موتور موشک هسته ای موتور موشکی است که اصل عملکرد آن بر اساس یک واکنش هسته ای یا واپاشی رادیواکتیو است که انرژی آزاد می کند که سیال کار را گرم می کند که می تواند محصولات واکنش یا مواد دیگری مانند هیدروژن باشد. انواع مختلفی از موتورهای موشکی وجود دارد که از اصل عملکرد شرح داده شده در بالا استفاده می کنند: هسته ای، رادیوایزوتوپ، ترموهسته ای. با استفاده از موتورهای موشک هسته‌ای، می‌توان مقادیر ضربه‌ای خاص را به‌طور قابل‌توجهی بالاتر از آنهایی که با موتورهای موشک شیمیایی به دست آورد، به دست آورد. ارزش بالای ضربه خاص با سرعت بالای خروج سیال کار - حدود 8-50 کیلومتر در ثانیه - توضیح داده می شود. نیروی رانش یک موتور هسته ای قابل مقایسه با موتورهای شیمیایی است که در آینده امکان جایگزینی تمام موتورهای شیمیایی با موتورهای هسته ای را فراهم می کند.

مانع اصلی برای جایگزینی کامل، آلودگی رادیواکتیو ناشی از موتورهای موشک هسته ای است.

آنها به دو نوع تقسیم می شوند - فاز جامد و گاز. در موتورهای نوع اول، مواد شکافت پذیر در مجموعه های میله ای با سطح توسعه یافته قرار می گیرند. این امکان گرم کردن موثر یک سیال گازی را فراهم می کند، معمولاً هیدروژن به عنوان یک سیال عامل عمل می کند. سرعت اگزوز توسط حداکثر دمای سیال کار محدود می شود که به نوبه خود مستقیماً به حداکثر دمای مجاز عناصر ساختاری بستگی دارد و از 3000 K تجاوز نمی کند. در موتورهای موشک هسته ای فاز گاز، ماده شکافت پذیر در حالت گازی است. حفظ آن در منطقه کار از طریق تأثیر یک میدان الکترومغناطیسی انجام می شود. برای این نوع موتورهای موشک هسته ای، عناصر ساختاری یک عامل محدود کننده نیستند، بنابراین سرعت خروجی سیال کار می تواند از 30 کیلومتر بر ثانیه تجاوز کند. آنها را می توان به عنوان موتورهای مرحله اول، با وجود نشت مواد شکافت پذیر، استفاده کرد.

در دهه 70 قرن XX در ایالات متحده آمریکا و اتحاد جماهیر شوروی، موتورهای موشک هسته ای با مواد شکافت پذیر در فاز جامد به طور فعال آزمایش شدند. در ایالات متحده، برنامه ای برای ایجاد یک موتور موشک هسته ای آزمایشی به عنوان بخشی از برنامه NERVA در حال توسعه بود.

آمریکایی‌ها یک راکتور گرافیتی را ساختند که با هیدروژن مایع خنک می‌شد، که گرم می‌شد، تبخیر می‌شد و از طریق یک نازل موشک به بیرون پرتاب می‌شد. انتخاب گرافیت به دلیل مقاومت دمایی آن بود. بر اساس این پروژه، ضربه خاص موتور حاصل باید دو برابر بیشتر از رقم مربوط به مشخصه موتورهای شیمیایی با رانش 1100 کیلونیوتن باشد. راکتور Nerva قرار بود به عنوان بخشی از مرحله سوم پرتابگر Saturn V کار کند، اما به دلیل بسته شدن برنامه قمری و عدم وجود وظایف دیگر برای موتورهای موشکی این کلاس، راکتور هرگز در عمل آزمایش نشد.

یک موتور موشک هسته ای فاز گاز در حال حاضر در مرحله توسعه نظری است. یک موتور هسته‌ای فاز گاز شامل استفاده از پلوتونیوم است که جریان گاز آهسته آن توسط جریان سریع‌تری از هیدروژن خنک‌کننده احاطه شده است. آزمایش‌هایی در ایستگاه‌های فضایی مداری MIR و ISS انجام شد که می‌تواند انگیزه‌ای برای توسعه بیشتر موتورهای فاز گازی باشد.

امروز می توان گفت که روسیه تحقیقات خود را در زمینه سیستم های پیشران هسته ای کمی "تجمع" کرده است. کار دانشمندان روسی بیشتر بر توسعه و بهبود اجزای اساسی و مجموعه های نیروگاه های هسته ای و همچنین یکپارچه سازی آنها متمرکز است. اولویت برای تحقیقات بیشتر در این زمینه، ایجاد سیستم‌های نیروی محرکه هسته‌ای با قابلیت کار در دو حالت است. اولی حالت موتور موشک هسته ای و دومی حالت نصب تولید برق برای تامین انرژی تجهیزات نصب شده روی فضاپیما است.

اغلب در نشریات آموزشی عمومی در مورد فضانوردی، آنها تفاوت بین موتور موشک هسته ای (NRE) و یک سیستم رانش الکتریکی هسته ای (NURE) را تشخیص نمی دهند. با این حال، این اختصارات نه تنها تفاوت در اصول تبدیل انرژی هسته ای به رانش موشک، بلکه تاریخچه بسیار چشمگیر توسعه فضانوردی را پنهان می کند.

درام تاریخ در این واقعیت نهفته است که اگر تحقیقات در مورد نیروی محرکه هسته ای و پیشرانه هسته ای در اتحاد جماهیر شوروی و ایالات متحده آمریکا، که عمدتاً به دلایل اقتصادی متوقف شده بود، ادامه می یافت، آنگاه پروازهای انسان به مریخ مدت ها پیش به امری عادی تبدیل می شد.

همه چیز با هواپیماهای جوی با موتور هسته ای رمجت شروع شد

طراحان در ایالات متحده آمریکا و اتحاد جماهیر شوروی، تأسیسات هسته‌ای «تنفس» را در نظر گرفتند که قادر به جذب هوای بیرون و گرم کردن آن تا دمای عظیم هستند. احتمالاً این اصل تولید رانش از موتورهای رم جت وام گرفته شده است ، فقط به جای سوخت موشک از انرژی شکافت هسته های اتمی دی اکسید اورانیوم 235 استفاده شده است.

در ایالات متحده آمریکا، چنین موتوری به عنوان بخشی از پروژه پلوتو توسعه یافت. آمریکایی ها موفق به ایجاد دو نمونه اولیه از موتور جدید - Tory-IIA و Tory-IIC شدند که حتی راکتورها را تغذیه می کردند. قرار بود ظرفیت نصب 600 مگاوات باشد.

موتورهای توسعه یافته به عنوان بخشی از پروژه پلوتو قرار بود بر روی موشک های کروز نصب شوند که در دهه 1950 تحت عنوان SLAM (موشک ارتفاع کم مافوق صوت، موشک ارتفاع کم مافوق صوت) ایجاد شدند.

ایالات متحده قصد داشت موشکی به طول 26.8 متر، قطر سه متر و وزن 28 تن بسازد. بدنه موشک قرار بود حاوی کلاهک هسته ای و همچنین یک سیستم پیشران هسته ای به طول 1.6 متر و قطر 1.5 متر باشد. در مقایسه با اندازه های دیگر، نصب بسیار فشرده به نظر می رسد، که اصل عملکرد جریان مستقیم آن را توضیح می دهد.

توسعه دهندگان معتقد بودند که به لطف موتور هسته ای، برد پرواز موشک SLAM حداقل 182 هزار کیلومتر خواهد بود.

در سال 1964، وزارت دفاع ایالات متحده این پروژه را تعطیل کرد. دلیل رسمی این بود که در حین پرواز، یک موشک کروز با موتور هسته ای همه چیز اطراف را بیش از حد آلوده می کند. اما در واقع، دلیل آن هزینه های قابل توجه نگهداری از چنین موشک هایی بود، به خصوص که در آن زمان موشک ها به سرعت بر اساس موتورهای موشک پیشران مایع، که تعمیر و نگهداری آنها بسیار ارزان تر بود، در حال توسعه بود.

اتحاد جماهیر شوروی به ایده ایجاد یک طرح رم جت برای موتورهای هسته ای بسیار طولانی تر از ایالات متحده وفادار ماند و پروژه را تنها در سال 1985 بسته شد. اما معلوم شد که نتایج بسیار مهمتر است. بنابراین، اولین و تنها موتور موشک هسته ای شوروی در دفتر طراحی Khimavtomatika، Voronezh توسعه یافت. این RD-0410 (شاخص GRAU - 11B91، همچنین به عنوان "Irbit" و "IR-100" شناخته می شود) است.

RD-0410 از یک راکتور نوترون حرارتی ناهمگن استفاده می کرد، تعدیل کننده هیدرید زیرکونیوم بود، بازتابنده های نوترون از بریلیم ساخته شده بودند، سوخت هسته ای ماده ای بر پایه اورانیوم و کاربیدهای تنگستن بود، با حدود 80 درصد غنی سازی در ایزوتوپ 235.

این طرح شامل 37 مجموعه سوخت، پوشیده شده با عایق حرارتی بود که آنها را از تعدیل کننده جدا می کرد. این طرح به این شرط بود که جریان هیدروژن ابتدا از بازتابنده و تعدیل کننده عبور کند و دمای آنها را در دمای اتاق حفظ کند و سپس وارد هسته شود و در آنجا مجموعه های سوخت خنک شود و تا 3100 K گرم شود. در جایگاه، بازتابنده و تعدیل کننده توسط یک جریان هیدروژن جداگانه خنک می شود.

راکتور یک سری آزمایشات قابل توجه را پشت سر گذاشت، اما هرگز برای مدت زمان کامل کار خود آزمایش نشد. با این حال، اجزای رآکتور بیرونی کاملاً خسته شده بودند.

مشخصات فنی RD 0410

رانش در فضای خالی: 3.59 tf (35.2 kN)
توان حرارتی راکتور: 196 مگاوات
ضربه رانش ویژه در خلاء: 910 کیلوگرم بر ثانیه بر کیلوگرم (8927 متر بر ثانیه)
تعداد شروع: 10
مدت زمان کار: 1 ساعت
اجزای سوخت: سیال کار - هیدروژن مایع، ماده کمکی - هپتان
وزن با حفاظت در برابر اشعه: 2 تن
ابعاد موتور: ارتفاع 3.5 متر قطر 1.6 متر.

ابعاد و وزن کلی نسبتا کوچک، دمای بالای سوخت هسته ای (3100 کلوین) با سیستم خنک کننده موثر با جریان هیدروژن نشان می دهد که RD0410 یک نمونه اولیه تقریبا ایده آل از یک موتور پیشران هسته ای برای موشک های کروز مدرن است. و با در نظر گرفتن فن آوری های مدرن برای تولید سوخت هسته ای خود توقف، افزایش منبع از یک ساعت به چند ساعت کار بسیار واقعی است.

طرح های موتور موشک هسته ای

موتور موشک هسته‌ای (NRE) یک موتور جت است که در آن انرژی تولید شده در طی یک واکنش هسته‌ای یا گداخت، سیال کار (اغلب هیدروژن یا آمونیاک) را گرم می‌کند.

بسته به نوع سوخت راکتور، سه نوع موتور پیشران هسته ای وجود دارد:

• فاز جامد؛
• فاز مایع؛
• فاز گاز

کامل ترین نسخه فاز جامد موتور است. شکل نموداری از ساده ترین موتور هسته ای با راکتور سوخت هسته ای جامد را نشان می دهد. سیال کار در یک مخزن خارجی قرار دارد. با استفاده از پمپ به محفظه موتور عرضه می شود. در محفظه، سیال کار با استفاده از نازل پاشیده می شود و با سوخت هسته ای مولد سوخت تماس پیدا می کند. هنگامی که گرم می شود، منبسط می شود و از طریق نازل با سرعت زیادی از محفظه خارج می شود.

در موتورهای پیشران هسته ای فاز گاز، سوخت (مثلا اورانیوم) و سیال عامل در حالت گازی (به شکل پلاسما) هستند و توسط میدان الکترومغناطیسی در ناحیه کار نگه داشته می شوند. پلاسمای اورانیوم که تا ده ها هزار درجه گرم شده است، گرما را به سیال کار (مثلاً هیدروژن) منتقل می کند، که به نوبه خود، حرارت دادن به دمای بالا یک جریان جت را تشکیل می دهد.

بر اساس نوع واکنش هسته ای، بین موتور موشک رادیوایزوتوپ، موتور موشک گرما هسته ای و خود موتور هسته ای (انرژی شکافت هسته ای استفاده می شود) تفاوت قائل می شود.

یک گزینه جالب همچنین یک موتور موشک هسته ای پالسی است - استفاده از شارژ هسته ای به عنوان منبع انرژی (سوخت) پیشنهاد شده است. چنین تاسیساتی می تواند از انواع داخلی و خارجی باشد.

مزایای اصلی موتورهای هسته ای عبارتند از:

• تکانه خاص بالا؛
• ذخایر قابل توجه انرژی؛
• فشردگی سیستم محرکه؛
• امکان به دست آوردن رانش بسیار بالا - ده ها، صدها و هزاران تن در خلاء.

نقطه ضعف اصلی خطر تشعشع زیاد سیستم پیشرانه است:

• شار پرتوهای نافذ (تابش گاما، نوترون) در طول واکنش های هسته ای.
• حذف ترکیبات بسیار پرتوزا اورانیوم و آلیاژهای آن؛
• خروج گازهای رادیواکتیو با سیال کار.

سیستم نیروی محرکه هسته ای

با توجه به اینکه نمی توان اطلاعات قابل اعتمادی در مورد نیروگاه های هسته ای از نشریات، از جمله از مقالات علمی به دست آورد، اصل عملیاتی چنین تاسیساتی بهتر است با استفاده از نمونه هایی از مواد ثبت اختراع باز در نظر گرفته شود، اگرچه آنها حاوی دانش فنی هستند.

به عنوان مثال، دانشمند برجسته روسی آناتولی سازونوویچ کوروتیف، نویسنده اختراع تحت پتنت، یک راه حل فنی برای ترکیب تجهیزات یک YARDU مدرن ارائه کرد. در زیر بخشی از سند ثبت اختراع مذکور را به صورت کلمه به کلمه و بدون نظر ارائه می کنم.

ماهیت راه حل فنی پیشنهادی با نمودار ارائه شده در نقاشی نشان داده شده است. یک سیستم نیروی محرکه هسته ای که در حالت نیروی محرکه کار می کند شامل یک سیستم پیشرانه الکتریکی (EPS) است (نمودار مثال دو موتور موشک الکتریکی 1 و 2 را با سیستم های تغذیه متناظر 3 و 4 نشان می دهد)، یک تاسیسات راکتور 5، یک توربین 6، یک کمپرسور. 7، ژنراتور 8، مبدل حرارتی-بازیابی کننده 9، لوله گرداب Ranck-Hilsch 10، یخچال-رادیاتور 11. در این مورد، توربین 6، کمپرسور 7 و ژنراتور 8 در یک واحد - یک توربو ژنراتور-کمپرسور - ترکیب می شوند. واحد پیشران هسته ای مجهز به خطوط لوله 12 سیال کار و خطوط الکتریکی 13 است که ژنراتور 8 و واحد پیشرانه الکتریکی را به هم متصل می کند. مبدل حرارتی-بازیابی 9 دارای ورودی های سیال کاری با دمای بالا 14 و دمای پایین 15 و همچنین خروجی های سیال کاری با دمای بالا 16 و دمای پایین 17 می باشد.

خروجی واحد راکتور 5 به ورودی توربین 6 و خروجی توربین 6 به ورودی دمای بالا 14 مبدل حرارتی-بازیابی کننده 9 وصل می شود. خروجی دمای پایین 15 مبدل حرارتی-بازیابی کننده 9 به ورودی لوله گرداب Ranck-Hilsch 10 وصل می شود. لوله گرداب Ranck-Hilsch 10 دارای دو خروجی است که یکی از آنها (از طریق سیال کار "گرم") به یخچال رادیاتور 11 وصل می شود و دیگری ( از طریق سیال کار "سرد") به ورودی کمپرسور 7 متصل می شود. خروجی یخچال رادیاتور 11 نیز به ورودی کمپرسور 7 وصل می شود. خروجی کمپرسور 7 به ورودی 15 درجه حرارت پایین به ورودی وصل می شود. مبدل حرارتی-بازیابی کننده 9. خروجی دمای بالا 16 مبدل حرارتی-بازیابی کننده 9 به ورودی تاسیسات راکتور 5 متصل می شود. بنابراین، عناصر اصلی نیروگاه هسته ای توسط یک مدار واحد از سیال کار به هم متصل می شوند. .

نیروگاه هسته ای به شرح زیر عمل می کند. سیال کاری گرم شده در تاسیسات راکتور 5 به توربین 6 فرستاده می شود که عملکرد کمپرسور 7 و ژنراتور 8 توربوژنراتور کمپرسور را تضمین می کند. ژنراتور 8 انرژی الکتریکی تولید می کند که از طریق خطوط الکتریکی 13 به موتورهای موشک الکتریکی 1 و 2 و سیستم های تامین 3 و 4 آنها ارسال می شود و عملکرد آنها را تضمین می کند. پس از خروج از توربین 6، سیال عامل از طریق ورودی با دمای بالا 14 به مبدل حرارتی-بازیابی کننده 9 فرستاده می شود، جایی که سیال کار تا حدی خنک می شود.

سپس، از خروجی دمای پایین 17 مبدل حرارتی-بازیابی کننده 9، سیال کار به داخل لوله گرداب Ranque-Hilsch 10 هدایت می شود که در داخل آن جریان سیال کار به اجزای "گرم" و "سرد" تقسیم می شود. سپس بخش "گرم" سیال کار به یخچال فریزر 11 می رود، جایی که این قسمت از سیال کار به طور موثر خنک می شود. قسمت "سرد" سیال کار به ورودی کمپرسور 7 می رود و پس از خنک شدن، قسمتی از سیال کار که از یخچال تابشی 11 خارج می شود نیز در آنجا دنبال می شود.

کمپرسور 7 سیال کار خنک شده را از طریق ورودی 15 با دمای پایین به مبدل حرارتی-بازیابی کننده 9 تامین می کند. این سیال عامل خنک شده در مبدل حرارتی-بازیابی کننده 9 خنک کننده جزئی جریان متقابل سیال عامل ورودی به مبدل حرارتی-بازیابی کننده را فراهم می کند. 9 از توربین 6 از طریق ورودی با دمای بالا 14. سپس، سیال کاری که تا حدی گرم می شود (به دلیل تبادل حرارت با جریان مخالف سیال کار از توربین 6) از مبدل حرارتی-بازیابی کننده 9 از طریق دمای بالا خروجی 16 دوباره وارد نصب راکتور 5 می شود، چرخه دوباره تکرار می شود.

بنابراین، یک سیال کاری واحد واقع در یک حلقه بسته، عملکرد مداوم نیروگاه هسته ای را تضمین می کند و استفاده از یک لوله گرداب Ranque-Hilsch به عنوان بخشی از نیروگاه هسته ای مطابق با راه حل فنی ادعا شده، ویژگی های وزن و اندازه را بهبود می بخشد. نیروگاه هسته ای، قابلیت اطمینان عملیات آن را افزایش می دهد، طراحی آن را ساده می کند و به طور کلی افزایش راندمان نیروگاه های هسته ای را ممکن می سازد.

پیوندها:

در پایان این دهه، ممکن است یک فضاپیمای هسته‌ای برای سفرهای بین سیاره‌ای در روسیه ساخته شود. و این وضعیت را هم در فضای نزدیک به زمین و هم در خود زمین به طرز چشمگیری تغییر خواهد داد.

نیروگاه هسته ای (NPP) در سال 2018 آماده پرواز می شود. این را مدیر مرکز کلدیش دانشگاهیان اعلام کرد آناتولی کوروتیف. ما باید اولین نمونه (یک نیروگاه هسته ای کلاس مگاوات - یادداشت کارشناس آنلاین) را برای آزمایش های پروازی در سال 2018 آماده کنیم. این که آیا او پرواز خواهد کرد یا نه موضوع دیگری است، ممکن است یک صف باشد، اما او باید آماده پرواز باشد. موارد فوق به این معنی است که یکی از جاه طلبانه ترین پروژه های شوروی و روسیه در زمینه اکتشافات فضایی در حال ورود به مرحله اجرای عملی فوری است.

ماهیت این پروژه که ریشه های آن به اواسط قرن گذشته باز می گردد، این است. اکنون پروازها به فضای نزدیک زمین با موشک هایی انجام می شود که به دلیل احتراق سوخت مایع یا جامد در موتورهای خود حرکت می کنند. در اصل، این همان موتور در یک ماشین است. فقط در یک ماشین بنزین وقتی می سوزد، پیستون های داخل سیلندرها را فشار می دهد و انرژی خود را از طریق آنها به چرخ ها منتقل می کند. و در موتور موشک، سوختن نفت سفید یا هپتیل مستقیماً موشک را به جلو می راند.

در طول نیم قرن گذشته، این فناوری موشکی در سراسر جهان تا کوچکترین جزئیات کامل شده است. اما خود دانشمندان موشکی به این امر اذعان دارند. بهبود - بله، لازم است. تلاش برای افزایش محموله موشک ها از 23 تن فعلی به 100 و حتی 150 تن بر اساس موتورهای احتراقی "بهبود" - بله، باید تلاش کنید. اما این یک بن بست از دیدگاه تکاملی است. " مهم نیست که متخصصان موتور موشک در سراسر جهان چقدر کار می کنند، حداکثر تأثیری که ما به دست می آوریم در کسری از درصد محاسبه می شود. به طور کلی، همه چیز از موتورهای موشکی موجود، خواه سوخت مایع یا جامد، حذف شده است، و تلاش برای افزایش نیروی رانش و ضربه خاص بیهوده است. سیستم های نیروی محرکه هسته ای افزایش چند برابری ایجاد می کنند. با استفاده از مثال پرواز به مریخ، اکنون یک و نیم تا دو سال طول می کشد تا به آنجا و برگشت برگردید، اما طی دو تا چهار ماه امکان پرواز وجود دارد. "- رئیس سابق آژانس فضایی فدرال روسیه در یک زمان وضعیت را ارزیابی کرد آناتولی پرمینوف.

بنابراین، در سال 2010، رئیس جمهور وقت روسیه، و اکنون نخست وزیر دیمیتری مدودفتا پایان این دهه دستور ایجاد ماژول حمل و نقل فضایی و انرژی بر اساس نیروگاه هسته ای کلاس مگاوات در کشورمان صادر شد. قرار است 17 میلیارد روبل از بودجه فدرال، Roscosmos و Rosatom برای توسعه این پروژه تا سال 2018 اختصاص یابد. 7.2 میلیارد از این مبلغ به شرکت دولتی روس اتم برای ایجاد نیروگاه راکتور (این کار توسط موسسه تحقیقات و طراحی مهندسی انرژی دولژال انجام می شود)، 4 میلیارد - به مرکز کلدیش برای ایجاد نیروگاه هسته ای اختصاص یافت. نیروگاه نیروی محرکه 5.8 میلیارد روبل توسط RSC Energia برای ایجاد یک ماژول حمل و نقل و انرژی، به عبارت دیگر، یک کشتی موشکی اختصاص داده شده است.

طبیعتاً همه این کارها در خلاء انجام نمی شود.از سال 1970 تا 1988، اتحاد جماهیر شوروی به تنهایی بیش از سه دوجین ماهواره جاسوسی مجهز به نیروگاه های هسته ای کم مصرف مانند بوک و توپاز را به فضا پرتاب کرد. آنها برای ایجاد یک سیستم تمام آب و هوا برای نظارت بر اهداف سطحی در سراسر اقیانوس جهانی و صدور تعیین هدف با ارسال به حامل های سلاح یا پست های فرماندهی - سیستم شناسایی و تعیین هدف فضای دریایی Legend (1978) مورد استفاده قرار گرفتند.

ناسا و شرکت‌های آمریکایی که فضاپیماها و وسایل نقلیه تحویل آنها را تولید می‌کنند، نتوانسته‌اند راکتور هسته‌ای ایجاد کنند که در این مدت به طور پایدار در فضا کار کند، اگرچه سه بار تلاش کردند. بنابراین، در سال 1988، ممنوعیت استفاده از فضاپیما با سیستم های نیروی محرکه هسته ای از طریق سازمان ملل تصویب شد و تولید ماهواره هایی از نوع US-A با پیشران هسته ای در شوروی متوقف شد.

به موازات آن، در دهه 60-70 قرن گذشته، مرکز کلدیش کار فعالی را بر روی ایجاد یک موتور یونی (موتور الکتروپلاسما) انجام داد که برای ایجاد یک سیستم پیشرانه با قدرت بالا که بر روی سوخت هسته ای کار می کند مناسب است. راکتور گرما تولید می کند که توسط یک ژنراتور به الکتریسیته تبدیل می شود. با کمک الکتریسیته، زنون گاز خنثی در چنین موتوری ابتدا یونیزه می شود و سپس ذرات دارای بار مثبت (یون های زنون مثبت) در یک میدان الکترواستاتیک به سرعت معینی شتاب می گیرند و در هنگام خروج از موتور نیروی رانش ایجاد می کنند. این اصل کارکرد موتور یونی است که نمونه اولیه آن قبلاً در مرکز کلدیش ایجاد شده است.

« در دهه 90 قرن بیستم، ما در مرکز کلدیش کار بر روی موتورهای یونی را از سر گرفتیم. اکنون باید یک همکاری جدید برای چنین پروژه قدرتمندی ایجاد شود. در حال حاضر یک نمونه اولیه از یک موتور یونی وجود دارد که می توان راه حل های فنی و طراحی پایه را روی آن آزمایش کرد. اما محصولات استاندارد هنوز باید ایجاد شوند. ما یک مهلت تعیین شده داریم - تا سال 2018 محصول باید برای آزمایش های پرواز آماده شود و تا سال 2015 آزمایش موتور اصلی باید تکمیل شود. بعدی - آزمایشات زندگی و آزمایشات کل واحد به عنوان یک کل.سال گذشته رئیس گروه الکتروفیزیک مرکز تحقیقات به نام م.و. کلدیش، استاد، دانشکده آئروفیزیک و تحقیقات فضایی، MIPT اولگ گورشکوف.

فایده عملی روسیه از این تحولات چیست؟این سود بسیار بیشتر از 17 میلیارد روبلی است که دولت در نظر دارد تا سال 2018 برای ایجاد یک وسیله نقلیه پرتاب با یک نیروگاه هسته ای روی عرشه با ظرفیت 1 مگاوات هزینه کند. اولاً، این یک گسترش چشمگیر توانایی های کشور ما و به طور کلی بشریت است. یک فضاپیمای هسته‌ای فرصت‌های واقعی را برای افراد فراهم می‌کند تا در سیارات دیگر کارهایی را انجام دهند. اکنون بسیاری از کشورها چنین کشتی هایی دارند. آنها همچنین در سال 2003 پس از دریافت دو نمونه از ماهواره های روسی با نیروگاه های هسته ای توسط آمریکایی ها در ایالات متحده از سر گرفتند.

با این حال، با وجود این، یکی از اعضای کمیسیون ویژه ناسا در پروازهای سرنشین دار ادوارد کراولیبه عنوان مثال، او معتقد است که یک کشتی برای پرواز بین المللی به مریخ باید دارای موتورهای هسته ای روسی باشد. " تجربه روسیه در توسعه موتورهای هسته ای مورد تقاضا است. من فکر می کنم روسیه هم در توسعه موتورهای موشکی و هم در فناوری هسته ای تجربه زیادی دارد. او همچنین تجربه زیادی در سازگاری انسان با شرایط فضایی دارد، زیرا فضانوردان روسی پروازهای بسیار طولانی انجام دادند کراولی بهار گذشته پس از سخنرانی در دانشگاه دولتی مسکو در مورد برنامه های آمریکا برای اکتشاف فضایی سرنشین دار به خبرنگاران گفت.

دوما، چنین کشتی هایی امکان تشدید شدید فعالیت در فضای نزدیک به زمین را فراهم می کند و فرصتی واقعی برای شروع استعمار ماه فراهم می کند (در حال حاضر پروژه هایی برای ساخت نیروگاه های هسته ای در ماهواره زمین وجود دارد). " استفاده از سیستم‌های رانش هسته‌ای برای سیستم‌های سرنشین‌دار بزرگ به جای فضاپیماهای کوچک که می‌توانند بر روی انواع دیگر تأسیسات با استفاده از موتورهای یونی یا انرژی باد خورشیدی پرواز کنند، در نظر گرفته می‌شود. سیستم های رانش هسته ای با موتورهای یونی را می توان در یک یدک کش قابل استفاده مجدد بین مداری استفاده کرد. به عنوان مثال، محموله را بین مدارهای پایین و بالا حمل کنید و به سیارک ها پرواز کنید. شما می توانید یک یدک کش ماه قابل استفاده مجدد ایجاد کنید یا یک سفر به مریخ بفرستیدپروفسور اولگ گورشکوف می گوید. کشتی‌هایی مانند این‌ها به‌طور چشمگیری اقتصاد اکتشاف فضا را تغییر می‌دهند. بر اساس محاسبات متخصصان RSC Energia، یک پرتابگر با موتور هسته ای هزینه پرتاب محموله به مدار ماه را در مقایسه با موتورهای موشک مایع بیش از نصف کاهش می دهد.

سوماینها مواد و فناوری های جدیدی هستند که در طول اجرای این پروژه ایجاد می شوند و سپس وارد سایر صنایع - متالورژی، مهندسی مکانیک و غیره می شوند. یعنی این یکی از آن پروژه‌های پیشرفتی است که واقعاً می‌تواند هم اقتصاد روسیه و هم اقتصاد جهانی را به جلو سوق دهد.

ایده پرتاب بمب‌های اتمی در پشت عقب بسیار وحشیانه بود، اما مقدار انرژی که واکنش شکافت هسته‌ای تولید می‌کند، بدون ذکر همجوشی، برای فضانوردی بسیار جذاب است. بنابراین، بسیاری از سیستم‌های غیر پالسی ایجاد شدند که از مشکلات ذخیره صدها بمب هسته‌ای روی هواپیما و کمک فنرهای سیکلوپی رها شدند. امروز در مورد آنها صحبت خواهیم کرد.

فیزیک هسته ای در نوک انگشتان شما

واکنش هسته ای چیست؟ برای توضیح خیلی ساده، تصویر چیزی شبیه به این خواهد بود. از برنامه درسی مدرسه به یاد می آوریم که ماده از مولکول ها، مولکول ها از اتم ها و اتم ها از پروتون ها، الکترون ها و نوترون ها ساخته شده اند (سطوح پایین تری وجود دارد، اما این برای ما کافی است). برخی از اتم های سنگین خاصیت جالبی دارند - اگر نوترون به آنها اصابت کند، به اتم های سبک تری تجزیه می شوند و چندین نوترون آزاد می کنند. اگر این نوترون های آزاد شده به اتم های سنگین دیگر نزدیک شوند، واپاشی تکرار می شود و ما یک واکنش زنجیره ای هسته ای خواهیم داشت. حرکت نوترون ها با سرعت زیاد به این معنی است که این حرکت با کاهش سرعت نوترون ها به گرما تبدیل می شود. بنابراین، یک راکتور هسته ای یک گرم کننده بسیار قدرتمند است. آنها می توانند آب را بجوشانند، بخار حاصل را به یک توربین بفرستند و یک نیروگاه هسته ای بگیرند. یا می توانید هیدروژن را گرم کنید و آن را به بیرون پرتاب کنید و یک موتور جت هسته ای ایجاد کنید. از این ایده اولین موتورها متولد شدند - NERVA و RD-0410.

NERVA

تاریخچه پروژه

با توجه به خاطرات او "شما مطمئنا شوخی می کنید، آقای فاینمن"، حق اختراع موتور موشک اتمی متعلق به ریچارد فاینمن است. اتفاقاً خواندن این کتاب به شدت توصیه می شود. آزمایشگاه لوس آلاموس در سال 1952 شروع به توسعه موتورهای موشک هسته ای کرد. در سال 1955 پروژه Rover آغاز شد. در مرحله اول پروژه، KIWI، 8 راکتور آزمایشی ساخته شد و از سال 1959 تا 1964، تصفیه سیال عامل از طریق هسته راکتور مورد مطالعه قرار گرفت. برای مرجع زمانی، پروژه Orion از سال 1958 تا 1965 وجود داشت. روور فازهای 2 و 3 را برای کاوش در راکتورهای توان بالاتر داشت، اما NERVA به دلیل برنامه ریزی برای اولین پرتاب آزمایشی در فضا در سال 1964 بر پایه کیوی بود - زمانی برای توسعه گزینه های پیشرفته تر وجود نداشت. ضرب الاجل ها به تدریج جلو رفت و اولین پرتاب زمینی موتور NERVA NRX/EST (EST - Engine System Test) در سال 1966 انجام شد. موتور به مدت دو ساعت با موفقیت کار کرد که 28 دقیقه آن در حالت رانش کامل بود. موتور دوم NERVA XE 28 بار روشن شد و در مجموع 115 دقیقه کار کرد. موتور برای کاربردهای فضایی مناسب تشخیص داده شد و میز آزمایش آماده آزمایش موتورهای تازه مونتاژ شده بود. به نظر می رسید که NERVA آینده درخشانی در پیش دارد - پرواز به مریخ در سال 1978، پایگاه دائمی روی ماه در سال 1981، یدک کش های مداری. اما موفقیت این پروژه باعث وحشت در کنگره شد - معلوم شد که برنامه قمری برای ایالات متحده بسیار گران تمام می شود، برنامه مریخ حتی گران تر خواهد بود. در سال های 1969 و 1970، بودجه فضایی به طور جدی کاهش یافت - آپولوس 18، 19 و 20 لغو شدند و هیچ کس مبالغ هنگفتی را برای برنامه مریخ اختصاص نداد. در نتیجه کار روی پروژه بدون بودجه جدی انجام شد و در سال 1972 تعطیل شد.

طرح

هیدروژن مخزن وارد راکتور شد، در آنجا گرم شد و به بیرون پرتاب شد و نیروی رانش جت ایجاد کرد. هیدروژن به‌عنوان سیال عامل انتخاب شد زیرا اتم‌های سبکی دارد و شتاب‌گیری تا سرعت بالا آسان‌تر است. هرچه سرعت اگزوز جت بیشتر باشد، موتور موشک کارآمدتر است.
یک بازتابنده نوترون برای اطمینان از بازگشت نوترون ها به راکتور برای حفظ یک واکنش زنجیره ای هسته ای استفاده شد.
میله های کنترل برای کنترل راکتور استفاده شد. هر یک از این میله ها از دو نیمه تشکیل شده است - یک بازتابنده و یک جاذب نوترون. هنگامی که میله توسط بازتابنده نوترون چرخانده شد، جریان آنها در راکتور افزایش یافت و راکتور انتقال حرارت را افزایش داد. هنگامی که میله توسط جاذب نوترون چرخانده شد، جریان آنها در راکتور کاهش یافت و راکتور انتقال حرارت را کاهش داد.
همچنین از هیدروژن برای خنک کردن نازل استفاده شد و هیدروژن گرم از سیستم خنک کننده نازل توربوپمپ را برای تامین هیدروژن بیشتر چرخاند.

موتور در حال کار است. هیدروژن مخصوصاً در خروجی نازل مشتعل می‌شد تا از خطر انفجار جلوگیری شود؛ هیچ احتراق در فضا وجود نخواهد داشت.

موتور NERVA 34 تن نیروی رانش تولید کرد که تقریباً یک و نیم برابر کمتر از موتور J-2 بود که مرحله دوم و سوم راکت Saturn V را تامین می کرد. ضربه خاص 800-900 ثانیه بود که دو برابر بیشتر از بهترین موتورهایی بود که از جفت سوخت اکسیژن-هیدروژن استفاده می کردند، اما کمتر از پیشرانه الکتریکی یا موتور اوریون بود.

کمی در مورد امنیت

یک رآکتور هسته ای که به تازگی مونتاژ شده و راه اندازی نشده است، با مجموعه های سوخت جدیدی که هنوز استفاده نشده است، کاملا تمیز است. اورانیوم سمی است، بنابراین باید دستکش بپوشید، اما نه بیشتر. هیچ دستکاری از راه دور، دیوارهای سربی یا هر چیز دیگری مورد نیاز نیست. تمام کثیفی های تابشی پس از راه اندازی راکتور به دلیل پراکندگی نوترون ها، "فاسد شدن" اتم های ظرف، مایع خنک کننده و غیره ظاهر می شوند. بنابراین در صورت سانحه موشکی با چنین موتوری، آلودگی تشعشعی جو و سطح کم و البته بسیار کمتر از پرتاب معمولی Orion خواهد بود. در صورت پرتاب موفقیت آمیز، آلودگی به حداقل می رسد یا به طور کلی وجود ندارد، زیرا موتور باید در لایه های بالایی جو یا در حال حاضر در فضا پرتاب شود.

RD-0410

موتور RD-0410 شوروی سابقه مشابهی دارد. ایده موتور در اواخر دهه 40 در میان پیشگامان فناوری موشکی و هسته ای متولد شد. همانطور که در پروژه Rover، ایده اولیه یک موتور تنفس هوا با نیروی هسته ای برای اولین مرحله یک موشک بالستیک بود، سپس توسعه به صنعت فضایی منتقل شد. RD-0410 کندتر توسعه یافت؛ توسعه دهندگان داخلی با ایده یک موتور محرکه هسته ای فاز گاز (در این مورد در زیر بیشتر) رانده شدند. این پروژه در سال 1966 آغاز شد و تا اواسط دهه 80 ادامه یافت. هدف این موتور، مأموریت Mars 94 بود، یک پرواز سرنشین دار به مریخ در سال 1994.
طراحی RD-0410 شبیه NERVA است - هیدروژن از نازل و بازتابنده ها عبور می کند، آنها را خنک می کند، به هسته راکتور می رسد، در آنجا گرم می شود و آزاد می شود.
با توجه به ویژگی های آن، RD-0410 بهتر از NERVA بود - دمای هسته راکتور به جای 2000 K برای NERVA، 3000 K بود و ضربه خاص از 900 ثانیه فراتر رفت. RD-0410 سبک تر و فشرده تر از NERVA بود و ده برابر نیروی رانش کمتری ایجاد کرد.

تست های موتور مشعل جانبی در سمت چپ پایین، هیدروژن را مشتعل می کند تا از انفجار جلوگیری کند.

توسعه موتورهای هسته ای فاز جامد

به یاد داریم که هر چه دمای راکتور بالاتر باشد، سرعت جریان سیال کار بیشتر و ضربه خاص موتور بیشتر می شود. چه چیزی مانع از افزایش دما در NERVA یا RD-0410 می شود؟ واقعیت این است که در هر دو موتور عناصر سوخت در حالت جامد هستند. اگر دما را افزایش دهید، آنها ذوب می شوند و همراه با هیدروژن به بیرون پرواز می کنند. بنابراین، برای دماهای بالاتر، لازم است راه دیگری برای انجام یک واکنش زنجیره ای هسته ای ارائه شود.

موتور نمک سوخت هسته ای

در فیزیک هسته ای چیزی به نام جرم بحرانی وجود دارد. واکنش زنجیره ای هسته ای در ابتدای پست را به خاطر بسپارید. اگر اتم های شکافت پذیر بسیار نزدیک به یکدیگر باشند (به عنوان مثال، آنها با فشار ناشی از یک انفجار خاص فشرده شده اند)، یک انفجار اتمی ایجاد می شود - گرمای زیادی در یک زمان بسیار کوتاه. اگر اتم ها به این شدت فشرده نشوند، اما جریان نوترون های جدید حاصل از شکافت افزایش یابد، یک انفجار حرارتی ایجاد می شود. یک راکتور معمولی در چنین شرایطی از کار می افتد. حال تصور کنید که ما یک محلول آبی از مواد شکافت پذیر (مثلاً نمک های اورانیوم) را برداریم و آنها را به طور مداوم به محفظه احتراق وارد کنیم و جرمی بزرگتر از مقدار بحرانی در آنجا ایجاد کنیم. نتیجه یک "شمع هسته ای" است که به طور مداوم در حال سوختن است، گرما که از آن سوخت هسته ای و آب واکنش داده شده را تسریع می کند.

این ایده در سال 1991 توسط رابرت زوبرین ارائه شد و بر اساس برآوردهای مختلف، نوید یک ضربه خاص از 1300 تا 6700 ثانیه با رانش اندازه گیری شده بر حسب تن را می دهد. متأسفانه، چنین طرحی دارای معایبی نیز می باشد:

• پیچیدگی ذخیره‌سازی سوخت - از واکنش زنجیره‌ای در مخزن باید با قرار دادن سوخت در لوله‌های نازک یک جاذب نوترون اجتناب شود، بنابراین مخازن پیچیده، سنگین و گران خواهند بود.


• مصرف زیاد سوخت هسته ای به این دلیل است که راندمان واکنش (تعداد پوسیده/تعداد اتم های مصرف شده) بسیار کم خواهد بود. حتی در یک بمب اتمی، مواد شکافت پذیر به طور کامل نمی سوزند؛ بلافاصله، بیشتر سوخت هسته ای ارزشمند هدر می رود.


• آزمایش های زمینی عملا غیرممکن است - اگزوز چنین موتوری بسیار کثیف تر و کثیف تر از Orion خواهد بود.


• برخی سؤالات در مورد کنترل واکنش هسته ای وجود دارد - این یک واقعیت نیست که طرحی که در توصیف کلامی ساده باشد، از نظر فنی به راحتی قابل اجرا باشد.

موتورهای هسته ای فاز گازی

ایده بعدی: اگر یک گرداب سیال در حال کار ایجاد کنیم که در مرکز آن یک واکنش هسته ای رخ دهد، چه؟ در این حالت دمای بالای هسته به دیواره ها نمی رسد و توسط سیال عامل جذب می شود و می توان آن را تا ده ها هزار درجه افزایش داد. ایده یک موتور محرکه هسته ای فاز گازی چرخه باز به این صورت متولد شد:

موتور پیشرانه هسته ای فاز گازی یک ضربه خاص تا 3000-5000 ثانیه را نوید می دهد. در اتحاد جماهیر شوروی، پروژه یک موتور پیشران هسته ای فاز گاز (RD-600) آغاز شد، اما حتی به مرحله ماکت هم نرسید.
چرخه باز به این معناست که سوخت هسته ای در خارج آزاد می شود که البته باعث کاهش راندمان می شود. بنابراین، ایده زیر ابداع شد، و به صورت دیالکتیکی به NREهای فاز جامد بازگشت - بیایید منطقه واکنش هسته ای را با یک ماده به اندازه کافی مقاوم در برابر حرارت احاطه کنیم که گرمای تابشی را منتقل می کند. کوارتز به عنوان چنین ماده ای پیشنهاد شد، زیرا در ده ها هزار درجه، گرما توسط تابش منتقل می شود و مواد ظرف باید شفاف باشد. نتیجه یک موتور محرکه هسته ای با چرخه بسته فاز گاز یا یک "لامپ هسته ای" است:

در این مورد، محدودیت دمای هسته، مقاومت حرارتی پوسته "لامپ" خواهد بود. نقطه ذوب کوارتز 1700 درجه سانتیگراد است، با خنک کننده فعال می توان دما را افزایش داد، اما، در هر صورت، ضربه خاص کمتر از مدار باز (1300-1500 ثانیه) خواهد بود، اما سوخت هسته ای به صرفه تر مصرف می شود. ، و اگزوز تمیزتر می شود.

پروژه های جایگزین

علاوه بر توسعه موتورهای هسته ای فاز جامد، پروژه های اصلی نیز وجود دارد.

موتور شکاف پذیر

ایده این موتور این است که هیچ سیال کاری وجود ندارد - این سوخت هسته ای مصرف شده است. در حالت اول، دیسک های زیر بحرانی از مواد شکافت پذیر ساخته می شوند که به خودی خود واکنش زنجیره ای را آغاز نمی کنند. اما اگر دیسک در یک منطقه راکتور با بازتابنده های نوترونی قرار گیرد، یک واکنش زنجیره ای شروع می شود. و چرخش دیسک و عدم وجود سیال در حال کار منجر به این واقعیت می شود که اتم های پوسیده پرانرژی به سمت نازل پرواز کرده و نیروی رانش ایجاد می کنند و اتم های پوسیده نشده روی دیسک باقی می مانند و فرصتی برای انقلاب بعدی دیسک:

ایده جالب‌تر ایجاد پلاسمای غبارآلود (به یاد داشته باشید در ایستگاه فضایی بین‌المللی) از مواد شکافت‌پذیر است که در آن محصولات فروپاشی نانوذرات سوخت هسته‌ای توسط میدان الکتریکی یونیزه شده و به بیرون پرتاب می‌شوند و نیروی رانش ایجاد می‌کنند:

آنها نوید یک تکانه خاص فوق العاده 1000000 ثانیه را می دهند. با این واقعیت که توسعه در سطح تحقیقات نظری است، شور و شوق کاهش می یابد.

موتورهای همجوشی هسته ای

در آینده ای حتی دورتر، ایجاد موتورهای همجوشی هسته ای. برخلاف واکنش‌های فروپاشی هسته‌ای، که راکتورهای اتمی تقریباً همزمان با بمب ایجاد می‌شوند، راکتورهای گرما هسته‌ای هنوز از «فردا» به «امروز» منتقل نشده‌اند و واکنش‌های همجوشی را فقط می‌توان در سبک «اوریون» استفاده کرد - پرتاب بمب‌های حرارتی هسته‌ای.

موشک فوتون هسته ای

از نظر تئوری، می توان هسته را به حدی گرم کرد که با بازتاب فوتون ها نیروی رانش ایجاد شود. علیرغم عدم وجود محدودیت های فنی، چنین موتورهایی در سطح فعلی فناوری سودآور نیستند - نیروی رانش بسیار کم خواهد بود.

موشک رادیوایزوتوپ

موشکی که سیال کار را از یک RTG گرم می کند کاملاً کاربردی خواهد بود. اما یک RTG گرمای نسبتا کمی تولید می کند، بنابراین چنین موتوری بسیار ناکارآمد خواهد بود، اگرچه بسیار ساده است.

نتیجه

در سطح فعلی فناوری، امکان مونتاژ یک موتور محرکه هسته ای حالت جامد به سبک NERVA یا RD-0410 وجود دارد - فن آوری ها مسلط شده اند. اما چنین موتوری از نظر ضربه خاص به ترکیب "راکتور هسته ای + نیروی محرکه الکتریکی" بازنده خواهد شد، در حالی که از نظر رانش پیروز می شود. اما گزینه های پیشرفته تر هنوز فقط روی کاغذ هستند. بنابراین، من شخصا فکر می کنم ترکیب "راکتور + نیروی محرکه الکتریکی" امیدوار کننده تر است.

منابع اطلاعاتی

منبع اصلی اطلاعات ویکی‌پدیای انگلیسی و منابعی است که در آنجا به‌عنوان پیوند فهرست شده‌اند. به طور متناقض، مقالات جالبی در مورد NRE در سنت وجود دارد - NRE فاز جامد و NRE فاز گاز. مقاله در مورد موتورهای روشن

سرگیف الکسی، کلاس 9 "A"، موسسه آموزشی شهری "دبیرستان شماره 84"

مشاور علمی: معاون مشارکت غیرانتفاعی فعالیت های علمی و نوآورانه "مرکز اتمی تامسک"

رئیس: معلم فیزیک، مؤسسه آموزشی شهری "دبیرستان شماره 84" CATO Seversk

معرفی

سیستم های پیشرانه روی یک فضاپیما برای ایجاد نیروی رانش یا تکانه طراحی شده اند. با توجه به نوع رانش مورد استفاده، پیشرانه به دو دسته شیمیایی (CHRD) و غیر شیمیایی (NCRD) تقسیم می شود. CRD ها به موتورهای سوخت مایع (LPRE)، موتورهای موشک سوخت جامد (موتورهای سوخت جامد) و موتورهای موشک ترکیبی (RCR) تقسیم می شوند. به نوبه خود، سیستم های پیشران غیر شیمیایی به هسته ای (NRE) و الکتریکی (EP) تقسیم می شوند. دانشمند بزرگ کنستانتین ادواردوویچ تسیولکوفسکی یک قرن پیش اولین مدل از پیشرانه ای را ساخت که با سوخت جامد و مایع کار می کرد. پس از آن، در نیمه دوم قرن بیستم، هزاران پرواز با استفاده از موتورهای سوخت مایع و موتورهای موشک سوخت جامد انجام شد.

با این حال، در حال حاضر، برای پرواز به سیارات دیگر، بدون ذکر ستاره ها، استفاده از موتورهای موشک سوخت مایع و موتورهای موشک سوخت جامد به طور فزاینده ای بی سود می شود، اگرچه موتورهای موشکی زیادی ساخته شده است. به احتمال زیاد، قابلیت های موتورهای موشک سوخت مایع و موتورهای موشک سوخت جامد کاملاً خود را از دست داده اند. دلیل در اینجا این است که ضربه خاص همه رانشگرهای شیمیایی کم است و از 5000 متر بر ثانیه تجاوز نمی کند، که به کارکرد طولانی مدت پیشرانه و بر این اساس، ذخایر زیادی از سوخت برای توسعه سرعت های به اندازه کافی بالا نیاز دارد، یا همانطور که در فضانوردی مرسوم است، مقادیر زیادی از عدد Tsiolkovsky مورد نیاز است، یعنی نسبت جرم یک موشک با سوخت به جرم یک موشک خالی. بنابراین، پرتاب کننده انرژی که 100 تن محموله را به مدار پایین پرتاب می کند، جرم پرتابی در حدود 3000 تن دارد که به عدد تسیولکوفسکی مقداری در 30 می دهد.

به عنوان مثال، برای پرواز به مریخ، عدد Tsiolkovsky باید حتی بیشتر باشد و به مقادیر از 30 تا 50 برسد. تخمین زدن آن با محموله حدود 1000 تن آسان است و در این حدود است که حداقل جرم با در نظر گرفتن تامین سوخت برای پرواز برگشت به زمین، جرم اولیه فضاپیما باید حداقل 30000 تن باشد که به وضوح فراتر از سطح توسعه فضانوردی مدرن است. بر اساس استفاده از موتورهای سوخت مایع و موتورهای موشک سوخت جامد.

بنابراین، برای اینکه خدمه سرنشین دار حتی به نزدیکترین سیاره ها برسند، لازم است وسایل پرتابی بر روی موتورهایی که بر اساس اصولی غیر از پیشرانه شیمیایی کار می کنند، توسعه دهند. امیدوارکننده ترین آنها در این زمینه موتورهای جت الکتریکی (EPE)، موتورهای موشک ترموشیمیایی و موتورهای جت هسته ای (NRE) هستند.

1. مفاهیم اساسی

موتور موشک موتور جت است که از محیط (هوا، آب) برای کار استفاده نمی کند. موتورهای موشکی شیمیایی بیشترین استفاده را دارند. انواع دیگری از موتورهای موشک در حال توسعه و آزمایش هستند - الکتریکی، هسته ای و غیره. ساده ترین موتورهای موشکی که با گازهای فشرده کار می کنند نیز به طور گسترده در ایستگاه های فضایی و وسایل نقلیه استفاده می شوند. به طور معمول، آنها از نیتروژن به عنوان مایع کار استفاده می کنند. /1/

طبقه بندی سیستم های محرکه

2. هدف موتورهای موشک

موتورهای موشک با توجه به هدف آنها به چند نوع اصلی تقسیم می شوند: شتاب دهنده (استارت)، ترمز، پیشران، کنترل و غیره. موتورهای راکت عمدتاً روی موشک ها استفاده می شوند (از این رو نام آن است). علاوه بر این، گاهی اوقات از موتورهای موشکی در هوانوردی استفاده می شود. موتورهای موشک موتورهای اصلی در فضانوردی هستند.

موشک های نظامی (مبارزه ای) معمولا دارای موتورهای سوخت جامد هستند. این به این دلیل است که چنین موتوری در کارخانه سوخت گیری می شود و برای کل ذخیره سازی و عمر خود موشک نیازی به تعمیر و نگهداری ندارد. موتورهای سوخت جامد اغلب به عنوان تقویت کننده برای موشک های فضایی استفاده می شوند. آنها به ویژه در این ظرفیت به طور گسترده در ایالات متحده آمریکا، فرانسه، ژاپن و چین استفاده می شوند.

موتورهای موشک مایع دارای ویژگی های رانش بالاتری نسبت به موتورهای موشک جامد هستند. بنابراین از آنها برای پرتاب موشک های فضایی به مدار زمین و پروازهای بین سیاره ای استفاده می شود. پیشران های مایع اصلی موشک ها نفت سفید، هپتان (دی متیل هیدرازین) و هیدروژن مایع هستند. برای چنین انواع سوخت، یک اکسید کننده (اکسیژن) مورد نیاز است. اسید نیتریک و اکسیژن مایع به عنوان اکسید کننده در چنین موتورهایی استفاده می شود. اسید نیتریک از نظر خواص اکسید کننده نسبت به اکسیژن مایع پایین تر است، اما نیازی به حفظ یک رژیم دمایی خاص در هنگام ذخیره سازی، سوخت گیری و استفاده از موشک ندارد.

موتورهای پروازهای فضایی با موتورهای روی زمین از این جهت متفاوت هستند که باید حداکثر توان ممکن را با کمترین جرم و حجم ممکن تولید کنند. علاوه بر این، آنها مشمول الزاماتی مانند راندمان و قابلیت اطمینان فوق العاده بالا و زمان عملیات قابل توجه هستند. بر اساس نوع انرژی مورد استفاده، سیستم های پیشران فضاپیماها به چهار نوع ترموشیمیایی، هسته ای، الکتریکی، بادبان خورشیدی تقسیم می شوند. هر کدام از انواع ذکر شده مزایا و معایب خاص خود را دارند و در شرایط خاصی قابل استفاده هستند.

در حال حاضر، سفینه‌های فضایی، ایستگاه‌های مداری و ماهواره‌های زمینی بدون سرنشین توسط موشک‌های مجهز به موتورهای ترموشیمیایی قدرتمند به فضا پرتاب می‌شوند. موتورهای مینیاتوری با رانش کم نیز وجود دارد. این یک کپی کوچکتر از موتورهای قدرتمند است. برخی از آنها می توانند در کف دست شما قرار بگیرند. نیروی رانش چنین موتورهایی بسیار کم است، اما برای کنترل موقعیت کشتی در فضا کافی است.

3.موتورهای موشک ترموشیمیایی.

مشخص است که در یک موتور احتراق داخلی، کوره دیگ بخار - هر جا که احتراق اتفاق می افتد، اکسیژن اتمسفر فعال ترین قسمت را می گیرد. در فضای بیرونی هوا وجود ندارد و برای اینکه موتورهای موشک در فضای بیرونی کار کنند، داشتن دو جزء ضروری است - سوخت و اکسید کننده.

موتورهای موشک ترموشیمیایی مایع از الکل، نفت سفید، بنزین، آنیلین، هیدرازین، دی متیل هیدرازین و هیدروژن مایع به عنوان سوخت استفاده می کنند. از اکسیژن مایع، پراکسید هیدروژن و اسید نیتریک به عنوان یک عامل اکسید کننده استفاده می شود. شاید در آینده با ابداع روش‌هایی برای ذخیره و استفاده از چنین ماده شیمیایی فعال، از فلوئور مایع به عنوان یک عامل اکسید کننده استفاده شود.

سوخت و اکسید کننده برای موتورهای جت مایع به طور جداگانه در مخازن مخصوص ذخیره شده و با استفاده از پمپ ها به محفظه احتراق عرضه می شود. هنگامی که آنها در محفظه احتراق ترکیب می شوند، دما به 3000 - 4500 درجه سانتیگراد می رسد.

محصولات احتراق، در حال گسترش، سرعت 2500 تا 4500 متر بر ثانیه را به دست می آورند. با بیرون راندن از بدنه موتور، نیروی رانش جت ایجاد می کنند. در عین حال، هر چه جرم و سرعت جریان گاز بیشتر باشد، نیروی رانش موتور بیشتر می شود.

نیروی رانش ویژه موتورها معمولاً با مقدار نیروی رانش ایجاد شده در واحد جرم سوخت سوزانده شده در یک ثانیه تخمین زده می شود. این کمیت ضربه خاص موتور موشک نامیده می شود و بر حسب ثانیه (کیلوگرم رانش / کیلوگرم سوخت سوخته در ثانیه) اندازه گیری می شود. بهترین موتورهای موشک سوخت جامد دارای ضربه خاصی تا 190 ثانیه هستند، یعنی سوزاندن 1 کیلوگرم سوخت در یک ثانیه باعث ایجاد نیروی رانش 190 کیلوگرمی می شود. یک موتور موشک هیدروژن-اکسیژن دارای یک ضربه خاص 350 ثانیه است. از نظر تئوری، یک موتور هیدروژن فلوئور می تواند یک تکانه خاص بیش از 400 ثانیه ایجاد کند.

مدار موتور موشک مایع پرکاربرد به شرح زیر عمل می کند. گاز فشرده فشار لازم را در مخازن با سوخت برودتی ایجاد می کند تا از بروز حباب های گاز در خطوط لوله جلوگیری کند. پمپ ها سوخت موتورهای موشک را تامین می کنند. سوخت از طریق تعداد زیادی انژکتور به داخل محفظه احتراق تزریق می شود. یک اکسید کننده نیز از طریق نازل ها به محفظه احتراق تزریق می شود.

در هر خودرویی هنگام سوختن سوخت، جریان های حرارتی بزرگی تشکیل می شود که دیواره های موتور را گرم می کند. اگر دیوارهای محفظه را خنک نکنید، مهم نیست که از چه ماده ای ساخته شده باشد، به سرعت می سوزد. موتور جت مایع معمولاً توسط یکی از اجزای سوخت خنک می شود. برای این منظور محفظه از دو جداره ساخته شده است. جزء سرد سوخت در شکاف بین دیوارها جریان دارد.

آلومینیوم" href="/text/category/alyuminij/" rel="bookmark">آلومینیوم، و غیره. به ویژه به عنوان یک افزودنی برای سوخت های معمولی، مانند هیدروژن-اکسیژن. چنین "ترکیبات سه تایی" می تواند بالاترین سرعت ممکن را برای مواد شیمیایی فراهم کند. سوخت اگزوز - تا 5 کیلومتر در ثانیه. اما این عملاً محدودیت منابع شیمی است. عملاً نمی تواند بیشتر از این انجام دهد. اگرچه شرح پیشنهادی هنوز تحت سلطه موتورهای موشک مایع است، باید گفت که اولین مورد در تاریخ است. انسان یک موتور موشک ترموشیمیایی با استفاده از سوخت جامد ایجاد شد - موتور موشک سوخت جامد. سوخت - به عنوان مثال، باروت ویژه - مستقیماً در محفظه احتراق قرار دارد. یک محفظه احتراق با یک نازل جت پر از سوخت جامد - این کل طراحی است. حالت احتراق سوخت جامد به هدف موتور موشک سوخت جامد (پرتاب، نگهدارنده یا ترکیبی) بستگی دارد.برای موشک های سوخت جامد که در امور نظامی استفاده می شود با وجود موتورهای پرتاب و رانش مشخص می شود.موتور موشک سوخت جامد پرتاب توسعه می یابد. رانش بالا برای مدت زمان بسیار کوتاهی که برای خروج موشک از پرتابگر و شتاب اولیه آن ضروری است. موتور موشک سوخت جامد پایدار برای حفظ سرعت پرواز ثابت موشک در بخش اصلی (پیشران) مسیر پرواز طراحی شده است. تفاوت بین آنها عمدتاً در طراحی محفظه احتراق و مشخصات سطح احتراق بار سوخت است که میزان احتراق سوخت را تعیین می کند که زمان کار و رانش موتور به آن بستگی دارد. برخلاف چنین موشک‌هایی، وسایل پرتاب فضایی برای پرتاب ماهواره‌های زمین، ایستگاه‌های مداری و فضاپیماها و همچنین ایستگاه‌های بین سیاره‌ای از زمان پرتاب موشک تا زمانی که جسم به مدار اطراف زمین یا در مسیر بین سیاره‌ای پرتاب شود، فقط در حالت پرتاب کار می‌کنند. به طور کلی، موتورهای موشک سوخت جامد مزایای زیادی نسبت به موتورهای سوخت مایع ندارند: ساخت آنها آسان است، می توان آنها را برای مدت طولانی نگهداری کرد، همیشه آماده عمل هستند و نسبتاً ضد انفجار هستند. اما از نظر رانش خاص، موتورهای سوخت جامد 10-30٪ پایین تر از موتورهای مایع هستند.

4. موتورهای موشکی الکتریکی

تقریباً تمام موتورهای موشکی که در بالا مورد بحث قرار گرفت، نیروی رانش عظیمی دارند و برای پرتاب فضاپیماها به مدار زمین و شتاب دادن آنها به سرعت کیهانی برای پروازهای بین سیاره ای طراحی شده اند. موضوع کاملاً متفاوت، سیستم‌های پیش‌ران برای فضاپیماهایی است که قبلاً به مدار یا در یک مسیر بین سیاره‌ای پرتاب شده‌اند. در اینجا، به عنوان یک قاعده، ما به موتورهای کم مصرف (چند کیلووات یا حتی وات) نیاز داریم که بتوانند صدها و هزاران ساعت کار کنند و به طور مکرر روشن و خاموش شوند. آنها به شما اجازه می دهند که پرواز را در مدار یا در امتداد یک مسیر معین حفظ کنید و مقاومت پرواز ایجاد شده توسط لایه های بالایی جو و باد خورشیدی را جبران کنید. در موتورهای موشک الکتریکی، سیال کار با حرارت دادن با انرژی الکتریکی تا سرعت معینی شتاب می‌گیرد. برق از پنل های خورشیدی یا یک نیروگاه هسته ای تامین می شود. روش های گرم کردن سیال کار متفاوت است، اما در واقعیت، عمدتا از قوس الکتریکی استفاده می شود. ثابت شده است که بسیار قابل اعتماد است و می تواند تعداد زیادی شروع را تحمل کند. هیدروژن به عنوان سیال عامل در موتورهای قوس الکتریکی استفاده می شود. با استفاده از یک قوس الکتریکی، هیدروژن تا دمای بسیار بالایی گرم می شود و به پلاسما تبدیل می شود - مخلوطی از یون های مثبت و الکترون ها از نظر الکتریکی خنثی. سرعت خروج پلاسما از موتور به 20 کیلومتر بر ثانیه می رسد. هنگامی که دانشمندان مشکل جداسازی مغناطیسی پلاسما از دیواره های محفظه موتور را حل کنند، می توان دمای پلاسما را به میزان قابل توجهی افزایش داد و سرعت اگزوز را تا 100 کیلومتر بر ثانیه افزایش داد. اولین موتور موشک الکتریکی در این سالها در اتحاد جماهیر شوروی ساخته شد. تحت رهبری (بعدها سازنده موتورهای موشک های فضایی شوروی و آکادمیک شد) در آزمایشگاه معروف دینامیک گاز (GDL)./10/

5. انواع دیگر موتورها

همچنین طرح‌های عجیب‌تری برای موتورهای موشک هسته‌ای وجود دارد که در آنها مواد شکافت‌پذیر در حالت مایع، گاز یا حتی پلاسما قرار دارند، اما اجرای چنین طرح‌هایی در سطح فناوری و فناوری کنونی غیرواقعی است. پروژه های موتور موشک زیر هنوز در مرحله تئوری یا آزمایشگاهی وجود دارد:

موتورهای موشک هسته ای پالس با استفاده از انرژی انفجار بارهای هسته ای کوچک.

موتورهای موشک گرما هسته ای که می توانند از ایزوتوپ هیدروژن به عنوان سوخت استفاده کنند. بهره وری انرژی هیدروژن در چنین واکنشی 6.8 * 1011 KJ/kg است، یعنی تقریباً دو مرتبه بزرگتر از بهره وری واکنش های شکافت هسته ای.

موتورهای بادبان خورشیدی - که از فشار نور خورشید (باد خورشیدی) استفاده می کنند که وجود آن توسط یک فیزیکدان روسی در سال 1899 به طور تجربی اثبات شد. با محاسبه، دانشمندان ثابت کرده اند که دستگاهی با وزن 1 تن، مجهز به بادبانی با قطر 500 متر، می تواند در حدود 300 روز از زمین به مریخ پرواز کند. با این حال، بازده یک بادبان خورشیدی با فاصله از خورشید به سرعت کاهش می یابد.

6.موتورهای موشک هسته ای

یکی از معایب اصلی موتورهای موشکی که با سوخت مایع کار می کنند، سرعت جریان محدود گازها است. به نظر می رسد در موتورهای موشکی هسته ای، استفاده از انرژی عظیم آزاد شده در طی تجزیه "سوخت" هسته ای برای گرم کردن ماده کار ممکن است. اصل کار موتورهای موشک هسته ای تقریباً هیچ تفاوتی با اصل عملکرد موتورهای ترموشیمیایی ندارد. تفاوت این است که سیال عامل نه به دلیل انرژی شیمیایی خود، بلکه به دلیل انرژی "خارجی" آزاد شده در طی یک واکنش درون هسته ای گرم می شود. سیال عامل از یک راکتور هسته ای عبور می کند که در آن واکنش شکافت هسته های اتمی (مثلا اورانیوم) رخ می دهد و گرم می شود. موتورهای موشک هسته ای نیاز به اکسید کننده را از بین می برند و بنابراین فقط می توان از یک مایع استفاده کرد. به عنوان یک مایع کار، توصیه می شود از موادی استفاده کنید که به موتور اجازه می دهد نیروی کشش بیشتری ایجاد کند. این شرایط توسط هیدروژن و به دنبال آن آمونیاک، هیدرازین و آب به طور کامل ارضا می شود. فرآیندهایی که در آن انرژی هسته ای آزاد می شود به تبدیلات رادیواکتیو، واکنش های شکافت هسته های سنگین و واکنش های همجوشی هسته های سبک تقسیم می شوند. دگرگونی های ایزوتوپ رادیویی در منابع انرژی به اصطلاح ایزوتوپی تحقق می یابد. انرژی جرمی ویژه (انرژی که ماده ای با وزن 1 کیلوگرم می تواند آزاد کند) ایزوتوپ های رادیواکتیو مصنوعی به طور قابل توجهی بیشتر از سوخت های شیمیایی است. بنابراین، برای 210Po برابر است با 5*10 8 KJ/kg، در حالی که برای کم مصرف ترین سوخت شیمیایی (بریلیوم با اکسیژن) این مقدار از 3*10 4 KJ/kg تجاوز نمی کند. متأسفانه هنوز استفاده از چنین موتورهایی در وسایل پرتاب فضایی منطقی نیست. دلیل این امر هزینه بالای ماده ایزوتوپی و مشکلات عملیاتی است. به هر حال، ایزوتوپ به طور مداوم انرژی آزاد می کند، حتی زمانی که در یک کانتینر مخصوص حمل می شود و موشک در محل پرتاب پارک می شود. راکتورهای هسته‌ای از سوخت کم‌مصرف‌تری استفاده می‌کنند. بنابراین، انرژی جرم ویژه 235U (ایزوتوپ شکافت پذیر اورانیوم) برابر با 6.75 * 109 KJ/kg است، یعنی تقریباً یک مرتبه بزرگتر از ایزوتوپ 210Po. این موتورها را می توان «روشن» و «خاموش کرد»؛ سوخت هسته ای (233U، 235U، 238U، 239Pu) بسیار ارزان تر از سوخت ایزوتوپی است. در چنین موتورهایی، نه تنها آب می تواند به عنوان مایع کار استفاده شود، بلکه از مواد کارآمدتر - الکل، آمونیاک، هیدروژن مایع نیز استفاده می شود. نیروی رانش ویژه موتور با هیدروژن مایع 900 ثانیه است. در ساده ترین طراحی یک موتور موشک هسته ای با راکتوری که با سوخت جامد هسته ای کار می کند، سیال کار در یک مخزن قرار می گیرد. پمپ آن را به محفظه موتور می رساند. با استفاده از نازل، سیال عامل با سوخت هسته ای مولد سوخت تماس پیدا می کند، گرم می شود، منبسط می شود و با سرعت زیاد از طریق نازل به بیرون پرتاب می شود. سوخت هسته ای از نظر ذخایر انرژی نسبت به هر نوع سوخت دیگری برتری دارد. سپس یک سوال منطقی مطرح می شود: چرا تاسیساتی که از این سوخت استفاده می کنند هنوز نیروی رانش مخصوص نسبتاً کم و جرم زیادی دارند؟ واقعیت این است که نیروی رانش ویژه یک موتور موشک هسته ای فاز جامد توسط دمای مواد شکافت پذیر محدود می شود و نیروگاه در حین کار پرتوهای یونیزان قوی ساطع می کند که تأثیر مضری بر موجودات زنده دارد. حفاظت بیولوژیکی در برابر چنین تشعشعی بسیار مهم است و در فضاپیماها قابل اجرا نیست. توسعه عملی موتورهای موشک هسته ای با استفاده از سوخت هسته ای جامد در اواسط دهه 50 قرن بیستم در اتحاد جماهیر شوروی و ایالات متحده آمریکا تقریباً همزمان با ساخت اولین نیروگاه های هسته ای آغاز شد. این کار در فضایی از سری افزایش یافته انجام شد، اما مشخص است که چنین موتورهای موشکی هنوز در فضانوردی مورد استفاده واقعی قرار نگرفته اند. همه چیز تا کنون محدود به استفاده از منابع ایزوتوپی الکتریسیته با توان نسبتا کم در ماهواره‌های مصنوعی زمین بدون سرنشین، فضاپیماهای بین سیاره‌ای و "ماه‌نورد" مشهور شوروی بوده است.

7.موتورهای جت هسته ای، اصول عملیاتی، روش های بدست آوردن ضربه در موتور پیشران هسته ای.

موتورهای موشکی هسته‌ای نام خود را به این دلیل به دست آوردند که با استفاده از انرژی هسته‌ای، یعنی انرژی آزاد شده در نتیجه واکنش‌های هسته‌ای، نیروی رانش ایجاد می‌کنند. در یک مفهوم کلی، این واکنش ها به معنای هرگونه تغییر در وضعیت انرژی هسته های اتم و همچنین تبدیل برخی از هسته ها به هسته های دیگر است که با تغییر ساختار هسته ها یا تغییر در تعداد ذرات بنیادی موجود در آنها همراه است - نوکلئون ها علاوه بر این، واکنش‌های هسته‌ای، همانطور که مشخص است، می‌توانند به صورت خود به خود (یعنی خود به خود) یا به طور مصنوعی ایجاد شوند، به عنوان مثال، هنگامی که برخی از هسته‌ها توسط دیگران (یا ذرات بنیادی) بمباران می‌شوند. واکنش‌های شکافت و همجوشی هسته‌ای به ترتیب میلیون‌ها و ده‌ها میلیون برابر انرژی بیشتر از واکنش‌های شیمیایی هستند. این با این واقعیت توضیح داده می شود که انرژی پیوند شیمیایی اتم ها در مولکول ها چندین برابر انرژی پیوند هسته ای نوکلئون ها در هسته است. انرژی هسته ای در موتورهای موشکی به دو صورت قابل استفاده است:

1. انرژی آزاد شده برای گرم کردن سیال کار استفاده می شود، که سپس در نازل منبسط می شود، درست مانند یک موتور موشک معمولی.

2. انرژی هسته ای به انرژی الکتریکی تبدیل می شود و سپس برای یونیزه کردن و شتاب بخشیدن به ذرات سیال عامل استفاده می شود.

3. در نهایت، تکانه توسط خود محصولات شکافت ایجاد می شود که در این فرآیند تشکیل می شوند (به عنوان مثال، فلزات نسوز - تنگستن، مولیبدن) برای ایجاد خواص ویژه به مواد شکافت پذیر استفاده می شوند.

عناصر سوخت یک راکتور فاز جامد با کانال هایی نفوذ می کنند که از طریق آنها سیال کار موتور پیشران هسته ای جریان می یابد و به تدریج گرم می شود. قطر کانال ها در حدود 1-3 میلی متر است و مساحت کل آنها 20-30٪ از سطح مقطع منطقه فعال است. هسته توسط یک شبکه ویژه در داخل مخزن نیرو معلق است تا بتواند در هنگام گرم شدن راکتور منبسط شود (در غیر این صورت به دلیل تنش های حرارتی فرو می ریزد).

هسته بارهای مکانیکی بالایی همراه با افت فشار هیدرولیک قابل توجه (تا چند ده اتمسفر) از سیال کاری جاری، تنش های حرارتی و ارتعاشات را تجربه می کند. افزایش اندازه منطقه فعال هنگام گرم شدن راکتور به چندین سانتی متر می رسد. منطقه فعال و بازتابنده در داخل محفظه قدرت بادوام قرار می گیرد که فشار سیال کار و رانش ایجاد شده توسط نازل جت را جذب می کند. کیس با یک درب بادوام بسته شده است. مکانیزم‌های پنوماتیک، فنری یا الکتریکی برای راندن بدنه‌های نظارتی، نقاط اتصال موتور پیشران هسته‌ای به فضاپیما، و فلنج‌هایی برای اتصال موتور پیشران هسته‌ای به خطوط لوله تامین سیال کار را در خود جای داده است. یک واحد توربوپمپ نیز می تواند روی پوشش قرار گیرد.

8 - نازل،

9 - نازل گسترش دهنده،

10 - انتخاب ماده کار برای توربین،

11 - نیروی برق،

12 - درام کنترل،

13 - اگزوز توربین (برای کنترل وضعیت و افزایش نیروی رانش استفاده می شود)

14 - حلقه محرک برای درام های کنترل)

در آغاز سال 1957، جهت نهایی کار در آزمایشگاه لوس آلاموس مشخص شد و تصمیم به ساخت یک راکتور هسته ای گرافیتی با سوخت اورانیوم پراکنده در گرافیت گرفته شد. راکتور Kiwi-A که در این جهت ایجاد شد، در سال 1959 در اول ژوئیه آزمایش شد.

موتور جت هسته ای فاز جامد آمریکایی XE Primeروی نیمکت آزمون (1968)

علاوه بر ساخت رآکتور، آزمایشگاه لوس آلاموس در حال ساخت یک سایت آزمایشی ویژه در نوادا بود و همچنین تعدادی دستورات ویژه از نیروی هوایی ایالات متحده را در مناطق مرتبط (توسعه فردی) انجام داد. واحدهای TURE). از طرف آزمایشگاه لوس آلاموس، تمام سفارشات ویژه برای ساخت قطعات جداگانه توسط شرکت های زیر انجام شد: Aerojet General، بخش Rocketdyne از هوانوردی آمریکای شمالی. در تابستان 1958، تمام کنترل برنامه مریخ نورد از نیروی هوایی ایالات متحده به سازمان ملی هوانوردی و فضایی (NASA) منتقل شد. در نتیجه توافق ویژه ای بین AEC و ناسا در اواسط تابستان 1960، دفتر پیشرانه هسته ای فضایی به رهبری جی. فینگر تشکیل شد که متعاقباً سرپرستی برنامه روور را بر عهده داشت.

نتایج به دست آمده از شش "آزمایش داغ" موتورهای جت هسته ای بسیار دلگرم کننده بود و در اوایل سال 1961 گزارشی در مورد آزمایش پرواز راکتور (RJFT) تهیه شد. سپس در اواسط سال 1961 پروژه نروا (استفاده از موتور هسته ای برای موشک های فضایی) راه اندازی شد. آئروجت جنرال به عنوان پیمانکار عمومی و وستینگهاوس به عنوان پیمانکار فرعی مسئول ساخت رآکتور انتخاب شدند.

10.2 روی TURE در روسیه کار کنید

دانشمندان آمریکایی" href="/text/category/amerikanetc/" rel="bookmark">آمریکایی‌ها، دانشمندان روسی از مقرون‌به‌صرفه‌ترین و مؤثرترین آزمایش‌های تک تک عناصر سوختی در راکتورهای تحقیقاتی استفاده کردند. طیف وسیعی از کارهای انجام شده در دهه 70-80 به دفتر طراحی "سالیوت"، دفتر طراحی خودکار شیمیایی، IAE، NIKIET و NPO "Luch" (PNITI) اجازه داد تا پروژه های مختلف موتورهای پیشران هسته ای فضایی و نیروگاه های هسته ای هیبریدی را توسعه دهند. رهبری NIITP (FEI، IAE، NIKIET، NIITVEL، NPO مسئول عناصر راکتور Luch، MAI بودند) ایجاد شد. YARD RD 0411و موتور هسته ای با حداقل اندازه RD 0410رانش به ترتیب 40 و 3.6 تن.

در نتیجه، یک راکتور، یک موتور "سرد" و یک نمونه اولیه نیمکت برای آزمایش بر روی گاز هیدروژن ساخته شد. TNRE شوروی بر خلاف آمریکایی، با ضربه خاص بیش از 8250 متر بر ثانیه، به دلیل استفاده از عناصر سوخت مقاوم در برابر حرارت و طراحی پیشرفته تر و دمای بالا در هسته، این رقم را برابر با 9100 متر داشت. /s و بالاتر. پایگاه نیمکتی برای آزمایش TURE اعزامی مشترک NPO "Luch" در 50 کیلومتری جنوب غربی شهر Semipalatinsk-21 قرار داشت. او در سال 1962 شروع به کار کرد. که در در سایت آزمایش، عناصر سوخت در مقیاس کامل نمونه‌های اولیه موتور موشک هسته‌ای مورد آزمایش قرار گرفتند. در این حالت گاز خروجی وارد سیستم اگزوز بسته شد. مجموعه نیمکت آزمایش بایکال-1 برای آزمایش موتور هسته ای تمام اندازه در 65 کیلومتری جنوب Semipalatinsk-21 واقع شده است. از سال 1970 تا 1988، حدود 30 "شروع داغ" راکتورها انجام شد. در همان زمان، توان با مصرف هیدروژن تا 16.5 کیلوگرم بر ثانیه و دمای آن در خروجی راکتور 3100 کلوین از 230 مگاوات تجاوز نکرد. همه پرتاب‌ها با موفقیت، بدون مشکل و طبق برنامه انجام شدند.

شوروی TNRD RD-0410 تنها موتور موشک هسته ای صنعتی کارآمد و قابل اعتماد در جهان است

در حال حاضر، چنین کاری در سایت متوقف شده است، اگرچه تجهیزات در شرایط نسبتاً کار نگهداری می شوند. پایگاه آزمایشی NPO Luch تنها مجموعه آزمایشی در جهان است که در آن امکان آزمایش عناصر راکتورهای پیشران هسته ای بدون هزینه های مالی و زمانی قابل توجه وجود دارد. این امکان وجود دارد که از سرگیری کار در ایالات متحده بر روی موتورهای پیشران هسته ای برای پرواز به ماه و مریخ در چارچوب برنامه ابتکار تحقیقات فضایی با مشارکت برنامه ریزی شده متخصصانی از روسیه و قزاقستان منجر به ازسرگیری فعالیت در ماه و مریخ شود. پایگاه Semipalatinsk و اجرای یک اکسپدیشن "مریخی" در دهه 2020.

ویژگی های اصلی

تکانه ویژه روی هیدروژن: 910 - 980 ثانیه(از لحاظ نظری تا 1000 ثانیه).

· سرعت خروجی سیال عامل (هیدروژن): 9100 - 9800 m/sec.

· رانش قابل دستیابی: تا صدها و هزاران تن.

· حداکثر دمای کارکرد: 3000°С - 3700°С (روشن شدن کوتاه مدت).

· عمر عملیاتی: تا چند هزار ساعت (فعال سازی دوره ای). /5/

11. دستگاه

طراحی موتور موشک هسته ای فاز جامد شوروی RD-0410

1 - خط از مخزن سیال کار

2 - واحد توربو پمپ

3 - کنترل درایو درام

4 - حفاظت در برابر اشعه

5 - درام تنظیم کننده

6 - کند کننده

7 - مونتاژ سوخت

8 - کشتی راکتور

9 - پایین آتش

10 - خط خنک کننده نازل

11- محفظه نازل

12 - نازل

12. اصل عملیات

با توجه به اصل عملکرد خود، یک TNRE یک مبدل حرارتی راکتور با دمای بالا است که یک سیال فعال (هیدروژن مایع) تحت فشار وارد می شود و همانطور که تا دماهای بالا (بیش از 3000 درجه سانتیگراد) گرم می شود از طریق یک دستگاه خارج می شود. نازل خنک شده بازسازی حرارت در نازل بسیار سودمند است، زیرا به هیدروژن اجازه می دهد تا بسیار سریعتر گرم شود و با استفاده از مقدار قابل توجهی انرژی حرارتی، ضربه خاص را می توان به 1000 ثانیه (9100-9800 متر بر ثانیه) افزایش داد.

راکتور موتور موشک هسته ای

MsoNormalTable">

سیال کار

چگالی، g/cm3

رانش خاص (در دماهای مشخص شده در محفظه گرمایش، °K)، ثانیه

0.071 (مایع)

0.682 (مایع)

1000 (مایع)

خیر دن

خیر دن

خیر دن

(توجه: فشار در محفظه گرمایش 45.7 اتمسفر است، انبساط تا فشار 1 اتمسفر با همان ترکیب شیمیایی سیال عامل) /6/

15. مزایا

مزیت اصلی TNRE ها نسبت به موتورهای موشکی شیمیایی دستیابی به یک ضربه خاص بالاتر، ذخایر انرژی قابل توجه، فشردگی سیستم و توانایی به دست آوردن رانش بسیار بالا (ده ها، صدها و هزاران تن در خلاء) است. تکانه ویژه ای که در خلاء به دست می آید بیشتر از سوخت شیمیایی دو جزئی مصرف شده موشک (نفت سفید-اکسیژن، هیدروژن-اکسیژن) 3-4 برابر و زمانی که با بالاترین شدت حرارتی کار می کند 4-5 برابر است. در حال حاضر در آمریکا و روسیه تجربه قابل توجهی در ساخت و ساخت چنین موتورهایی دارند و در صورت نیاز (برنامه های ویژه اکتشاف فضایی) می توان چنین موتورهایی را در مدت زمان کوتاهی تولید کرد و هزینه مناسبی نیز داشت. در صورت استفاده از TURE برای شتاب دادن به فضاپیما در فضا، و با توجه به استفاده اضافی از مانورهای اغتشاش با استفاده از میدان گرانشی سیارات بزرگ (مشتری، اورانوس، زحل، نپتون)، مرزهای قابل دستیابی مطالعه منظومه شمسی به طور قابل توجهی در حال گسترش است و زمان لازم برای رسیدن به سیارات دور به طور قابل توجهی است. کاهش. علاوه بر این، TNREها را می توان با موفقیت برای دستگاه هایی که در مدارهای پایین سیارات غول پیکر با استفاده از جو نادر آنها به عنوان سیال کاری استفاده می کنند، یا برای کار در جو آنها استفاده کرد. /8/

16. معایب

نقطه ضعف اصلی TNRE وجود جریان قدرتمند پرتوهای نافذ (تابش گاما، نوترون) و همچنین حذف ترکیبات اورانیوم بسیار پرتوزا، ترکیبات نسوز با تشعشعات القایی و گازهای رادیواکتیو با سیال عامل است. در این راستا، TURE برای پرتاب زمینی به منظور جلوگیری از بدتر شدن وضعیت محیطی در محل پرتاب و در جو غیر قابل قبول است. /14/

17. بهبود ویژگی های TURD. موتورهای توربوپراپ هیبریدی

مانند هر موشک یا هر موتوری به طور کلی، یک موتور جت هسته ای فاز جامد دارای محدودیت های قابل توجهی در مهمترین ویژگی های قابل دستیابی است. این محدودیت‌ها نشان‌دهنده ناتوانی دستگاه (TJRE) برای عملکرد در محدوده دمایی بیش از محدوده حداکثر دمای کاری مواد ساختاری موتور است. برای گسترش قابلیت ها و افزایش قابل توجه پارامترهای عملیاتی اصلی TNRE، می توان از طرح های ترکیبی مختلفی استفاده کرد که در آنها TNRE نقش منبع گرما و انرژی را ایفا می کند و از روش های فیزیکی اضافی برای تسریع سیالات عامل استفاده می شود. قابل اطمینان ترین، عملاً امکان پذیر و دارای ویژگی های ضربه و رانش ویژه بالا، یک طرح ترکیبی با یک مدار MHD اضافی (مدار مغناطیسی هیدرودینامیکی) برای شتاب بخشیدن به سیال کاری یونیزه شده (هیدروژن و افزودنی های ویژه) است. /13/

18. خطر تشعشع موتورهای هسته ای.

یک موتور هسته ای در حال کار منبع قدرتمندی از تشعشعات - تشعشعات گاما و نوترون است. بدون اتخاذ تدابیر خاص، تشعشع می تواند باعث گرم شدن غیرقابل قبول سیال و سازه کار در فضاپیما، شکنندگی مواد ساختاری فلزی، تخریب پلاستیک و پیری قطعات لاستیکی، آسیب به عایق کابل های برق و خرابی تجهیزات الکترونیکی شود. تابش می تواند باعث رادیواکتیویته القایی (مصنوعی) مواد - فعال شدن آنها شود.

در حال حاضر مشکل حفاظت در برابر تشعشع فضاپیماها با موتورهای پیشران هسته ای به طور اصولی حل شده تلقی می شود. مسائل اساسی مربوط به نگهداری موتورهای پیشران هسته ای در ایستگاه های آزمایش و سایت های پرتاب نیز حل شده است. اگرچه یک NRE عامل خطری برای پرسنل عملیاتی به همراه دارد، اما یک روز پس از پایان عملیات NRE، می توان بدون هیچ گونه تجهیزات حفاظت فردی، چندین ده دقیقه در فاصله 50 متری NRE ایستاد و حتی نزدیک شد. ساده‌ترین وسیله حفاظتی به پرسنل عملیاتی اجازه می‌دهد تا مدت کوتاهی پس از آزمایش‌ها وارد محوطه کار YARD شوند.

سطح آلودگی مجتمع های پرتاب و محیط زیست ظاهراً مانعی برای استفاده از موتورهای پیشران هسته ای در مراحل پایینی موشک های فضایی نخواهد بود. مشکل خطر تشعشع برای محیط زیست و پرسنل عملیاتی تا حد زیادی با این واقعیت کاهش می یابد که هیدروژن، که به عنوان سیال کاری استفاده می شود، عملاً هنگام عبور از راکتور فعال نمی شود. بنابراین جریان جت موتور هسته ای خطرناکتر از جت موتور موشک سوخت مایع نیست./4/

نتیجه

هنگام در نظر گرفتن چشم انداز توسعه و استفاده از موتورهای پیشران هسته ای در فضانوردی، باید از ویژگی های به دست آمده و مورد انتظار انواع موتورهای پیشران هسته ای، از آنچه کاربرد آنها می تواند به فضانوردی بدهد و در نهایت، از ارتباط نزدیک استنباط کرد. مشکل موتورهای پیشران هسته ای با مشکل تامین انرژی در فضا و اصلاً با مسائل توسعه انرژی.

همانطور که در بالا ذکر شد، از همه انواع موتورهای محرکه هسته ای، پیشرفته ترین آنها موتور رادیوایزوتوپ حرارتی و موتور با راکتور شکافت فاز جامد است. اما اگر ویژگی های موتورهای رانش هسته ای رادیوایزوتوپی به ما اجازه نمی دهد که به استفاده گسترده از آنها در فضانوردی (حداقل در آینده نزدیک) امیدوار باشیم، پس ایجاد موتورهای پیشران هسته ای فاز جامد چشم انداز بزرگی را برای فضانوردی باز می کند.

به عنوان مثال، دستگاهی با جرم اولیه 40000 تن (یعنی تقریباً 10 برابر بیشتر از بزرگترین پرتابگرهای مدرن) پیشنهاد شده است که 1/10 از این جرم برای بار محموله و 2/3 برای هسته ای است. اتهامات . اگر هر 3 ثانیه یک بار منفجر کنید، منبع آنها برای 10 روز کار مداوم سیستم پیشران هسته ای کافی خواهد بود. در این مدت این دستگاه به سرعت 10000 کیلومتر بر ثانیه می رسد و در آینده پس از 130 سال می تواند به ستاره آلفا قنطورس برسد.

نیروگاه‌های هسته‌ای دارای ویژگی‌های منحصربه‌فردی هستند که شامل شدت انرژی تقریباً نامحدود، استقلال عملکرد از محیط، و مصونیت در برابر تأثیرات خارجی (تابش کیهانی، آسیب شهاب‌سنگ، دماهای بالا و پایین و غیره) است. با این حال، حداکثر توان تاسیسات رادیوایزوتوپ هسته ای به مقداری در حد چند صد وات محدود می شود. این محدودیت برای نیروگاه های راکتور هسته ای وجود ندارد، که سودآوری استفاده از آنها را در پروازهای طولانی مدت فضاپیماهای سنگین در فضای نزدیک زمین، در طول پرواز به سیارات دوردست منظومه شمسی و در موارد دیگر تعیین می کند.

مزایای فاز جامد و سایر موتورهای پیشران هسته ای با راکتورهای شکافت در مطالعه برنامه های فضایی پیچیده مانند پروازهای سرنشین دار به سیارات منظومه شمسی (به عنوان مثال، در طی یک سفر به مریخ) به طور کامل آشکار می شود. در این مورد، افزایش ضربه خاص پیشران، حل مشکلات کیفی جدید را ممکن می کند. همه این مشکلات در هنگام استفاده از موتور موشک هسته‌ای فاز جامد با ضربه‌ای دو برابر بیشتر از موتورهای موشک پیشران مایع مدرن، بسیار کاهش می‌یابد. در این صورت کاهش قابل توجه زمان پرواز نیز امکان پذیر می شود.

به احتمال زیاد در آینده نزدیک موتورهای هسته ای فاز جامد به یکی از رایج ترین موتورهای موشک تبدیل خواهند شد. موتورهای هسته‌ای فاز جامد را می‌توان به‌عنوان وسیله‌ای برای پروازهای طولانی مدت، به عنوان مثال، به سیاراتی مانند نپتون، پلوتون و حتی برای پرواز فراتر از منظومه شمسی استفاده کرد. با این حال، برای پرواز به ستاره ها، موتور هسته ای بر اساس اصول شکافت مناسب نیست. در این مورد، موتورهای هسته‌ای یا به‌طور دقیق‌تر موتورهای جت گرما هسته‌ای (TREs) که بر اساس اصل واکنش‌های همجوشی کار می‌کنند، و موتورهای جت فوتونیک (PREs) امیدوارکننده هستند، که منبع تکانه آن‌ها واکنش نابودی ماده و پادماده است. . با این حال، به احتمال زیاد بشر از روشی متفاوت برای حمل و نقل برای سفر در فضای بین ستاره ای استفاده خواهد کرد، متفاوت از جت.

در خاتمه، عبارت معروف انیشتین را نقل می‌کنم - برای سفر به ستاره‌ها، بشریت باید چیزی را ارائه دهد که از نظر پیچیدگی و درک با یک رآکتور هسته‌ای برای یک نئاندرتال قابل مقایسه باشد!

ادبیات

منابع:

1. "راکت ها و مردم. کتاب 4 مسابقه ماه" - م: زنانی، 1999.
2. http://www. lpre. de/energomash/index. htm
3. پرووشین "نبرد برای ستارگان. تقابل کیهانی" - M: دانش، 1998.
4. L. Gilberg "فتح آسمان" - M: Znanie، 1994.
5. http://epizodsspace. *****/bibl/molodtsov
6. "موتور"، "موتورهای هسته ای برای فضاپیما"، شماره 5 1999

7. "موتور"، "موتورهای هسته ای فاز گاز برای فضاپیما"،

شماره 6، 1999
7. http://www. *****/content/numbers/263/03.shtml
8. http://www. lpre. de/energomash/index. htm
9. http://www. *****/content/numbers/219/37.shtml
10. حمل و نقل چکالین آینده.

م.: دانش، 1983.

11. اکتشاف فضایی چکالین - M.:

دانش، 1988.

12. گوبانوف ب. "انرژی - بوران" - گامی به سوی آینده // علم و زندگی.-

13. Gatland K. فناوری فضایی - M.: Mir, 1986.

14.، سرگیوک و تجارت - M.: APN، 1989.

15. اتحاد جماهیر شوروی در فضا. 2005 - M.: APN، 1989.

16. در راه اعماق فضا // انرژی. - 1985. - شماره 6.

کاربرد

ویژگی های اصلی موتورهای جت هسته ای فاز جامد

کشور سازنده	موتور	رانش در خلاء، kN	انگیزه خاص، ثانیه		کار پروژه، سال
	چرخه مخلوط NERVA/Lox