Ядерные тепловые ракетные двигатели

Существует много типов двигателей, использующих ядерную энергию. В этом параграфе мы не будем рассматривать двигатели в которых ядерная энергия предварительно преобразуется в электрическую. Их мы выделим в самостоятельный класс двигателей (-), а здесь же рассмотрим ядерные тепловые (ядернотермические) двигатели. Когда мы будем говорить о ядерных ракетных двигателях (ЯРД), то будем подразумевать под ними тепловые.

Принцип действия этих двигателей почти не отличается от принципа действия химических двигателей. Разница заключается в том, что рабочее тело нагревается не за счет своей собственной химической энергии, а за счет «постороннего» тепла, выделяющегося при внутриядерной реакции. Приблизительная пропорциональность скорости истечения величине остается в силе. Критерием выбора рабочего тела теперь служит главным образом молекулярный вес М. Поэтому превосходным рабочим телом может служить водород, неплохим будет и вода. Рабочее тело пропускается через ядерный реактор, в котором происходит реакция деления атомных ядер (например, урана), и при этом нагревается.

Понятно, что твердофазный ядерный реактор (с твердым ядерным горючим, рис. 1) может нагреть рабочее тело лишь до температуры, меньшей его собственной температуры плавления. Между тем наиболее тугоплавкий материал, из которого могут быть сделаны элементы ядерного реактора, содержащие уран, а именно карбид гафния и тантал, плавится уже при температуре 3900°С. Превышение температуры превратило бы твердофазный реактор в жидкую массу, охлаждать же ядерный реактор, подобно стенкам камеры, бессмысленно. В проводившихся в США экспериментах температура рабочего тела — водорода была менее 2000°С, а скорость истечения достигала 8 км/сек (ЯРД «Нерва» - работа над ЯРД «Нерва» в США была свернута после затраты 1,4 млрд. долл., однако в бюджете NASA на 1973 финансовый год намечалась разработка ЯРД меньших размеров). В будущем можно ожидать повышения скорости истечения до 12 км/сек и несколько выше.

Рисунок 1. Схема ЯРД с твердофазным реактором

Температуру рабочего тела можно повысить, если пропускать водород через жидкофазный ядерный реактор — через расплавленные соединения урана. Таким путем можно достичь скорости истечения до 20 км/сек.

Наконец, еще большего эффекта можно достичь, пропуская рабочее тело через газофазный ядерный реактор. Предлагаются различные способы предохранения делящегося урана от выбрасывания с рабочим телом, а стенок камеры — от расплавления (температура рабочего тела будет составлять десятки тысяч градусов). Предполагается, что скорость истечения для таких двигателей будет достигать 15— 70 км/сек.

Пульсирующие ЯРД. В этих двигателях энергия атомного взрыва должна испарять рабочее тело. По проекту «Орион» (см. также Missiles and Rockets, 14. XII. 1964) космическая ракета диаметром 10 м и массой 90 т после выведения ее на орбиту ракетой-носителем «Сатурн-5» разгоняется посредством ядерных взрывов, производящихся позади мощного стального днища. Достигается скорость истечения 10 км/сек при реактивном ускорении 10^-4 — 10^-3 g. По проекту фирмы «Мартин» взрывы ядерных капсул мощностью, эквивалентной 10 т тринитротолуола, внутри камеры диаметром 40 м должны, испарив 935 т воды, вывести на околоземную орбиту нагрузку 160 т (на нижней ступени используется связка из девяти ЖРД F-1), а в будущем — даже 13 000 т. По некоторым предположениям взрывы атомных бомб позволят достичь скорости истечения, в 10 раз большей, чем у химических ракет. Есть и более оптимистичные прогнозы. Однако опасность радиоактивного заражения атмосферы и заключение договора о прекращении ядерных испытаний в атмосфере, в космосе и под водой, привели к прекращению финансирования упомянутых проектов в США, хотя двигатель типа «Орион» еще продолжает упоминаться в литературе.

ЯРД на термоядерном синтезе. В этих двигателях используется управляемая реакция объединения (синтеза) атомных ядер, которая является еще не решенной «проблемой номер один» для физики наших дней. Рабочее тело, как предполагают, будет обтекать шнур высокотемпературной дейтериевой плазмы и изгоняться из ракеты со скоростью до 100 км/сек, причем реактивное ускорение составит 10^-4-10^-2 g.

<Рисунок 2. Схема ЯРД на радиоактивном распаде изотопов: 1 - бак с рабочим телом; 2 - изотопный материал; 3 - радиатор системы охлаждения; 4 - насос системы охлаждения; 5 - тяговая камера.

ЯРД на радиоактивном распаде изотопов (рис. 2). При самопроизвольном радиоактивном распаде выделяется тепловая энергия, которую можно использовать для нагревания водорода. После израсходования рабочего тела понадобится (если мы хотим сохранить для будущего использования запас радиоактивных материалов) система охлаждения, так как остановить радиоактивный распад невозможно. Достоинством подобного двигателя является простота конструкции. Скорость истечения для него составит 8-12 км/сек, реактивное ускорение – порядка 10^-3 g.

Рассматривая три последних типа ЯРД, мы столкнулись со случаями, когда двигатели сообщают космическому аппарату крайне малое ускорение – в сотни и даже в десятки тысяч раз меньше g = 9.8 м/сек². Причина этого – в чрезвычайно высоком удельном весе указанных ЯРД. Двигатели такого типа называют двигателями малой тяги. Они, конечно, не могут оторвать космический аппарат от поверхности Земли, но оказываются весьма эффективными в космосе.

Общая схема ЯРД

Как следует из зарубежных публикаций, твердофазные ЯРД, по-видимому, смогут устанавливаться (-) на верхних ступенях космических ракет (установка на первых ступенях привела бы к радиоактивному заражению). Разработка остальных типов ЯРД может потребовать десятков лет.

В.И. Левантовский

«Механика космического полета в элементарном изложении»

Издание второе

Издательство «Наука»

Москва 1974

PRETICH.ru

***