в процессе создания и испытаний ЯРД будут решены вопросы конструкторского, технологического, физического плана.По мнению Р.Котельникова, дело, к сожалению, осложнялось не очень ясной позицией ракетчиков. Министерство общего машиностроения (МОМ) с большими трудностями финансировало программу испытаний и строительство стендовой базы. Казалось, что МОМ не имеет желания или возможностей продвигать программу ЯРД.Характеристики двигателя РД-0410Тяга в вакууме 35.28 кНРабочее тело смесь водорода и гексанаУдельный импульс 9000 м/сСредняя температура на входе в сопло 3000 КВремя работы 3600 сКоличество включений 10Масса с радиационной защитой и адаптером 2000 кгТепловая мощность реактора 196 МВтК концу 1960-х годов поддержка конкурентов НИИ-1 – ИАЭ, ПНИТИ и НИИ-8 – была значительно серьезнее. Министерство среднего машиностроения («атомщики») активно поддерживало их разработку; «петлевой» реактор ИВГ (с активной зоной и сборками центрального канала стержневого типа разработки НИИ-9) в итоге к началу 70-х годов вышел на первый план; в нем начались испытания ТВС.Сейчас, спустя 30 лет, представляется, что линия ИАЭ была более правильной: сначала – надежная «земная» петля – отработка твэлов и сборок, а потом создание летного ЯРД нужной мощности. Но тогда казалось, что можно очень быстро сделать настоящий двигатель, пусть маленький… Однако, поскольку жизнь показала, что объективной (или даже субъективной) потребности в таком двигателе не было (к этому можно еще прибавить, что серьезность негативных моментов этого направления, например международных соглашений о ядерных устройствах в космосе, поначалу сильно недооценивалась), то соответственно более правильной и продуктивной оказалась фундаментальная программа, цели которой не были узкими и конкретными.1 июля 1965 г. был рассмотрен эскизный проект реактора ИР-20-100. Кульминацией стал выпуск техпроекта тепловыделяющих сборок ИР-100 (1967 г.), состоящих из 100 стержней (UC-ZrC-NbC и UC-ZrC-C для входных секций и UC-ZrC-NbC для выходной). НИИ-9 был готов к выпуску крупной партии стержневых элементов будущей активной зоны ИР-100. Проект был весьма прогрессивен: спустя примерно 10 лет практически без существенных изменений он был использован в зоне аппарата 11Б91, и даже сейчас все основные решения сохраняются в сборках подобных реакторов другого назначения, уже совсем с другой степенью расчетного и экспериментального обоснования.«Ракетная» часть первого отечественного ядерного РД-0410 была разработана в воронежском Конструкторском бюро химической автоматики (КБХА), «реакторная» (нейтронный реактор и вопросы радиационной безопасности) – Институтом физики и энергии (Обнинск) и Курчатовским институтом атомной энергии.КБХА известно своими работами в области ЖРД для баллистических ракет, КА и РН. Здесь было разработано около 60 образцов, 30 из которых доведено до серийного производства. В КБХА к 1986 г. был создан и самый мощный в стране однокамерный кислородно-водородный двигатель РД-0120 тягой 200 тс, использованный в качестве маршевого на второй ступени комплекса «Энергия-Буран». Ядерный РД-0410 создавался совместно со многими оборонными предприятиями, КБ и НИИ.Согласно принятой концепции, жидкие водород и гексан (ингибирующая присадка, снижающая наводораживание карбидов и увеличивающая ресурс твэлов) подавались с помощью ТНА в гетерогенный реактор на тепловых нейтронах с ТВС, окруженными замедлителем из гидрида циркония. Их оболочки охлаждались водородом. Отражатель имел приводы для поворота поглотительных элементов (цилиндров из карбида бора). ТНА включал трехступенчатый центробежный насос и одноступенчатую осевую турбину. За пять лет, с 1966 по 1971 гг., были созданы основы технологии реакторов-двигателей, а еще через несколько лет была введена в действие мощная экспериментальная база под названием «экспедиция №10», впоследствии опытная экспедиция НПО «Луч» на Семипалатинском ядерном полигоне.Особые трудности встретились при испытаниях. Обычные стенды для запуска полномасштабного ЯРД использовать было невозможно из-за радиации. Испытания реактора решили проводить на атомном полигоне в Семипалатинске, а «ракетной части» – в НИИхиммаш (Загорск, ныне Сергиев Посад).Для изучения внутрикамерных процессов было выполнено более 250 испытаний на 30 «холодных двигателях» (без реактора). В качестве модельного нагревательного элемента использовалась камера сгорания кислородно-водородного ЖРД 11Д56 разработки КБхиммаш (главный конструктор – А.М.Исаев). Максимальное время наработки составило 13 тыс сек при объявленном ресурсе в 3600 сек.Для испытаний реактора на Семипалатинском полигоне были построены две специальные шахты с подземными служебными помещениями. Одна из шахт соединялась с подземным резервуаром для сжатого газообразного водорода. От использования жидкого водорода отказались из финансовых соображений.В 1976 г. был проведен первый энергетический пуск реактора ИВГ-1. Параллельно в ОЭ создавался стенд для испытания «двигательного» варианта реактора ИР-100, и через несколько лет были проведены его испытания на разной мощности (один из ИР-100 впоследствии был переоборудован в материаловедческий исследовательский реактор малой мощности, который работает до сих пор).Перед экспериментальным запуском реактор опускался в шахту с помощью установленного на поверхности козлового крана. После запуска реактора водород поступал снизу в «котел», раскалялся до 3000 К и огненной струей вырывался из шахты наружу. Несмотря на незначительную радиоактивность истекающих газов, в течение суток находиться снаружи в радиусе полутора километров от места испытаний не разрешалось. К самой же шахте нельзя было подходить в течение месяца. Полуторакилометровый подземный тоннель вел из безопасной зоны сначала к одному бункеру, а из него – к другому, находящемуся возле шахт. По этим своеобразным «коридорам» и передвигались специалисты.Результаты экспериментов, проведенных с реактором в 1978– 1981 гг., подтвердили правильность конструктивных решений. В принципе ЯРД был создан. Оставалось соединить две части и провести комплексные испытания.Каких же основных успехов достигли разработчики, создавая ЯРД схемы «А»?Проведено более полутора десятков натурных испытаний на реакторе ИВГ-1, и получены следующие результаты: максимальная температура водорода – 3100 К, удельный импульс – 925 сек, удельное тепловыделение до 10 МВт/л, общий ресурс более 4000 сек при последовательных 10 включениях реактора. Эти итоги значительно превосходят американские достижения на графитовых зонах.Следует заметить, что за все время испытаний ЯРД, несмотря на открытый выхлоп, выход радиоактивных осколков деления не превышал допустимых норм ни на полигоне, ни за его пределами и не был зарегистрирован на территории сопредельных государств.Важнейшим результатом работы явилось создание отечественной технологии таких реакторов, получение новых тугоплавких материалов, а факт создания реактора-двигателя породил ряд новых проектов и идей.Хотя дальнейшее развитие таких ЯРД было приостановлено, полученные достижения являются уникальными не только в нашей стране, но и в мире. Это неоднократно подтверждено в последние годы на международных симпозиумах по космической энергетике, а также на встречах отечественных и американских специалистов (на последних было признано, что реактор-стенд ИВГ – единственный на сегодня в мире работоспособный испытательный аппарат, который может сыграть важную роль в экспериментальной отработке ТВС и атомных ЭДУ).
My Webpage
cosmos.mirtesen.ru
Еще в начале 1960-х годов конструкторы рассматривали ядерные ракетные двигатели как единственную реальную альтернативу для путешествия к другим планетам Солнечной системы.
Конструктивная схема ЯРД с реактором ИРГИТ
Поперечное сечение тепловыделяющей сборки из витых стержней
Первенцы эпохи ядерных планетолетов. В конце 1950-х годов и в США, и в СССР начались активные разработки ядерных ракетных двигателей, которые должны были в недалеком будущем, как писалось в одной из американских статей, «открыть единственно возможный в настоящее время путь к осуществлению межпланетных полетов в Солнечной системе». Первым из американских экспериментальных реакторов для ЯРД стал KIWI-A, разработанный в Лос-Аламосе в 1958 году
А это — уже не просто реактор, а первый отечественный ЯРД РД-0410, ракетная часть которого разработана Воронежским КБ Химавтоматики, а реакторная — Институтом физики и энергии (Обнинск) и Курчатовским институтом атомной энергии
Схема газофазного полостного ядерного реактора: 1. отражатель-замедлитель, 2. зона газообразного движущегося вещества, 3. зона протока рабочего тела, 4. подпитка убыли делящегося вещества, 5. подача рабочего тела
Схема ЯРД с центробежным удержанием ядерного топлива. Подобные экзотические схемы позволяют добиться высочайших характеристик. Например, реактор с псевдоожиженным слоем топлива (сверху) имеет расчетный удельный импульс более 1000 с и температуру рабочего тела 3 500 градусов, а в газофазном реакторе (слева) урановая плазма разогревает рабочее тело до фантастических 10 000 градусов и удельного импульса в 5000 секунд
Мы живем на дне гравитационного колодца. Популярные книги про общую теорию относительности часто описывают пространство как тонкую резиновую пленку, весьма слабо натянутую. Звезды или планеты представляются шариками, положенными на эту пленку и сильно ее прогибающими. Такой прогиб и называют «гравитационным колодцем», хотя он больше похож на воронку.
Наш колодец очень глубок. Это необходимо, чтобы на Земле могла существовать жизнь: иначе наша планета растеряла бы кислород, которым мы дышим, а еще быстрее — воду, из которой все живое состоит больше чем наполовину. Ведь скорости молекул воздуха распределены по закону Максвелла, а значит, есть такие, чья скорость в четыре, шесть, даже в десять раз больше средней. Вот только число их стремительно падает с увеличением скорости. Но молекул со скоростью вчетверо больше средней еще достаточно много, поэтому водород и гелий в атмосфере Земли не удерживаются, а улетают в межпланетное пространство — как крошечные искусственные спутники. Потому что чем меньше молекулярный вес, тем большую скорость имеют молекулы при той же температуре, а у водорода и гелия — самые-самые легкие молекулы. Масса молекулы водорода из двух атомов — 2 а.е., а одноатомного гелия — 4 а.е.
Но когда такие же молекулы вылетают из сопла ракетного двигателя, в формулу тяги входит их средняя скорость. А ее можно поднять, только повышая температуру в камере сгорания. Молекулярную массу снизить можно, подбирая состав топлива для ракетного двигателя, но выбор тут крайне невелик. Лучшее горючее, каким мы располагаем, — это водород, а лучшие окислители — фтор и кислород. В результате реакции получается либо плавиковая кислота HF, либо обычная вода h3O. Молекулярная масса воды 18, а плавиковой кислоты — 19. Это в девять раз больше массы молекулы водорода, а значит, при той же температуре скорость будет в три раза меньше — в формуле энергии скорость в квадрате, помните, mv2/2? Соответственно, при той же температуре нагрева для создания той же тяги воды надо в три раза больше по массе, чем водорода.
Поэтому оказывается выгодным в камеру ЖРД водорода закачать побольше, чтобы он сгорел не весь, а остаток смешался с водяным паром и снизил среднюю молекулярную массу выхлопа, при этом температура упадет, но скорость в оптимуме получается в полтора раза больше. Примерно так и работают все кислородно-водородные ракетные двигатели. Они самые эффективные среди всех химических ракетных двигателей. Но и их эффективности не хватает, чтобы одноступенчатая ракета могла вывести на орбиту сколько-нибудь заметную полезную нагрузку.
Чтобы получить еще большую эффективность, нужно иметь выхлоп из чистого водорода, но как его нагреть до нужной температуры? В конце 1950-х — начале 1960-х годов ответ на этот вопрос казался очевидным — конечно, ядерной энергией! То есть надо создать ядерный ракетный двигатель. По расчетам получалось, что он будет вдвое экономичнее лучшего кислород-водородного! Такой аппарат вполне мог бы взлететь с Земли и выйти на орбиту, не сбрасывая отработанные ступени.
Соревнование между СССР и США, в том числе и в космосе, шло в это время полным ходом, инженеры и ученые вступили в гонку по созданию ЯРД, военные тоже поддержали вначале проект ядерного ракетного двигателя. Поначалу задача казалась очень простой — нужно только сделать реактор, рассчитанный на охлаждение водородом, а не водой, пристроить к нему сопло, и — вперед, к Марсу! Американцы собирались на Марс лет через десять после Луны и не могли даже помыслить о том, что астронавты когда-нибудь его достигнут без ядерных двигателей.
Американцы очень быстро построили первый реактор-прототип и уже в июле 1959 года провели его испытания (они назывались KIWI-A). Эти испытания всего лишь показали, что реактор можно использовать для нагрева водорода. Конструкция реактора — с незащищенным топливом из оксида урана — не годилась для высоких температур, и водород нагревался всего до полутора тысяч градусов.
По мере накопления опыта конструкция реакторов для ядерного ракетного двигателя — ЯРД — усложнялась. Оксид урана был заменен на более термостойкий карбид, вдобавок его стали покрывать карбидом ниобия, но при попытках достигнуть проектной температуры реактор начинал разрушаться. Больше того, даже при отсутствии макроскопических разрушений происходила диффузия уранового топлива в охлаждающий водород, и потеря массы достигала 20% за пять часов работы реактора. Так и не был найден материал, способный работать при 2700−30000С и противостоять разрушению горячим водородом.
Поэтому американцы приняли решение пожертвовать эффективностью и в проект летного двигателя заложили удельный импульс (тяга в килограммах силы, достигаемая при ежесекундном выбросе одного килограмма массы рабочего тела; единица измерений — секунда). 860 секунд. Это вдвое превышало соответствующий показатель кислород-водородных двигателей того времени. Но когда у американцев стало что-то получаться, интерес к пилотируемым полетам уже упал, программа «Аполлон» была свернута, а в 1973 году окончательно закрыли проект «NERVA» (так назвали двигатель для пилотируемой экспедиции на Марс). Выиграв лунную гонку, американцы не захотели устраивать марсианскую.
Но уроки, извлеченные из десятка построенных реакторов и нескольких десятков проведенных испытаний, состояли в том, что американские инженеры слишком увлеклись натурными ядерными испытаниями, вместо того чтобы отрабатывать ключевые элементы без вовлечения ядерной технологии там, где этого можно избежать. А где нельзя — использовать стенды меньшего размера. Американцы почти все реакторы «гоняли» на полной мощности, но не смогли добраться до проектной температуры водорода — реактор начинал разрушаться раньше. Всего с 1955 по 1972 годы на программу ядерных ракетных двигателей было потрачено $1,4 млрд. — примерно 5% стоимости лунной программы.
Для СССР в те годы это была чрезмерная сумма. Конечно, пока военные поддерживали проект ядерной ракеты, финансирование шло в достаточных объемах. Но уже к 1961 году стало ясно, что задача доставки ядерной боеголовки куда угодно решается и с обычными химическими двигателями, а межпланетные путешествия интересовали высшее руководство страны лишь постольку, поскольку приносили политические дивиденды. Так что советская программа ядерного двигателестроения была неизмеримо скромнее — если американцы начали с двигателя тягой 70 тонн, то наши решили ориентироваться всего на 14 тонн. Такой небольшой ЯРД хорошо подходил на четвертую ступень ракеты «Протон».
Конечно, и они были полны энтузиазма, и им хотелось построить хоть маленький, но «настоящий» ЯРД, и им тоже казалось, что это несложно. Но, к чести наших ученых, они очень быстро поняли глубину стоящих перед ними проблем. И «штурмовщина» сменилась системным подходом. Первый стенд, на котором испытывался «физический аналог» реактора будущего ЯРД, назывался «Стрела».
Первое и главное отличие наших ЯРД от американских — их решено было делать гетерогенными. В гомогенных (однородных) реакторах ядерное топливо и замедлитель распределены в реакторе равномерно. В отечественном ЯРД ТВЭЛы (тепловыделяющие элементы, ядерное топливо) были отделены теплоизоляцией от замедлителя, так что замедлитель работал при гораздо меньших температурах, чем в американских реакторах. Следствие этого — отказ от графита и выбор гидрида циркония в качестве основного замедляющего материала. По нейтронно-физическим свойствам гидрид циркония близок к воде, поэтому, во‑первых, реактор получался втрое компактнее, чем графитовый (а значит, и намного легче), во‑вторых, физические модели двигательного реактора можно было отлаживать гораздо быстрее и дешевле.
Второе, может быть, даже более радикальное отличие — в гидродинамике. Раз уж невозможно было добиться, чтобы ядерное топливо не растрескивалось в реакторе, нужно сделать так, чтоб растрескивание не приводило к изменениям свойств реактора — ни ядерных, ни гидравлических. Была проведена совершенно фантастическая по объему работа, в результате которой выбрали оптимальную форму стержней ядерного топлива — витые стерженьки с сечением в форме четырехлепесткового цветка, размер лепестков — всего пара миллиметров при длине стержня примерно в метр! Такие стержни, упакованные в плотную пачку, образуют систему каналов, свойства которых не изменяются, даже если стержни в процессе работы растрескиваются. Больше того, обломки размером даже в доли миллиметра оказываются заклинены соседними кусками стержня и остаются на месте! В сопло уносятся только совсем микроскопические частицы, максимум в десятки микрон.
Для достижения максимальной температуры водорода на выходе эти стержни содержали переменное по длине количество урана — чем ближе к «горячему» концу, то есть к соплу, тем меньше было делящегося материала. Назвали это «физическим профилированием». Конструкторы жертвовали компактностью реактора ради экономии водорода — тепловые потоки такой величины, как на «холодном» конце стержня, где перепад температур достигал 25000С, были невозможны на горячем, разница температур между ядерным топливом и водородом уменьшалась в 10 раз — во столько же нужно было снизить теплопоток. На этом удалось выиграть еще 3500С выходной температуры.
При такой конструкции реактора регулирующие нейтронный поток органы тоже пришлось вынести наружу. В традиционных реакторах это стержни, размещенные более или менее равномерно по объему. В ЯРД реактор был окружен отражателем нейтронов из бериллия, в который были врезаны барабаны, покрытые с одной стороны поглотителем нейтронов. В зависимости от того, какой стороной барабаны были обращены к активной зоне, они поглощали больше или меньше нейтронов, что и использовалось для управления реактором. К этой схеме пришли в итоге и американцы.
Ядерное топливо для реактора ЯРД — это отдельная, тоже очень объемная работа. Для исследования свойств материалов при таких условиях пришлось построить специальный опытный реактор ИГР, в котором исследуемый ТВЭЛ мог иметь температуру на 10000С больше, чем основной объем активной зоны. В два с половиной раза был в этом месте больше и поток нейтронов. Вот только испытания эти были кратковременными — но об этом позже.
В результате топливо стало композитом, как стеклопластик, из карбидов урана и вольфрама или циркония, причем при такой высокой температуре кристаллы карбида вольфрама придавали ему прочность, а карбид урана заполнял пространство между ними. И тут наши обошли американцев — заокеанские ядерщики уже научились использовать карбид урана вместо обычного для ядерной энергетики оксида и комбинировать его с карбидами других металлов, но до композитной структуры в своих исследованиях не дошли. Выпуском столь сложного ядерного материала занималось подольское НПО «Луч».
На Семипалатинском полигоне, в 50 километрах от места испытаний первой ядерной бомбы, для реакторов ЯРД был построен специальный стендовый комплекс «Байкал». «Планов громадьё» предусматривало в нем две очереди, но реализована была только первая. Из-за этого не было возможности испытать реактор с жидким водородом, да и испытания с газообразным сжатым удалось провести не в полном объеме. Тем не менее были построены два рабочих места, одно с реактором ИВГ-1, другое для реактора ИРГИТ. Реактор ИВГ-1 был многоцелевым, он мог использоваться и как стендовый прототип будущего ЯРД тягой 20−40 тонн, и как стенд для испытания новых видов ядерного топлива. Старенький ИГР, заложенный еще при жизни Курчатова (Игорь Васильевич в шутку называл его ДОУД-3), мог работать только в импульсном режиме, так как вовсе не имел охлаждения и выделявшееся тепло разогревало активную зону до 30000C за несколько секунд, после чего требовался многочасовой перерыв. ИВГ мог работать до двух часов подряд, что давало возможность изучить долговременное влияние условий работы на ядерное топливо. Именно с него и началась в 1972 году работа на «Байкале». Несмотря на водяной замедлитель, водород, охлаждающий ядерное топливо, мог нагреваться до 25000C, а в специальном центральном канале можно было получить и все 30000C!
В это же время в подмосковных Химках шла отработка турбонасосного агрегата, агрегатов автоматики и управления и других механизмов, которые из реактора делают ЯРД. А вот самого реактора в составе этого «холодного» двигателя и не было — подогрев водорода в специальных теплообменниках происходил от обычных кислород-водородных горелок. Остальные агрегаты полностью соответствовали настоящему двигателю. Например, для уменьшения выноса углерода из ТВЭЛов горячим водородом в активную зону приходилось добавлять гептан. Этот углеводород — фактически бензин для зажигалок, только очень тщательно очищенный, — нужен был в небольшом количестве, 1−1,5% от массы водорода. Такая малая добавка не влияла на удельный импульс двигателя, но для достижения нужной эффективности насоса тот должен был вращаться со скоростью почти 170 000 об./мин, то есть почти втрое быстрее гироскопов в системах управления ракет того времени! Однако к 1977 году все задачи удалось решить и агрегаты могли работать часами.
И вот наконец 27 марта 1978 года состоялось первое «горячее» испытание реактора 11Б91-ИР-100 (ИРГИТ) — такое имя получил будущий ЯРД. Это был так называемый энергетический пуск. Параметры его были весьма скромными, мощность 25 МВт (примерно 1/7 от проектной), температура водорода — 15000С, время работы а этом режиме — 70 секунд. Но не подумайте, что наши инженеры на 19 лет отставали от американцев! Очень скоро, в июле и августе 1978 года, тот же реактор на огневых испытаниях показал гораздо более высокие результаты! Была достигнута мощность сначала 33 МВт, а потом и 42 МВт и температура водорода в 23600С. Реактор мог бы работать и дальше, но решено было остальные работы проводить со вторым экземпляром аппарата, а этот снять со стенда и разобрать, чтобы проверить, как испытание повлияло на реактор и топливо внутри него.
Вплоть до середины 1980-х годов испытания продолжались, мощность росла, и при каждом испытании нагрев водорода был близок к предельному, что отличало эти испытания от американских. В Соединенных Штатах двигателисты гнались за мощностью (в одном из испытаний она достигала 4400 МВт), а в СССР — за эффективностью ЯРД, критерием которой служила температура рабочего тела. Почти все проектные характеристики были подтверждены за время испытаний.
Примерно в 1985 году РД-0410 (по другой системе обозначений 11Б91) мог бы совершить своей первый космический полет. Но для этого нужно было разработать разгонный блок на его основе. К сожалению, эта работа не была заказана ни одному космическому КБ, и тому есть множество причин. Главная из них — так называемая Перестройка. Необдуманные шаги привели к тому, что вся космическая отрасль мгновенно оказалась «в опале» и в 1988 году работы по ЯРД в СССР (тогда еще существовал СССР) были прекращены. Произошло это не из-за технических проблем, а по сиюминутным идеологическим соображениям. А в 1990-м году умер идейный вдохновитель программ ЯРД в СССР Виталий Михайлович Иевлев…
Возможности упущены. Отчасти и по вине ученых и конструкторов. Они погнались за «журавлями в небе» — таких было целых два. Первый — это газофазный ЯРД. Совершенно фантастический на первый взгляд реактор, в котором ядерное топливо находилось бы в парообразном виде. Он позволял поднять температуру водорода еще раз в пять-шесть, по крайней мере в теории, и достичь удельного импульса в 2000 секунд, как у нынешних электрореактивных двигателей на ксеноне, но при в тысячи раз большей тяге. Другой — это двухрежимная установка, способная при отлете от Земли работать в режиме ЯРД с нагревом водорода, а дальше — в электрогенерирующем режиме, снабжая энергией связку ЭРД, которые давали бы удельный импульс, недоступный и газофазному ЯРД, а малая величина тяги компенсировалась бы большим временем работы. Эта установка получила индекс 11Б97 и дошла до стадии проработки отдельных узлов. Однако из-за распада СССР оба «журавля» остались без финансирования.
Возобновление работ по ЯРД вполне возможно сейчас, тем более что практически все предприятия, которые были тогда вовлечены в программу, находятся на территории РФ (за исключением Семипалатинского полигона). Но тогдашний стенд все равно не удовлетворяет нынешним требованиям радиационной безопасности, так что все равно нужно строить новый. Рано или поздно это придется сделать, ведь химические ракеты давно достигли своего предела.
Об отправке на Марс пилотируемой миссии читайте на сайте специального проекта журнала: «Наш Марс».
Статья опубликована в журнале «Популярная механика» (№1, Январь 2007).www.popmech.ru
Изобретение относится к ракетно-космической технике, более конкретно к новому типу ракетных двигателей. Ядерный ракетный двигатель содержит корпус, ядерную мишень основного направления (ЯМОН) ракеты, ядерные мишени отклонения ракеты (ЯМОР), лазерное устройство, фокусирующие линзы, синхронизатор, шаговые электродвигатели, направляющие валики, источник электропитания. ЯМОН служит для осуществления движения ракеты по направлению ее основной оси, а ЯМОР - для управления отклонением ракеты. Ядерная мишень представляет собой передвигаемую ленту с последовательностью конусов, наполненных дейтерием. Лазерное устройство состоит из пяти отдельных лазеров, каждый из которых представляет собой решетку полупроводниковых лазеров на двойной гетероструктуре с охлаждением азотом и накачкой импульсом тока. Изобретение позволяет увеличить удельную тягу, скорость и ускорение полета ракеты и улучшить условия эксплуатации двигателя по сравнению с применяемыми в настоящее время ракетными двигателями на твердом топливе и жидкостными ракетными двигателями. 1 табл., 2 ил.
Предлагаемое изобретение относится к ракетно-космической технике, более конкретно к новому типу ракетных двигателей.
Основная цель предлагаемого ядерного ракетного двигателя (ЯРД) - увеличить удельную тягу двигателя, скорость и ускорение полета ракеты и улучшить условия эксплуатации двигателя по сравнению с применяемыми в настоящее время ракетными двигателями твердого топлива (РДТТ) и жидкостными ракетными двигателями (ЖРД).Вышеуказанные аналоги РДТТ и ЖРД и предлагаемый ЯРД содержат такие общие части, как топливо (энергоноситель), устройство преобразования топлива в выбрасываемый продукт, устройство управления полетом ракеты и др.В предлагаемом ЯРД в качестве топлива вместо твердого или жидкого топлива используется ядерное вещество в виде газообразного дейтерия. Для выделения внутриядерной энергии осуществляется инерциальный термоядерный синтез ядерного вещества в твердотельном конусе (конической мишени) под действием импульса лазерного излучения. При этом в вершине конуса образуется сгусток горячей плазмы, который через отверстие в вершине конуса вылетает наружу с большой скоростью вдоль оси ракеты и создает тягу двигателя. Указанный принцип действия и устройство части конической мишени ЯРД поясняются фиг. 1.Процесс образования сгустка плазмы и вылета его из конической мишени проанализирован и подтвержден в ряде публикаций, например в статье: Импульсное сжатие и нагрев газа в конической мишени. Труды Института общей физики РАН №36. Москва, Наука, 1992. При этом (стр.19, 41) была определена скорость вылета сгустка плазмы
=107 см/с. Следует отметить, что при увеличении мощности лазерного излучения эта скорость может быть увеличена до 109 см/с.В предлагаемом ЯРД тяга носит пульсирующий характер с длительностью сгустка плазмы 
=1 мс (длительность лазерного импульса) и периодом повторения их выбросов Т=1 с, что соответствует частоте F=1 Гц (тактовая частота). Тактовая частота может изменяться в некоторых пределах. Масса сгустка плазмы составляет m =100 г (для этого к дейтерию в вершине конуса подмешивается порошок тяжелых металлов массой 100 г).Удельная тяга ракетного двигателя равна (Фриденсон Е.С. Основы ракетной техники. Воениздат. Москва, 1973): 
где - скорость истечения выбрасываемого продукта,q - ускорение силы тяжести.В предлагаемом ЯРД: 
В современных ракетах на РДТТ и ЖРД достигнута удельная тяга до 500 с. Таким образом, удельная тяга ЯРД увеличена в 
раз за время T.Если при небольшом расходе горючего за одну секунду массаракеты уменьшается незначительно, то справедлива формула В.И. Мещерского: 
где M - масса ракеты, - скорость истечения выбрасываемого продукта, 
- ускорение ракеты, 
- секундный выброс (расход) продукта.В ЯРД масса выбрасываемого продукта dm =100 г, что значительно меньше массы ракеты (сотни кг - десятки т ). Поэтому для расчетов ускорения ракеты 
может быть использована формула Мещерского: 
ЯРД имеет малую массу по сравнению с РДТТ и ЖРД: масса ЯРД порядка 50 кг (см. ниже). Поэтому за массу ракеты может быть принята доставляемая на максимальную дальность (забрасываемая) масса. Для БР средней дальности и межконтинентальных БР M=1,0
2,5 т (Государственный ракетный центр им. акад. В.П. Макеева. Каталог. Москва. Издател. дом "Оружие и технологии". 2001 ). Подставляя в формулу (3), получим: 
Полученное ускорение соответствует времени dt=. Для определения значения ускорения за период Т вычисляем его действующее значение (Старостин А.Н. Импульсная техника. Москва. Высшая школа. 1979, стр.10): 
Большое ускорение a0 получено за счет высокой скорости истечения сгустка плазмы , что существенно отличает ЯРД от РДТТ и ЖРД.В ЯРД конусы встроены в гибкую ленту, которая в результате передвижения устанавливает основание очередного конуса на направление лазерного луча вдоль оси ракеты. При этом при передвижении лента перематывается с одной бобины на другую (см. фиг.2). Рассчитаем для последующего конструирования двигателя требуемое число конусов N , длину ленты L и наибольший радиус бобины в исходном положении R для различных конечных скоростей ракеты Vk:V=a0t (4)где t - время полета ракеты. 
(5)L=Nl (6)где l - расстояние между центрами оснований соседних конусов. 
где h - толщина ленты (высота конуса),n - число слоев. 
Для расчета принимаем l=12 мм, h=3 мм. Результаты расчета для космических скоростей Vk приведены в таблице. 
Управление полетом ракеты с целью выполнения заданной программы полета, т.е. изменение траектории ракеты производится путем выброса сгустков плазмы под углом к оси ракеты (направлению полета) с помощью конусов, оси которых наклонены к поперечному сечению ракеты. При этом предусмотрена возможность отклонения полета в двух взаимно-перпендикулярных плоскостях (вверх - вниз, вправо - влево), что осуществляется с помощью четырех ядерных мишеней.Регулирование скорости ракеты в направлении ее оси и отклонения от этой оси осуществляется по внешним сигналам путем изменения периода повторения выбросов сгустков плазмы (тактовое частоты).Сущность предлагаемого ЯРД поясняется фиг.2, на которой представлена структурная ЯРД. При этом ЯРД сопрягается с остальной частью ракеты при сохранении диаметра этой части.Ядерный ракетный двигатель состоит из следующих частей:1. Корпус.2. Ядерная мишень основного направления полета ракеты.3. Ядерные мишени отклонения ракеты (4 комплекта).4. Лазерное устройство.5. Фокусирующие линзы (5 шт.).6. Синхронизатор.7. Шаговые электродвигатели (5 шт.).8. Направляющие валики.9. Источник электропитания.Части (2), один канал из (4) и (5) представляют собой устройство преобразования топлива в выбрасываемый продукт, а части (3), четыре канала из (4), (5) - устройство управления полетом ракеты.Корпус (1) служит для крепления основных частей ЯРД и стыковки его с остальное частью ракеты. Корпус содержит механизм отделения двигателя от ракеты после выполнения заданий программы полета.Ядерная мишень (2) основного направления полета ракеты (ЯМОН) служит для создания тяги вдоль основной оси ракеты и представляет собой гибкую никелевую ленту с отверстиями конической формы посредине ленты и с перфорационными отверстиями на краях ленты. Оси конических отверстий перпендикулярны плоскости ленты. В эти отверстия вмонтированы конусы из полимерной оболочки, наполненные газообразным дейтерием. Вершина полимерного конуса содержит порошок тяжелых металлов массой 100 г с целью увеличения массы выбрасываемого сгустка плазмы. Основание полимерного конуса имеет сферическую форму и покрыто следами тяжелых металлов с целью усиления первичного удара лазерного луча по массе газа.Выбор дейтерия в качестве ядерного вещества обусловлен тем, что он широко распространен в природе и является экологически чистым.В соответствии с рекомендациями препринта: Моделирование превращения графита в алмаз при динамическом сжатии в конических мишенях №1-454. Объединенный институт высоких температур РАН. Москва, 2001, выбраны следующие размеры никелевого конуса: радиус основания 4 мм, радиус отверстия в вершине (сопло) 1 м , высота усеченного конуса 3 мм. Расстояние между центрами оснований конусов (вдоль ленты) 12 мм. Размеры ленты: толщина 3 мм, высота 24 мм.Лента в исходном положении намотана в виде бобины на стержень. В работе лента с помощью шагового электродвигателя перематывается на другой (приемный) стержень (бобину). Длина ленты и радиус бобин зависят от величины конечной скорости ракеты.При этом размещение ленты и бобин в отсеке двигателя унифицировано и не зависит от класса ракет, за исключением некоторых ракет ЗРК сухопутных войск с диаметром 20 см.Ядерные мишени (3) отклонения ракеты (ЯМОР) (4 комплекта) служат для создания отклонения ракеты от ее основной оси в двух взаимно-перпендикулярных плоскостях (вверх - вниз, вправо - влево). ЯМОР имеют конструкцию, аналогичную ЯМОН, за исключением направления осей конусов. Угол наклона оси этих конусов по отношению к плоскости ленты (оси ракеты) составляет 30-40
. В ЯРД предусмотрено, что ЯМОР могут действовать одновременно с ЯМОН. Так как ЯМОР используются, в основном, на небольших участках траектории ракеты (в начале или в конце), то длина ленты ЯМОР по сравнению с длиной ленты ЯМОН укорочена примерно на 50%, но можно и не укорачивать.Лазерное устройство (4) состоит из пяти отдельных лазеров и создает пять лазерных лучей для инициирования термоядерной реакции в конусах ядерных мишеней. Для создания сгустка плазмы в вершине конуса достаточно осуществить режим "лазерной искры", который по сравнению с режимом "зажигания" позволяет значительно уменьшить требуемую мощность лазера. Каждые лазер из пяти (лазерные луч) должен иметь мощность в импульсе порядка 10 кДж при длительности импульса 1 мс. Этим требованиям удовлетворяют решетки полупроводниковых лазеров на двойном гетеропереходе с охлаждением азотом и накачкой решетки импульсом тока длительностью 1 мс. Излучение каждого лазера решетки сжимается для ввода в апертуру отрезка волоконного световода с помощью половинки стеклянной "бусинки" диаметром 1 мм. Размеры решетки полупроводниковых лазеров весьма малы, так как размеры активной части каждого лазера - доли, единицы мм. Накачка лазеров синхронизирована с передвижением ленты ядерной мишени.Фокусирующие линзы (5) в количестве 5 шт. служат для концентрации лазерного излучения на поверхность оснований полимерных конусов. Каждая линза представляет собой двухкомпонентную систему с малым фокусным расстоянием. Фокусирующая линза канала ЯМОН имеет ось, совпадающую с осью ракеты, остальные имеют оси, параллельные оси ракеты. Диаметр создаваемого лазерного пятна на основание конуса 0,1-0,5 мм.Синхронизатор (6) управляет работой отдельных частей двигателя, изменяет тактовую частоту и тем самым регулирует скорость и отклонение ракеты. Синхронизатор представляет собой радиоэлектронное устройство на микросхемах. Он вырабатывает импульсы напряжения для включения каждого из пяти шаговых электродвигателей для передвижения ленты на один шаг (12 мм). После передвижения ленты на один шаг синхронизатор подает импульс напряжения для накачки того или иного лазера. Таким образом, в автоматическом режиме в течение всего времени полета ракеты синхронизируется работа лазера и ядерной мишени.Лазеры и ядерные мишени отклонения ракеты управляются синхронизатором по внешним сигналам, подаваемым от блоков ракеты: от блока радиоуправления (по данным коррекции траектории) или от активной головки самонаведения ракеты.Частота выдачи импульсов на электродвигатели и на лазеры и, следовательно, частота повторения выбросов сгустков плазмы (тактовая частота) может синхронизатором изменяться от 0,5 до 1,3 Гц по внешним сигналам, поступающим по каналу радиоуправления. Изменение указанной частоты ведет к изменению скорости полета ракеты или скорости ее отклонения от текущего курса.Шаговые электродвигатели (7) с направляющими валиками (8) обеспечивают такое перемещение ленты, при котором пpи каждом шаге очередной конус устанавливается против фокусирующей линзы.Электродвигатели укреплены на валу ведущей бобины и закручивают ее на один шаг при каждом поступлении импульса с синхронизатора. Направляющие валики имеют зубья, которые входят в перфорационные отверстия ленты. Устройство частей (7) и (8) подобно механизму автоматической перемотки фотопленки в малогабаритных фотоаппаратах.Источник электропитания (9) обеспечивает постоянным током синхронизатор, лазерное устройство, электродвигатели. Питание осуществляется от никель-кадмиевой батареи типа 26НКМ-1 (АО HИИХИТ-2, г. Саратов), имеющей следующие технические характеристики: напряжение разряда до 32 В (в импульсном режиме до 18 В), ток разряда до 1 А, масса 1,6 кг, габариты 180x100х78 мм.Рассмотрим работу предлагаемого ЯРД в динамике. После выстреливания ракеты из транспортнопускового контейнера или направляющих пускового устройства подается питание на синхронизатор, который вырабатывает импульсы напряжения на шаговые электродвигатели. Под действием этих импульсов электродвигатели передвигают ленту на один шаг в устойчивое положение, при котором конусы устанавливаются против фокусирующих линз. Затем синхронизатор подает импульс напряжения на блок накачки лазера основного направления (канала ЯМОH). Дальнейшее описание процессов относится ко всем каналам ядерных мишеней. Блoк накачки создает импульс тока накачки, который, протекая по последовательной цепи решетки, вызывает генерирование лазерного излучения. Излучение каждого лазера решетки с помощью половинки стеклянной "бусинки" вводится в отрезок световода. Излучение отдельных лазеров решетки суммируется с помощью соединителей и направляется на фокусируюшую линзу. Линза концентрирует лазерное излучение на поверхность основания полимерного конуса.При падении лазерного излучения на основание конуса сферическая полимерная оболочка прогибается, ударяет по массе газа. Далее происходит поглощение энергии лазерного излучения, оболочка и ядерное вещество испаряются, причем испаренное вещество разлетается как внутрь, так и наружу конуса. При этом испарении образуется плазменное облако, которое со значительной скоростью устремляется к вершине конуса. Указанный процесс сопровождается генерацией ударных волн, которые направляются к вершине конуса. Под действием плазменного сгустка и ударных волн ядерное вещество в вершине сжимается, локально нагревается до термоядерных температур (режим "лазерной искры") и становится горячей плазмой. Указанная модель взаимодействия лазерного излучения с конической мишенью приведена в уже упомянутом Труде Института общей физики РАН №36, стр.41. Горячая плазма прожигает вершину полимерного конуса, еще более сжимается отверстием никелевого конуса ленты (сопло) и совместно с порошком тяжелых металлов вылетает наружу в виде плотного сгустка вдоль оси конуса и создает тягу двигателя.После выполнения первого такта каналом ЯМОН осуществляются с помощью синхронизатора последующие такты в автоматическом режиме.По внешним сигналам синхронизатор включает в работу тот или иной канал отклонения ракеты (лазер и электродвигатель). При этом происходят процессы, аналогичные каналу основного направления за исключением того, что сгустки плазмы вылетают под некоторым углом к оси ракеты. По внешним сигналам также производится изменение тактовой частоты того или иного канала и, следовательно, регулирование скорости ракеты или отклонения ее.После выполнения программы полета ЯРД может быть отделен от остальной части ракеты. Это производится по сигналу от блока управления ракетой, в том числе по команде с Земли.В ЯРД предусмотрена возможность быстрой проверки исправности частей двигателя перед запуском ракеты. Для этой цели в синхронизаторе предусмотрен режим работы на один шаг (вылет одного сгустка) путем нажатия кнопки контролируемого канала.Оценим габариты и массу ЯРД. Из фиг.2 видно, что радиус ЯРД равен: 
где R1 - радиус бобины канала основного направления, R2 - радиус бобины канала отклонения.Если R1=R2 , то 
Для бобины третьей космической скорости (таблица) R=50 мм. 
Полученный rg достаточен, чтобы разместить ЯРД в крылатых ракетах КР (наименьший диаметр некоторых типов КР 30 см) и для зенитных управляемых ракет ЗУР (перехватчиков) (диаметр ЗУР 60 - 120 см). В зенитно-ракетных комплексах сухопутных войск имеются ракеты с диаметром 20 см, с дальностью полета не более 100 км. Для этих ракет время полета 20 с, длина ленты 336 мм, радиус бобины с тремя слоями 22,8 мм, радиус ЯРД 64 мм, что позволяет встроить ЯРД в ракету с диаметром 20 см.Длина ЯРД (фиг.2) равна:ly=2R+lл+lи+ln, (9)где R - радиус бобины канала основного направления (5 см), lл - длина лазерного устройства (10 см), lи - длина источника питания (10 см), ln - длина промежутков между частями ЯРД (20 см).lg=2
5+10+10+20=50 смМасса ЯРД определяется по формуле: 
где mN - масса ЯМОН, 
- масса четырех ЯМОР,m - масса конуса (0,1 кг),N - количество конусов канала основного направления(140, табл.1),mл - масса лазерного устройства (1,0 кг),mЭ - масса электродвигателя (0,3 кг),mи - масса источника электропитания (1,6 кг),mк - масса деталей крепления (3 кг). 
Таким образом, ядерный ракетный двигатель является одноступенчатым, позволяет развить ракете третью космическую скорость и имеет размеры dg=30 см, lg=50 см и массу mg=50 кг.Ядерный ракетный двигатель имеет унифицированное строение для различных классов ракет. Рассмотренный двигатель может сопрягаться с остальной частью различных классов ракет, имеющих диаметр более 30 см.ЯРД сравнительно прост в эксплуатации. Он обеспечивает постоянную готовность ракеты к немедленному пуску, допускает возможность длительного хранения. У ЯРД нет таких недостатков РДТТ, как зависимость тяги от температуры окружающей среды, трудность регулирования тяги, выключения и повторного запуска двигателя. У ЯРД нет таких недостатков ЖРД, как необходимость в громоздком оборудовании для заправки топливом и для запуска двигателя; компоненты топлива ЖРД часто требуют осторожного обращения, специальных костюмов и средств защиты для обслуживающего личного состава.Формула изобретения
Скоростной ядерный ракетный двигатель, включающий топливо (энергоноситель), устройство преобразования топлива в выбрасываемый продукт, устройство управления полетом ракеты, отличающийся тем, что для увеличения удельной тяги двигателя, скорости и ускорения ракеты и улучшения условий эксплуатации двигателя в качестве топлива используют газообразный дейтерий, устройство преобразования топлива в выбрасываемый продукт и устройство управления полетом ракеты содержит передвигаемую коническую мишень в виде последовательности конусов, наполненных дейтерием, возбуждаемых лазерным излучением и имеющих отверстие в вершине конуса для вылета плазмы, причем оси конусов направлены для основного полета ракеты вдоль ее оси, а для отклонения ракеты - под углом к ее оси.РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2www.findpatent.ru
Это эффективно, но это очень дорого, и это опасно, потому что в дальнейшем каскаде – там жесткое гамма излучение…. Если альфа не проникает через бумагу, то гамма пробивает большой свинец. Это значит, что те, кто будет, работать и собирать это, будет работать в условиях очень жесткой радиации. И если эта штука будет падать во время испытаний, — она должна падать, — то будет радиоактивное загрязнение местности. И будут страдать люди от радиации и местность.
И то же самое, скорей всего, на это подводном, дроне, потому что там опять же не реактор, там атомная батарея, тоже высокорадиоактивная.
Гонка вооружений, очевидно, началась, хотя Песков говорит, что нет. Но это понятно, что началась. А в принципе, это тот же подход, который использует Ким из Пхеньяна типа: «Мы вас можем поджечь, на вашу Флориду упадут сейчас наши ядерные РГЧИН, если вы не будете с нами договариваться, если не снимите санкции, если не примите наши условия».
Я думаю, что американский подход к таким заходам будет такой же, как с Кимом. То есть Америка, как обычно, примет вызов, и разговаривать, конечно, с Россией будут, но ограничения, санкции и противостояние будет только нарастать.
Возможно, есть надежда на то, что европейцы дадут слабину. Это было в 70-е годы, когда советская пропаганда пыталась разделить… Это золотая мечта Москвы – разделить Европу и Америку, что вот американцы свои эти евроракеты… что вот угроза войны, американские поджигатели ядерной войны, что они вот европейцев бедных подставляют, а те ничего такого не хотят… митинги, лагеря женщин. Опять же туда Пригожин какой-нибудь или какие-нибудь тролли подключаться. Вот это, очевидно, предполагается – возможно, разделить. И раскол, может, в Америке. Там, конечно, своя «партия войны», но, может быть, найдется какая-нибудь «партия мира», которая постарается с Москвой договариваться.
И потом, наверное, Путина наши военные запугали достаточно, что американцы готовят эти удары, эти базы первого удара, что они создаются в Польше и Румынии, чтобы его убить конкретно, и что мы должны этому противостоять.
В общем, готовятся к любой войне. Советская, потом российская военная подготовка к большой войне, она предусматривает, что должна быть готовность и к ядерному и к неядерному варианту. Но, в общем и целом понятно, что большая война в Европе неядерной быть не может. Это практически невероятно. Она наверняка будет ядерной. Как она наверняка будет ядерной дальневосточная война, если там разгорится, в дальневосточном очаге, войны. И скорее может быть неядерный вариант на Ближнем Востоке и то непонятно…
У Путина в докладе разные есть вещи. Есть так называемая планирующая или маневрирующая головка — на может быть прицеплена к любому носителю по большому счету, — которая входит в плотные слои атмосферы не по баллистической траектории, начинает как-то маневрировать. У нее нет своего двигателя, она просто маневрирует за счет кинетической энергии, очень большой скорость, поскольку она летела по баллистической траектории, как ее запустили.
Такие боеголовки разрабатывают, исследуют, готовят и в Америке, и в России. Там все дело в том, чтобы научить ее после маневрирования находить цель, что, в общем возможно. Американские «Першинги-2», если вспоминать о 80-х годах, они уже были маневрирующие. То есть она тогда развернули систему маневрирующих боеголовок. Разработали в 70-е, развернули в 80-е. Наши только сейчас к этому подходят, можно сказать.
Сейчас в Америке, очевидно, пытаются сделать баллистические боеголовки, которые будут находить не только стационарную цель, возвращаться к ней, а которые могут разыскивать и поражать движущиеся цели. Это следующий этап. Это очень, серьезно, потому что это во многом будет дестабилизировать стратегический баланс между Россией и Америкой, поскольку многие наши стратегические ракеты, они как раз на колесном ходу. Считалось, что их нельзя найти, потому что они не стационарные. Если они смогут разыскивать смогут разыскивать стационарные и преследовать их, это не очень хорошо. То есть это серьезная вещь.
Вот этот самый «Кинжал», которые показали, это ракета, прицепленная, насколько можно было судить по картинке, к видоизмененному перехватчику МиГ-31, в принципе, который, может выстрелить по наземной цели такой ракетой. Но там есть некоторые проблемы, потому что такой перехватчик, он быстрый, как правильно сказал Путин, он, вообще, не предназначен для удара по наземным целям.
Какой там будет система наведения, насколько она эффективна… Ракета, которая летит 3 Маха, 4 Маха, даже до 5 Махов, – это тоже сделать можно, а вот насколько она будет точна при этом? В принципе, то, что там показали, это идеология 80-х, чтобы скорость и глубина, дальность – это как лучшее средство поражения: чем быстрее, тем лучше. А иногда лучше менее заметно, скрытно и точнее. А вот это непонятно, насколько это оружие будет точным.
Лазер, который показали… Ну, лазеры и американцы какие-то делали, на кораблях, например… Там главная проблема – это источник энергии, чтобы получить хороший лазерный выстрел, который может что-то сбить. Это идея была что-то сбивать – какую-то американскую ракету, самолет. Нужно иметь с собой хороший источник энергии. Там какой-то большущий прицеп, грузовик. Насколько там эффективна энергетическая установка, на сколько выстрелов хватит, как будет себя вести этот лазер во влажную погоду, в туман – пробивает ли он облака, или будет поглощать вода в воздухе – это всё надо смотреть.
Американцы тоже такие исследования делают, и даже, опытные установки разворачивают. Но чтобы использовать это в реальных боевых действиях…
Израильтяне то же самое делают для перехвата палестинских ракет.
Так что всё это в разработках, а вот ядерные крылатые, ракеты – это глупость, потому что она будет стоить очень дорога, она очень опасная, дико дорогая. И главное – за те же деньги тысячу других американцы развернут обычный и эффект будет тот же самый.
Беспилотная ядерная подлодка. Это опять же очень дорого. Потому что, чтобы запустить эту супер торпеду на большую дальность, нужна подводная лодка, которая ее запустит. И больше ничего эта подводная лодка не, делает… подводная лодка специальная. Там больше ста человек, экипаж. Эту лодку нужно построить, и другого оружия у нее нет. Она выстрелила эту торпеду и всё, она дальше, не знаю, идет назад за второй торпедой… В крайнем случае, две она может нести. А, скажем, американская переделанная «Трайдент» несет 100 с лишним крылатых ракет на борту. А каждая из этих крылатых ракет, наверное, может почти то же самое сделать.
Сравнивать прямой бюджет неправильно. Потому что у них громадная часть бюджета идет на социальные выплаты: на ветеранов, на зарплату военнослужащих… У них зарплата, наверное, больше. А если говорить о тех средствах, которые, идут на закупки и на НИОКРы, там не такой разрыв. Там есть, конечно, разрыв в 2-3 раза, но не такой безумный. Поэтому сравнимые достаточно цифры. Но поскольку сейчас американцы получили больше, а под это дело получат еще больше – да, это будет, наверное, как в 80-е годы: они нас опять обгонят – и мы окажемся на бобах.
Принято считать, что СССР не выдержал в свое время гонки вооружений. А Россия выдержит? Силуанов говорит, что не выдержит — ему, в общем, и карты в руки. Он пару месяцев назад так и сказал, что Советский Союз распался, потому что слишком много тратил на вооружения, по-видимому, полагая, что сейчас мы примерно идем в том же направлении.
Бомбоубежища не помогут. В принципе, наилучшая такая вот личная тактика – это сейчас, срочно всё бросить и уехать жить на южный остров Новой Зеландии подальше от Северного полушария. Но, вообще-то, надо было раньше, это делать. А рыть убежища – это только продлевать агонию.
https://echo.msk.ru/programs/razvorot/2157486-echo/
Это установка, которая производит энергию за счет ядерной реакции, как правило деления. Пример — ядерные реакторы, совмещенные с какой-то силовой установкой вроде турбины, которая дает электрическую сеть. То есть, проще говоря, атомная станция — это пример ядерной энергетической установки.
Ядерный двигатель и ядерная энергетическая установка — это разные понятия. Двигатель решает другие задачи. Но ядерная энергетическая установка может служить основой для транспортного средства. Преимущество ядерных технологий — в концентрации энергии. В одном килограмме ядерного топлива содержится энергии в миллион раз больше, чем в одном килограмме угля или какого-нибудь жидкого топлива.
Из транспорта ядерные энергетические установки ставят на ледоколы и подводные лодки. Сейчас в промышленных масштабах их больше никуда не ставят. В советское время был период, когда пытались установить ядерные двигатели на самолеты и использовать их в космосе. Это дорога, куда человечество может идти.
Если говорить о космических ракетах, существуют, например, РИТЭГи (радиоизотопные термоэлектрические генераторы), но они нужны не для движения, а для того, чтобы иметь какие-то ватты на борту, — это источники автономного питания. Проекты именно ядерных энергетических установок, которые способны давать реактивную тягу, были и есть. Но, насколько мне известно, сейчас в космосе ничего подобного не летает.
Я не хочу комментировать слова президента (про ядерную энергетическую установку на крылатой ракете), потому что это вне моей компетенции, но я таких установок не знаю. Теоретически такое возможно. Насколько практически продвинулись российские разработчики в этом направлении мне неизвестно. Есть же тематики, которые не все специалисты обсуждают. Ну, раз президент сказал, значит, какие-то подвижки в этом направлении есть. Сама идея ставить такие установки на движущиеся объекты, прежде всего самолет, существует с 1950-х годов. Что касается крылатой ракеты [c ядерной энергетической установкой] — это свежее решение, я о таких вещах не слышал. Но для меня это не очень удивительно — ведь теоретическая возможность [создать такую компактную установку] существует. Прогресс же идет.
https://meduza.io/feature/2018/03/02/krylataya-raketa-s-yadernoy-energeticheskoy-ustanovkoy-eto-vozmozhno
Мнение блогера:
Такие достижения не делаются на пустом месте. Это значит, что у нас существует огромная (и невидимая) сеть огромных институтов мирового уровня и выше. Целая плеяда Курчатовых и Королевых — и все это образовалось в тайне — лучшей тайне, чем хранил сталинский СССР. После разработки такого масштаба человек 50 ученых, конструкторов и организаторов науки должны получить Героя России. Их наградили тайно?
Значит у нас есть такие Генеральные Конструкторы? А как же те ряшки путинских "ученых", которых показывают по телику? Напоминающие дурную помесь Захарченко с Плотницким? Жирные, бессмысленные, людоедские ряшки человеческого дна, по которым хочется ударить с размаха ногой? Это, оказывается, для отвода глаз. Есть настоящие академики с высокими лбами и умными синими глазами — но они живут в подземных городах — куда вход знает только сам Путин.
maxpark.com
| Ядерный реактивный двигатель для межпланетных кораблей Источник SciTecLibrary Современные химические и ядерные реактивные двигатели (ХРД, ЯРД) обладают относительно малой (1 – З км/с) скоростью выхода из сопла двигателя продуктов горения (разогретого рабочего тела, в ЯРД) и поэтому с их помощью можно осваивать только околоземное пространство или посылать автоматические станции к планетам Солнечной системы с получением от них информации, как правило, спустя многие годы.  Для реального освоения межпланетного космического пространства, когда время полета до любой планеты и возвращение на Землю не превысит одного года, необходимы принципиально новые реактивные двигатели. Одним из вариантов такого двигателя может стать предлагаемый ЯРД, оборудованный установкой, производящей ядерное горючее (ЯГ) для его работы. Как сам двигатель, так и установка по производству ЯГ основаны на новом принципе организации взаимодействия нейтронов с веществом и использования эффекта вовлечения термоядерных нейтронов в реакцию деления, что позволило в десятки-сотни тысяч раз повысить скорость ядерных реакций в единице объема и тем самым, соответственно, уменьшить плотности веществ, участвующих в реакциях. Разработанный на этих принципах ЯРД обладает следующими характеристиками: 
Поскольку представленный проект является фундаментальной разработкой, требует больших капитальных и людских ресурсов и в настоящее время не имеет коммерческого интереса, для его реализации, возможно, потребуется формирование международной программы. |
kuasar.ru
