Gespräche über Raketentriebwerke. Nukleare Raketentriebwerke

Man könnte diesen Artikel mit einer traditionellen Passage darüber beginnen, wie Science-Fiction-Autoren mutige Ideen vorbringen und Wissenschaftler sie dann zum Leben erwecken. Sie können, möchten aber nicht mit Stempeln schreiben. Es ist besser, sich daran zu erinnern, dass moderne Raketentriebwerke, sowohl mit festen als auch mit flüssigen Brennstoffen, für Flüge über relativ große Entfernungen mehr als unbefriedigende Eigenschaften haben. Sie ermöglichen es, Fracht in die Erdumlaufbahn zu befördern und etwas zum Mond zu transportieren, obwohl ein solcher Flug teurer ist. Doch mit solchen Triebwerken zum Mars zu fliegen, ist nicht mehr einfach. Geben Sie ihnen Kraftstoff und Oxidationsmittel in den erforderlichen Mengen. Und diese Volumina sind direkt proportional zur Distanz, die überwunden werden muss.

Eine Alternative zu herkömmlichen chemischen Raketentriebwerken sind Elektro-, Plasma- und Nukleartriebwerke. Von allen alternativen Motoren hat nur ein System das Stadium der Motorenentwicklung erreicht – der Nuklearmotor (Nuclear Reaction Engine). In der Sowjetunion und den Vereinigten Staaten wurde bereits in den 50er Jahren des letzten Jahrhunderts mit der Entwicklung nuklearer Raketentriebwerke begonnen. Die Amerikaner arbeiteten hierfür an beiden Optionen Kraftwerk: reaktiv und impulsiv. Das erste Konzept besteht darin, das Arbeitsmedium mithilfe eines Kernreaktors zu erhitzen und es dann über Düsen freizusetzen. Der Impulskernantrieb wiederum treibt das Raumschiff durch aufeinanderfolgende Explosionen an geringe Menge Kernbrennstoff.

Ebenfalls in den USA wurde das Orion-Projekt erfunden, bei dem beide Versionen des Atommotors kombiniert wurden. Dies geschah auf folgende Weise: Aus dem Heck des Schiffes wurden kleine Nuklearladungen mit einer Kapazität von etwa 100 Tonnen TNT ausgeworfen. Hinter ihnen wurden Metallscheiben abgefeuert. In einiger Entfernung vom Schiff explodierte die Ladung, die Scheibe verdampfte und die Substanz zerstreute sich in verschiedene Richtungen. Ein Teil davon fiel in den verstärkten Heckbereich des Schiffes und bewegte es vorwärts. Eine geringfügige Steigerung des Schubs hätte durch die Verdunstung der Platte, die die Schläge abfängt, bewirkt werden müssen. Die Stückkosten für einen solchen Flug hätten nur 150 US-Dollar pro Kilogramm Nutzlast betragen sollen.

Es kam sogar zum Test: Die Erfahrung hat gezeigt, dass eine Bewegung mit Hilfe aufeinanderfolgender Impulse ebenso möglich ist wie die Schaffung einer ausreichend starken Heckplatte. Doch das Orion-Projekt wurde 1965 als aussichtslos eingestellt. Allerdings ist dies bislang das einzige existierende Konzept, das Expeditionen zumindest quer durch das Sonnensystem ermöglichen kann.

Erst mit einem nuklear betriebenen Raketentriebwerk konnte der Bau eines Prototyps erreicht werden. Dies waren die sowjetische RD-0410 und die amerikanische NERVA. Sie arbeiteten nach dem gleichen Prinzip: In einem „konventionellen“ Kernreaktor wird das Arbeitsmedium erhitzt, das beim Ausstoß aus den Düsen Schub erzeugt. Das Arbeitsmedium beider Motoren war flüssiger Wasserstoff, der sowjetische verwendete jedoch Heptan als Hilfsstoff.

Der Schub des RD-0410 betrug 3,5 Tonnen, NERVA gab fast 34, aber er hatte auch große Abmessungen: 43,7 Meter Länge und 10,5 Meter Durchmesser gegenüber 3,5 bzw. 1,6 Metern beim sowjetischen Motor. Gleichzeitig war der amerikanische Motor dem sowjetischen in Bezug auf die Ressourcen dreimal unterlegen – der RD-0410 konnte eine Stunde lang arbeiten.

Allerdings blieben beide Triebwerke trotz ihres Versprechens auch auf der Erde und flogen nirgendwo hin. Der Hauptgrund für die Schließung beider Projekte (NERVA Mitte der 70er Jahre, RD-0410 1985) war Geld. Die Eigenschaften chemischer Motoren sind schlechter als die von Kernmotoren, aber die Kosten für einen Start eines Schiffes mit einem Kernantriebsmotor und derselben Nutzlast können 8-12 Mal höher sein als für den Start derselben Sojus mit einem Flüssigtreibstoffmotor . Dabei sind noch nicht einmal alle Kosten berücksichtigt, die notwendig sind, um Atommotoren zur Praxistauglichkeit zu bringen.

Die Stilllegung „billiger“ Shuttles und der jüngste Mangel an revolutionären Durchbrüchen in der Raumfahrttechnologie erfordern neue Lösungen. Im April dieses Jahres gab der damalige Chef von Roskosmos A. Perminov seine Absicht bekannt, ein völlig neues nukleares Antriebssystem zu entwickeln und in Betrieb zu nehmen. Genau das sollte nach Ansicht von Roscosmos die „Situation“ in der gesamten Weltkosmonautik radikal verbessern. Nun ist klar, wer die nächsten Revolutionäre in der Raumfahrt werden sollen: Die Entwicklung nuklearer Antriebsmotoren wird vom Keldysh Center Federal State Unitary Enterprise durchgeführt. Der Generaldirektor des Unternehmens, A. Koroteev, hat der Öffentlichkeit bereits mitgeteilt, dass der vorläufige Entwurf des Raumfahrzeugs für den neuen Kernantriebsmotor im nächsten Jahr fertig sein wird. Das Motordesign soll bis 2019 fertig sein, die Tests sind für 2025 geplant.

Der Komplex wurde TEM genannt – Transport- und Energiemodul. Es wird einen gasgekühlten Kernreaktor tragen. Das Direktantriebssystem steht noch nicht fest: Entweder wird es ein Strahltriebwerk wie das RD-0410 oder ein elektrisches Raketentriebwerk (ERE) sein. Der letztgenannte Typ ist jedoch noch nirgendwo auf der Welt weit verbreitet: Lediglich drei Raumschiffe waren damit ausgestattet. Für den elektrischen Antrieb spricht aber auch die Tatsache, dass der Reaktor nicht nur den Motor, sondern auch viele andere Aggregate antreiben oder sogar das gesamte TEM als Raumkraftwerk nutzen kann.

Alexander Losev

Rasante Entwicklung der Raketen- und Weltraumtechnologie im 20. Jahrhundert wurde von den militärisch-strategischen, politischen und in gewissem Maße ideologischen Zielen und Interessen der beiden Supermächte – der UdSSR und der USA – bestimmt und alle staatlichen Raumfahrtprogramme waren eine Fortsetzung ihrer militärischen Projekte, wo Hauptaufgabe Es bestand die Notwendigkeit, die Verteidigungsfähigkeit und die strategische Parität mit einem potenziellen Feind sicherzustellen. Die Kosten für die Herstellung der Ausrüstung und die Betriebskosten waren damals nicht von grundlegender Bedeutung. Für die Entwicklung von Trägerraketen und Raumfahrzeugen wurden enorme Ressourcen aufgewendet, und der 108-minütige Flug von Juri Gagarin im Jahr 1961 und die Fernsehübertragung von Neil Armstrong und Buzz Aldrin von der Mondoberfläche im Jahr 1969 waren nicht nur wissenschaftliche und technische Triumphe Man dachte, sie galten auch als strategische Siege in Schlachten des Kalten Krieges.

Doch nach dem Zusammenbruch der Sowjetunion und dem Ausscheiden aus dem Rennen um die Weltführerschaft mussten ihre geopolitischen Gegner, vor allem die Vereinigten Staaten, prestigeträchtige, aber äußerst kostspielige Weltraumprojekte nicht mehr umsetzen, um der ganzen Welt die Überlegenheit des Westens zu beweisen Wirtschaftssystem und ideologische Konzepte.
In den 90er Jahren verloren die wichtigsten politischen Aufgaben der Vorjahre an Relevanz, die Blockkonfrontation wurde durch die Globalisierung ersetzt, der Pragmatismus herrschte in der Welt vor, so dass die meisten Raumfahrtprogramme eingeschränkt oder verschoben wurden Großprojekte Nur die ISS bleibt als Erbe der Vergangenheit. Darüber hinaus hat die westliche Demokratie alle teuren Regierungsprogramme von Wahlzyklen abhängig gemacht.
Die Unterstützung der Wähler, die notwendig ist, um die Macht zu erlangen oder zu behalten, zwingt Politiker, Parlamente und Regierungen dazu, sich dem Populismus zuzuwenden und kurzfristige Probleme zu lösen, sodass die Ausgaben für die Weltraumforschung Jahr für Jahr reduziert werden.
Die meisten grundlegenden Entdeckungen wurden in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts gemacht, und heutzutage sind Wissenschaft und Technologie an gewisse Grenzen gestoßen und die Popularität hat weltweit abgenommen. wissenschaftliches Wissen, und die Qualität des Unterrichts in Mathematik, Physik und anderen Naturwissenschaften hat sich verschlechtert. Dies ist zum Grund für die Stagnation, auch im Raumfahrtsektor, der letzten zwei Jahrzehnte geworden.
Doch nun wird deutlich, dass sich die Welt dem Ende eines weiteren Technologiezyklus nähert, der auf den Entdeckungen des letzten Jahrhunderts basiert. Daher wird jede Macht, die zum Zeitpunkt der Veränderung der globalen Technologiestruktur über grundlegend neue, vielversprechende Technologien verfügt, automatisch für mindestens die nächsten fünfzig Jahre eine globale Führungsrolle übernehmen.

Grundlegender Aufbau eines Kernantriebsmotors mit Wasserstoff als Arbeitsmedium

Dies zeigt sich sowohl in den Vereinigten Staaten, die die Weichen für die Wiederbelebung amerikanischer Größe in allen Tätigkeitsbereichen gestellt haben, als auch in China, das die amerikanische Hegemonie herausfordert, und in der Europäischen Union, die dies mit aller Kraft versucht sein Gewicht in der Weltwirtschaft behalten.
Dort gibt es eine Industriepolitik und sie beschäftigen sich ernsthaft mit der Entwicklung ihres eigenen wissenschaftlichen, technischen und Produktionspotenzials, und der Weltraum kann zum besten Testgelände für die Erprobung neuer Technologien und für die Bestätigung oder Widerlegung wissenschaftlicher Hypothesen werden, die den Grundstein legen können für die Schaffung einer grundlegend anderen, fortschrittlicheren Technologie der Zukunft.
Und es ist ganz natürlich zu erwarten, dass die Vereinigten Staaten das erste Land sein werden, in dem Projekte zur Erforschung des Weltraums wieder aufgenommen werden, um einzigartige innovative Technologien in den Bereichen Waffen, Transport und Strukturmaterialien sowie in der Biomedizin und Telekommunikation zu schaffen
Es stimmt, nicht einmal den Vereinigten Staaten ist der Erfolg bei der Entwicklung revolutionärer Technologien garantiert. Es besteht ein hohes Risiko, in eine Sackgasse zu geraten, wenn man ein halbes Jahrhundert alte Raketentriebwerke verbessert, die auf chemischem Treibstoff basieren, wie es Elon Musks SpaceX tut, oder wenn man Lebenserhaltungssysteme für lange Flüge schafft, die denen ähneln, die bereits auf dem SpaceX implementiert sind ISS.
Kann Russland, dessen Stagnation im Raumfahrtsektor von Jahr zu Jahr spürbarer wird, im Wettlauf um die künftige Technologieführerschaft einen Sprung machen, um im Club der Supermächte und nicht auf der Liste der Entwicklungsländer zu bleiben?
Ja, natürlich kann Russland das, und darüber hinaus hat Russland trotz der chronischen Unterfinanzierung der Raumfahrtindustrie bereits einen spürbaren Fortschritt in der Kernenergie und bei den Technologien für nukleare Raketentriebwerke gemacht.
Die Zukunft der Raumfahrt liegt in der Nutzung der Kernenergie. Um zu verstehen, wie Nukleartechnologie und Weltraum zusammenhängen, ist es notwendig, die Grundprinzipien des Strahlantriebs zu berücksichtigen.
Daher basieren die Haupttypen moderner Raumfahrttriebwerke auf den Prinzipien der chemischen Energie. Dabei handelt es sich um Festbrennstoffbeschleuniger und Flüssigkeitsraketentriebwerke, in deren Brennkammern die Treibstoffkomponenten (Brennstoff und Oxidationsmittel) in eine exotherme Physik eintreten. chemische Reaktion Verbrennung bilden einen Strahlstrom, der jede Sekunde Tonnen von Stoff aus der Triebwerksdüse ausstößt. Die kinetische Energie des Arbeitsmediums des Strahls wird in eine Reaktionskraft umgewandelt, die ausreicht, um die Rakete anzutreiben. Der spezifische Impuls (das Verhältnis des erzeugten Schubs zur Masse des eingesetzten Treibstoffs) solcher Chemiemotoren hängt von den Treibstoffbestandteilen, dem Druck und der Temperatur in der Brennkammer sowie dem Molekulargewicht des durch die Brennkammer ausgestoßenen Gasgemisches ab Motordüse.
Und je höher die Temperatur des Stoffes und der Druck im Brennraum sowie je geringer die Molekülmasse des Gases, desto höher ist der spezifische Impuls und damit der Wirkungsgrad des Motors. Ein spezifischer Impuls ist eine Bewegungsgröße und wird normalerweise, genau wie die Geschwindigkeit, in Metern pro Sekunde gemessen.
In Chemiemotoren wird der höchste spezifische Impuls durch Sauerstoff-Wasserstoff- und Fluor-Wasserstoff-Brennstoffgemische (4500–4700 m/s) bereitgestellt, am beliebtesten (und am bequemsten zu bedienen) sind jedoch Raketentriebwerke, die mit Kerosin und Sauerstoff betrieben werden, z zum Beispiel die Sojus- und Musk-Falcon-Raketen sowie Triebwerke, die unsymmetrisches Dimethylhydrazin (UDMH) mit einem Oxidationsmittel in Form einer Mischung aus Stickstofftetroxid und Salpetersäure verwenden (sowjetisches und russisches Proton, französisches Ariane, amerikanisches Titan). Ihr Wirkungsgrad ist 1,5-mal geringer als der von Wasserstoffantrieben, aber ein Impuls von 3000 m/s und eine Leistung reichen völlig aus, um den Start von Tonnen Nutzlast in erdnahe Umlaufbahnen wirtschaftlich rentabel zu machen.
Für Flüge zu anderen Planeten sind jedoch viel größere Raumfahrzeuge erforderlich als alles, was die Menschheit bisher geschaffen hat, einschließlich der modularen ISS. Bei diesen Schiffen ist es notwendig, eine langfristige autonome Existenz der Besatzungen sowie eine gewisse Treibstoffversorgung und Lebensdauer der Haupttriebwerke und Triebwerke für Manöver und Bahnkorrektur sicherzustellen, um die Anlieferung von Astronauten in einem speziellen Landemodul zu gewährleisten zur Oberfläche eines anderen Planeten und ihre Rückkehr zum Haupttransportschiff und dann die Rückkehr der Expedition zur Erde.
Das gesammelte technische Wissen und die chemische Energie der Motoren ermöglichen die Rückkehr zum Mond und den Mars. Daher besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass die Menschheit im nächsten Jahrzehnt den Roten Planeten besuchen wird.
Wenn wir uns nur auf bestehende Weltraumtechnologien verlassen, beträgt die Mindestmasse des bewohnbaren Moduls für einen bemannten Flug zum Mars oder zu den Satelliten Jupiter und Saturn etwa 90 Tonnen, was dreimal mehr ist als die der Mondschiffe der frühen 1970er Jahre , was bedeutet, dass Trägerraketen für ihren Start in Referenzumlaufbahnen für den Weiterflug zum Mars dem Saturn 5 (Startgewicht 2965 Tonnen) des Apollo-Mondprojekts oder dem sowjetischen Träger Energia (Startgewicht 2400 Tonnen) weit überlegen sein werden. Es wird notwendig sein, einen bis zu 500 Tonnen schweren interplanetaren Komplex im Orbit zu errichten. Ein Flug auf einem interplanetaren Schiff mit chemischen Raketentriebwerken dauert in nur einer Richtung zwischen 8 Monaten und 1 Jahr, da Sie Schwerkraftmanöver durchführen müssen, bei denen Sie die Schwerkraft der Planeten und einen enormen Treibstoffvorrat nutzen, um das Schiff zusätzlich zu beschleunigen .
Aber mit der chemischen Energie von Raketentriebwerken wird die Menschheit nicht weiter fliegen als bis zur Umlaufbahn von Mars oder Venus. Wir brauchen unterschiedliche Fluggeschwindigkeiten von Raumfahrzeugen und andere stärkere Bewegungsenergie.

Modernes Design eines nuklearen Raketentriebwerks Princeton Satellite Systems

Um den Weltraum zu erforschen, ist es notwendig, das Schub-Gewichts-Verhältnis und die Effizienz des Raketentriebwerks deutlich zu steigern und damit seinen spezifischen Impuls und seine Lebensdauer zu erhöhen. Und dazu ist es notwendig, ein Gas oder eine Arbeitsflüssigkeit mit geringer Atommasse im Motorraum auf Temperaturen zu erhitzen, die um ein Vielfaches höher sind als die chemische Verbrennungstemperatur herkömmlicher Kraftstoffmischungen, und dies kann durch eine Kernreaktion erfolgen.
Wenn anstelle einer herkömmlichen Brennkammer ein Kernreaktor in ein Raketentriebwerk eingebaut wird, in dessen aktive Zone ein Stoff in flüssiger oder gasförmiger Form zugeführt wird, dann beginnt dieser unter hohem Druck auf mehrere tausend Grad erhitzt durch den Düsenkanal ausgestoßen werden, wodurch ein Strahlschub entsteht. Der spezifische Impuls eines solchen nuklearen Strahltriebwerks wird um ein Vielfaches größer sein als der eines herkömmlichen Triebwerks mit chemischen Komponenten, was bedeutet, dass die Effizienz sowohl des Triebwerks selbst als auch der Trägerrakete insgesamt um ein Vielfaches steigt. In diesem Fall ist kein Oxidationsmittel für die Kraftstoffverbrennung erforderlich, und leichtes Wasserstoffgas kann als Substanz verwendet werden, die einen Strahlschub erzeugt. Wir wissen, dass der Impuls umso höher ist, je geringer die Molekülmasse des Gases ist Reduzieren Sie die Masse der Rakete bei besserer Motorleistung.
Ein Kernkraftmotor wird besser sein als ein herkömmlicher, da das leichte Gas in der Reaktorzone auf Temperaturen über 9.000 Grad Kelvin erhitzt werden kann und ein Strahl eines solchen überhitzten Gases einen viel höheren spezifischen Impuls liefert, als herkömmliche Chemiemotoren liefern können . Aber das ist in der Theorie.
Es besteht nicht einmal die Gefahr, dass es beim Start einer Trägerrakete mit einer solchen Nuklearanlage zu einem Unfall kommen könnte. Nukleare Verschmutzung Atmosphäre und Raum rund um die Startrampe, das Hauptproblem ist, wann hohe Temperaturen Ah, das Triebwerk selbst könnte zusammen mit dem Raumschiff schmelzen. Designer und Ingenieure sind sich dessen bewusst und versuchen seit mehreren Jahrzehnten, geeignete Lösungen zu finden.
Nukleare Raketentriebwerke (NRE) haben bereits eine eigene Entstehungs- und Betriebsgeschichte im Weltraum. Die erste Entwicklung von Atommotoren begann Mitte der 1950er Jahre, also noch vor dem menschlichen Flug ins All, und fast gleichzeitig in der UdSSR und den USA, und die Idee, Kernreaktoren zur Erwärmung der Arbeitsenergie zu nutzen, entstand Die Substanz in einem Raketentriebwerk wurde zusammen mit den ersten Rektoren Mitte der 40er Jahre, also vor mehr als 70 Jahren, geboren.
In unserem Land war der Thermophysiker Vitaly Mikhailovich Ievlev der Initiator der Entwicklung des Kernantriebs. 1947 stellte er ein Projekt vor, das von S. P. Korolev, I. V. Kurchatov und M. V. Keldysh unterstützt wurde. Ursprünglich war geplant, solche Triebwerke für Marschflugkörper einzusetzen und sie dann in ballistische Raketen einzubauen. Die Entwicklung wurde von den führenden Verteidigungsdesignbüros der Sowjetunion sowie den Forschungsinstituten NIITP, CIAM, IAE und VNIIIM durchgeführt.
Der sowjetische Kernmotor RD-0410 wurde Mitte der 60er Jahre im Voronezh Chemical Automatics Design Bureau zusammengebaut, wo die meisten Flüssigkeitsraketentriebwerke für die Weltraumtechnologie hergestellt wurden.
Der RD-0410 nutzte Wasserstoff als Arbeitsmedium, das in flüssiger Form durch einen „Kühlmantel“ strömte, überschüssige Wärme von den Wänden der Düse abführte und das Schmelzen verhinderte und dann in den Reaktorkern gelangte, wo es erhitzt wurde 3000K erhitzt und durch die Kanaldüsen abgegeben, wodurch thermische Energie in kinetische Energie umgewandelt und ein spezifischer Impuls von 9100 m/s erzeugt wird.
In den USA wurde das Atomantriebsprojekt 1952 gestartet, und der erste betriebsfähige Motor wurde 1966 entwickelt und erhielt den Namen NERVA (Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application). In den 60er und 70er Jahren versuchten die Sowjetunion und die Vereinigten Staaten, einander nicht nachzugeben.
Zwar waren sowohl unser RD-0410 als auch der amerikanische NERVA Festphasen-Kernmotoren (Kernbrennstoff auf Urankarbidbasis befand sich im Reaktor in festem Zustand) und ihre Betriebstemperatur lag im Bereich von 2300–3100 K.
Um die Temperatur des Kerns zu erhöhen, ohne dass die Gefahr einer Explosion oder eines Schmelzens der Reaktorwände besteht, müssen solche Kernreaktionsbedingungen geschaffen werden, unter denen der Brennstoff (Uran) in einen gasförmigen Zustand übergeht oder in Plasma übergeht und im Reaktor gehalten wird aufgrund starker Magnetfeld ohne die Wände zu berühren. Und dann „umströmt“ der in den Reaktorkern eintretende Wasserstoff das Uran in der Gasphase, verwandelt sich in Plasma und wird mit sehr hoher Geschwindigkeit durch den Düsenkanal ausgestoßen.
Dieser Motortyp wird als Gasphasen-Kernantriebsmotor bezeichnet. Die Temperaturen des gasförmigen Uranbrennstoffs in solchen Kerntriebwerken können zwischen 10.000 und 20.000 Grad Kelvin liegen, und der spezifische Impuls kann 50.000 m/s erreichen, was elfmal höher ist als der der effizientesten chemischen Raketentriebwerke.
Schaffung und Einsatz von offenen und gasförmigen Kernantriebsmotoren in der Weltraumtechnologie geschlossene Typen- Dies ist die vielversprechendste Richtung in der Entwicklung von Weltraumraketentriebwerken und genau das, was die Menschheit braucht, um die Planeten zu erkunden Sonnensystem und ihre Begleiter.
Die ersten Forschungen zum Gasphasen-Kernantriebsprojekt begannen 1957 in der UdSSR am Forschungsinstitut für thermische Prozesse (Nationales Forschungszentrum benannt nach M. V. Keldysh) und fassten die Entscheidung, nukleare Weltraumkraftwerke auf Basis von Gasphasen-Kernreaktoren zu entwickeln wurde 1963 vom Akademiemitglied V. P. Glushko (NPO Energomash) erstellt und dann durch einen Beschluss des Zentralkomitees der KPdSU und des Ministerrats der UdSSR genehmigt.
Die Entwicklung von Gasphasen-Kernantriebsmotoren wurde in der Sowjetunion zwei Jahrzehnte lang betrieben, aber leider nie abgeschlossen, da die Finanzierung nicht ausreichte und zusätzliche Mittel benötigt wurden Grundlagenforschung auf dem Gebiet der Thermodynamik von Kernbrennstoff und Wasserstoffplasma, Neutronenphysik und magnetischer Hydrodynamik.
Sowjetische Nuklearwissenschaftler und Konstrukteure standen vor einer Reihe von Problemen, wie z. B. dem Erreichen der Kritikalität und der Gewährleistung der Stabilität des Betriebs eines Gasphasen-Kernreaktors, der Verringerung des Verlusts von geschmolzenem Uran bei der Freisetzung von auf mehrere tausend Grad erhitztem Wasserstoff und dem Wärmeschutz der Düse und des Magnetfeldgenerators, Ansammlung von Uranspaltungsprodukten, Auswahl chemisch beständiger Baumaterialien usw.
Und als mit der Entwicklung der Energia-Trägerrakete für das sowjetische Mars-94-Programm für den ersten bemannten Flug zum Mars begonnen wurde, wurde das Atommotorenprojekt auf unbestimmte Zeit verschoben. die Sowjetunion Es fehlte die Zeit und vor allem der politische Wille und die wirtschaftliche Effizienz, um unsere Kosmonauten 1994 auf dem Planeten Mars landen zu lassen. Dies wäre eine unbestreitbare Leistung und ein Beweis unserer Spitzentechnologieführerschaft in den nächsten Jahrzehnten. Aber der Weltraum wurde, wie viele andere Dinge auch, von der letzten Führung der UdSSR verraten. Die Geschichte kann nicht geändert werden, verstorbene Wissenschaftler und Ingenieure können nicht zurückgebracht werden und verlorenes Wissen kann nicht wiederhergestellt werden. Vieles muss neu geschaffen werden.
Doch die Weltraum-Kernenergie beschränkt sich nicht nur auf den Bereich der Feststoff- und Gasphasen-Kernantriebsmotoren. Um einen erhitzten Materiestrom in einem Strahltriebwerk zu erzeugen, können Sie verwenden elektrische Energie. Diese Idee wurde erstmals 1903 von Konstantin Eduardovich Tsiolkovsky in seinem Werk „Erforschung von Welträumen mit Jet-Instrumenten“ zum Ausdruck gebracht.
Und der erste elektrothermische Raketentriebwerk in der UdSSR wurde in den 1930er Jahren von Walentin Petrowitsch Gluschko, einem zukünftigen Akademiker der Akademie der Wissenschaften der UdSSR und Leiter der NPO Energia, entwickelt.
Die Funktionsprinzipien elektrischer Raketentriebwerke können unterschiedlich sein. Sie werden normalerweise in vier Typen unterteilt:

elektrothermisch (Heizung oder Lichtbogen). In ihnen wird das Gas auf Temperaturen von 1000–5000 K erhitzt und wie in einem nuklearen Raketentriebwerk aus der Düse ausgestoßen.
elektrostatische Motoren (kolloidal und ionisch), bei denen der Arbeitsstoff zunächst ionisiert wird und dann positive Ionen (Atome ohne Elektronen) in einem elektrostatischen Feld beschleunigt und ebenfalls durch den Düsenkanal ausgestoßen werden, wodurch ein Strahlschub entsteht. Zu den elektrostatischen Motoren zählen auch stationäre Plasmamotoren.
Magnetoplasma- und magnetodynamische Raketentriebwerke. Dort wird das Gasplasma aufgrund der Ampere-Kraft in den sich senkrecht kreuzenden magnetischen und elektrischen Feldern beschleunigt.
Impulsraketentriebwerke, die die Energie von Gasen nutzen, die bei der Verdampfung eines Arbeitsmediums in einer elektrischen Entladung entstehen.

Der Vorteil dieser elektrischen Raketentriebwerke ist der geringe Verbrauch des Arbeitsmediums, ein Wirkungsgrad von bis zu 60 % und eine hohe Partikelströmungsgeschwindigkeit, wodurch die Masse des Raumfahrzeugs erheblich reduziert werden kann, es gibt jedoch auch einen Nachteil – eine geringe Schubdichte und damit eine geringe Schubdichte geringe Leistung sowie hohe Kosten des Arbeitsmediums (Inertgase oder Dämpfe von Alkalimetallen) zur Plasmaerzeugung.
Alle aufgeführten Arten von Elektromotoren wurden in der Praxis umgesetzt und seit Mitte der 60er Jahre wiederholt im Weltraum sowohl auf sowjetischen als auch auf amerikanischen Raumfahrzeugen eingesetzt, wurden jedoch aufgrund ihrer geringen Leistung hauptsächlich als Orbitkorrekturmotoren eingesetzt.
Von 1968 bis 1988 startete die UdSSR eine ganze Reihe von Cosmos-Satelliten mit nuklearen Anlagen an Bord. Die Reaktortypen wurden benannt: „Buk“, „Topaz“ und „Yenisei“.
Der Reaktor des Jenissei-Projekts hatte eine thermische Leistung von bis zu 135 kW und eine elektrische Leistung von etwa 5 kW. Das Kühlmittel war eine Natrium-Kalium-Schmelze. Dieses Projekt wurde 1996 abgeschlossen.
Ein echter Raketenantrieb erfordert eine sehr leistungsstarke Energiequelle. Und die beste Energiequelle für solche Raumfahrttriebwerke ist ein Kernreaktor.
Die Kernenergie ist eine der Hightech-Industrien, in denen unser Land eine führende Position einnimmt. Und in Russland entsteht bereits ein grundlegend neues Raketentriebwerk, und dieses Projekt steht 2018 kurz vor dem erfolgreichen Abschluss. Flugtests sind für 2020 geplant.
Und wenn der Gasphasen-Kernantrieb ein Thema für zukünftige Jahrzehnte ist, zu dem nach der Grundlagenforschung wieder zurückgegriffen werden muss, dann ist seine heutige Alternative ein Kernkraftantriebssystem (NPPU) der Megawattklasse, und es wurde bereits von Rosatom und entwickelt Roskosmos-Unternehmen seit 2009.
NPO Krasnaya Zvezda, der derzeit weltweit einzige Entwickler und Hersteller von Weltraumkernkraftwerken, sowie das nach A. benannte Forschungszentrum. M. V. Keldysh, NIKIET benannt nach. N.A. Dollezhala, Forschungsinstitut NPO „Luch“, „Kurchatov Institute“, IRM, IPPE, RIAR und NPO Mashinostroeniya.
Das Kernkraft-Antriebssystem umfasst einen gasgekühlten Hochtemperatur-Neutronen-Kernreaktor mit einem Turbomaschinensystem zur Umwandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie, ein System von Kühlschrank-Emittern zur Ableitung überschüssiger Wärme in den Weltraum, ein Instrumentenfach und einen Sustainerblock Plasma- oder Ionen-Elektromotoren und ein Behälter zur Aufnahme der Nutzlast.
In einem Energieantriebssystem dient ein Kernreaktor als Stromquelle für den Betrieb elektrischer Plasmamotoren, während das gasförmige Kühlmittel des Reaktors, das durch den Kern strömt, in die Turbine des elektrischen Generators und Kompressors eintritt und in den Reaktor zurückkehrt Es handelt sich um einen geschlossenen Kreislauf und wird nicht wie bei einem nuklearen Antriebsmotor in den Weltraum geschleudert, was die Konstruktion zuverlässiger und sicherer macht und daher für bemannte Raumflüge geeignet ist.
Es ist geplant, das Kernkraftwerk für einen wiederverwendbaren Weltraumschlepper zu nutzen, um die Lieferung von Fracht während der Erkundung des Mondes oder die Schaffung von Mehrzweck-Orbitalkomplexen sicherzustellen. Der Vorteil wird nicht nur in der wiederverwendbaren Nutzung von Elementen des Transportsystems liegen (was Elon Musk in seinen SpaceX-Weltraumprojekten zu erreichen versucht), sondern auch in der Fähigkeit, dreimal mehr Fracht zu befördern als auf Raketen mit chemischen Strahltriebwerken vergleichbarer Leistung durch Reduzierung der Startmasse des Transportsystems. Das spezielle Design der Anlage macht sie für Menschen und Menschen sicher Umfeld auf der Erde.
Im Jahr 2014 wurde das erste Standardbrennelement (Brennelement) für dieses nuklearelektrische Antriebssystem bei JSC Mashinostroitelny Zavod in Elektrostal montiert, und im Jahr 2016 wurden Tests eines Reaktorkernkorbsimulators durchgeführt.
Derzeit (im Jahr 2017) wird an der Herstellung von Strukturelementen für die Installation und Prüfung von Komponenten und Baugruppen an Modellen sowie an der autonomen Prüfung von Energieumwandlungssystemen von Turbomaschinen und Prototypen von Triebwerken gearbeitet. Der Abschluss der Arbeiten ist für Ende nächsten Jahres 2018 geplant, jedoch begann sich seit 2015 der Rückstand im Zeitplan anzusammeln.
Sobald diese Anlage geschaffen ist, wird Russland das erste Land der Welt sein, das über nukleare Weltraumtechnologien verfügt, die nicht nur die Grundlage für zukünftige Projekte zur Erforschung des Sonnensystems, sondern auch für terrestrische und außerirdische Energie bilden werden . Mithilfe von Weltraumkernkraftwerken können Systeme zur Fernübertragung von Elektrizität zur Erde oder zu Weltraummodulen geschaffen werden elektromagnetische Strahlung. Und dies wird auch eine fortschrittliche Technologie der Zukunft sein, bei der unser Land eine führende Position einnehmen wird.
Auf Basis der zu entwickelnden Plasma-Elektromotoren sollen leistungsstarke Antriebssysteme für bemannte Langstreckenflüge ins All und vor allem für die Erforschung des Mars entstehen, dessen Umlaufbahn in nur 1,5 Monaten erreicht werden kann, und nicht in mehr als ein Jahr, wie beim Einsatz herkömmlicher chemischer Strahltriebwerke.
Und die Zukunft beginnt immer mit einer Energierevolution. Und sonst nichts. Energie ist primär und es ist die Menge des Energieverbrauchs, die den technischen Fortschritt, die Verteidigungsfähigkeit und die Lebensqualität der Menschen beeinflusst.

Experimentelles Plasmaraketentriebwerk der NASA

Der sowjetische Astrophysiker Nikolai Kardaschew schlug bereits 1964 eine Skala für die Entwicklung der Zivilisationen vor. Nach dieser Skala hängt der Stand der technologischen Entwicklung von Zivilisationen von der Energiemenge ab, die die Bevölkerung des Planeten für ihren Bedarf verbraucht. Somit nutzt die Zivilisation vom Typ I alle verfügbaren Ressourcen auf dem Planeten; Zivilisation vom Typ II – empfängt die Energie ihres Sterns in dem System, in dem sie sich befindet; und eine Zivilisation vom Typ III nutzt die verfügbare Energie ihrer Galaxie. Die Menschheit ist noch nicht zu einer Typ-I-Zivilisation dieser Größenordnung gereift. Wir nutzen nur 0,16 % der gesamten potenziellen Energiereserven des Planeten Erde. Dies bedeutet, dass Russland und die ganze Welt Raum für Wachstum haben, und diese Nukleartechnologien werden unserem Land nicht nur den Weg in den Weltraum, sondern auch zu künftigem wirtschaftlichem Wohlstand ebnen.
Und vielleicht besteht die einzige Option für Russland im wissenschaftlichen und technischen Bereich darin, jetzt einen revolutionären Durchbruch in der nuklearen Raumfahrttechnologie zu erzielen, um den langjährigen Rückstand auf die Spitzenreiter mit einem „Sprung“ zu überwinden und ganz am Anfang zu stehen eine neue technologische Revolution im nächsten Entwicklungszyklus der menschlichen Zivilisation. Solch eine einmalige Chance erhält ein bestimmtes Land nur alle paar Jahrhunderte.
Leider besteht für Russland, das den Grundlagenwissenschaften und der Qualität der Hochschul- und Sekundarbildung in den letzten 25 Jahren nicht genügend Aufmerksamkeit geschenkt hat, die Gefahr, diese Chance für immer zu verlieren, wenn das Programm gekürzt wird und die derzeitigen Wissenschaftler nicht durch eine neue Generation von Forschern ersetzt werden Ingenieure. Die geopolitischen und technologischen Herausforderungen, mit denen Russland in zehn bis zwölf Jahren konfrontiert sein wird, werden sehr ernst sein und mit den Bedrohungen der Mitte des 20. Jahrhunderts vergleichbar sein. Um die Souveränität und Integrität Russlands auch in Zukunft zu wahren, ist es jetzt dringend notwendig, mit der Ausbildung von Fachkräften zu beginnen, die in der Lage sind, auf diese Herausforderungen zu reagieren und etwas grundlegend Neues zu schaffen.
Es bleiben nur etwa zehn Jahre, um Russland in ein globales intellektuelles und technologisches Zentrum zu verwandeln, und dies kann nicht ohne eine gravierende Änderung der Bildungsqualität erreicht werden. Für einen wissenschaftlichen und technologischen Durchbruch ist es notwendig, in das Bildungssystem (sowohl Schule als auch Universität) systematische Ansichten über das Weltbild, wissenschaftliche Grundlagen und ideologische Integrität zurückzubringen.
Die derzeitige Stagnation in der Raumfahrtindustrie ist nicht beängstigend. Die physikalischen Prinzipien, auf denen moderne Raumfahrttechnologien basieren, werden im Bereich der konventionellen Satellitendienste noch lange gefragt sein. Erinnern wir uns daran, dass die Menschheit 5,5 Tausend Jahre lang Segel benutzte und die Ära der Dampfmaschine fast 200 Jahre dauerte. Erst im 20. Jahrhundert begann sich die Welt rasant zu verändern, weil eine weitere wissenschaftliche und technologische Revolution stattfand, die eine Innovationswelle auslöste und ein Wandel der technologischen Strukturen, der letztendlich sowohl die Weltwirtschaft als auch die Politik veränderte. Die Hauptsache ist, an den Ursprüngen dieser Veränderungen zu stehen.

Die Idee, Atombomben hinter das Heck zu werfen, erwies sich als zu brutal, aber die Energiemenge, die die Kernspaltungsreaktion erzeugt, ganz zu schweigen von der Fusion, ist für die Raumfahrt äußerst attraktiv. Aus diesem Grund wurden viele Nicht-Puls-Systeme entwickelt, die die mühsame Lagerung Hunderter davon überflüssig machten Atombomben an Bord und Zyklopenstoßdämpfer. Wir werden heute darüber sprechen.

Kernphysik zum Anfassen

Was ist eine Kernreaktion? Um es ganz einfach zu erklären: Das Bild wird ungefähr so aussehen. Aus dem Lehrplan erinnern wir uns, dass Materie aus Molekülen besteht, Moleküle aus Atomen bestehen und Atome aus Protonen, Elektronen und Neutronen bestehen (es gibt niedrigere Ebenen, aber das reicht uns). Einige schwere Atome haben eine interessante Eigenschaft: Wenn sie von einem Neutron getroffen werden, zerfallen sie in leichtere Atome und setzen mehrere Neutronen frei. Wenn diese freigesetzten Neutronen auf andere schwere Atome in der Nähe treffen, wiederholt sich der Zerfall und es kommt zu einer nuklearen Kettenreaktion. Die Bewegung von Neutronen mit hoher Geschwindigkeit führt dazu, dass diese Bewegung in Wärme umgewandelt wird, wenn die Neutronen langsamer werden. Daher ist ein Kernreaktor eine sehr leistungsstarke Heizung. Sie können Wasser kochen, den entstehenden Dampf zu einer Turbine leiten und ein Kernkraftwerk bauen. Oder Sie können Wasserstoff erhitzen und nach draußen werfen, wodurch ein nukleares Strahltriebwerk entsteht. Aus dieser Idee entstanden die ersten Motoren – NERVA und RD-0410.

NERVA

Projektgeschichte

Die formelle Urheberschaft (Patent) für die Erfindung des atomaren Raketentriebwerks liegt laut seinen Memoiren „You're Surely Joking, Mr. Feynman“ bei Richard Feynman. Das Buch ist übrigens eine sehr empfehlenswerte Lektüre. Das Los Alamos Laboratory begann 1952 mit der Entwicklung nuklearer Raketentriebwerke. 1955 wurde das Rover-Projekt gestartet. In der ersten Phase des Projekts KIWI wurden 8 Versuchsreaktoren gebaut und von 1959 bis 1964 wurde die Spülung des Arbeitsmediums durch den Reaktorkern untersucht. Zur Zeitreferenz: Das Orion-Projekt existierte von 1958 bis 1965. Rover hatte die Phasen zwei und drei zur Erforschung von Reaktoren mit höherer Leistung, aber NERVA basierte auf KIWI aufgrund der Pläne für den ersten Teststart im Weltraum im Jahr 1964 – es blieb keine Zeit, fortschrittlichere Optionen zu entwickeln. Die Fristen rückten nach und nach vor und der erste Bodenstart des NERVA NRX/EST-Motors (EST – Engine System Test) fand 1966 statt. Das Triebwerk lief zwei Stunden lang erfolgreich, davon 28 Minuten mit Vollschub. Der zweite NERVA XE-Motor wurde 28 Mal gestartet und lief insgesamt 115 Minuten. Der Motor wurde als für Weltraumanwendungen geeignet befunden und der Prüfstand war bereit, die neu zusammengebauten Motoren zu testen. Es schien, dass NERVA eine glänzende Zukunft vor sich hatte – ein Flug zum Mars im Jahr 1978, eine dauerhafte Basis auf dem Mond im Jahr 1981, Orbitalschlepper. Doch der Erfolg des Projekts löste im Kongress Panik aus – Mondprogramm Sollte sich herausstellen, dass es für die USA sehr teuer wird, wird das Mars-Programm sogar noch teurer. In den Jahren 1969 und 1970 wurde die Raumfahrtfinanzierung erheblich gekürzt – Apollo 18, 19 und 20 wurden gestrichen, und niemand stellte große Geldbeträge für das Marsprogramm bereit. Infolgedessen wurden die Arbeiten an dem Projekt ohne ernsthafte Finanzierung durchgeführt und es wurde 1972 eingestellt.

Design

Wasserstoff aus dem Tank gelangte in den Reaktor, wurde dort erhitzt und herausgeschleudert, wodurch ein Strahlschub entstand. Als Arbeitsmedium wurde Wasserstoff gewählt, da er aus leichten Atomen besteht und sich leichter auf hohe Geschwindigkeit beschleunigen lässt. Je höher die Abgasgeschwindigkeit des Strahls, desto effizienter ist das Raketentriebwerk.
Ein Neutronenreflektor wurde verwendet, um sicherzustellen, dass Neutronen zum Reaktor zurückgeführt wurden, um eine nukleare Kettenreaktion aufrechtzuerhalten.
Zur Steuerung des Reaktors wurden Steuerstäbe verwendet. Jeder dieser Stäbe bestand aus zwei Hälften – einem Reflektor und einem Neutronenabsorber. Wenn der Stab durch den Neutronenreflektor gedreht wurde, nahm deren Strömung im Reaktor zu und der Reaktor erhöhte die Wärmeübertragung. Wenn der Stab durch den Neutronenabsorber gedreht wurde, verringerte sich deren Strömung im Reaktor und der Reaktor verringerte die Wärmeübertragung.
Wasserstoff wurde auch zum Kühlen der Düse verwendet, und warmer Wasserstoff aus dem Düsenkühlsystem drehte die Turbopumpe, um mehr Wasserstoff zu liefern.

Motor läuft. Am Austritt der Düse wurde speziell Wasserstoff gezündet, um eine Explosionsgefahr zu vermeiden;

Das NERVA-Triebwerk erzeugte 34 Tonnen Schub, etwa eineinhalb Mal weniger als das J-2-Triebwerk, das die zweite und dritte Stufe der Saturn-V-Rakete antreibt. Der spezifische Impuls betrug 800-900 Sekunden, also doppelt so viel die besten Motoren auf dem Sauerstoff-Wasserstoff-Brennstoffpaar, aber kleiner als das elektrische Antriebssystem oder der Orion-Motor.

Ein wenig über Sicherheit

Ein gerade erst zusammengebauter und noch nicht in Betrieb genommener Kernreaktor mit neuen, noch nicht verwendeten Brennelementen ist recht sauber. Uran ist giftig, daher müssen Sie Handschuhe tragen, mehr jedoch nicht. Es sind keine Fernmanipulatoren, Bleiwände oder ähnliches erforderlich. Der gesamte strahlende Schmutz tritt nach dem Start des Reaktors aufgrund der Streuung von Neutronen auf, wodurch die Atome des Gefäßes, des Kühlmittels usw. „verderbt“ werden. Daher wäre im Falle eines Raketenunfalls mit einem solchen Triebwerk die Strahlungsbelastung der Atmosphäre und der Oberfläche gering und natürlich viel geringer als beim normalen Orion-Start. Im Falle eines erfolgreichen Starts wäre die Kontamination minimal oder gänzlich weg, da das Triebwerk in den oberen Schichten der Atmosphäre oder bereits im Weltraum gestartet werden müsste.

RD-0410

Der sowjetische RD-0410-Motor hat eine ähnliche Geschichte. Die Idee des Motors entstand Ende der 40er Jahre bei den Pionieren der Raketen- und Nukleartechnik. Wie beim Rover-Projekt bestand die ursprüngliche Idee in einem nuklearbetriebenen, luftatmenden Triebwerk für die erste Stufe einer ballistischen Rakete, dann verlagerte sich die Entwicklung auf die Raumfahrtindustrie. Der RD-0410 wurde langsamer entwickelt; inländische Entwickler waren von der Idee eines Gasphasen-Kernantriebsmotors begeistert (mehr dazu weiter unten). Das Projekt begann 1966 und dauerte bis Mitte der 80er Jahre. Ziel des Triebwerks war die Mission Mars 94, ein bemannter Flug zum Mars im Jahr 1994.
Das Design des RD-0410 ähnelt dem von NERVA – Wasserstoff strömt durch die Düse und die Reflektoren, kühlt diese, wird dem Reaktorkern zugeführt, dort erhitzt und freigesetzt.
Aufgrund seiner Eigenschaften war RD-0410 besser als NERVA – die Temperatur des Reaktorkerns betrug 3000 K statt 2000 K bei NERVA und der spezifische Impuls überstieg 900 s. RD-0410 war leichter und kompakter als NERVA und entwickelte zehnmal weniger Schub.

Motortests. Die Seitenfackel unten links zündet den Wasserstoff, um eine Explosion zu verhindern.

Entwicklung von Festphasen-Kernantriebsmotoren

Wir erinnern uns, dass je höher die Temperatur im Reaktor ist, desto größer ist die Durchflussrate des Arbeitsmediums und desto höher ist der spezifische Impuls des Motors. Was hindert Sie daran, die Temperatur in NERVA oder RD-0410 zu erhöhen? Tatsache ist, dass sich die Brennelemente bei beiden Motoren in einem festen Zustand befinden. Wenn man die Temperatur erhöht, schmelzen sie und fliegen zusammen mit dem Wasserstoff heraus. Für höhere Temperaturen muss daher eine andere Möglichkeit gefunden werden, eine nukleare Kettenreaktion durchzuführen.

Atomkraftstoff-Salzmotor

IN Kernphysik Es gibt so etwas wie eine kritische Masse. Denken Sie an die nukleare Kettenreaktion am Anfang des Beitrags. Wenn die spaltbaren Atome sehr nahe beieinander liegen (z. B. wurden sie durch den Druck einer speziellen Explosion komprimiert), wird dies der Fall sein Nukleare Explosion- viel Hitze in sehr kurzer Zeit. Wenn die Atome nicht so stark komprimiert werden, aber der Fluss neuer Neutronen aus der Spaltung zunimmt, kommt es zu einer thermischen Explosion. Ein herkömmlicher Reaktor würde unter solchen Bedingungen versagen. Stellen Sie sich nun vor, dass wir eine wässrige Lösung spaltbaren Materials (z. B. Uransalze) nehmen und diese kontinuierlich in die Brennkammer einspeisen, sodass dort eine Masse vorhanden ist, die größer als die kritische ist. Das Ergebnis ist eine kontinuierlich brennende nukleare „Kerze“, deren Hitze die Reaktion des Kernbrennstoffs und des Wassers beschleunigt.

Die Idee wurde 1991 von Robert Zubrin vorgeschlagen und verspricht nach verschiedenen Schätzungen einen spezifischen Impuls von 1300 bis 6700 s bei einer in Tonnen gemessenen Schubkraft. Leider hat ein solches Schema auch Nachteile:

Komplexität der Kraftstofflagerung – Kettenreaktionen im Tank müssen vermieden werden, indem der Kraftstoff beispielsweise in dünnen Röhren eines Neutronenabsorbers untergebracht wird, sodass die Tanks komplex, schwer und teuer werden.

Der hohe Verbrauch an Kernbrennstoff ist darauf zurückzuführen, dass die Effizienz der Reaktion (Anzahl der zerfallenen/Anzahl der verbrauchten Atome) sehr gering sein wird. Selbst bei einer Atombombe „verbrennt“ das spaltbare Material nicht sofort vollständig, der Großteil des wertvollen Kernbrennstoffs wird verschwendet.

Bodentests sind praktisch unmöglich – der Auspuff eines solchen Motors wird sehr schmutzig sein, sogar noch schmutziger als der des Orion.

Es gibt einige Fragen zur Steuerung der Kernreaktion – es ist keine Tatsache, dass ein Schema, das in der verbalen Beschreibung einfach ist, technisch leicht umzusetzen ist.

Gasphasen-Kernantriebsmotoren

Nächste Idee: Was wäre, wenn wir einen Arbeitsflüssigkeitswirbel erzeugen würden, in dessen Zentrum eine Kernreaktion stattfinden würde? In diesem Fall erreicht die hohe Temperatur des Kerns nicht die Wände, sondern wird vom Arbeitsmedium absorbiert und kann auf Zehntausende Grad ansteigen. So entstand die Idee eines Gasphasen-Kernantriebsmotors mit offenem Kreislauf:

Der Gasphasen-Kernantrieb verspricht einen spezifischen Impuls von bis zu 3000-5000 Sekunden. In der UdSSR wurde ein Projekt für einen Gasphasen-Kernantriebsmotor (RD-600) gestartet, der jedoch noch nicht einmal das Modellstadium erreichte.
„Offener Kreislauf“ bedeutet, dass der Kernbrennstoff nach außen freigesetzt wird, was natürlich die Effizienz verringert. Daher wurde die folgende Idee erfunden, die dialektisch zu NREs in fester Phase zurückkehrt: Lassen Sie uns den Kernreaktionsbereich mit einer ausreichend hitzebeständigen Substanz umgeben, die abgestrahlte Wärme überträgt. Als solcher Stoff wurde Quarz vorgeschlagen, da bei mehreren zehntausend Grad Wärme durch Strahlung übertragen wird und das Behältermaterial transparent sein muss. Das Ergebnis ist ein Gasphasen-Kernantriebsmotor mit geschlossenem Kreislauf oder eine „nukleare Glühbirne“:

In diesem Fall ist die Grenze der Kerntemperatur die thermische Festigkeit der „Glühbirnen“-Hülle. Der Schmelzpunkt von Quarz liegt bei 1700 Grad Celsius, bei aktiver Kühlung kann die Temperatur erhöht werden, der spezifische Impuls ist jedoch in jedem Fall geringer als im offenen Kreislauf (1300-1500 s), der Kernbrennstoff wird jedoch sparsamer verbraucht , und der Auspuff wird sauberer.

Alternative Projekte

Neben der Entwicklung von Festphasen-Kernantriebsmotoren gibt es auch originelle Projekte.

Spaltbarer Motor

Die Idee dieses Motors besteht darin, dass es kein Arbeitsmedium gibt – es ist der ausgestoßene abgebrannte Kernbrennstoff. Im ersten Fall werden unterkritische Scheiben aus spaltbaren Materialien hergestellt, die von selbst keine Kettenreaktion auslösen. Wenn die Scheibe jedoch in einer Reaktorzone mit Neutronenreflektoren platziert wird, kommt es zu einer Kettenreaktion. Und die Rotation der Scheibe und das Fehlen eines Arbeitsmediums führen dazu, dass die zerfallenen hochenergetischen Atome in die Düse fliegen und Schub erzeugen, und die nicht zerfallenen Atome bleiben auf der Scheibe und bekommen eine Chance dazu die nächste Umdrehung der Scheibe:

Sogar mehr interessante Idee besteht darin, aus spaltbaren Materialien ein staubiges Plasma (denken Sie an die ISS) zu erzeugen, in dem die Zerfallsprodukte von Kernbrennstoff-Nanopartikeln durch ein elektrisches Feld ionisiert und herausgeschleudert werden, wodurch Schub entsteht:

Sie versprechen einen fantastischen spezifischen Impuls von 1.000.000 Sekunden. Die Begeisterung wird dadurch gedämpft, dass sich die Entwicklung auf der Ebene theoretischer Forschung bewegt.

Kernfusionsmotoren

In einer noch ferneren Zukunft liegt die Entwicklung von Kernfusionsmotoren. Im Gegensatz zu Kernspaltungsreaktionen, bei denen Atomreaktoren fast gleichzeitig mit der Bombe erstellt wurden, Fusionsreaktoren sind noch nicht von „morgen“ zu „heute“ übergegangen und Fusionsreaktionen können nur im „Orion“-Stil eingesetzt werden – dem Abwerfen thermonuklearer Bomben.

Nukleare Photonenrakete

Theoretisch ist es möglich, den Kern so stark zu erhitzen, dass durch die Reflexion von Photonen Schub erzeugt werden kann. Trotz fehlender technischer Einschränkungen sind solche Triebwerke auf dem aktuellen Stand der Technik unrentabel – der Schub wird zu gering sein.

Radioisotopenrakete

Eine Rakete, die das Arbeitsmedium eines RTG erhitzt, wird voll funktionsfähig sein. Da ein RTG jedoch relativ wenig Wärme erzeugt, ist ein solcher Motor sehr ineffizient, obwohl er sehr einfach ist.

Abschluss

Auf dem aktuellen Stand der Technik ist es möglich, einen Festkörper-Kernantriebsmotor im Stil von NERVA oder RD-0410 zusammenzubauen – die Technologien sind beherrscht. Aber ein solcher Motor wird gegenüber der Kombination „Kernreaktor + elektrischer Antrieb“ in Bezug auf den spezifischen Impuls verlieren, während er in Bezug auf den Schub gewinnt. Aber fortgeschrittenere Optionen gibt es immer noch nur auf dem Papier. Daher halte ich persönlich die Kombination „Reaktor + Elektroantrieb“ für erfolgsversprechender.

Informationsquellen

Die Hauptinformationsquelle ist die englische Wikipedia und die dort als Links aufgeführten Ressourcen. Paradoxerweise gibt es interessante Artikel über NRE zur Tradition – Festphasen-NRE und Gasphasen-NRE. Artikel über Motoren an

In der UdSSR sei eine sichere Methode zur Nutzung der Kernenergie im Weltraum erfunden worden, und derzeit werde daran gearbeitet, eine darauf basierende Kernenergieanlage zu errichten, sagte er Generaldirektor Staatliches Wissenschaftszentrum der Russischen Föderation „Nach Keldysh benanntes Forschungszentrum“, Akademiker Anatoly Koroteev.

„Jetzt arbeitet das Institut aktiv in dieser Richtung in einer großen Zusammenarbeit zwischen Roscosmos- und Rosatom-Unternehmen. Und ich hoffe, dass wir hier zu gegebener Zeit einen positiven Effekt erzielen werden“, sagte A. Koroteev am Dienstag bei den jährlichen „Royal Readings“ an der Moskauer Staatlichen Technischen Universität Bauman.

Ihm zufolge hat das Keldysh Center ein System zur sicheren Nutzung der Kernenergie im Weltraum erfunden, das den Verzicht auf Emissionen ermöglicht und in einem geschlossenen Kreislauf arbeitet, was die Anlage auch bei Ausfall und Absturz auf die Erde sicher macht .

„Dieses System reduziert das Risiko der Nutzung von Kernenergie erheblich, insbesondere wenn man bedenkt, dass einer der grundlegenden Punkte der Betrieb dieses Systems in Umlaufbahnen über 800-1000 km ist. Im Falle eines Ausfalls ist die „Blinkzeit“ dann so groß, dass diese Elemente nach längerer Zeit sicher zur Erde zurückkehren können“, stellte der Wissenschaftler klar.

A. Koroteev sagte, dass die UdSSR bereits zuvor Raumschiffe mit Kernenergie eingesetzt habe, diese jedoch potenziell gefährlich für die Erde seien und daher aufgegeben werden müssten. „Die UdSSR nutzte Kernenergie im Weltraum. Im Weltraum befanden sich 34 Raumschiffe mit Kernenergie, davon 32 sowjetische und zwei amerikanische“, erinnerte sich der Akademiker.

Ihm zufolge wird die in Russland zu entwickelnde Nuklearanlage durch den Einsatz eines rahmenlosen Kühlsystems leichter, bei dem das Kühlmittel des Kernreaktors ohne Rohrleitungssystem direkt im Weltraum zirkulieren wird.

Aber in den frühen 1960er Jahren betrachteten die Konstrukteure nukleare Raketentriebwerke als die einzigen echte Alternative für Reisen zu anderen Planeten des Sonnensystems. Lassen Sie uns die Geschichte dieses Problems herausfinden.

Zu dieser Zeit herrschte ein Wettbewerb zwischen der UdSSR und den USA, auch im Weltraum Voller Schwung, beteiligten sich Ingenieure und Wissenschaftler am Rennen um die Entwicklung eines nuklearen Antriebsmotors, und auch das Militär unterstützte zunächst das Projekt eines nuklearen Raketentriebwerks. Zunächst schien die Aufgabe sehr einfach zu sein: Sie müssen lediglich einen Reaktor bauen, der mit Wasserstoff statt mit Wasser gekühlt werden soll, eine Düse daran anbringen und schon geht es los zum Mars! Die Amerikaner flogen zehn Jahre nach dem Mond zum Mars und konnten sich nicht einmal vorstellen, dass Astronauten ihn jemals ohne Atomantrieb erreichen würden.

Die Amerikaner bauten sehr schnell den ersten Prototyp-Reaktor und testeten ihn bereits im Juli 1959 (sie wurden KIWI-A genannt). Diese Tests zeigten lediglich, dass der Reaktor zum Erhitzen von Wasserstoff genutzt werden könnte. Die Reaktorkonstruktion – mit ungeschütztem Uranoxid-Brennstoff – war für hohe Temperaturen nicht geeignet und der Wasserstoff erhitzte sich nur auf bis zu anderthalbtausend Grad.

Mit zunehmender Erfahrung wurde die Konstruktion von Reaktoren für nukleare Raketentriebwerke – NRE – komplexer. Das Uranoxid wurde durch ein hitzebeständigeres Karbid ersetzt und zusätzlich mit Niobkarbid beschichtet. Beim Versuch, die Auslegungstemperatur zu erreichen, begann der Reaktor jedoch zusammenzubrechen. Darüber hinaus kam es auch ohne makroskopische Zerstörung zu einer Diffusion von Uranbrennstoff in kühlenden Wasserstoff, und der Massenverlust erreichte innerhalb von fünf Stunden nach Reaktorbetrieb 20 %. Es wurde nie ein Material gefunden, das bei 2700–3000 °C betrieben werden kann und der Zerstörung durch heißen Wasserstoff standhält.

Daher beschlossen die Amerikaner, auf Effizienz zu verzichten und einen spezifischen Impuls in die Konstruktion des Flugtriebwerks einzubauen (Schub in Kilogramm Kraft, der durch die Freisetzung von einem Kilogramm Arbeitsflüssigkeitsmasse pro Sekunde erreicht wird; die Maßeinheit ist eine Sekunde). 860 Sekunden. Das war doppelt so viel wie bei den damaligen Sauerstoff-Wasserstoff-Motoren. Doch als die Amerikaner Erfolg hatten, war das Interesse an bemannten Flügen bereits zurückgegangen, das Apollo-Programm wurde eingeschränkt und 1973 wurde das NERVA-Projekt (so hieß der Motor einer bemannten Expedition zum Mars) endgültig eingestellt. Nachdem sie das Mondrennen gewonnen hatten, wollten die Amerikaner kein Marsrennen organisieren.

Aber die Lehre aus den Dutzenden gebauten Reaktoren und den Dutzenden durchgeführten Tests war, dass amerikanische Ingenieure sich zu sehr von groß angelegten Atomtests hinreißen ließen, anstatt Schlüsselelemente auszuarbeiten, ohne Nukleartechnologie einzubeziehen, wo sie vermieden werden könnten. Und wo es nicht möglich ist, verwenden Sie kleinere Ständer. Die Amerikaner ließen fast alle Reaktoren mit voller Leistung laufen, konnten aber die Auslegungstemperatur des Wasserstoffs nicht erreichen – der Reaktor begann früher zu kollabieren. Insgesamt wurden von 1955 bis 1972 1,4 Milliarden US-Dollar für das Atomraketenantriebsprogramm ausgegeben – etwa 5 % der Kosten des Mondprogramms.

Ebenfalls in den USA wurde das Orion-Projekt erfunden, das beide Versionen des Kernantriebssystems (Jet und Puls) kombinierte. Dies geschah auf folgende Weise: Aus dem Heck des Schiffes wurden kleine Nuklearladungen mit einer Kapazität von etwa 100 Tonnen TNT ausgeworfen. Hinter ihnen wurden Metallscheiben abgefeuert. In einiger Entfernung vom Schiff explodierte die Ladung, die Scheibe verdampfte und die Substanz zerstreute sich in verschiedene Richtungen. Ein Teil davon fiel in den verstärkten Heckbereich des Schiffes und bewegte es vorwärts. Eine geringfügige Steigerung des Schubs hätte durch die Verdunstung der Platte, die die Schläge abfängt, bewirkt werden müssen. Die Stückkosten für einen solchen Flug hätten damals nur 150 betragen dürfen Dollar pro Kilogramm Nutzlast.

In der ersten Hälfte der 1960er Jahre betrachteten sowjetische Ingenieure die Expedition zum Mars als logische Fortsetzung des damals entwickelten bemannten Flugprogramms zum Mond. Angesichts der Begeisterung, die die Priorität der UdSSR im Weltraum hervorrief, wurden selbst solch äußerst komplexe Probleme mit erhöhtem Optimismus beurteilt.

Eines der wichtigsten Probleme war (und bleibt bis heute) das Problem der Stromversorgung. Es war klar, dass Flüssigtreibstoff-Raketentriebwerke, sogar vielversprechende Sauerstoff-Wasserstoff-Raketentriebwerke, im Prinzip einen bemannten Flug zum Mars ermöglichen könnten, allerdings nur mit riesigen Startmassen des interplanetaren Komplexes Große anzahl Andocken einzelner Blöcke im erdnahen Orbit.

Auf der Suche nach optimalen Lösungen wandten sich Wissenschaftler und Ingenieure der Kernenergie zu und beschäftigten sich nach und nach mit diesem Problem.

In der UdSSR begann die Erforschung der Probleme der Nutzung der Kernenergie in der Raketen- und Raumfahrttechnik in der zweiten Hälfte der 50er Jahre, noch vor dem Start der ersten Satelliten. In mehreren Forschungsinstituten bildeten sich kleine Gruppen von Enthusiasten mit dem Ziel, Raketen- und Weltraum-Atommotoren und -Kraftwerke zu entwickeln.

Die Konstrukteure von OKB-11 S.P. Korolev erwogen zusammen mit Spezialisten von NII-12 unter der Leitung von V.Ya mehrere Optionen für Weltraum- und Kampfraketen (!) mit nuklearen Raketentriebwerken (NRE). Als Arbeitsmedium wurden Wasser und verflüssigte Gase – Wasserstoff, Ammoniak und Methan – bewertet.

Die Aussicht war vielversprechend; Nach und nach fand die Arbeit Verständnis und finanzielle Unterstützung in der Regierung der UdSSR.

Bereits die allererste Analyse zeigte, dass von den vielen möglichen Konzepten für nukleare Antriebssysteme im Weltraum (NPS) drei die größten Aussichten haben:

mit einem Festphasen-Kernreaktor;
mit einem Gasphasen-Kernreaktor;
Elektronukleare Raketenantriebssysteme.

Die Pläne waren grundlegend unterschiedlich; Für jeden von ihnen wurden mehrere Optionen für die Entwicklung theoretischer und experimenteller Arbeiten skizziert.

Der Umsetzung am nächsten schien ein Festphasen-Kernantriebsmotor zu sein. Den Anstoß für die Entwicklung der Arbeiten in dieser Richtung gaben ähnliche Entwicklungen, die seit 1955 in den USA im Rahmen des ROVER-Programms durchgeführt wurden, sowie die Aussichten (wie es damals schien) auf die Schaffung eines inländischen interkontinentalen bemannten Bomberflugzeugs mit Atomantrieb System.

Ein Festphasen-Kernantriebsmotor arbeitet als Direktstrommotor. Flüssiger Wasserstoff tritt in den Düsenteil ein, kühlt den Reaktorbehälter, die Brennelemente (FA) und den Moderator, dreht sich dann um und gelangt in das Innere des FA, wo er sich auf 3000 K erwärmt und in die Düse geschleudert wird, wobei er auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigt.

An den Funktionsprinzipien des Atommotors bestand kein Zweifel. Sein Design (und seine Eigenschaften) hingen jedoch weitgehend vom „Herz“ des Motors – dem Kernreaktor – ab und wurden vor allem von seiner „Füllung“ – dem Kern – bestimmt.

Die Entwickler der ersten amerikanischen (und sowjetischen) Atomantriebsmotoren plädierten für einen homogenen Reaktor mit Graphitkern. Die Arbeit der Suchgruppe für neue Arten von Hochtemperaturbrennstoffen, die 1958 im Labor Nr. 21 (Leitung G.A. Meerson) des NII-93 (Direktor A.A. Bochvar) gegründet wurde, verlief etwas getrennt. Beeinflusst durch die damals laufenden Arbeiten an einem Flugzeugreaktor (einer Wabe aus Berylliumoxid), unternahm die Gruppe (wiederum explorative) Versuche, oxidationsbeständige Materialien auf der Basis von Silizium und Zirkoniumcarbid zu erhalten.

Nach den Memoiren von R.B. Kotelnikov, ein Mitarbeiter von NII-9, hatte im Frühjahr 1958 ein Treffen mit einem Vertreter von NII-1 V.N. Er sagte, dass das Hauptmaterial für die Brennelemente (Brennstäbe) des Reaktors in ihrem Institut (übrigens damals das führende in der Raketenindustrie; Leiter des Instituts V.Ya. Likhushin, wissenschaftlicher Direktor M.V. Keldysh, Leiter des Labors V.M. Ievlev) verwenden Graphit. Insbesondere haben sie bereits gelernt, Proben mit Beschichtungen zu versehen, um sie vor Wasserstoff zu schützen. NII-9 schlug vor, die Möglichkeit der Verwendung von UC-ZrC-Karbiden als Basis für Brennelemente zu prüfen.

Nach kurzer Zeit erschien ein weiterer Kunde für Brennstäbe – das Designbüro von M.M. Bondaryuk, das ideologisch mit NII-1 konkurrierte. Wenn letzteres für ein Mehrkanal-Allblock-Design stand, entschied sich das Designbüro von M.M. Bondaryuk für eine zusammenklappbare Plattenversion, wobei der Schwerpunkt auf der einfachen Bearbeitung von Graphit lag und sich nicht durch die Komplexität der Teile schämte – die nur einen Millimeter dick waren Platten mit den gleichen Rippen. Karbide sind wesentlich schwieriger zu verarbeiten; Zu dieser Zeit war es unmöglich, daraus Teile wie Mehrkanalblöcke und Platten herzustellen. Es wurde klar, dass es notwendig war, ein anderes Design zu entwickeln, das den Besonderheiten von Hartmetallen entsprach.

Ende 1959 – Anfang 1960 wurde die entscheidende Voraussetzung für NRE-Brennstäbe gefunden – ein Stabkern, der die Kunden – das Likushin Research Institute und das Bondaryuk Design Bureau – zufriedenstellte. Der Entwurf eines heterogenen Reaktors auf thermischen Neutronen wurde für sie als der wichtigste Grund angesehen; Seine Hauptvorteile (im Vergleich zum alternativen homogenen Graphitreaktor) sind:

es ist möglich, einen wasserstoffhaltigen Niedertemperaturmoderator zu verwenden, der die Herstellung von Kernantriebsmotoren mit hoher Massenperfektion ermöglicht;
Es ist möglich, einen kleinen Prototyp eines Kernantriebsmotors mit einem Schub von etwa 30...50 kN mit einem hohen Maß an Kontinuität für Motoren und Kernantriebssysteme der nächsten Generation zu entwickeln;
es ist möglich, feuerfeste Karbide in großem Umfang in Brennstäben und anderen Teilen der Reaktorstruktur zu verwenden, was es ermöglicht, die Heiztemperatur des Arbeitsmediums zu maximieren und einen erhöhten spezifischen Impuls bereitzustellen;
Es ist möglich, die Hauptkomponenten und Systeme des Kernantriebssystems (KKW), wie Brennelemente, Moderator, Reflektor, Turbopumpeneinheit (TPU), Steuersystem, Düse usw., Element für Element autonom zu testen. Dies ermöglicht die parallele Durchführung von Tests, wodurch der Umfang teurer, komplexer Tests des gesamten Kraftwerks reduziert wird.

Um 1962–1963 Die Arbeiten am Kernantriebsproblem wurden von NII-1 geleitet, das über eine leistungsstarke experimentelle Basis und hervorragendes Personal verfügt. Es fehlten ihnen lediglich Urantechnologie und Nuklearwissenschaftler. Unter Beteiligung von NII-9 und dann von IPPE wurde eine Kooperation gegründet, deren Ideologie die Schaffung eines minimalen Schubs (ca. 3,6 tf), aber eines „echten“ Sommermotors mit einem „geraden“ Reaktor-IR- war. 100 (Test oder Forschung, 100 MW, Chefdesigner - Yu.A. Treskin). Unterstützt durch staatliche Vorschriften baute NII-1 Lichtbogenanlagen, die stets die Fantasie in Erstaunen versetzten – Dutzende von 6–8 m hohen Zylindern, riesige horizontale Kammern mit einer Leistung von über 80 kW, Panzerglas in Kästen. Die Teilnehmer des Treffens ließen sich von farbenfrohen Postern mit Flugplänen zum Mond, Mars usw. inspirieren. Es wurde davon ausgegangen, dass im Prozess der Entwicklung und Erprobung des Kernantriebsmotors gestalterische, technologische und physikalische Probleme gelöst werden würden.

Laut R. Kotelnikov wurde die Angelegenheit leider durch die nicht ganz klare Position der Raketenwissenschaftler erschwert. Das Ministerium für allgemeine Technik (MOM) hatte große Schwierigkeiten, das Testprogramm und den Bau der Prüfstandbasis zu finanzieren. Es schien, dass die IOM weder den Wunsch noch die Fähigkeit hatte, das NRD-Programm voranzutreiben.

Ende der 1960er Jahre war die Unterstützung für die Konkurrenten von NII-1 – IAE, PNITI und NII-8 – viel ernster. Das Ministerium für mittlere Technik („Kernwissenschaftler“) unterstützte aktiv ihre Entwicklung; Der IVG-„Loop“-Reaktor (mit einem Kern und stabförmigen zentralen Kanalbaugruppen, entwickelt von NII-9) rückte schließlich Anfang der 70er Jahre in den Vordergrund; Dort begann die Erprobung von Brennelementen.

Jetzt, 30 Jahre später, scheint die IAE-Linie korrekter zu sein: Zuerst – ein zuverlässiger „irdischer“ Kreislauf – Testen von Brennstäben und Baugruppen und dann die Entwicklung eines nuklearen Flugantriebsmotors mit der erforderlichen Leistung. Aber dann schien es möglich zu sein, sehr schnell einen echten Motor zu bauen, wenn auch einen kleinen... Da das Leben jedoch gezeigt hat, dass kein objektiver (oder auch nur subjektiver) Bedarf für einen solchen Motor bestand (das können wir auch Hinzu kommt, dass die Schwere der negativen Aspekte dieser Richtung, zum Beispiel internationale Abkommen über Nuklearwaffen im Weltraum, zunächst stark unterschätzt wurde), dann erwies sich ein grundlegendes Programm, dessen Ziele nicht eng und konkret waren, als entsprechend richtiger und produktiv.

Am 1. Juli 1965 wurde der vorläufige Entwurf des IR-20-100-Reaktors überprüft. Der Höhepunkt war die Veröffentlichung des technischen Entwurfs der IR-100-Brennelemente (1967), bestehend aus 100 Stäben (UC-ZrC-NbC und UC-ZrC-C für die Einlassabschnitte und UC-ZrC-NbC für den Auslass). . NII-9 war bereit, eine große Menge Kernelemente für den zukünftigen IR-100-Kern zu produzieren. Das Projekt war sehr fortschrittlich: Nach etwa 10 Jahren, praktisch ohne wesentliche Änderungen, wurde es im Bereich des 11B91-Apparats eingesetzt, und auch jetzt noch sind alle wichtigen Lösungen in Baugruppen ähnlicher Reaktoren für andere Zwecke erhalten, mit ein völlig anderes Maß an Berechnung und experimenteller Begründung.

Der „Raketen“-Teil des ersten heimischen nuklearen RD-0410 wurde im Voronezh Design Bureau of Chemical Automation (KBHA) entwickelt, der „Reaktor“-Teil (Neutronenreaktor und Strahlenschutzfragen) – vom Institut für Physik und Energie (Obninsk). ) und das Kurtschatow-Institut für Atomenergie.

KBHA ist bekannt für seine Arbeit auf dem Gebiet der Flüssigtreibstoff-Raketentriebwerke ballistische Raketen, SC und RN. Hier wurden etwa 60 Muster entwickelt, von denen 30 in die Massenproduktion gebracht wurden. Bis 1986 hatte KBHA den leistungsstärksten Einkammer-Sauerstoff-Wasserstoff-Motor des Landes RD-0120 mit einer Schubkraft von 200 tf entwickelt, der als Antriebsmotor in der zweiten Stufe des Energia-Buran-Komplexes eingesetzt wurde. Der nukleare RD-0410 wurde gemeinsam mit vielen Verteidigungsunternehmen, Designbüros und Forschungsinstituten entwickelt.

Nach dem akzeptierten Konzept wurden flüssiger Wasserstoff und Hexan (ein hemmender Zusatzstoff, der die Hydrierung von Karbiden reduziert und die Lebensdauer von Brennelementen verlängert) mithilfe eines TNA in einen heterogenen thermischen Neutronenreaktor mit von einem Zirkoniumhydrid-Moderator umgebenen Brennelementen eingespeist. Ihre Schalen wurden mit Wasserstoff gekühlt. Der Reflektor verfügte über Antriebe zur Rotation der Absorptionselemente (Borcarbid-Zylinder). Die Pumpe umfasste eine dreistufige Kreiselpumpe und eine einstufige Axialturbine.

In fünf Jahren, von 1966 bis 1971, wurden die Grundlagen der Reaktormotorentechnik geschaffen und einige Jahre später eine leistungsstarke Versuchsbasis namens „Expedition Nr. 10“ in Betrieb genommen, anschließend die Versuchsexpedition der NPO „Luch“. das Atomtestgelände Semipalatinsk.
Beim Testen traten besondere Schwierigkeiten auf. Aufgrund der Strahlung war es unmöglich, konventionelle Ständer für den Start eines vollwertigen nuklearen Raketentriebwerks zu verwenden. Es wurde beschlossen, den Reaktor am Atomtestgelände in Semipalatinsk und den „Raketenteil“ in NIIkhimmash (Sagorsk, heute Sergiev Posad) zu testen.

Um Prozesse innerhalb der Kammer zu untersuchen, wurden mehr als 250 Tests an 30 „kalten Motoren“ (ohne Reaktor) durchgeführt. Als Modellheizelement diente die Brennkammer des von KBKhimmash (Chefdesigner - A.M. Isaev) entwickelten Sauerstoff-Wasserstoff-Raketentriebwerks 11D56. Die maximale Betriebszeit betrug 13.000 Sekunden bei einer deklarierten Ressource von 3600 Sekunden.

Um den Reaktor auf dem Testgelände Semipalatinsk zu testen, wurden zwei spezielle Minen mit Untergrund errichtet Büroräume. Einer der Schächte war mit einem unterirdischen Reservoir für komprimiertes Wasserstoffgas verbunden. Aus finanziellen Gründen wurde auf den Einsatz von flüssigem Wasserstoff verzichtet.

1976 erfolgte die erste Leistungsinbetriebnahme des IVG-1-Reaktors. Gleichzeitig wurde am OE ein Stand eingerichtet, um die „Antriebs“-Version des IR-100-Reaktors zu testen, und einige Jahre später wurde dieser bei verschiedenen Leistungen getestet (einer der IR-100 wurde anschließend in einen Tiefdruckreaktor umgewandelt). -Forschungsreaktor für Materialwissenschaften, der heute noch in Betrieb ist).

Vor dem Versuchsstart wurde der Reaktor mit einem oberflächenmontierten Portalkran in den Schacht abgesenkt. Nach dem Starten des Reaktors gelangte Wasserstoff von unten in den „Kessel“, erhitzte sich auf 3000 K und strömte in einem feurigen Strom aus dem Schacht. Trotz der unbedeutenden Radioaktivität der austretenden Gase durfte er sich tagsüber nicht im Umkreis von anderthalb Kilometern um das Testgelände im Freien aufhalten. Einen Monat lang war es unmöglich, sich der Mine selbst zu nähern. Ein anderthalb Kilometer langer unterirdischer Tunnel führte von der Sicherheitszone zunächst zu einem Bunker und von dort zu einem anderen, der sich in der Nähe der Minen befand. Die Spezialisten bewegten sich entlang dieser einzigartigen „Korridore“.

Ievlev Vitaly Mikhailovich

Die Ergebnisse der mit dem Reaktor in den Jahren 1978–1981 durchgeführten Experimente bestätigten die Richtigkeit der konstruktiven Lösungen. Im Prinzip wurde der YARD geschaffen. Es blieben nur noch die Verbindung der beiden Teile und umfassende Tests.

Um 1985 könnte RD-0410 (nach einem anderen Bezeichnungssystem 11B91) seinen ersten Weltraumflug absolviert haben. Dafür war es jedoch notwendig, eine darauf basierende Beschleunigungseinheit zu entwickeln. Leider wurde diese Arbeit keinem Raumfahrtdesignbüro in Auftrag gegeben, und dafür gibt es viele Gründe. Die wichtigste davon ist die sogenannte Perestroika. Überstürzte Schritte führten dazu, dass sich die gesamte Raumfahrtindustrie sofort „in Ungnade“ befand und 1988 die Arbeit an Atomantrieben in der UdSSR (damals existierte die UdSSR noch) eingestellt wurde. Dies geschah nicht aufgrund technischer Probleme, sondern aus momentanen ideologischen Erwägungen. Und 1990 starb der ideologische Initiator der Atomraketentriebwerke in der UdSSR, Vitaly Mikhailovich Ievlev.

Welche großen Erfolge haben die Entwickler bei der Entwicklung des Kernkraftantriebssystems „A“ erzielt?

Am IVG-1-Reaktor wurden mehr als eineinhalb Dutzend groß angelegte Tests durchgeführt und folgende Ergebnisse erzielt: maximale Wasserstofftemperatur – 3100 K, spezifischer Impuls – 925 Sekunden, spezifische Wärmefreisetzung bis zu 10 MW/l , gemeinsame Ressource mehr als 4000 Sek. bei 10 aufeinanderfolgenden Reaktorstarts. Diese Ergebnisse übertreffen die amerikanischen Erfolge in Graphitzonen deutlich.

Es ist zu beachten, dass während des gesamten Zeitraums der NRE-Tests trotz der offenen Abgase die Ausbeute an radioaktiven Spaltfragmenten weder am Teststandort noch außerhalb des Teststandorts die zulässigen Standards überschritt und auf dem Territorium der Nachbarstaaten nicht registriert wurde.

Das wichtigste Ergebnis der Arbeit war die Schaffung heimischer Technologie für solche Reaktoren, die Herstellung neuer feuerfester Materialien und die Schaffung eines Reaktormotors führte zu einer Reihe neuer Projekte und Ideen.

Obwohl die Weiterentwicklung solcher Kernantriebsmotoren eingestellt wurde, sind die erzielten Erfolge nicht nur in unserem Land, sondern auch weltweit einzigartig. Dies wurde in den letzten Jahren auf internationalen Symposien zur Weltraumenergie sowie auf Treffen inländischer und amerikanischer Spezialisten wiederholt bestätigt (bei letzteren wurde anerkannt, dass der IVG-Reaktorstand heute das einzige betriebsfähige Testgerät der Welt ist, das dies kann). spielen eine wichtige Rolle in der experimentellen Entwicklung von FA und Kernkraftwerken).

Quellen
http://newsreaders.ru
http://marsiada.ru
http://vpk-news.ru/news/14241

Der Originalartikel ist auf der Website InfoGlaz.rf Link zum Artikel, aus dem diese Kopie erstellt wurde -

Flüssigtreibstoff-Raketentriebwerke haben dem Menschen die Möglichkeit gegeben, in den Weltraum zu fliegen – in erdnahe Umlaufbahnen. Allerdings verbrennen solche Raketen bereits in den ersten Flugminuten 99 % ihres Treibstoffs. Der verbleibende Treibstoff reicht möglicherweise nicht aus, um zu anderen Planeten zu reisen, und die Geschwindigkeit wird so niedrig sein, dass die Reise Dutzende oder Hunderte von Jahren dauern wird. Nuklearmotoren können das Problem lösen. Wie? Wir werden es gemeinsam herausfinden.

Das Funktionsprinzip eines Strahltriebwerks ist sehr einfach: Es wandelt Treibstoff in die kinetische Energie eines Strahls um (Energieerhaltungssatz) und aufgrund der Richtung dieses Strahls bewegt sich die Rakete im Raum (Erhaltungssatz). Schwung). Es ist wichtig zu verstehen, dass wir eine Rakete oder ein Flugzeug nicht auf eine Geschwindigkeit beschleunigen können, die größer ist als die Geschwindigkeit des ausströmenden Treibstoffs – heißes Gas, das zurückgeworfen wird.

Raumschiff New Horizons

Was unterscheidet einen effektiven Motor von einem erfolglosen oder veralteten Analogon? Zunächst einmal: Wie viel Treibstoff benötigt der Motor, um die Rakete zu beschleunigen? erforderliche Geschwindigkeit. Dieser wichtigste Parameter eines Raketentriebwerks heißt spezifischer Impuls, definiert als das Verhältnis des Gesamtimpulses zum Treibstoffverbrauch: Je höher dieser Indikator, desto effizienter ist das Raketentriebwerk. Wenn die Rakete fast vollständig aus Treibstoff besteht (d. h. es ist kein Platz für eine Nutzlast, ein Extremfall), kann der spezifische Impuls berücksichtigt werden gleich der Geschwindigkeit Austritt von Treibstoff (Arbeitsflüssigkeit) aus einer Raketendüse. Der Start einer Rakete ist ein äußerst kostspieliges Unterfangen; jedes Gramm nicht nur der Nutzlast, sondern auch des Treibstoffs, der auch wiegt und Platz beansprucht, wird berücksichtigt. Daher wählen Ingenieure immer mehr aktive Kraftstoffe aus, deren Einheit maximale Effizienz bietet und den spezifischen Impuls erhöht.

Die überwiegende Mehrheit der Raketen in der Geschichte und in der Neuzeit war mit Triebwerken ausgestattet, die eine chemische Verbrennungsreaktion (Oxidation) von Treibstoff nutzen.

Sie ermöglichten es, den Mond, die Venus, den Mars und sogar die fernen Planeten Jupiter, Saturn und Neptun zu erreichen. Zwar dauerten Weltraumexpeditionen Monate und Jahre (automatische Stationen Pioneer, Voyager, New Horizons usw.). Es ist zu beachten, dass alle derartigen Raketen einen erheblichen Teil des Treibstoffs verbrauchen, um von der Erde abzuheben, und dann aufgrund der Trägheit mit seltenen Momenten des Einschaltens des Motors weiterfliegen.

Pionier-Raumschiff

Solche Triebwerke eignen sich für den Start von Raketen in erdnahe Umlaufbahnen, aber um sie auf mindestens ein Viertel der Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen, wird eine unglaubliche Menge Treibstoff benötigt (Berechnungen zeigen, dass 103.200 Gramm Treibstoff benötigt werden). dass die Masse unserer Galaxie nicht mehr als 1056 Gramm beträgt). Es liegt auf der Hand, dass wir, um die nächsten Planeten und vor allem die Sterne zu erreichen, ausreichend hohe Geschwindigkeiten benötigen, die Flüssigtreibstoffraketen nicht bieten können.

Gasphasen-Kernmotor

Der Weltraum ist eine ganz andere Sache. Nehmen wir zum Beispiel den Mars, der von Science-Fiction-Autoren auf der ganzen Welt „bewohnt“ wird: Er ist gut erforscht und wissenschaftlich vielversprechend, und was am wichtigsten ist, er ist näher als alle anderen. Es geht um einen „Weltraumbus“, der die Besatzung in angemessener Zeit, also so schnell wie möglich, dorthin bringen kann. Es gibt jedoch Probleme mit dem interplanetaren Transport. Es ist schwierig, es auf die erforderliche Geschwindigkeit zu beschleunigen, dabei akzeptable Abmessungen beizubehalten und eine angemessene Menge Kraftstoff zu verbrauchen.

RS-25 (Rocket System 25) ist ein Flüssigtreibstoff-Raketentriebwerk, das von Rocketdyne, USA, hergestellt wird. Es wurde auf dem Segelflugzeug des Raumtransportsystems Space Shuttle eingesetzt, das jeweils über drei solcher Triebwerke verfügte. Besser bekannt als SSME-Triebwerk (engl. Space Shuttle Main Engine – das Haupttriebwerk des Space Shuttles). Die Hauptbestandteile des Kraftstoffs sind flüssiger Sauerstoff (Oxidationsmittel) und Wasserstoff (Kraftstoff). RS-25 verwendet ein geschlossenes Kreislaufsystem (mit Nachverbrennung des Generatorgases).

Die Lösung könnte ein „friedliches Atom“ sein, das Raumschiffe vorantreibt. Bereits in den späten 50er Jahren des letzten Jahrhunderts begannen Ingenieure darüber nachzudenken, ein leichtes und kompaktes Gerät zu entwickeln, das sich zumindest selbst in die Umlaufbahn befördern könnte. Der Hauptunterschied zwischen Atommotoren und Raketen mit Verbrennungsmotoren besteht darin kinetische Energie entsteht nicht durch die Verbrennung von Brennstoff, sondern durch die thermische Energie des Zerfalls radioaktiver Elemente. Vergleichen wir diese Ansätze.

Aus Flüssigkeitsmotoren Es entsteht ein heißer „Cocktail“ aus Abgasen (Gesetz der Impulserhaltung), das bei der Reaktion von Kraftstoff und Oxidationsmittel entsteht (Gesetz der Energieerhaltung). In den meisten Fällen handelt es sich um eine Kombination aus Sauerstoff und Wasserstoff (bei der Verbrennung von Wasserstoff entsteht gewöhnliches Wasser). H2O hat eine viel größere Molmasse als Wasserstoff oder Helium, daher ist die Beschleunigung für einen solchen Motor schwieriger;

NASA-Bodentests eines neuen Weltraumraketen-Startsystems, 2016 (Utah, USA). Diese Motoren werden auf der Raumsonde Orion installiert, die für eine Mission zum Mars geplant ist.

IN Atommotoren Es wird vorgeschlagen, nur Wasserstoff zu verwenden und ihn mithilfe der Energie des Kernzerfalls zu beschleunigen (zu erhitzen). Dies führt zu Einsparungen beim Oxidationsmittel (Sauerstoff), was bereits großartig ist, aber nicht alles. Da Wasserstoff ein relativ geringes spezifisches Gewicht hat, ist es für uns einfacher, ihn auf höhere Geschwindigkeiten zu beschleunigen. Natürlich können Sie auch andere wärmeempfindliche Gase (Helium, Argon, Ammoniak und Methan) verwenden, aber alle sind dem Wasserstoff im wichtigsten Punkt – dem erreichbaren spezifischen Impuls (mehr als 8 km/s) – mindestens doppelt unterlegen. .

Lohnt es sich also, es zu verlieren? Der Gewinn ist so groß, dass die Ingenieure weder durch die Komplexität der Konstruktion und Steuerung des Reaktors noch durch dessen Komplexität aufgehalten werden schweres Gewicht, nicht einmal Strahlengefahren. Darüber hinaus wird niemand von der Erdoberfläche starten – die Montage solcher Schiffe wird im Orbit erfolgen.

„Fliegender“ Reaktor

Wie funktioniert ein Atommotor? Der Reaktor in einer Raumfahrtmaschine ist viel kleiner und kompakter als seine terrestrischen Gegenstücke, aber alle Hauptkomponenten und Kontrollmechanismen sind grundsätzlich gleich. Der Reaktor fungiert als Erhitzer, in den flüssiger Wasserstoff eingespeist wird. Die Temperaturen im Kern erreichen (und können über) 3000 Grad. Das erhitzte Gas wird dann durch die Düse abgegeben.

Allerdings emittieren solche Reaktoren schädliche Strahlung. Um die Besatzung und zahlreiche elektronische Geräte vor Strahlung zu schützen, sind gründliche Maßnahmen erforderlich. Daher ähneln Projekte interplanetarer Raumfahrzeuge mit einem Nuklearmotor oft einem Regenschirm: Der Motor befindet sich in einem abgeschirmten separaten Block, der durch ein langes Fachwerk oder Rohr mit dem Hauptmodul verbunden ist.

"Brennkammer" Der Kernmotor ist der Reaktorkern, in dem unter hohem Druck zugeführter Wasserstoff auf 3000 Grad oder mehr erhitzt wird. Diese Grenze wird nur durch die Hitzebeständigkeit der Reaktormaterialien und die Eigenschaften des Brennstoffs bestimmt, obwohl eine Erhöhung der Temperatur den spezifischen Impuls erhöht.

Brennelemente- Dabei handelt es sich um hitzebeständige, gerippte (zur Vergrößerung der Wärmeübertragungsfläche) Zylinder – „Gläser“, die mit Uranpellets gefüllt sind. Sie werden von einem Gasstrom „gewaschen“, der sowohl die Rolle des Arbeitsmediums als auch des Reaktorkühlmittels übernimmt. Die gesamte Struktur ist mit reflektierenden Berylliumschirmen isoliert, die keine gefährlichen Stoffe abgeben Strahlung aus. Zur Steuerung der Wärmeabgabe sind neben den Sieben spezielle Drehtrommeln angebracht

Es gibt eine Reihe vielversprechender Entwürfe nuklearer Raketentriebwerke, deren Umsetzung in den Startlöchern steht. Schließlich werden sie hauptsächlich bei interplanetaren Reisen zum Einsatz kommen, die offenbar bald bevorstehen.

Atomantriebsprojekte

Diese Projekte wurden aus verschiedenen Gründen eingefroren – Geldmangel, Komplexität des Designs oder sogar die Notwendigkeit der Montage und Installation im Weltraum.

„ORION“ (USA, 1950–1960)

Ein Projekt eines bemannten Kernpuls-Raumfahrzeugs („Explosionsflugzeug“) zur Erforschung des interplanetaren und interstellaren Raums.

Arbeitsprinzip. Vom Schiffsmotor wird entgegen der Flugrichtung eine kleine äquivalente Kernladung ausgestoßen und in relativ geringer Entfernung vom Schiff (bis zu 100 m) zur Detonation gebracht. Die Aufprallkraft wird von der massiven reflektierenden Platte am Heck des Schiffes reflektiert und „drängt“ es nach vorne.

„PROMETHEUS“ (USA, 2002–2005)

Projekt Raumfahrtbehörde Die NASA will einen Atomantrieb für Raumfahrzeuge entwickeln.

Arbeitsprinzip. Der Motor des Raumfahrzeugs sollte aus ionisierten Partikeln bestehen, die Schub erzeugen, und einem kompakten Kernreaktor, der die Anlage mit Energie versorgt. Der Ionenmotor erzeugt einen Schub von etwa 60 Gramm, kann aber kontinuierlich betrieben werden. Letztendlich wird das Schiff nach und nach eine enorme Geschwindigkeit erreichen können – 50 km/sek minimale Menge Energie.

„PLUTO“ (USA, 1957–1964)

Projekt zur Entwicklung eines nuklearen Staustrahltriebwerks.

Arbeitsprinzip. Die Luft gelangt durch die Vorderseite des Fahrzeugs in den Kernreaktor und wird dort erhitzt. Heiße Luft dehnt sich aus und wird höhere Geschwindigkeit und wird durch die Düse abgegeben und sorgt so für den nötigen Schub.

NERVA (USA, 1952–1972)

(engl. Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application) ist ein gemeinsames Programm der US-amerikanischen Atomenergiekommission und der NASA zur Entwicklung eines nuklearen Raketentriebwerks.

Arbeitsprinzip. Das flüssige Hydrogel wird in eine spezielle Kammer geleitet, in der es von einem Kernreaktor erhitzt wird. Das heiße Gas dehnt sich aus und wird in die Düse abgegeben, wodurch Schub entsteht.