Un motore a razzo nucleare è un motore a razzo il cui principio di funzionamento si basa su una reazione nucleare o su un decadimento radioattivo, che rilascia energia che riscalda il fluido di lavoro, che può essere un prodotto di reazione o qualche altra sostanza, come l'idrogeno. Esistono diversi tipi di motori a razzo che utilizzano il principio di funzionamento sopra descritto: nucleare, radioisotopico, termonucleare. Utilizzando motori a razzo nucleari, è possibile ottenere valori di impulso specifici significativamente superiori a quelli ottenibili con motori a razzo chimici. L'alto valore dell'impulso specifico è spiegato dall'elevata velocità di deflusso del fluido di lavoro - circa 8-50 km/s. La forza di spinta di un motore nucleare è paragonabile a quella dei motori chimici, il che consentirà in futuro di sostituire tutti i motori chimici con motori nucleari.

Il principale ostacolo alla completa sostituzione è l’inquinamento radioattivo causato dai motori a razzo nucleari.

Sono divisi in due tipi: fase solida e fase gassosa. Nel primo tipo di motori, il materiale fissile viene posto in gruppi di aste con una superficie sviluppata. Ciò consente di riscaldare efficacemente un fluido di lavoro gassoso, solitamente l'idrogeno funge da fluido di lavoro. La velocità di scarico è limitata dalla temperatura massima del fluido di lavoro, che, a sua volta, dipende direttamente dalla temperatura massima consentita degli elementi strutturali e non supera i 3000 K. Nei motori a razzo nucleari in fase gassosa, la sostanza fissile è allo stato gassoso. La sua permanenza nell'area di lavoro avviene attraverso l'influenza di un campo elettromagnetico. Per questo tipo di motori a razzo nucleari, gli elementi strutturali non sono un fattore limitante, quindi la velocità di scarico del fluido di lavoro può superare i 30 km/s. Possono essere utilizzati come motori di primo stadio, nonostante la fuoriuscita di materiale fissile.

Negli anni '70 XX secolo Negli Stati Uniti e nell'Unione Sovietica furono testati attivamente motori a razzo nucleari con materia fissile in fase solida. Negli Stati Uniti è stato sviluppato un programma per creare un motore a razzo nucleare sperimentale come parte del programma NERVA.

Gli americani svilupparono un reattore di grafite raffreddato da idrogeno liquido, che veniva riscaldato, evaporato ed espulso attraverso un ugello di un razzo. La scelta della grafite è dovuta alla sua resistenza alla temperatura. Secondo questo progetto, l'impulso specifico del motore risultante avrebbe dovuto essere il doppio del valore corrispondente caratteristico dei motori chimici, con una spinta di 1100 kN. Il reattore Nerva avrebbe dovuto funzionare come parte del terzo stadio del veicolo di lancio Saturn V, ma a causa della chiusura del programma lunare e della mancanza di altri compiti per i motori a razzo di questa classe, il reattore non è mai stato testato nella pratica.

Un motore a razzo nucleare in fase gassosa è attualmente in fase di sviluppo teorico. Un motore nucleare in fase gassosa prevede l’utilizzo del plutonio, il cui flusso di gas a movimento lento è circondato da un flusso più veloce di idrogeno di raffreddamento. Presso le stazioni spaziali orbitali MIR e ISS sono stati condotti esperimenti che potrebbero dare impulso all'ulteriore sviluppo dei motori in fase gassosa.

Oggi possiamo dire che la Russia ha leggermente “congelato” le sue ricerche nel campo dei sistemi di propulsione nucleare. Il lavoro degli scienziati russi si concentra maggiormente sullo sviluppo e sul miglioramento dei componenti e degli assemblaggi di base delle centrali nucleari, nonché sulla loro unificazione. La direzione prioritaria per ulteriori ricerche in questo settore è la creazione di sistemi di propulsione nucleare in grado di funzionare in due modalità. La prima è la modalità del motore a razzo nucleare e la seconda è la modalità di installazione per generare elettricità per alimentare le apparecchiature installate a bordo del veicolo spaziale.

Spesso nelle pubblicazioni educative generali sull'astronautica non si distingue la differenza tra un motore a razzo nucleare (NRE) e un sistema di propulsione elettrica nucleare (NURE). Tuttavia, queste abbreviazioni nascondono non solo la differenza nei principi di conversione dell'energia nucleare in spinta del razzo, ma anche una storia molto drammatica dello sviluppo dell'astronautica.

Il dramma della storia sta nel fatto che se la ricerca sulla propulsione nucleare e la propulsione nucleare sia nell'URSS che negli USA, che erano state interrotte principalmente per ragioni economiche, fossero continuate, i voli umani su Marte sarebbero diventati da tempo un luogo comune.

Tutto è iniziato con aerei atmosferici con un motore nucleare ramjet

I progettisti negli Stati Uniti e nell’URSS consideravano gli impianti nucleari “respiranti” in grado di aspirare l’aria esterna e riscaldarla a temperature colossali. Probabilmente, questo principio di generazione della spinta è stato preso in prestito dai motori ramjet, solo che al posto del carburante per missili è stata utilizzata l'energia di fissione dei nuclei atomici del biossido di uranio 235.

Negli Stati Uniti, un tale motore è stato sviluppato nell'ambito del progetto Plutone. Gli americani riuscirono a creare due prototipi del nuovo motore: Tory-IIA e Tory-IIC, che alimentavano persino i reattori. La capacità dell'impianto avrebbe dovuto essere di 600 megawatt.

I motori sviluppati nell'ambito del progetto Plutone dovevano essere installati su missili da crociera, che negli anni '50 furono creati con la denominazione SLAM (Supersonic Low Altitude Missile, missile supersonico a bassa altitudine).

Gli Stati Uniti progettarono di costruire un razzo lungo 26,8 metri, con un diametro di tre metri e un peso di 28 tonnellate. Si supponeva che il corpo del razzo contenesse una testata nucleare e un sistema di propulsione nucleare lungo 1,6 metri e con un diametro di 1,5 metri. Rispetto ad altre dimensioni, l'impianto sembrava molto compatto, il che spiega il principio di funzionamento del flusso diretto.

Gli sviluppatori credevano che, grazie al motore nucleare, la portata di volo del missile SLAM sarebbe stata di almeno 182mila chilometri.

Nel 1964, il Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti chiuse il progetto. Il motivo ufficiale è che in volo un missile da crociera a propulsione nucleare inquina troppo tutto ciò che lo circonda. Ma in realtà, il motivo erano i costi significativi per la manutenzione di tali razzi, soprattutto perché a quel tempo la missilistica si stava rapidamente sviluppando sulla base di motori a razzo a propellente liquido, la cui manutenzione era molto più economica.

L'URSS rimase fedele all'idea di creare un progetto ramjet per un motore a propulsione nucleare molto più a lungo degli Stati Uniti, chiudendo il progetto solo nel 1985. Ma i risultati si sono rivelati molto più significativi. Pertanto, il primo e unico motore a razzo nucleare sovietico fu sviluppato presso l'ufficio di progettazione Khimavtomatika, Voronezh. Questo è RD-0410 (Indice GRAU - 11B91, noto anche come "Irbit" e "IR-100").

L'RD-0410 utilizzava un reattore a neutroni termici eterogeneo, il moderatore era idruro di zirconio, i riflettori di neutroni erano in berillio, il combustibile nucleare era un materiale a base di uranio e carburi di tungsteno, con arricchimento di circa l'80% nell'isotopo 235.

Il progetto prevedeva 37 gruppi di combustibile, ricoperti da un isolamento termico che li separava dal moderatore. Il progetto prevedeva che il flusso di idrogeno passasse prima attraverso il riflettore e il moderatore, mantenendo la loro temperatura a temperatura ambiente, e poi entrasse nel nucleo, dove raffreddasse i gruppi di combustibile, riscaldandosi fino a 3100 K. Allo stand, il riflettore e il moderatore erano raffreddato da un flusso di idrogeno separato.

Il reattore è stato sottoposto a una serie significativa di test, ma non è mai stato testato per la sua intera durata operativa. Tuttavia, i componenti esterni del reattore erano completamente esauriti.

Caratteristiche tecniche dell'RD 0410

Spinta nel vuoto: 3,59 tf (35,2 kN)
Potenza termica del reattore: 196 MW
Impulso di spinta specifico nel vuoto: 910 kgf s/kg (8927 m/s)
Numero di avviamenti: 10
Risorsa lavorativa: 1 ora
Componenti del carburante: fluido di lavoro - idrogeno liquido, sostanza ausiliaria - eptano
Peso con protezione dalle radiazioni: 2 tonnellate
Dimensioni motore: altezza 3,5 m, diametro 1,6 m.

Dimensioni e peso relativamente piccoli, alta temperatura del combustibile nucleare (3100 K) con un efficace sistema di raffreddamento con flusso di idrogeno indicano che l'RD0410 è un prototipo quasi ideale di un motore di propulsione nucleare per i moderni missili da crociera. E, tenendo conto delle moderne tecnologie per la produzione di combustibile nucleare autobloccante, aumentare la risorsa da un'ora a diverse ore è un compito molto reale.

Progetti di motori a razzo nucleari

Un motore a razzo nucleare (NRE) è un motore a reazione in cui l'energia generata durante una reazione di decadimento o fusione nucleare riscalda il fluido di lavoro (molto spesso idrogeno o ammoniaca).

Esistono tre tipi di motori a propulsione nucleare a seconda del tipo di combustibile per il reattore:

• fase solida;
• fase liquida;
• fase gassosa.

La più completa è la versione in fase solida del motore. La figura mostra uno schema del più semplice motore nucleare con un reattore a combustibile nucleare solido. Il fluido di lavoro si trova in un serbatoio esterno. Utilizzando una pompa, viene fornito alla camera del motore. Nella camera, il fluido di lavoro viene spruzzato mediante ugelli ed entra in contatto con il combustibile nucleare che genera combustibile. Una volta riscaldato, si espande e vola fuori dalla camera attraverso l'ugello a grande velocità.

Nei motori a propellente nucleare in fase gassosa, il carburante (ad esempio l'uranio) e il fluido di lavoro sono allo stato gassoso (sotto forma di plasma) e sono trattenuti nell'area di lavoro da un campo elettromagnetico. Il plasma di uranio riscaldato a decine di migliaia di gradi trasferisce calore al fluido di lavoro (ad esempio l'idrogeno), che, a sua volta, essendo riscaldato ad alte temperature forma una corrente a getto.

In base al tipo di reazione nucleare si distingue tra un motore a razzo a radioisotopi, un motore a razzo termonucleare e un motore nucleare vero e proprio (viene utilizzata l'energia della fissione nucleare).

Un'opzione interessante è anche un motore a razzo nucleare a impulsi: si propone di utilizzare una carica nucleare come fonte di energia (carburante). Tali installazioni possono essere di tipo interno ed esterno.

I principali vantaggi dei motori a propulsione nucleare sono:

• impulso specifico elevato;
• notevoli riserve energetiche;
• compattezza del sistema di propulsione;
• la possibilità di ottenere una spinta molto elevata: decine, centinaia e migliaia di tonnellate nel vuoto.

Lo svantaggio principale è l’elevato rischio di radiazioni del sistema di propulsione:

• flussi di radiazioni penetranti (radiazioni gamma, neutroni) durante le reazioni nucleari;
• rimozione dei composti altamente radioattivi dell'uranio e delle sue leghe;
• deflusso di gas radioattivi con il fluido di lavoro.

Sistema di propulsione nucleare

Considerando che è impossibile ottenere informazioni affidabili sulle centrali nucleari da pubblicazioni, compresi articoli scientifici, è meglio considerare il principio di funzionamento di tali impianti utilizzando esempi di materiali brevettati aperti, sebbene contengano know-how.

Ad esempio, l'eccezionale scienziato russo Anatoly Sazonovich Koroteev, l'autore dell'invenzione protetta dal brevetto, ha fornito una soluzione tecnica per la composizione dell'attrezzatura per un moderno YARDU. Di seguito riporto integralmente e senza commenti parte del suddetto documento di brevetto.

L'essenza della soluzione tecnica proposta è illustrata dallo schema presentato nel disegno. Un sistema di propulsione nucleare che funziona in modalità energia di propulsione contiene un sistema di propulsione elettrica (EPS) (il diagramma di esempio mostra due motori a razzo elettrici 1 e 2 con i corrispondenti sistemi di alimentazione 3 e 4), un reattore 5, una turbina 6, un compressore 7, un generatore 8, uno scambiatore di calore-recuperatore 9, un tubo vortice Ranck-Hilsch 10, un frigorifero-radiatore 11. In questo caso, la turbina 6, il compressore 7 e il generatore 8 sono combinati in un'unica unità: un turbogeneratore-compressore. L'unità di propulsione nucleare è dotata di tubazioni 12 del fluido di lavoro e linee elettriche 13 che collegano il generatore 8 e l'unità di propulsione elettrica. Lo scambiatore-recuperatore di calore 9 presenta i cosiddetti ingressi del fluido di lavoro ad alta temperatura 14 e bassa temperatura 15, nonché le uscite del fluido di lavoro ad alta temperatura 16 e bassa temperatura 17.

L'uscita dell'unità reattore 5 è collegata all'ingresso della turbina 6, l'uscita della turbina 6 è collegata all'ingresso ad alta temperatura 14 dello scambiatore-recuperatore di calore 9. L'uscita a bassa temperatura 15 dello scambiatore-recuperatore di calore 9 è collegato all'ingresso del tubo vortice Ranck-Hilsch 10. Il tubo vortice Ranck-Hilsch 10 ha due uscite , una delle quali (tramite il fluido di lavoro “caldo”) è collegata al frigorifero del radiatore 11, e l'altra ( tramite il fluido di lavoro “freddo”) è collegata all'ingresso del compressore 7. L'uscita del frigorifero radiatore 11 è collegata anche all'ingresso del compressore 7. L'uscita del compressore 7 è collegata all'ingresso a bassa temperatura 15 del scambiatore-recuperatore di calore 9. L'uscita ad alta temperatura 16 dello scambiatore-recuperatore di calore 9 è collegata all'ingresso dell'installazione del reattore 5. Pertanto, gli elementi principali della centrale nucleare sono interconnessi da un unico circuito del fluido di lavoro .

La centrale nucleare funziona come segue. Il fluido di lavoro riscaldato nell'impianto del reattore 5 viene inviato alla turbina 6, che garantisce il funzionamento del compressore 7 e del generatore 8 del turbogeneratore-compressore. Il generatore 8 genera energia elettrica, che viene inviata attraverso le linee elettriche 13 ai motori a razzo elettrici 1 e 2 e ai loro sistemi di alimentazione 3 e 4, garantendone il funzionamento. Dopo aver lasciato la turbina 6, il fluido di lavoro viene inviato, attraverso l'ingresso ad alta temperatura 14, allo scambiatore-recuperatore di calore 9, dove il fluido di lavoro viene parzialmente raffreddato.

Quindi, dall'uscita a bassa temperatura 17 dello scambiatore-recuperatore di calore 9, il fluido di lavoro viene indirizzato nel tubo a vortice Ranque-Hilsch 10, all'interno del quale il flusso del fluido di lavoro è suddiviso in componenti “calda” e “fredda”. La parte “calda” del fluido di lavoro va poi al frigorifero-emettitore 11, dove questa parte del fluido di lavoro viene effettivamente raffreddata. La parte “fredda” del fluido di lavoro va all'ingresso del compressore 7 e, dopo il raffreddamento, segue anche la parte del fluido di lavoro in uscita dal frigorifero radiante 11.

Il compressore 7 fornisce il fluido di lavoro raffreddato allo scambiatore-recuperatore di calore 9 attraverso l'ingresso a bassa temperatura 15. Questo fluido di lavoro raffreddato nello scambiatore-recuperatore di calore 9 fornisce un raffreddamento parziale del controflusso del fluido di lavoro che entra nello scambiatore-recuperatore di calore 9 dalla turbina 6 attraverso l'ingresso ad alta temperatura 14. Successivamente, il fluido di lavoro parzialmente riscaldato (a causa dello scambio di calore con il controflusso del fluido di lavoro proveniente dalla turbina 6) dallo scambiatore-recuperatore di calore 9 attraverso l'ingresso ad alta temperatura l'uscita 16 entra nuovamente nell'installazione del reattore 5, il ciclo si ripete nuovamente.

Pertanto, un unico fluido di lavoro situato in un circuito chiuso garantisce il funzionamento continuo della centrale nucleare e l'uso di un tubo vortice Ranque-Hilsch come parte della centrale nucleare secondo la soluzione tecnica rivendicata migliora le caratteristiche di peso e dimensioni della centrale nucleare, aumenta l’affidabilità del suo funzionamento, ne semplifica la progettazione e consente di aumentare l’efficienza delle centrali nucleari in generale.

Collegamenti:

Già alla fine di questo decennio in Russia potrebbe essere creata una navicella spaziale a propulsione nucleare per i viaggi interplanetari. E questo cambierà radicalmente la situazione sia nello spazio vicino alla Terra che sulla Terra stessa.

La centrale nucleare (NPP) sarà pronta per il volo nel 2018. Lo ha annunciato il direttore del Centro Keldysh, accademico Anatolij Koroteev. “Dobbiamo preparare il primo campione (di una centrale nucleare della classe megawatt. – nota di Expert Online) per le prove di volo nel 2018. Se volerà o no è un'altra questione, potrebbe esserci una coda, ma deve essere pronta a volare", ha riportato le sue parole RIA Novosti. Ciò significa che uno dei progetti russo-sovietici più ambiziosi nel campo dell’esplorazione spaziale sta entrando nella fase di immediata attuazione pratica.

L'essenza di questo progetto, le cui radici risalgono alla metà del secolo scorso, è questa. Ora i voli nello spazio vicino alla Terra vengono effettuati su razzi che si muovono grazie alla combustione di combustibile liquido o solido nei loro motori. Essenzialmente, questo è lo stesso motore di un'auto. Solo in un'auto la benzina, quando brucia, spinge i pistoni nei cilindri, trasferendo la sua energia attraverso di essi alle ruote. E in un motore a razzo, la combustione di cherosene o eptile spinge direttamente il razzo in avanti.

Nell'ultimo mezzo secolo, questa tecnologia missilistica è stata perfezionata in tutto il mondo fin nei minimi dettagli. Ma gli stessi scienziati missilistici lo ammettono. Miglioramento: sì, è necessario. Cercare di aumentare il carico utile dei razzi dalle attuali 23 tonnellate a 100 e persino 150 tonnellate sulla base di motori a combustione "migliorati" - sì, devi provarci. Ma questo è un vicolo cieco da un punto di vista evolutivo. " Non importa quanto lavorino gli specialisti di motori a razzo in tutto il mondo, l'effetto massimo che otterremo sarà calcolato in frazioni percentuali. In parole povere, dai motori a razzo esistenti è stato eliminato tutto, siano essi combustibili liquidi o solidi, e i tentativi di aumentare la spinta e l'impulso specifico sono semplicemente inutili. I sistemi di propulsione nucleare forniscono un aumento multiplo. Usando l'esempio di un volo su Marte, ora ci vogliono da uno e mezzo a due anni per volare andata e ritorno, ma sarà possibile volare in due o quattro mesi “- l'ex capo dell'Agenzia spaziale federale russa ha valutato la situazione in una sola volta Anatolij Perminov.

Pertanto, nel 2010, l'allora presidente della Russia e ora primo ministro Dmitrij Medvedev Entro la fine di questo decennio, fu dato l'ordine di creare nel nostro paese un modulo di trasporto spaziale ed energetico basato su una centrale nucleare di classe megawatt. Si prevede di stanziare 17 miliardi di rubli dal bilancio federale, da Roscosmos e da Rosatom per lo sviluppo di questo progetto fino al 2018. Di questo importo, 7,2 miliardi sono stati assegnati alla società statale Rosatom per la creazione di un reattore (lo sta facendo il Dollezhal Research and Design Institute of Energy Engineering), 4 miliardi al Keldysh Center per la creazione di una centrale nucleare impianto di propulsione. RSC Energia stanzia 5,8 miliardi di rubli per creare un modulo di trasporto ed energia, cioè un razzo spaziale.

Naturalmente, tutto questo lavoro non viene svolto nel vuoto. Dal 1970 al 1988, la sola Unione Sovietica lanciò nello spazio più di tre dozzine di satelliti spia, dotati di centrali nucleari a bassa potenza come Buk e Topaz. Sono stati utilizzati per creare un sistema per tutte le stagioni per monitorare bersagli di superficie in tutto l'Oceano Mondiale e emettere designazioni di bersagli con trasmissione a portaerei o posti di comando: il sistema di ricognizione spaziale navale Legend e di designazione dei bersagli (1978).

La NASA e le aziende americane che producono veicoli spaziali e i loro veicoli di consegna non sono state in grado di creare un reattore nucleare che funzionerebbe stabilmente nello spazio durante questo periodo, anche se ci hanno provato tre volte. Pertanto, nel 1988, l'ONU vietò l'uso di veicoli spaziali con sistemi di propulsione nucleare e la produzione di satelliti del tipo USA-A con propulsione nucleare a bordo nell'Unione Sovietica fu interrotta.

Parallelamente, negli anni '60 e '70 del secolo scorso, il Centro Keldysh ha svolto un lavoro attivo sulla creazione di un motore a ioni (motore a elettroplasma), che è più adatto per creare un sistema di propulsione ad alta potenza funzionante a combustibile nucleare. Il reattore produce calore, che viene convertito in elettricità da un generatore. Con l'aiuto dell'elettricità, il gas inerte xeno in un tale motore viene prima ionizzato, quindi le particelle caricate positivamente (ioni xeno positivi) vengono accelerate in un campo elettrostatico a una determinata velocità e creano spinta quando lasciano il motore. Questo è il principio di funzionamento del motore ionico, di cui è già stato realizzato un prototipo al Keldysh Center.

« Negli anni '90 del XX secolo, noi del Centro Keldysh abbiamo ripreso a lavorare sui motori a ioni. Ora è necessario creare una nuova cooperazione per un progetto così potente. Esiste già un prototipo di motore ionico su cui è possibile testare soluzioni tecnologiche e progettuali di base. Ma i prodotti standard devono ancora essere creati. Abbiamo una scadenza prestabilita: entro il 2018 il prodotto dovrebbe essere pronto per le prove di volo ed entro il 2015 dovrebbero essere completati i test principali del motore. Avanti: test di vita e test dell'intera unità nel suo insieme.“, ha osservato l’anno scorso il capo del dipartimento di elettrofisica del Centro di ricerca intitolato a M.V. Keldysh, Professore, Facoltà di Aerofisica e Ricerca Spaziale, MIPT Oleg Gorshkov.

Qual è il vantaggio pratico per la Russia da questi sviluppi? Questo beneficio supera di gran lunga i 17 miliardi di rubli che lo Stato intende spendere entro il 2018 per la realizzazione di un veicolo di lancio con a bordo una centrale nucleare con una capacità di 1 MW. In primo luogo, si tratta di una drammatica espansione delle capacità del nostro Paese e dell’umanità in generale. Un veicolo spaziale a propulsione nucleare offre reali opportunità alle persone di realizzare cose su altri pianeti. Ora molti paesi hanno tali navi. Sono ripresi anche negli Stati Uniti nel 2003, dopo che gli americani hanno ricevuto due campioni di satelliti russi dotati di centrali nucleari.

Tuttavia, nonostante ciò, è membro della commissione speciale della NASA sui voli con equipaggio Edoardo Crowley ad esempio, ritiene che una nave per un volo internazionale su Marte dovrebbe avere motori nucleari russi. " È richiesta l'esperienza russa nello sviluppo di motori nucleari. Penso che la Russia abbia molta esperienza sia nello sviluppo di motori a razzo che nella tecnologia nucleare. Ha anche una vasta esperienza nell'adattamento umano alle condizioni spaziali, poiché i cosmonauti russi hanno effettuato voli molto lunghi "", ha detto Crowley ai giornalisti la primavera scorsa dopo una conferenza all'Università statale di Mosca sui piani americani per l'esplorazione spaziale con equipaggio.

In secondo luogo, tali navi consentono di intensificare notevolmente l'attività nello spazio vicino alla Terra e offrono una reale opportunità per iniziare la colonizzazione della Luna (esistono già progetti per la costruzione di centrali nucleari sul satellite terrestre). " Si sta prendendo in considerazione l’uso di sistemi di propulsione nucleare per grandi sistemi con equipaggio, piuttosto che per piccoli veicoli spaziali, che possono volare su altri tipi di installazioni utilizzando motori ionici o energia eolica solare. I sistemi di propulsione nucleare con motori ionici possono essere utilizzati su un rimorchiatore riutilizzabile interorbitale. Ad esempio, trasporta merci tra orbite basse e alte e vola verso gli asteroidi. Puoi creare un rimorchiatore lunare riutilizzabile o inviare una spedizione su Marte“, dice il professor Oleg Gorshkov. Navi come queste stanno cambiando radicalmente l’economia dell’esplorazione spaziale. Secondo i calcoli degli specialisti di RSC Energia, un veicolo di lancio a propulsione nucleare riduce di oltre la metà i costi di lancio di un carico utile nell'orbita lunare rispetto ai motori a razzo liquidi.

Terzo, si tratta di nuovi materiali e tecnologie che verranno creati durante l'attuazione di questo progetto e poi introdotti in altri settori: metallurgia, ingegneria meccanica, ecc. Cioè, questo è uno di quei progetti rivoluzionari che possono davvero far avanzare sia l’economia russa che quella globale.

L'idea di lanciare bombe atomiche dietro la poppa si è rivelata troppo brutale, ma la quantità di energia prodotta dalla reazione di fissione nucleare, per non parlare della fusione, è estremamente attraente per l'astronautica. Pertanto, sono stati creati molti sistemi non a impulsi, liberati dai problemi di immagazzinare centinaia di bombe nucleari a bordo e ammortizzatori ciclopici. Ne parleremo oggi.

La fisica nucleare a portata di mano

Cos'è una reazione nucleare? Per spiegarlo in modo molto semplice, l’immagine sarà qualcosa del genere. Dal curriculum scolastico ricordiamo che la materia è composta da molecole, le molecole sono fatte di atomi e gli atomi sono fatti di protoni, elettroni e neutroni (ci sono livelli inferiori, ma questo ci basta). Alcuni atomi pesanti hanno una proprietà interessante: se vengono colpiti da un neutrone, decadono in atomi più leggeri e rilasciano diversi neutroni. Se questi neutroni rilasciati colpiscono altri atomi pesanti nelle vicinanze, il decadimento si ripeterà e avremo una reazione nucleare a catena. Il movimento dei neutroni ad alta velocità fa sì che questo movimento si trasformi in calore quando i neutroni rallentano. Pertanto, un reattore nucleare è un riscaldatore molto potente. Possono far bollire l'acqua, inviare il vapore risultante a una turbina e ottenere una centrale nucleare. Oppure puoi riscaldare l’idrogeno e gettarlo all’esterno, creando un motore a reazione nucleare. Da questa idea sono nati i primi motori: NERVA e RD-0410.

NERVA

Storia del progetto

La paternità formale (brevetto) per l'invenzione del motore a razzo atomico appartiene a Richard Feynman, secondo le sue memorie "Stai sicuramente scherzando, signor Feynman". Il libro, tra l'altro, è vivamente consigliato. Il Laboratorio di Los Alamos iniziò a sviluppare motori a razzo nucleari nel 1952. Nel 1955 venne avviato il progetto Rover. Nella prima fase del progetto KIWI furono costruiti 8 reattori sperimentali e dal 1959 al 1964 fu studiato lo spurgo del fluido di lavoro attraverso il nocciolo del reattore. Per riferimento temporale, il progetto Orion è esistito dal 1958 al 1965. Rover ha avuto le fasi due e tre per esplorare reattori di potenza maggiore, ma NERVA si è basata su KIWI a causa dei piani per il primo lancio di prova nello spazio nel 1964: non c'era tempo per sviluppare opzioni più avanzate. Le scadenze si spostarono gradualmente e nel 1966 avvenne il primo lancio a terra del motore NERVA NRX/EST (EST - Engine System Test). Il motore ha funzionato con successo per due ore, di cui 28 minuti a piena spinta. Il secondo motore NERVA XE è stato avviato 28 volte e ha funzionato per un totale di 115 minuti. Il motore è stato ritenuto idoneo per applicazioni spaziali e il banco prova era pronto per testare i motori appena assemblati. Sembrava che la NERVA avesse davanti a sé un futuro brillante: un volo su Marte nel 1978, una base permanente sulla Luna nel 1981, rimorchiatori orbitali. Ma il successo del progetto causò il panico al Congresso: il programma lunare si rivelò molto costoso per gli Stati Uniti, il programma su Marte sarebbe stato ancora più costoso. Nel 1969 e nel 1970, i finanziamenti spaziali furono seriamente ridotti: le missioni Apollo 18, 19 e 20 furono cancellate e nessuno avrebbe stanziato ingenti somme di denaro per il programma su Marte. Di conseguenza, i lavori sul progetto furono portati avanti senza finanziamenti seri e furono chiusi nel 1972.

Progetto

L'idrogeno dal serbatoio è entrato nel reattore, lì è stato riscaldato ed è stato espulso, creando una spinta a getto. L'idrogeno è stato scelto come fluido di lavoro perché ha atomi leggeri ed è più facile da accelerare ad alta velocità. Maggiore è la velocità di scarico del getto, più efficiente è il motore a razzo.
Un riflettore di neutroni è stato utilizzato per garantire che i neutroni tornassero al reattore per mantenere una reazione nucleare a catena.
Per controllare il reattore venivano usate delle barre di controllo. Ciascuna di queste aste era composta da due metà: un riflettore e un assorbitore di neutroni. Quando l'asta veniva ruotata dal riflettore di neutroni, il loro flusso nel reattore aumentava e il reattore aumentava il trasferimento di calore. Quando l'asta veniva ruotata dall'assorbitore di neutroni, il loro flusso nel reattore diminuiva e il reattore riduceva il trasferimento di calore.
L'idrogeno è stato utilizzato anche per raffreddare l'ugello e l'idrogeno caldo proveniente dal sistema di raffreddamento dell'ugello ha fatto ruotare la turbopompa per fornire più idrogeno.

Il motore è in funzione. L'idrogeno veniva acceso appositamente all'uscita dell'ugello per evitare il pericolo di un'esplosione; non ci sarebbe stata combustione nello spazio.

Il motore NERVA produceva 34 tonnellate di spinta, circa una volta e mezza inferiore al motore J-2 che alimentava il secondo e il terzo stadio del razzo Saturn V. L'impulso specifico era di 800-900 secondi, ovvero il doppio di quello dei migliori motori che utilizzavano la coppia di carburante ossigeno-idrogeno, ma inferiore a quello del sistema di propulsione elettrica o del motore Orion.

Un po' di sicurezza

Un reattore nucleare appena assemblato e non avviato, con nuovi gruppi di combustibile non ancora utilizzati, è abbastanza pulito. L'uranio è velenoso, quindi è necessario indossare i guanti, ma niente di più. Non sono necessari manipolatori remoti, pareti di piombo o altro. Tutta la sporcizia radiante appare dopo l'avvio del reattore a causa della dispersione dei neutroni, del "rovinamento" degli atomi del recipiente, del refrigerante, ecc. Pertanto, in caso di incidente missilistico con un tale motore, la contaminazione da radiazioni dell'atmosfera e della superficie sarebbe piccola e, ovviamente, molto inferiore al normale lancio di Orion. In caso di lancio riuscito, la contaminazione sarebbe minima o del tutto assente, perché il motore dovrebbe essere lanciato negli strati superiori dell’atmosfera o già nello spazio.

RD-0410

Il motore sovietico RD-0410 ha una storia simile. L'idea del motore nacque alla fine degli anni '40 tra i pionieri della tecnologia missilistica e nucleare. Come nel progetto Rover, l'idea originale era un motore a respirazione d'aria a propulsione nucleare per il primo stadio di un missile balistico, poi lo sviluppo si è spostato nell'industria spaziale. L'RD-0410 è stato sviluppato più lentamente; gli sviluppatori nazionali sono stati affascinati dall'idea di un motore a propulsione nucleare in fase gassosa (ne parleremo più avanti). Il progetto iniziò nel 1966 e proseguì fino alla metà degli anni '80. L'obiettivo del motore era la missione Mars 94, un volo con equipaggio su Marte nel 1994.
Il design RD-0410 è simile a NERVA: l'idrogeno passa attraverso l'ugello e i riflettori, raffreddandoli, viene fornito al nocciolo del reattore, lì riscaldato e rilasciato.
Secondo le sue caratteristiche, RD-0410 era migliore di NERVA: la temperatura del nocciolo del reattore era di 3000 K invece di 2000 K per NERVA e l'impulso specifico superava i 900 s. L'RD-0410 era più leggero e compatto del NERVA e sviluppava una spinta dieci volte inferiore.

Prove motore. La torcia laterale in basso a sinistra accende l'idrogeno per evitare un'esplosione.

Sviluppo di motori a propulsione nucleare in fase solida

Ricordiamo che maggiore è la temperatura nel reattore, maggiore è la portata del fluido di lavoro e maggiore è l'impulso specifico del motore. Cosa ti impedisce di aumentare la temperatura in NERVA o RD-0410? Il fatto è che in entrambi i motori gli elementi del carburante sono allo stato solido. Se aumenti la temperatura, si scioglieranno e voleranno via insieme all'idrogeno. Pertanto, per temperature più elevate è necessario trovare un altro modo per effettuare una reazione nucleare a catena.

Motore a sale per combustibile nucleare

Nella fisica nucleare esiste la massa critica. Ricorda la reazione a catena nucleare all'inizio del post. Se gli atomi fissili sono molto vicini tra loro (ad esempio, sono stati compressi dalla pressione di un'esplosione speciale), si verificherà un'esplosione atomica: molto calore in un tempo molto breve. Se gli atomi non vengono compressi così strettamente, ma aumenta il flusso di nuovi neutroni derivanti dalla fissione, si verificherà un'esplosione termica. Un reattore convenzionale fallirebbe in tali condizioni. Immaginiamo ora di prendere una soluzione acquosa di materiale fissile (ad esempio sali di uranio) e di alimentarla continuamente nella camera di combustione, fornendo lì una massa maggiore di quella critica. Il risultato è una “candela” nucleare che brucia continuamente, il cui calore accelera il combustibile nucleare e l’acqua che hanno reagito.

L'idea è stata proposta nel 1991 da Robert Zubrin e, secondo varie stime, promette un impulso specifico compreso tra 1300 e 6700 s con una spinta misurata in tonnellate. Sfortunatamente, un tale schema presenta anche degli svantaggi:

• Complessità dello stoccaggio del carburante: la reazione a catena nel serbatoio deve essere evitata inserendo il carburante, ad esempio, in tubi sottili da un assorbitore di neutroni, quindi i serbatoi saranno complessi, pesanti e costosi.


• L'elevato consumo di combustibile nucleare è dovuto al fatto che l'efficienza della reazione (numero di atomi decaduti/numero spesi) sarà molto bassa. Anche in una bomba atomica il materiale fissile non “brucia” completamente; la maggior parte del prezioso combustibile nucleare verrà immediatamente sprecata.


• I test a terra sono praticamente impossibili: lo scarico di un motore del genere sarà molto sporco, più sporco persino dell'Orion.


• Ci sono alcune domande sul controllo della reazione nucleare: non è un dato di fatto che uno schema semplice nella descrizione verbale sarà facile da implementare tecnicamente.

Motori di propulsione nucleare in fase gassosa

Prossima idea: cosa succederebbe se creassimo un vortice fluido funzionante, al centro del quale avrà luogo una reazione nucleare? In questo caso l'elevata temperatura del nucleo non raggiungerà le pareti, venendo assorbita dal fluido di lavoro, e potrà salire fino a decine di migliaia di gradi. Ecco come è nata l’idea di un motore a propulsione nucleare in fase gassosa a ciclo aperto:

Il motore di propulsione nucleare in fase gassosa promette un impulso specifico fino a 3000-5000 secondi. In URSS è stato avviato il progetto di un motore a propulsione nucleare in fase gassosa (RD-600), ma non ha nemmeno raggiunto la fase di simulazione.
"Ciclo aperto" significa che il combustibile nucleare verrà rilasciato all'esterno, il che, ovviamente, riduce l'efficienza. Pertanto, è stata inventata la seguente idea, tornando dialetticamente agli NRE in fase solida: circondiamo la regione di reazione nucleare con una sostanza sufficientemente resistente al calore che trasmetterà il calore irradiato. Il quarzo è stato proposto come tale sostanza, perché a decine di migliaia di gradi il calore viene trasferito per irraggiamento e il materiale del contenitore deve essere trasparente. Il risultato è un motore di propulsione nucleare a ciclo chiuso in fase gassosa, o una “lampadina nucleare”:

In questo caso, il limite della temperatura interna sarà la resistenza termica del guscio della “lampadina”. Il punto di fusione del quarzo è 1700 gradi Celsius, con il raffreddamento attivo la temperatura può essere aumentata, ma in ogni caso l'impulso specifico sarà inferiore a quello del circuito aperto (1300-1500 s), ma il combustibile nucleare verrà consumato in modo più economico e lo scarico sarà più pulito.

Progetti alternativi

Oltre allo sviluppo di motori a propulsione nucleare in fase solida, esistono anche progetti originali.

Motore fissile

L'idea di questo motore è che non c'è fluido di lavoro: è il combustibile nucleare esaurito espulso. Nel primo caso, i dischi subcritici sono costituiti da materiali fissili, che non avviano da soli una reazione a catena. Ma se il disco viene posizionato in una zona del reattore con riflettori di neutroni, inizierà una reazione a catena. E la rotazione del disco e l'assenza di un fluido di lavoro porteranno al fatto che gli atomi ad alta energia decaduti voleranno via nell'ugello, generando spinta, e gli atomi non decaduti rimarranno sul disco e avranno la possibilità di la prossima rivoluzione del disco:

Un'idea ancora più interessante è quella di creare un plasma polveroso (ricordate la ISS) da materiali fissili, in cui i prodotti di decadimento delle nanoparticelle di combustibile nucleare vengono ionizzati da un campo elettrico ed espulsi, creando spinta:

Promettono un fantastico impulso specifico di 1.000.000 di secondi. L'entusiasmo è smorzato dal fatto che lo sviluppo è al livello della ricerca teorica.

Motori a fusione nucleare

In un futuro ancora più lontano, la creazione di motori a fusione nucleare. A differenza delle reazioni di decadimento nucleare, in cui i reattori atomici sono stati creati quasi contemporaneamente alla bomba, i reattori termonucleari non sono ancora passati dal "domani" all'"oggi" e le reazioni di fusione possono essere utilizzate solo in stile "Orione" - lanciando bombe termonucleari.

Razzo fotonico nucleare

In teoria, è possibile riscaldare il nucleo a tal punto che la spinta può essere creata riflettendo i fotoni. Nonostante l'assenza di limitazioni tecniche, tali motori all'attuale livello tecnologico non sono redditizi: la spinta sarà troppo bassa.

Razzo radioisotopico

Un razzo che riscalda il fluido di lavoro di un RTG sarà perfettamente funzionante. Ma un RTG genera relativamente poco calore, quindi un motore del genere sarà molto inefficiente, sebbene molto semplice.

Conclusione

All'attuale livello tecnologico, è possibile assemblare un motore a propulsione nucleare a stato solido nello stile di NERVA o RD-0410: le tecnologie sono padroneggiate. Ma un tale motore perderà rispetto alla combinazione “reattore nucleare + propulsione elettrica” in termini di impulso specifico, mentre vincerà in termini di spinta. Ma le opzioni più avanzate sono ancora solo sulla carta. Pertanto, personalmente ritengo che la combinazione “reattore + propulsione elettrica” sia più promettente.

Fonti di informazione

La principale fonte di informazioni è Wikipedia in inglese e le risorse ivi elencate come collegamenti. Paradossalmente, ci sono articoli interessanti sulla NRE nella Tradizione: NRE in fase solida e NRE in fase gassosa. Articolo sui motori accesi

Sergeev Alexey, classe 9 “A”, istituto scolastico municipale “Scuola secondaria n. 84”

Consulente scientifico: , Vicedirettore del partenariato no-profit per attività scientifiche e innovative "Tomsk Atomic Center"

Direttore: , insegnante di fisica, istituto scolastico municipale “Scuola secondaria n. 84” CATO Seversk

introduzione

I sistemi di propulsione a bordo di un veicolo spaziale sono progettati per creare spinta o slancio. In base al tipo di spinta utilizzata, il sistema di propulsione si divide in chimico (CHRD) e non chimico (NCRD). I CRD si dividono in motori a propellente liquido (LPRE), motori a razzo a propellente solido (motori a propellente solido) e motori a razzo combinati (RCR). A loro volta, i sistemi di propulsione non chimici si dividono in nucleari (NRE) ed elettrici (EP). Il grande scienziato Konstantin Eduardovich Tsiolkovsky un secolo fa creò il primo modello di un sistema di propulsione che funzionava con combustibile solido e liquido. Successivamente, nella seconda metà del XX secolo, furono effettuati migliaia di voli utilizzando principalmente motori a propellente liquido e motori a razzo a propellente solido.

Tuttavia, attualmente, per i voli verso altri pianeti, per non parlare delle stelle, l'uso di motori a razzo a propellente liquido e di motori a razzo a propellente solido sta diventando sempre più non redditizio, sebbene siano stati sviluppati molti motori a razzo. Molto probabilmente, le capacità dei motori a razzo a propellente liquido e dei motori a razzo a propellente solido si sono completamente esaurite. Il motivo è che l'impulso specifico di tutti i propulsori chimici è basso e non supera i 5000 m/s, il che richiede un funzionamento a lungo termine del propulsore e, di conseguenza, grandi riserve di carburante per lo sviluppo di velocità sufficientemente elevate, o, come è consuetudine in astronautica, sono richiesti grandi valori del numero di Tsiolkovsky, ovvero il rapporto tra la massa di un razzo alimentato e la massa di uno vuoto. Pertanto, il veicolo di lancio Energia, che lancia 100 tonnellate di carico utile in orbita bassa, ha una massa di lancio di circa 3.000 tonnellate, che dà al numero Tsiolkovsky un valore compreso tra 30.

Per un volo su Marte, ad esempio, il numero di Tsiolkovsky dovrebbe essere ancora più alto, raggiungendo valori compresi tra 30 e 50. È facile stimare che con un carico utile di circa 1.000 tonnellate, ed è entro questi limiti che la massa minima necessario per fornire tutto il necessario per l'equipaggio in partenza per Marte varia Tenendo conto della fornitura di carburante per il volo di ritorno sulla Terra, la massa iniziale della navicella deve essere di almeno 30.000 tonnellate, che è chiaramente oltre il livello di sviluppo dell'astronautica moderna, basato sull'uso di motori a propellente liquido e motori a razzo a propellente solido.

Pertanto, affinché gli equipaggi umani possano raggiungere anche i pianeti più vicini, è necessario sviluppare veicoli di lancio dotati di motori funzionanti secondo principi diversi dalla propulsione chimica. I più promettenti a questo riguardo sono i motori a reazione elettrici (EPE), i motori a razzo termochimici e i motori a reazione nucleare (NRE).

1.Concetti di base

Un motore a razzo è un motore a reazione che non utilizza l'ambiente (aria, acqua) per il funzionamento. I motori a razzo chimici sono i più utilizzati. Altri tipi di motori a razzo vengono sviluppati e testati: elettrici, nucleari e altri. I motori a razzo più semplici funzionanti a gas compresso sono ampiamente utilizzati anche su stazioni spaziali e veicoli. In genere, utilizzano l'azoto come fluido di lavoro. /1/

Classificazione dei sistemi di propulsione

2. Scopo dei motori a razzo

In base al loro scopo, i motori a razzo sono suddivisi in diversi tipi principali: accelerazione (avviamento), frenata, propulsione, controllo e altri. I motori a razzo vengono utilizzati principalmente sui razzi (da cui il nome). Inoltre, i motori a razzo vengono talvolta utilizzati nell'aviazione. I motori a razzo sono i principali motori dell'astronautica.

I missili militari (da combattimento) di solito hanno motori a propellente solido. Ciò è dovuto al fatto che un tale motore viene rifornito di carburante in fabbrica e non richiede manutenzione per l'intero periodo di conservazione e durata del razzo stesso. I motori a propellente solido sono spesso usati come booster per i razzi spaziali. Sono particolarmente utilizzati in questa veste negli Stati Uniti, in Francia, in Giappone e in Cina.

I motori a razzo liquido hanno caratteristiche di spinta più elevate rispetto ai motori a razzo solido. Pertanto, vengono utilizzati per lanciare razzi spaziali in orbita attorno alla Terra e per voli interplanetari. I principali propellenti liquidi per i razzi sono il cherosene, l'eptano (dimetilidrazina) e l'idrogeno liquido. Per tali tipi di carburante è necessario un ossidante (ossigeno). L'acido nitrico e l'ossigeno liquefatto vengono utilizzati come ossidanti in tali motori. L'acido nitrico è inferiore all'ossigeno liquefatto in termini di proprietà ossidanti, ma non richiede il mantenimento di un regime di temperatura speciale durante lo stoccaggio, il rifornimento e l'uso dei missili

I motori per i voli spaziali differiscono da quelli terrestri in quanto devono produrre quanta più potenza possibile con la massa e il volume più piccoli possibili. Inoltre, sono soggetti a requisiti quali efficienza e affidabilità eccezionalmente elevate e tempo di funzionamento significativo. In base al tipo di energia utilizzata, i sistemi di propulsione dei veicoli spaziali si dividono in quattro tipologie: termochimico, nucleare, elettrico, solare-a vela. Ciascuno dei tipi elencati presenta vantaggi e svantaggi e può essere utilizzato in determinate condizioni.

Attualmente, astronavi, stazioni orbitali e satelliti terrestri senza equipaggio vengono lanciati nello spazio da razzi dotati di potenti motori termochimici. Esistono anche motori in miniatura a bassa spinta. Questa è una copia più piccola di motori potenti. Alcuni di loro possono stare nel palmo di una mano. La forza di spinta di tali motori è molto piccola, ma è sufficiente per controllare la posizione della nave nello spazio

3. Motori a razzo termochimici.

È noto che in un motore a combustione interna, nel forno di una caldaia a vapore, ovunque si verifichi la combustione, l'ossigeno atmosferico assume la parte più attiva. Non c'è aria nello spazio e affinché i motori a razzo funzionino nello spazio sono necessari due componenti: carburante e ossidante.

I motori a razzo termochimici liquidi utilizzano alcol, cherosene, benzina, anilina, idrazina, dimetilidrazina e idrogeno liquido come combustibile. Come agente ossidante vengono utilizzati ossigeno liquido, perossido di idrogeno e acido nitrico. Forse in futuro il fluoro liquido verrà utilizzato come agente ossidante quando verranno inventati metodi per conservare e utilizzare una sostanza chimica così attiva

Il carburante e l'ossidante per i motori a getto liquido vengono immagazzinati separatamente in serbatoi speciali e forniti alla camera di combustione mediante pompe. Quando sono riuniti nella camera di combustione le temperature raggiungono i 3000 – 4500 °C.

I prodotti della combustione, espandendosi, acquisiscono velocità da 2500 a 4500 m/s. Spingendosi dal corpo del motore, creano una spinta a getto. Allo stesso tempo, maggiore è la massa e la velocità del flusso di gas, maggiore è la spinta del motore.

La spinta specifica dei motori è solitamente stimata dalla quantità di spinta creata per unità di massa di carburante bruciata in un secondo. Questa quantità è chiamata impulso specifico di un motore a razzo e viene misurata in secondi (kg di spinta / kg di carburante bruciato al secondo). I migliori motori a razzo a propellente solido hanno un impulso specifico fino a 190 s, ovvero 1 kg di carburante che brucia in un secondo crea una spinta di 190 kg. Un motore a razzo a idrogeno-ossigeno ha un impulso specifico di 350 s. Teoricamente, un motore a idrogeno-fluoro può sviluppare un impulso specifico di oltre 400 s.

Il circuito del motore a razzo liquido comunemente usato funziona come segue. Il gas compresso crea la pressione necessaria nei serbatoi con combustibile criogenico per prevenire la formazione di bolle di gas nelle tubazioni. Le pompe forniscono carburante ai motori a razzo. Il carburante viene iniettato nella camera di combustione attraverso un gran numero di iniettori. Attraverso gli ugelli viene inoltre iniettato un ossidante nella camera di combustione.

In qualsiasi automobile, quando il carburante brucia, si formano grandi flussi di calore che riscaldano le pareti del motore. Se non raffreddi le pareti della camera, si brucerà rapidamente, indipendentemente dal materiale di cui è fatta. Un motore a getto liquido viene generalmente raffreddato da uno dei componenti del carburante. A questo scopo la camera è composta da due pareti. La componente fredda del carburante scorre nello spazio tra le pareti.

Alluminio" href="/text/category/alyuminij/" rel="bookmark">alluminio, ecc. Soprattutto come additivo per i combustibili convenzionali, come l'idrogeno-ossigeno. Tali "composizioni ternarie" possono fornire la massima velocità possibile per i prodotti chimici gas di scarico dei carburanti - fino a 5 km/s. Ma questo è praticamente il limite delle risorse della chimica. Praticamente non può fare di più. Sebbene la descrizione proposta sia ancora dominata dai motori a razzo liquidi, va detto che il primo nella storia dell'umanità è stato creato un motore a razzo termochimico che utilizza combustibile solido: un motore a razzo a propellente solido. Il carburante, ad esempio, polvere da sparo speciale, si trova direttamente nella camera di combustione. Una camera di combustione con un ugello a getto riempito di combustibile solido: questo è l'intero progetto. La modalità di combustione del combustibile solido dipende dallo scopo del motore a razzo a propellente solido (lancio, sostenitore o combinato). Poiché i razzi a combustibile solido utilizzati negli affari militari sono caratterizzati dalla presenza di motori di lancio e di propulsione.Il motore a razzo a propellente solido di lancio si sviluppa spinta elevata per un tempo molto breve, necessaria per l'uscita del missile dal lanciatore e per la sua accelerazione iniziale. Il motore a razzo a propellente solido sostenitore è progettato per mantenere una velocità di volo costante del razzo sulla sezione principale (propulsione) della traiettoria di volo. Le differenze tra loro risiedono principalmente nella progettazione della camera di combustione e nel profilo della superficie di combustione della carica di carburante, che determinano la velocità di combustione del carburante da cui dipendono il tempo di funzionamento e la spinta del motore. A differenza di tali razzi, i veicoli spaziali per il lancio di satelliti terrestri, stazioni orbitali e veicoli spaziali, nonché stazioni interplanetarie, funzionano solo in modalità di lancio dal lancio del razzo fino a quando l'oggetto viene lanciato in orbita attorno alla Terra o su una traiettoria interplanetaria. In generale, i motori a razzo a propellente solido non presentano molti vantaggi rispetto ai motori a combustibile liquido: sono facili da produrre, possono essere immagazzinati a lungo, sono sempre pronti all'azione e sono relativamente a prova di esplosione. Ma in termini di spinta specifica, i motori a combustibile solido sono inferiori del 10-30% ai motori a liquido.

4. Motori a razzo elettrici

Quasi tutti i motori a razzo discussi sopra sviluppano un'enorme spinta e sono progettati per lanciare veicoli spaziali in orbita attorno alla Terra e accelerarli a velocità cosmiche per voli interplanetari. Tutt'altra questione sono i sistemi di propulsione per veicoli spaziali già lanciati in orbita o su una traiettoria interplanetaria. Qui, di regola, abbiamo bisogno di motori a bassa potenza (diversi kilowatt o addirittura watt) in grado di funzionare per centinaia e migliaia di ore e di essere accesi e spenti ripetutamente. Permettono di mantenere il volo in orbita o lungo una determinata traiettoria, compensando la resistenza al volo creata dagli strati superiori dell'atmosfera e dal vento solare. Nei motori a razzo elettrici, il fluido di lavoro viene accelerato fino a una certa velocità riscaldandolo con energia elettrica. L’elettricità proviene da pannelli solari o da una centrale nucleare. I metodi per riscaldare il fluido di lavoro sono diversi, ma in realtà viene utilizzato principalmente l'arco elettrico. Si è dimostrato molto affidabile e può sopportare un gran numero di avviamenti. L'idrogeno è utilizzato come fluido di lavoro nei motori ad arco elettrico. Usando un arco elettrico, l'idrogeno viene riscaldato a una temperatura molto elevata e si trasforma in plasma, una miscela elettricamente neutra di ioni positivi ed elettroni. La velocità del deflusso del plasma dal motore raggiunge i 20 km/s. Quando gli scienziati risolveranno il problema dell'isolamento magnetico del plasma dalle pareti della camera del motore, sarà possibile aumentare significativamente la temperatura del plasma e aumentare la velocità di scarico fino a 100 km/s. Il primo motore a razzo elettrico fu sviluppato negli anni successivi nell'Unione Sovietica. sotto la guida (in seguito divenne creatore di motori per razzi spaziali sovietici e accademico) presso il famoso Laboratorio di Dinamica dei Gas (GDL)./10/

5.Altri tipi di motori

Esistono anche progetti più esotici per i motori a razzo nucleare, in cui il materiale fissile si trova allo stato liquido, gassoso o addirittura plasmatico, ma l'implementazione di tali progetti all'attuale livello di tecnologia e tecnologia non è realistica. Esistono i seguenti progetti di motori a razzo, ancora in fase teorica o di laboratorio:

Impulso motori a razzo nucleari utilizzando l'energia delle esplosioni di piccole cariche nucleari;

Motori a razzo termonucleari, che possono utilizzare un isotopo di idrogeno come combustibile. La produttività energetica dell'idrogeno in una tale reazione è 6,8 * 1011 KJ/kg, cioè circa due ordini di grandezza superiore alla produttività delle reazioni di fissione nucleare;

Motori a vela solare - che sfruttano la pressione della luce solare (vento solare), la cui esistenza fu dimostrata empiricamente da un fisico russo nel 1899. Secondo i calcoli, gli scienziati hanno stabilito che un dispositivo del peso di 1 tonnellata, dotato di una vela con un diametro di 500 m, può volare dalla Terra a Marte in circa 300 giorni. Tuttavia, l’efficienza di una vela solare diminuisce rapidamente con la distanza dal Sole.

6.Motori a razzo nucleari

Uno dei principali svantaggi dei motori a razzo alimentati a combustibile liquido è associato alla portata limitata dei gas. Nei motori a razzo nucleare, sembra possibile utilizzare la colossale energia rilasciata durante la decomposizione del “combustibile” nucleare per riscaldare la sostanza di lavoro. Il principio di funzionamento dei motori a razzo nucleare non è quasi diverso dal principio di funzionamento dei motori termochimici. La differenza è che il fluido di lavoro viene riscaldato non dalla sua stessa energia chimica, ma dall'energia "estranea" rilasciata durante una reazione intranucleare. Il fluido di lavoro viene fatto passare attraverso un reattore nucleare, in cui avviene la reazione di fissione dei nuclei atomici (ad esempio l'uranio), e viene riscaldato. I motori a razzo nucleare eliminano la necessità di un ossidante e quindi è possibile utilizzare un solo liquido. Come fluido di lavoro è consigliabile utilizzare sostanze che permettano al motore di sviluppare una maggiore forza di trazione. Questa condizione è pienamente soddisfatta dall'idrogeno, seguito da ammoniaca, idrazina e acqua. I processi in cui viene rilasciata l'energia nucleare si dividono in trasformazioni radioattive, reazioni di fissione di nuclei pesanti e reazioni di fusione di nuclei leggeri. Le trasformazioni dei radioisotopi vengono realizzate nelle cosiddette fonti di energia isotopica. L'energia di massa specifica (l'energia che può rilasciare una sostanza del peso di 1 kg) degli isotopi radioattivi artificiali è significativamente superiore a quella dei combustibili chimici. Pertanto, per il 210Po è pari a 5*10 8 KJ/kg, mentre per il combustibile chimico più efficiente dal punto di vista energetico (berillio con ossigeno) questo valore non supera 3*10 4 KJ/kg. Sfortunatamente, non è ancora razionale utilizzare tali motori sui veicoli di lancio nello spazio. La ragione di ciò è l'alto costo della sostanza isotopica e le difficoltà operative. Dopotutto, l'isotopo rilascia costantemente energia, anche quando viene trasportato in un contenitore speciale e quando il razzo è parcheggiato nel luogo di lancio. I reattori nucleari utilizzano combustibile più efficiente dal punto di vista energetico. Pertanto, l'energia di massa specifica di 235U (l'isotopo fissile dell'uranio) è pari a 6,75 * 10 9 KJ/kg, cioè circa un ordine di grandezza superiore a quella dell'isotopo 210Po. Questi motori possono essere “accesi” e “spenti”; il combustibile nucleare (233U, 235U, 238U, 239Pu) è molto più economico del combustibile isotopico. In tali motori, come fluido di lavoro, non solo l'acqua può essere utilizzata, ma anche sostanze di lavoro più efficienti: alcool, ammoniaca, idrogeno liquido. La spinta specifica di un motore con idrogeno liquido è di 900 s. Nel progetto più semplice di un motore a razzo nucleare con un reattore alimentato da combustibile nucleare solido, il fluido di lavoro viene collocato in un serbatoio. La pompa lo fornisce alla camera del motore. Spruzzato tramite ugelli, il fluido di lavoro entra in contatto con il combustibile nucleare che genera combustibile, si riscalda, si espande e viene espulso ad alta velocità attraverso l'ugello. Il combustibile nucleare ha riserve energetiche superiori a qualsiasi altro tipo di combustibile. Sorge quindi una domanda logica: perché gli impianti che utilizzano questo combustibile hanno ancora una spinta specifica relativamente bassa e una massa elevata? Il fatto è che la spinta specifica di un motore a razzo nucleare in fase solida è limitata dalla temperatura del materiale fissile e la centrale elettrica durante il funzionamento emette forti radiazioni ionizzanti, che hanno un effetto dannoso sugli organismi viventi. La protezione biologica contro tali radiazioni è molto importante e non è applicabile ai veicoli spaziali. Lo sviluppo pratico dei motori a razzo nucleari che utilizzano combustibile nucleare solido iniziò a metà degli anni '50 del XX secolo nell'Unione Sovietica e negli Stati Uniti, quasi contemporaneamente alla costruzione delle prime centrali nucleari. Il lavoro è stato svolto in un'atmosfera di maggiore segretezza, ma è noto che tali motori a razzo non hanno ancora ricevuto un uso reale nell'astronautica. Finora tutto è stato limitato all’uso di fonti isotopiche di elettricità di potenza relativamente bassa sui satelliti terrestri artificiali senza equipaggio, sui veicoli spaziali interplanetari e sul famoso “rover lunare” sovietico.

7.Motori a reazione nucleari, principi di funzionamento, metodi per ottenere l'impulso in un motore a propulsione nucleare.

I motori a razzo nucleare hanno preso il nome dal fatto che creano spinta utilizzando l'energia nucleare, cioè l'energia che viene rilasciata a seguito delle reazioni nucleari. In senso generale, queste reazioni significano qualsiasi cambiamento nello stato energetico dei nuclei atomici, nonché trasformazioni di alcuni nuclei in altri, associati alla ristrutturazione della struttura dei nuclei o al cambiamento del numero di particelle elementari in essi contenute - nucleoni. Inoltre, le reazioni nucleari, come è noto, possono avvenire sia in modo spontaneo (cioè spontaneamente) sia provocate artificialmente, ad esempio quando alcuni nuclei vengono bombardati da altri (o da particelle elementari). Le reazioni di fissione e fusione nucleare superano le reazioni chimiche rispettivamente di milioni e decine di milioni di volte in termini di energia. Ciò è spiegato dal fatto che l'energia del legame chimico degli atomi nelle molecole è molte volte inferiore all'energia del legame nucleare dei nucleoni nel nucleo. L’energia nucleare nei motori a razzo può essere utilizzata in due modi:

1. L'energia rilasciata viene utilizzata per riscaldare il fluido di lavoro, che poi si espande nell'ugello, proprio come in un motore a razzo convenzionale.

2. L'energia nucleare viene convertita in energia elettrica e quindi utilizzata per ionizzare e accelerare le particelle del fluido di lavoro.

3. Infine, l'impulso è creato dagli stessi prodotti di fissione formati nel processo (ad esempio metalli refrattari - tungsteno, molibdeno) utilizzati per conferire proprietà speciali alle sostanze fissili.

Gli elementi combustibili di un reattore in fase solida sono permeati di canali attraverso i quali scorre il fluido di lavoro del motore di propulsione nucleare, riscaldandosi gradualmente. I canali hanno un diametro di circa 1-3 mm e la loro area totale è pari al 20-30% della sezione trasversale della zona attiva. Il nocciolo è sospeso da una speciale griglia all'interno del contenitore energetico in modo che possa espandersi quando il reattore si riscalda (altrimenti collasserebbe a causa degli stress termici).

Il nucleo è sottoposto a elevati carichi meccanici associati a significative perdite di pressione idraulica (fino a diverse decine di atmosfere) dovute al flusso del fluido di lavoro, stress termici e vibrazioni. L'aumento delle dimensioni della zona attiva quando il reattore si riscalda raggiunge diversi centimetri. La zona attiva e il riflettore sono posizionati all'interno di un alloggiamento di potenza durevole che assorbe la pressione del fluido di lavoro e la spinta creata dall'ugello del getto. La custodia è chiusa con un coperchio resistente. Ospita meccanismi pneumatici, a molla o elettrici per l'azionamento degli organi di regolamentazione, punti di attacco del motore di propulsione nucleare al veicolo spaziale e flange per il collegamento del motore di propulsione nucleare alle tubazioni di alimentazione del fluido di lavoro. Sul coperchio può essere posizionata anche un'unità turbopompa.

8 - Ugello,

9 - Ugello ugello espandibile,

10 - Selezione della sostanza di lavoro per la turbina,

11 - Corpo di Potenza,

12 - Tamburo di controllo,

13 - Scarico della turbina (utilizzato per controllare l'assetto e aumentare la spinta),

14 - Anello di trascinamento per tamburi di controllo)

All'inizio del 1957 fu determinata la direzione finale dei lavori presso il Laboratorio di Los Alamos e fu presa la decisione di costruire un reattore nucleare in grafite con combustibile di uranio disperso nella grafite. Il reattore Kiwi-A, creato in questa direzione, fu testato nel 1959 il 1 luglio.

Motore a reazione nucleare americano in fase solida XE Primo su un banco di prova (1968)

Oltre alla costruzione del reattore, il Laboratorio di Los Alamos era impegnato a pieno ritmo nella costruzione di uno speciale sito di prova in Nevada, ed ha anche eseguito una serie di ordini speciali dell'aeronautica americana in settori correlati (lo sviluppo di singoli reattori unità TURE). Per conto del Laboratorio di Los Alamos, tutti gli ordini speciali per la produzione di singoli componenti sono stati eseguiti dalle seguenti società: Aerojet General, la divisione Rocketdyne della North American Aviation. Nell'estate del 1958, tutto il controllo del programma Rover fu trasferito dall'aeronautica degli Stati Uniti alla neonata National Aeronautics and Space Administration (NASA). Come risultato di un accordo speciale tra l'AEC e la NASA, a metà estate del 1960, sotto la guida di G. Finger, fu formato lo Space Nuclear Propulsion Office, che successivamente diresse il programma Rover.

I risultati ottenuti da sei "test a caldo" di motori a reazione nucleari furono molto incoraggianti e all'inizio del 1961 fu preparato un rapporto sui test di volo del reattore (RJFT). Poi, a metà del 1961, fu lanciato il progetto Nerva (l'uso di un motore nucleare per razzi spaziali). L'Aerojet General fu scelta come appaltatore generale e la Westinghouse fu scelta come subappaltatore responsabile della costruzione del reattore.

10.2 Lavori su TURE in Russia

Americani" href="/text/category/amerikanetc/" rel="bookmark">Americani, gli scienziati russi hanno utilizzato i test più economici ed efficaci dei singoli elementi di combustibile nei reattori di ricerca. L'intera gamma di lavori condotti negli anni '70 e '80 ha permesso all'ufficio di progettazione "Salyut", Design Bureau of Chemical Automatics, IAE, NIKIET e NPO "Luch" (PNITI) di sviluppare vari progetti di motori spaziali a propulsione nucleare e centrali nucleari ibride. venne creata la leadership del NIITP (FEI, IAE, NIKIET, NIITVEL, NPO erano responsabili degli elementi del reattore Luch", MAI) CANTIERE RD 0411 e motore nucleare di dimensioni minime RD0410 spinta rispettivamente di 40 e 3,6 tonnellate.

Di conseguenza, sono stati fabbricati un reattore, un motore “freddo” e un prototipo da banco per i test sull'idrogeno gassoso. A differenza di quello americano, con un impulso specifico non superiore a 8250 m/s, il TNRE sovietico, grazie all'uso di elementi combustibili di progettazione più resistente al calore e avanzata e all'elevata temperatura nel nucleo, aveva questa cifra pari a 9100 m /s e superiore. La base per testare la TURE della spedizione congiunta della NPO "Luch" si trovava a 50 km a sud-ovest della città di Semipalatinsk-21. Ha iniziato a lavorare nel 1962. In Nel sito di test sono stati testati elementi di combustibile in scala reale di prototipi di motori a razzo a propulsione nucleare. In questo caso, il gas di scarico è entrato nel sistema di scarico chiuso. Il complesso del banco prova Baikal-1 per i test sui motori nucleari a grandezza naturale si trova a 65 km a sud di Semipalatinsk-21. Dal 1970 al 1988 furono effettuate circa 30 “hot start” di reattori. Allo stesso tempo, la potenza non ha superato i 230 MW con un consumo di idrogeno fino a 16,5 kg/sec e una temperatura all'uscita del reattore di 3100 K. Tutti i lanci sono riusciti, senza problemi e secondo i piani.

Il TNRD RD-0410 sovietico è l'unico motore a razzo nucleare industriale funzionante e affidabile al mondo

Attualmente, tali lavori nel sito sono stati interrotti, sebbene le attrezzature siano mantenute in condizioni relativamente funzionanti. Il banco di prova della NPO Luch è l'unico complesso sperimentale al mondo dove è possibile testare elementi di reattori a propulsione nucleare senza notevoli costi finanziari e di tempo. È possibile che la ripresa negli Stati Uniti dei lavori sui motori di propulsione nucleare per i voli sulla Luna e su Marte nell'ambito del programma Space Research Initiative con la prevista partecipazione di specialisti provenienti da Russia e Kazakistan porti alla ripresa delle attività a la base di Semipalatinsk e la realizzazione di una spedizione “marziana” negli anni 2020.

Caratteristiche principali

Impulso specifico sull'idrogeno: 910 - 980 sez(teoricamente fino a 1000 sez).

· Velocità di deflusso del fluido di lavoro (idrogeno): 9100 - 9800 m/sec.

· Spinta realizzabile: fino a centinaia e migliaia di tonnellate.

· Temperature massime di esercizio: 3000°С - 3700°С (accensione a breve termine).

· Durata operativa: fino a diverse migliaia di ore (attivazione periodica). /5/

11.Dispositivo

Il progetto del motore a razzo nucleare sovietico in fase solida RD-0410

1 - linea dal serbatoio del fluido di lavoro

2 - gruppo turbopompa

3 - controllare l'azionamento del tamburo

4 -protezione dalle radiazioni

5 - tamburo di regolazione

6 - rallentatore

7 - gruppo carburante

8 - recipiente del reattore

9 - fondo tagliafuoco

10 - linea di raffreddamento ugelli

11- camera dell'ugello

12 - ugello

12.Principio di funzionamento

Secondo il suo principio di funzionamento, una TURE è un reattore-scambiatore di calore ad alta temperatura nel quale un fluido di lavoro (idrogeno liquido) viene introdotto sotto pressione e, quando viene riscaldato ad alte temperature (oltre 3000°C), viene espulso attraverso un ugello raffreddato. La rigenerazione del calore nell'ugello è molto vantaggiosa poiché consente di riscaldare l'idrogeno molto più velocemente e, utilizzando una quantità significativa di energia termica, l'impulso specifico può essere aumentato a 1000 sec (9100-9800 m/s).

Reattore nucleare con motore a razzo

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Fluido di lavoro

Densità, g/cm3

Spinta specifica (a temperature specificate nella camera di riscaldamento, °K), sez

0,071 (liquido)

0,682 (liquido)

1.000 (liquido)

NO. Dannato

NO. Dannato

NO. Dannato

(Nota: La pressione nella camera di riscaldamento è di 45,7 atm, espansione alla pressione di 1 atm a parità di composizione chimica del fluido di lavoro) /6/

15.Vantaggi

Il vantaggio principale dei TNRE rispetto ai motori a razzo chimici è il raggiungimento di un impulso specifico più elevato, notevoli riserve di energia, compattezza del sistema e la capacità di ottenere una spinta molto elevata (decine, centinaia e migliaia di tonnellate nel vuoto. In generale, i l'impulso specifico ottenuto nel vuoto è maggiore di quello del carburante chimico bicomponente esaurito per missili (kerosene-ossigeno, idrogeno-ossigeno) di 3-4 volte e quando funziona alla massima intensità termica di 4-5 volte. Attualmente nel Stati Uniti e Russia hanno una significativa esperienza nello sviluppo e nella costruzione di tali motori e, se necessario (programmi speciali di esplorazione spaziale), tali motori possono essere prodotti in breve tempo e avranno un costo ragionevole. Nel caso di utilizzo di TURE per accelerare i veicoli spaziali nello spazio e soggetto all'uso aggiuntivo di manovre perturbative che utilizzano il campo gravitazionale di grandi pianeti (Giove, Urano, Saturno, Nettuno), i confini ottenibili dallo studio del sistema solare si stanno espandendo in modo significativo e il tempo necessario per raggiungere pianeti lontani è significativamente ridotto. Inoltre, i TNRE possono essere utilizzati con successo per dispositivi che operano in orbite basse di pianeti giganti utilizzando la loro atmosfera rarefatta come fluido di lavoro o per operare nella loro atmosfera. /8/

16.Svantaggi

Lo svantaggio principale del TNRE è la presenza di un potente flusso di radiazioni penetranti (radiazioni gamma, neutroni), nonché la rimozione di composti di uranio altamente radioattivi, composti refrattari con radiazioni indotte e gas radioattivi con il fluido di lavoro. A questo proposito, TURE è inaccettabile per i lanci da terra al fine di evitare il deterioramento della situazione ambientale nel sito di lancio e nell'atmosfera. /14/

17.Migliorare le caratteristiche della TURD. Motori turboelica ibridi

Come ogni razzo o ogni motore in generale, un motore a reazione nucleare in fase solida presenta limitazioni significative sulle caratteristiche più importanti ottenibili. Queste restrizioni rappresentano l'incapacità del dispositivo (TJRE) di funzionare nell'intervallo di temperature che supera l'intervallo delle temperature massime di esercizio dei materiali strutturali del motore. Per espandere le capacità e aumentare significativamente i principali parametri operativi del TNRE, possono essere utilizzati vari schemi ibridi in cui il TNRE svolge il ruolo di fonte di calore ed energia e vengono utilizzati metodi fisici aggiuntivi per accelerare i fluidi di lavoro. Il più affidabile, praticamente fattibile e con elevate caratteristiche specifiche di impulso e spinta è uno schema ibrido con un circuito MHD aggiuntivo (circuito magnetoidrodinamico) per accelerare il fluido di lavoro ionizzato (idrogeno e additivi speciali). /13/

18. Rischio di radiazioni derivanti dai motori a propulsione nucleare.

Un motore nucleare funzionante è una potente fonte di radiazioni: radiazioni gamma e neutroniche. Senza l'adozione di misure speciali, le radiazioni possono causare un riscaldamento inaccettabile del fluido di lavoro e della struttura di un veicolo spaziale, l'infragilimento dei materiali strutturali metallici, la distruzione della plastica e l'invecchiamento delle parti in gomma, danni all'isolamento dei cavi elettrici e guasti alle apparecchiature elettroniche. Le radiazioni possono causare la radioattività indotta (artificiale) dei materiali - la loro attivazione.

Allo stato attuale, il problema della radioprotezione dei veicoli spaziali con motori a propulsione nucleare è considerato in linea di principio risolto. Sono state inoltre risolte le questioni fondamentali relative alla manutenzione dei motori di propulsione nucleare nei banchi di prova e nei siti di lancio. Sebbene una NRE operativa rappresenti un pericolo per il personale operativo, già un giorno dopo la fine del funzionamento della NRE è possibile, senza dispositivi di protezione individuale, sostare per diverse decine di minuti a una distanza di 50 m dalla NRE e persino avvicinarsi I mezzi di protezione più semplici consentono al personale operativo di entrare nell'area di lavoro YARD subito dopo le prove.

A quanto pare, il livello di contaminazione dei complessi di lancio e dell'ambiente non costituirà un ostacolo all'utilizzo dei motori di propulsione nucleare negli stadi inferiori dei razzi spaziali. Il problema del rischio di radiazioni per l'ambiente e il personale operativo è ampiamente mitigato dal fatto che l'idrogeno, utilizzato come fluido di lavoro, praticamente non viene attivato quando passa attraverso il reattore. Pertanto, il getto di un motore a propulsione nucleare non è più pericoloso del getto di un motore a razzo a propellente liquido./4/

Conclusione

Quando si considerano le prospettive per lo sviluppo e l'uso dei motori di propulsione nucleare in astronautica, si dovrebbe procedere dalle caratteristiche raggiunte e attese di vari tipi di motori di propulsione nucleare, da ciò che la loro applicazione può dare all'astronautica e, infine, dalla stretta connessione del problema dei motori a propulsione nucleare con il problema dell’approvvigionamento energetico nello spazio e con le questioni relative allo sviluppo energetico in generale.

Come accennato in precedenza, tra tutti i possibili tipi di motori a propulsione nucleare, i più sviluppati sono il motore a radioisotopi termici e il motore con reattore a fissione in fase solida. Ma se le caratteristiche dei motori a propulsione nucleare a radioisotopi non ci consentono di sperare in un loro uso diffuso in astronautica (almeno nel prossimo futuro), allora la creazione di motori a propulsione nucleare in fase solida apre grandi prospettive per l'astronautica.

Ad esempio, è stato proposto un dispositivo con una massa iniziale di 40.000 tonnellate (cioè circa 10 volte maggiore di quella dei più grandi veicoli di lancio moderni), con 1/10 di questa massa che rappresenta il carico utile e 2/3 per il nucleare. spese. Se fai esplodere una carica ogni 3 secondi, la loro fornitura sarà sufficiente per 10 giorni di funzionamento continuo del sistema di propulsione nucleare. Durante questo periodo, il dispositivo accelererà fino a una velocità di 10.000 km/s e in futuro, dopo 130 anni, potrà raggiungere la stella Alpha Centauri.

Le centrali nucleari hanno caratteristiche uniche, che includono un'intensità energetica praticamente illimitata, l'indipendenza del funzionamento dall'ambiente e l'immunità alle influenze esterne (radiazioni cosmiche, danni da meteoriti, alte e basse temperature, ecc.). Tuttavia, la potenza massima degli impianti di radioisotopi nucleari è limitata a un valore dell'ordine di diverse centinaia di watt. Questa limitazione non esiste per le centrali elettriche a reattori nucleari, che determina la redditività del loro utilizzo durante i voli a lungo termine di veicoli spaziali pesanti nello spazio vicino alla Terra, durante i voli verso i pianeti lontani del sistema solare e in altri casi.

I vantaggi dei motori a fase solida e di altri motori a propulsione nucleare con reattori a fissione si rivelano in modo più completo nello studio di programmi spaziali complessi come i voli con equipaggio verso i pianeti del Sistema Solare (ad esempio, durante una spedizione su Marte). In questo caso, un aumento dell'impulso specifico del propulsore consente di risolvere problemi qualitativamente nuovi. Tutti questi problemi vengono notevolmente alleviati quando si utilizza un motore a razzo a propellente nucleare in fase solida con un impulso specifico due volte superiore a quello dei moderni motori a razzo a propellente liquido. In questo caso diventa anche possibile ridurre sensibilmente i tempi di volo.

È molto probabile che nel prossimo futuro i motori a propulsione nucleare in fase solida diventeranno uno dei motori a razzo più comuni. I motori di propulsione nucleare in fase solida possono essere utilizzati come dispositivi per voli a lunga distanza, ad esempio, verso pianeti come Nettuno, Plutone e persino per volare oltre il Sistema Solare. Tuttavia, per i voli verso le stelle, un motore nucleare basato sui principi della fissione non è adatto. In questo caso, promettenti sono i motori nucleari o, più precisamente, i motori a reazione termonucleari (TRE), che funzionano secondo il principio delle reazioni di fusione, e i motori a reazione fotonici (PRE), la fonte di slancio in cui avviene la reazione di annichilazione di materia e antimateria. . Tuttavia, molto probabilmente l’umanità utilizzerà un metodo di trasporto diverso per viaggiare nello spazio interstellare, diverso dall’aereo.

In conclusione, darò una parafrasi della famosa frase di Einstein: per viaggiare verso le stelle, l'umanità deve inventare qualcosa che sia paragonabile in complessità e percezione a un reattore nucleare per un Neanderthal!

LETTERATURA

Fonti:

1. "Razzi e persone. Libro 4 La corsa alla luna" - M: Znanie, 1999.
2. http://www. lpre. de/energomash/index. htm
3. Pervushin "Battaglia per le stelle. Confronto cosmico" - M: conoscenza, 1998.
4. L. Gilberg “La conquista del cielo” - M: Znanie, 1994.
5. http://epizodsspace. *****/bibl/molodcov
6. “Motore”, “Motori nucleari per veicoli spaziali”, n. 5 1999

7. "Motore", "Motori nucleari in fase gassosa per veicoli spaziali",

N. 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., Il trasporto Chekalin del futuro.

M.: Conoscenza, 1983.

11. , Esplorazione spaziale di Chekalin - M.:

Conoscenza, 1988.

12. Gubanov B. “Energia - Buran” - un passo nel futuro // Scienza e vita.-

13. Gatland K. Tecnologia spaziale - M.: Mir, 1986.

14., Sergeyuk e il commercio - M.: APN, 1989.

15.URSS nello spazio. 2005 - M.: APN, 1989.

16. Sulla strada per lo spazio profondo // Energia. - 1985. - N. 6.

APPLICAZIONE

Principali caratteristiche dei motori a reazione nucleari in fase solida

Paese produttore	Motore	Spinta nel vuoto, kN	Impulso specifico, sez		Lavoro a progetto, anno
	Ciclo misto NERVA/Lox