Научно-популярно о космосе и астрономии

Предыдущий пост Поделиться Следующий пост
Не лей мне соль в реактор или не-импульсные ядерные ракетные двигатели
lozga
01
Идея бросать за корму атомные бомбы в проекте "Орион" оказалась слишком брутальной, но объемы энергии, которые дает реакция ядерного расщепления, не говоря уже о синтезе, крайне привлекательны для космонавтики. Поэтому было создано множество не-импульсных систем, избавленных от проблем с хранением сотен ядерных бомб на борту и циклопических амортизаторов. О них сегодня мы и поговорим.

Ядерная физика на пальцах


02
Что такое ядерная реакция? Если объяснять очень просто, картина будет примерно следующая. Из школьной программы мы помним, что вещество состоит из молекул, молекулы из атомов, а атомы - из протонов, электронов и нейтронов (есть уровни ниже, но нам хватит и этого). Некоторые тяжелые атомы имеют интересное свойство - если в них попадает нейтрон, они распадаются на более легкие атомы и выпускают несколько нейтронов. Если эти выпущенные нейтроны попадут в находящиеся рядом другие тяжелые атомы, распад повторится, и мы получим цепную ядерную реакцию. Движение нейтронов с большой скоростью означает, что это движение превращается в тепло при замедлении нейтронов. Поэтому атомный реактор - это очень мощный нагреватель. Им можно кипятить воду, полученный пар направить на турбину, и получить атомную электростанцию. А можно нагревать водород и выбрасывать его наружу, получив ядерный реактивный двигатель. Из этой идеи родились первые двигатели - NERVA и РД-0410.

NERVA


История проекта

Формальное авторство (патент) на изобретение атомного ракетного двигателя принадлежит Ричарду Фейнману, согласно его же мемуарам "Вы, конечно же шутите, мистер Фейнман". Книга, кстати, всячески рекомендуется к прочтению. Лос-Аламосская лаборатория стала разрабатывать ядерные ракетные двигатели в 1952 году. В 1955 году Был начат проект Rover. На первом этапе проекта, KIWI, было построено 8 экспериментальных реакторов и с 1959 по 1964 год изучалась продувка рабочего тела сквозь активную зону реактора. Для временнОй привязки, проект "Орион" существовал с 1958 по 1965 год. У "Ровера" были второй и третий этапы, изучавшие реакторы большей мощности, но NERVA базировалась на KIWI из-за планов первого испытательного пуска в космосе в 1964 году - более продвинутые варианты не было времени отрабатывать. Сроки постепенно съехали и первый наземный пуск двигателя NERVA NRX/EST (EST - Engine System Test - тест двигательной системы) состоялся в 1966 году. Двигатель успешно проработал два часа, из которых 28 минут составила работа на полной тяге. Второй двигатель NERVA XE был запущен 28 раз и проработал в общей сложности 115 минут. Двигатель был признан пригодным для космической техники, а испытательный стед был готов к испытаниям новых собранных двигателей. Казалось, что NERVA ждет блестящее будущее - полёт на Марс в 1978, постоянная база на Луне в 1981, орбитальные буксиры. Но успех проекта вызвал панику в Конгрессе - лунная программа оказалась очень дорогой для США, марсианская программа оказалась бы ещё дороже. В 1969 и 1970 годах финансирование космоса серьезно сокращалось - были отменены "Аполлоны" - 18, 19 и 20, и огромные объемы денег на марсианскую программу никто бы не стал выделять. В итоге работа по проекту велась без серьезной подпитки деньгами и он был закрыт в 1972 году.

Конструкция

03

Водород из бака поступал в реактор, нагревался там, и выбрасывался наружу, создавая реактивную тягу. Водород был выбран как рабочее тело потому, что у него легкие атомы, и их проще разогнать до большой скорости. Чем больше скорость реактивного выхлопа - тем эффективнее ракетный двигатель.
Отражатель нейтронов использовался для того, чтобы нейтроны возвращались обратно в реактор для поддержания цепной ядерной реакции.
Управляющие стержни использовались для управления реактором. Каждый такой стержень состоял из двух половин - отражателя и поглотителя нейтронов. Когда стержень поворачивался отражателем нейтронов, их поток в реакторе увеличивался и реактор повышал теплоотдачу. Когда стержень поворачивался поглотителем нейтронов, их поток в реакторе уменьшался, и реактор понижал теплоотдачу.
Водород также использовался для охлаждения сопла, а теплый водород от системы охлаждения сопла вращал турбонасос для подачи новых порций водорода.

04
Двигатель в работе. Водород поджигался специально на выходе из сопла во избежание угрозы взрыва, в космосе горения бы не было.

Двигатель NERVA создавал тягу 34 тонны, примерно в полтора раза меньше двигателя J-2, стоявшего на второй и третьей ступенях ракеты "Сатурн-V". Удельный импульс составлял 800-900 секунд, что было в два раза больше лучших двигателей на топливной паре "кислород-водород", но меньше ЭРД или двигателя "Ориона".

Немного о безопасности

Только что собранный и не запущенный ядерный реактор с новыми, ещё не работавшими топливными сборками достаточно чист. Уран ядовит, поэтому необходимо работать в перчатках, но не более. Никаких дистанционных манипуляторов, свинцовых стен и прочего не нужно. Вся излучающая грязь появляется уже после запуска реактора из-за разлетающихся нейтронов, "портящих" атомы корпуса, теплоносителя и т.п. Поэтому, в случае аварии ракеты с таким двигателем радиационное заражение атмосферы и поверхности было бы небольшим, и конечно же, было бы сильно меньше штатного старта "Ориона". В случае же успешного старта заражение было бы минимальным или вообще отсутствовало, потому что двигатель должен был бы запускаться в верхних слоях атмосферы или уже в космосе.

РД-0410


05

Советский двигатель РД-0410 имеет похожую историю. Идея двигателя родилась в конце 40-х годов среди пионеров ракетной и ядерной техники. Как и в проекте Rover первоначальной идеей была атомный воздушно-реактивный двигатель для первой ступени баллистической ракеты, затем разработка перешла в космическую отрасль. РД-0410 разрабатывался медленнее, отечественные разработчики увлеклись идеей газофазного ЯРД (об этом будет ниже). Проект был начат в 1966 году и продолжался до середины 80-х годов. В качестве цели для двигателя называлась миссия "Марс-94" - пилотируемый полёт на Марс в 1994 году.
Схема РД-0410 аналогична NERVA - водород проходит через сопло и отражатели, охлаждая их, подается в активную зону реактора, нагревается там и выбрасывается.
По своим характеристикам РД-0410 был лучше NERVA - температура активной зоны реактора составляла 3000 К вместо 2000 К у NERVA, а удельный импульс превышал 900 с. РД-0410 был легче и компактней NERVA и развивал тягу в десять раз меньше.

06
Испытания двигателя. Боковой факел слева внизу поджигает водород во избежание взрыва.

Развитие твердофазных ЯРД


Мы помним, что чем выше температура в реакторе, тем больше скорость истечения рабочего тела и тем выше удельный импульс двигателя. Что мешает повысить температуру в NERVA или РД-0410? Дело в том, что в обоих двигателях тепловыделяющие элементы находятся в твердом состоянии. Если повысить температуру, они расплавятся и вылетят наружу вместе с водородом. Поэтому для бОльших температур необходимо придумать какой-то другой способ осуществления цепной ядерной реакции.

Двигатель на солях ядерного топлива

В ядерной физике есть такое понятие как критическая масса. Вспомните цепную ядерную реакцию в начале поста. Если делящиеся атомы находятся очень близко друг к другу (например, их обжали давлением от специального взрыва), то получится атомный взрыв - очень много тепла в очень небольшие сроки. Если атомы обжаты не так плотно, но поток новых нейтронов от деления растет, получится тепловой взрыв. Обычный реактор в таких условиях выйдет из строя. А теперь представим, что мы берем водный раствор делящегося материала (например, солей урана) и подаем их непрерывно в камеру сгорания, обеспечивая там массу больше критической. Получится непрерывно горящая ядерная "свечка", тепло от которой разгоняет прореагировавшее ядерное топливо и воду.

07

Идея была предложена в 1991 году Робертом Зубриным и, по различным подсчетам, обещает удельный импульс от 1300 до 6700 с при тяге, измеряющейся тоннами. К сожалению, подобная схема имеет и недостатки:

  • Сложность хранения топлива - необходимо избегать цепной реакции в баке, размещая топливо, например, в тонких трубках из поглотителя нейтронов, поэтому баки будут сложными, тяжелыми и дорогими.

  • Большой расход ядерного топлива - дело в том, что КПД реакции (количество распавшихся/количество потраченных атомов) будет очень низким. Даже в атомной бомбе делящийся материал "сгорает" не полностью, тут же бОльшая часть ценного ядерного топлива будет выбрасываться впустую.

  • Наземные тесты практически невозможны - выхлоп такого двигателя будет очень грязным, грязнее даже "Ориона".

  • Есть некоторые вопросы насчет контроля ядерной реакции - не факт, что простая в словесном описании схема будет легкой в технической реализации.



Газофазные ЯРД


Следующая идея: а что, если мы создадим вихрь рабочего тела, в центре которого будет идти ядерная реакция? В этом случае высокая температура активной зоны не будет доходить до стенок, поглощаясь рабочим телом, и её можно будет поднять до десятков тысяч градусов. Так родилась идея газофазного ЯРД открытого цикла:

08

Газофазный ЯРД обещает удельный импульс до 3000-5000 секунд. В СССР был начат проект газофазного ЯРД (РД-600), но он не дошёл даже до стадии макета.
"Открытый цикл" означает, что ядерное топливо будет выбрасываться наружу, что, конечно, снижает КПД. Поэтому была придумана следующая идея, диалектически вернувшаяся к твердофазным ЯРД - давайте окружим область ядерной реакции достаточно термостойким веществом, которое будет пропускать излучаемое тепло. В качестве такого вещества предложили кварц, потому что при десятках тысяч градусов тепло передается излучением и материал контейнера должен быть прозрачным. Получился газофазный ЯРД закрытого цикла, или же "ядерная лампочка":

09

В этом случае ограничением для температуры активной зоны будет термическая прочность оболочки "лампочки". Температура плавления кварца 1700 градусов Цельсия, с активным охлаждением температуру можно повысить, но, в любом случае, удельный импульс будет ниже открытой схемы (1300-1500 с), но ядерное топливо будет расходоваться экономней, и выхлоп будет чище.

Альтернативные проекты


Кроме развития твердофазных ЯРД есть и оригинальные проекты.

Двигатель на делящихся фрагментах

Идея этого двигателя заключается в отсутствии рабочего тела - им служит выбрасываемое отработанное ядерное топливо. В первом случае из делящихся материалов делаются подкритические диски, которые не запускают цепную реакцию сами по себе. Но если диск поместить в реакторную зону с отражателями нейтронов, запустится цепная реакция. А вращение диска и отсутствие рабочего тела приведет к тому, что распавшиеся высокоэнергетические атомы улетят в сопло, генерируя тягу, а не распавшиеся атомы останутся на диске и получат шанс при следующем обороте диска:

10

Ещё более интересная идея состоит в создании пылевой плазмы (вспомним "плазменный кристалл" на МКС) из делящихся материалов, в которой продукты распада наночастиц ядерного топлива ионизируются электрическим полем и выбрасываются наружу, создавая тягу:

11

Обещают фантастический удельный импульс в 1 000 000 секунд. Энтузиазм охлаждает тот факт, что разработка находится на уровне теоретических изысканий.

Двигатели на ядерном синтезе

В ещё более отдаленной перспективе создание двигателей на ядерном синтезе. В отличие от реакций распада ядер, где атомные реакторы были созданы почти одновременно с бомбой, термоядерные реакторы до сих пор не передвинулись из "завтра" в "сегодня" и использовать реакции синтеза можно только в стиле "Ориона" - бросаясь термоядерными бомбами.

Ядерная фотонная ракета

Теоретически можно разогреть активную зону до такой степени, что тягу можно будет создавать, отражая фотоны. Несмотря на отсутствие технических ограничений, подобные двигатели на текущем уровне технологии невыгодны - тяга будет слишком маленькой.

Радиоизотопная ракета

Вполне рабочим будет ракета, нагревающая рабочее тело от РИТЭГа. Но РИТЭГ выделяет сравнительно мало тепла, поэтому такой двигатель будет очень малоэффективным, хотя и очень простым.

Заключение


На текущем уровне технологии можно собрать твердотельный ЯРД в стиле NERVA или РД-0410 - технологии освоены. Но такой двигатель будет проигрывать связке "атомный реактор+ЭРД" по удельному импульсу, выигрывая по тяге. А более продвинутые варианты есть пока только на бумаге. Поэтому лично мне более перспективной кажется связка "реактор+ЭРД".

Источники информации


Главный источник информации - английская Википедия и ресурсы, указанные в ней как ссылки. Как ни парадоксально, но любопытные статьи по ЯРД есть на Традиции - твердофазный ЯРД и газофазный ЯРД. Статья про двигатели на делящихся фрагментах и пылевой плазме.

промо lozga ноябрь 4, 2014 17:00
Разместить за 20 жетонов
Привет! Добро пожаловать в блог, посвященный популяризации космонавтики, астрономии, и, шире, науки и прогресса человечества. Если вы зашли ко мне впервые, рекомендую почитать длинные серии постов по тегам: Серия "Незаметные сложности космической техники". Рассказы о том, как и почему ракеты и…

  • 1
Филипп, спасибо за очередную статью. Читаю на Хабре, но там я не зерегистрирован, ничего писать не могу :) К счастью, у Вас и в ЖЖ есть эти-же записи.

Можно попросить чуть больше информации про фотонные двигатели? После статьи мне сразу вспомнилась "Страна багровых туч" Стругацких и планетолет "Хиус".

Немного поцитирую произведение :)

=============
Фотонная ракета "Хиус"... Как и любой инженер-ядерник, Быков был
знаком с теорией фотонно-ракетного привода и с интересом следил за всем
новым, что появлялось в печати по этому вопросу. Фотонно-ракетный привод
превращает горючее в кванты электромагнитного излучения и таким образом
осуществляет максимально возможную для ракетных двигателей скорость
выталкивания, равную скорости света. Источником энергии фотонно-ракетного
привода могут служить либо термоядерные процессы (частичное превращение
горючего в излучение), либо процессы аннигиляции антивещества (полное
превращение горючего в излучение). Преимущества фотонной ракеты над
атомной ракетой с жидким горючим бесспорны и огромны. Во-первых, низкий
относительный вес топлива; во-вторых, большая полезная нагрузка;
в-третьих, фантастическая для жидкостной ракеты маневренность;
в-четвертых...
Так говорит теория. Но Быков знал также, что до последнего времени
все попытки использовать идею фотонно-ракетного привода на практике
оканчивались провалом. Одна из фундаментальных проблем этой идеи -
отражение излучения - не поддавалась практической разработке. Для
создания фотонной тяги требуются интенсивности излучения порядка
миллионов килокалорий на квадратный сантиметр поверхности отражателя в
секунду, и никакие материалы не выдерживали даже кратковременного
воздействия температур в сотни тысяч градусов, возникающих при этом.
Беспилотные модели сгорали дотла, не успев израсходовать и сотой доли
горючего. И тем не менее фотонная ракета "Хиус" построена!
"Создано идеальное зеркало, - сказал Дауге, - ``абсолютный
отражатель''. Субстанция, отражающая все виды лучистой энергии любой
интенсивности и все виды элементарных частиц с энергиями до ста - ста
пятидесяти миллионов электроновольт. Кроме нейтрино, кажется. Волшебная
субстанция. Ее теорию разработал институт в Новосибирске. Правда, они не
думали о фотонной ракете. Они исследовали возможности идеальной защиты от
проникающего излучения ядерного реактора. Но Краюхин сразу понял, в чем
дело. - Дауге усмехнулся. - Краюхин - фанатик фотонной ракеты. Это ему
принадлежит знаменитый афоризм: ``Фотонная ракета - покоренная
Вселенная''. Краюхин моментально вцепился в ``абсолютный отражатель'',
посадил за его разработку две трети лабораторий комитета, и вот -
``Хиус''!"



"Хиус" - комбинированный планетолет; пять обычных атомно-импульсных
ракет несут параболическое зеркало из "абсолютного отражателя". В фокус
зеркала с определенной частотой впрыскиваются порции водородно-тритиевой
плазмы. Назначение атомных ракет двоякое: во-первых, они дают "Хиусу"
возможность стартовать и финишировать на Земле. Фотонный реактор для
этого не годился - он заражал бы атмосферу, как одновременный взрыв
десятков водородных бомб. Во-вторых, реакторы ракет питают мощные
электромагниты, в поле которых происходит торможение плазмы и возникает
термоядерный синтез.
Очень просто и остроумно: пять ракет и зеркало. Кстати, уродливая
пятиногая черепаха, которую Быков видел в кабинете Краюхина, - это,
оказывается, макет "Хиуса". Изяществом обводов "Хиус", откровенно говоря,
не отличается...
=================

Соответственно вопрос - насколько реально описание Стругацких?

С точки зрения теории проблем нет, другое дело что на существующих технологиях тяга будет очень маленькая. Даже в посте указано, что из светящегося реактора можно создать фотонную ракету, только тяга будет ничтожная, все равно что от фонарика разгоняться. Т.е. для большой тяги нужен очень мощный поток фотонов. Для получения такого потока нет доступных технологий, да и для отражения его тоже технологий нет. "Абсолютный отражатель" пока не изобрели.

От Вашего ответа веет неверием в человеческий гений. Даже грубые расчёты показывают реальность вышеозначенного "Хиоса" при лёгкой коррекции проекта. Достаточно сделать зеркало диаметром не менее нескольких тысяч км. (или может миллионов) и поставить не 5, а более 100000 разгонных ускорителей, и дело в шляпе (пустяки вроде того, где взять антивещество в нужных количествах и как его хранить, даже рассматривать не стоит).
Скажите, а другие проекты из всяких книжек Вы тоже будете комментировать: двигатели на торсионных полях, калоши-автостопы и самовыдёргивающуюся и самоукладывающуюся в грузовики морковь?

Вы зря иронизируете. Буквально на днях NASA решила попробовать использовать плазму в магнитном поле в качестве теплозащитного щита. У меня была задумка фантастики, где этот же способ использовался для замены неудобных для десантных шаттлов теплозащитных щитов. Идея может быть глупой, а может и оказаться гениальным прозрением, ждущим только прогресса в материалах, уровне владения энергией и т.п.

Edited at 2014-07-10 16:46 (UTC)

"в качестве теплозащитного щита" - правда? - Вот здорово, осталось дело за малым - придумать, нет, хотя бы научно обосновать возможность "абсолютного отражателя", по гамма-квантам; да и с антивеществом что-то не слышу бравурных пророчеств, не говоря уже про потребные размеры такого зеркала (соответствующие расчёты уже делались).
Может всё-таки для начала следует разобраться со значением слов "технология" и "изобретение". Если самому трудно, то поясню: технология отвечает на вопрос "как сделать", когда уже известно что сделать и из чего. А изобретение - это конкретная реализация, когда ещё примерно известна и технология. Говорить, что ""Абсолютный отражатель" пока не ИЗОБРЕЛИ" " - это уровень домохозяйки, потому что ПОКА нет даже научного обоснования его возможности. Тоже самое с антивеществом в макромасштабе.
Так что иронии здесь самое место.

Я понимаю вашу позицию, но, по-моему, вы придираетесь к словам. В посте было сказано о возможности создания фотонной ракеты, однако, на существующих технологиях её тяга будет мизерной. Для повышения тяги потребуется повышение объемов излучаемой энергии, что потребует идеи "абсолютного отражателя", неважно, в какой форме - твердого тела как у Стругацких, или же, например, какого-нибудь поля.

"по-моему, вы придираетесь к словам. В посте было сказано ..." -
- По-моему у Вас проблемы с пониманием написанного. Изначально речь шла не о посте, а о комментарии, в котором безграмотно были употреблены слова "технологии" и "изобретение" - якобы дело за малым, только в этих наработках, а научное обоснование, дескать уже имеется.
Попутно задавался вопрос всякую ли книжную ерунду с картинками Вы собираетесь комментировать или это только разовое помутнение отклонение.

Да, у нас с вами явная коммуникативная неудача.

"у нас с вами" -
- У меня с вами никаких дел не было, а соответственно не может быть и неудач. Вы бы вместо того, что бы переводить с больной головы на здоровую ("... с вами") просто попытались бы понять смысл написанного, который составляет всего-лишь подсказку, что надо осторожно пользоваться терминами, а для этого необходимо перечитывать собственные тексты с точки зрения стороннего читателя.

(Анонимно)
зачем такой злой, как собака?

Он просто малопригоден для обсуждения подобных тем. Самоутверждение путем мелочных придирок, для творчества малопригоден. Соотв. имеем у него "коммуникационную неудачу"

  • 1
?

Log in

No account? Create an account