я могу 
Все гениальное просто!
Машины и Механизмы
Все записи
текст

Полеты на ядре

«Navigare necesse est!» – «Плавать по морю необходимо!» – воскликнул однажды великий римлянин Помпей, отправляясь из Африки в сильный шторм. Фраза стала крылатой, и сегодня ее часто повторяют сторонники дальних космических полетов. В порыве научного энтузиазма они предлагают настолько радикальные решения, что возникает искреннее желание понять, что к чему.
Полеты на ядре

Еще бы: ученые вовсю говорят про какие-то ядерные ракетные двигатели. Какой кошмар – мало того, что замусорили всю планету радиацией, так теперь еще и в космосе! Но оставим в стороне истерики СМИ, питаемые невежеством потребителей «желтухи» (в конце концов, широта кругозора – личное дело каждого). Лучше попытаемся понять, каких свеч будет стоить игра. Но вначале надо разобраться с терминологией, применяемой инженерами. Реактивный двигатель – «железное» воплощение справедливости законов природы, в частности, законов сохранения энергии и импульса (количества движения). Он не может разогнать ракету или самолет до скорости большей, чем скорость истечения рабочего тела – раскаленного газа, выбрасываемого назад.

Чем же отличается эффективный двигатель от своего устаревшего собрата? В первую очередь, большим удельным импульсом, представляющим собой отношение количества движения, получаемого двигателем, к массовому расходу рабочего тела. В идеале, когда ракета целиком состоит из рабочего тела (то есть полезная нагрузка составляет доли процента), удельный импульс можно считать равным скорости истечения рабочего тела из ракетного сопла.

Сегодня подавляющее большинство ракет любого назначения оборудуется двигателями, использующими реакцию окисления топлива. Химические «моторы» позволили достичь Луны, Венеры, Марса и даже планет дальнего пояса – Юпитера, Сатурна и Нептуна. Правда, космические экспедиции заняли годы и годы (АМС «Пионер» и «Вояджер»), большую часть которых аппараты летели по инерции.

Дело в том, что предел удельного импульса химических двигателей – 4,5 километра в секунду, даже если применяются самые эффективные жидкие водород и кислород. У двигателей, работающих на связках «азот-гидразин» и «керосин-кислород», удельный импульс меньше. А у твердотопливных двигателей, в изобилии применяемых военными, импульс вообще не превышает 2,5 километра в секунду, при этом возможности регулировки режимов работы фактически отсутствуют. Но они проще в хранении и надежнее.

Основное преимущество химических ракетных двигателей (то есть использующих экзотермическую реакцию окисления топлива) – большая тяга. Пока только они могут «оторвать» тысячетонную ракету от стартового стола или пусковой шахты и вывести ее на околоземную орбиту! Поэтому, пока не открыта антигравитация, химические двигатели останутся главной «рабочей лошадкой» космонавтики ближнего действия.

Совсем другое дело – космос дальний. Ведь как заманчив Марс, «обжитый» фантастами вдоль и поперек: он и хорошо изучен, и научно перспективен. А самое главное – близок как никакая другая планета. Уже и добровольцы на Марс многократно «летали», считая благоустроенную цистерну виртуальным планетолетом. Да и, в конце концов, многомесячные вахты подводных лодок – чем не прообраз космической экспедиции? Дело только за космическим «автобусом», который сможет доставить экипаж за разумное время. Особые надежды при этом возлагаются на ядерные двигатели.

Идея заставить «мирный атом» толкать космические корабли возникла не вчера и даже не позавчера. Восхищенные мощью атомного оружия и успехами атомной энергетики (что бы ни говорили обыватели, развращенные демократической безответственностью), инженеры еще в конце 50-х годов прошлого века всерьез задумались о легком и компактном устройстве, способном вывести на орбиту хотя бы само себя.

Никаких принципиальных ограничений на «летающий» реактор нет. Главное отличие в том, что рабочее тело нагревается не за счет окисления компонентов топлива, а за счет тепловой энергии распада радиоактивных элементов.

Но это еще не все: в жидкостных двигателях рабочее тело представляет собой продукты горения топлива, по сути – раскаленный добела «коктейль» из выхлопных газов.

А в ядерном двигателе рабочее тело придется возить отдельно. С одной стороны, большое неудобство, но с другой – и значительное преимущество. Почему? Все очень просто. Как известно, температура – это мера средней кинетической энергии частиц газа. А она, в свою очередь, определяется скоростью движения и массой молекул. То есть при одной и той же температуре молекулы Н2О (да-да, самые «резвые» водородно-кислородные ЖРД извергают воду) разгоняются гораздо меньше, чем чистый водород или гелий. Что уж говорить тогда о тяжелых углеводородах со значительной молярной массой?!

Вообще водород – самое лучшее рабочее тело, выдающее максимально возможные характеристики. С точки зрения тепловосприимчивости и, следовательно, большего нагрева также могут применяться гелий, аргон, аммиак и метан, но все они не менее чем вдвое проигрывают водороду в самом главном – достижимом удельном импульсе. Так стоит ли его терять? Выигрыш настолько велик, что инженеров не останавливает ни сложность конструкции и управления реактором, ни большой вес, ни даже радиационная опасность. Тем более, никто и не собирается стартовать с поверхности Земли – сборка ядерного корабля будет вестись на орбите.

1 (2).jpg

2.jpg

«Камерой сгорания» ядерного двигателя служит активная зона реактора, в которой подаваемый под большим давлением водород нагревается до 3000 и более градусов. Этот предел определяется только жаропрочностью материалов реактора и свойствами топлива, хотя повышение температуры соответственно увеличивает удельный импульс.

Конечно, космический реактор много меньше и компактней своих наземных собратьев, но все основные компоненты и механизмы управления принципиально те же самые. Как уже говорилось, температуры в активной зоне немыслимо высоки – следовательно, топливо должно быть тугоплавким.

Такие свойства присущи карбидным соединениям: сплавам карбида урана с карбидом ниобия, карбидом циркония, карбидом тантала. Последний имеет температуру плавления 3650–3700°С, то есть позволяет при меньшем общем энергозапасе горючего обеспечить нагрев рабочего тела до 3300–3500°С. Казавшиеся перспективными сплавы на основе карбида гафния (они еще жароустойчивей) оказались непригодными. Гафний оказался похож на кадмий по сечению захвата тепловых нейтронов – он «гасит» цепную реакцию.

Тепловыделяющие элементы (ТВЭЛ) представляют собой жаропрочные ребристые (для повышения площади теплосъема) цилиндры-«стаканы», заполненные топливными урановыми таблетками. Управление коэффициентом размножения (то есть интенсивностью реакции и выделением тепла) похоже на традиционное, только вместо выдвижных кадмиевых стержней применяются поворотные барабаны, заполненные карбидом бора. Они расположены по периферии бериллиевых экранов-отражателей. Не забудем про замедлители нейтронов – они увеличивают эффективное сечение реакции деления и позволяют обойтись меньшей массой топлива. И, наконец, теплоотвод, ради которого, собственно, все и затевается. В космическом реакторе он осуществляется газом – «рабочим телом».

Стремление к совершенству подтолкнуло инженеров к интересной идее, способной придать дополнительный импульс частицам рабочего тела. При таких высоких температурах водород неизбежно ионизируется, то есть превращается в плазму. Так почему бы ее не разогнать дополнительно магнитным полем? Сказано – сделано: так появился гибридный принцип, согласно которому двигатель оснащается дополнительным магнитогидродинамическим (МГД) контуром, разгоняющим ионизированное рабочее тело (водород со специальными метано-гексановыми присадками). Решение изящное – за счет сравнительно небольшого усложнения ракетостроители получают форсированный двигатель.

За все приходится платить: «выхлоп» ракеты будет ощутимо «фонить». Также нужны дополнительные меры радиационной защиты экипажа и многочисленного электронного оборудования. Недаром в некоторых проектах межпланетных кораблей ядерный «движок» расположен в автономном модуле, связанном с основным корпусом дли-и-и-и-н-нной трубой.

Следующий логический этап – реакторы, работающие с жидкой и газовой фазами топлива, причем последняя наиболее перспективна. Газофазные ядерные двигатели теоретически могут «выдать» совершенно фантастические скорости – до 50 километров в секунду. А при таких параметрах впору задумываться об организации рейсового межпланетного сообщения.

Принципиально газофазный реактор очень отличается от хорошо знакомых твердофазных. Прежде всего, активная зона такого реактора не содержит никакой механики (она просто не выдержит температур 10 000°С и более). Внутри чудо-двигатели будут, скорее всего, напоминать устройство термоядерных реакторов, оперирующих уже с четвертым состоянием вещества – плазмой. Процесс деления будет происходить в магнитной ловушке, создаваемой большими тороидальными электромагнитами. Один из проектов предполагает, что в ловушку будут «вдуваться» струи сильно ионизированного урана в газовой фазе. При этом степень ионизации (и плотность газа) повлияет на коэффициент размножения и активность реакции деления, то есть сыграет роль управляющих стержней. По другому проекту ядерное топливо заключается в термоустойчивую оптически прозрачную капсулу – так называемую «ядерную лампу» (light bulb). Оно полностью изолировано от омывающего «лампу» потока рабочего тела, то есть нагрев истекающего газа происходит исключительно за счет излучения.

Понятно, что до практического воплощения столь блестящих идей в металле еще далеко. Трудности на пути ученых и конструкторов настолько необозримы, что порой кажется – мы на пороге какого-то совершенно нового этапа. Поясним это на простом примере: к середине 40-х годов авиационные двигатели достигли настоящего расцвета. Великолепные агрегаты огромной мощности (24 цилиндра, выдающие по 2000 лошадиных сил, системы форсажа и т.д.) прекрасно работали на многочисленных боевых самолетах. А между тем в тишине лабораторий уже появился их преемник – маломощный, капризный, ненадежный, но – реактивный двигатель! 

Может быть, и в скором будущем ученые найдут такую же «золотую жилу», которая даст возможность создать двигатели совершенно иной конструкции.

И все же в этой смелой и отчасти нужной идее использовать реактор в качестве ракетного двигателя есть что-то сюрреалистическое. Причем настолько, что в какой-то момент родилась идея взрыволета – космического корабля, приводимого в движение… атомными взрывами сравнительно небольшой мощности. Авторы ее – весьма авторитетные ученые, и среди них академик А.Д. Сахаров. Но, согласитесь, принцип настолько экстравагантный, что становится практически невыполнимым.

И потом – стоит ли так рваться в звездные глубины, когда в собственном земном доме дел еще непочатый край, от проблем религиозной и расовой нетерпимости до катастрофического загрязнения окружающей среды? Как бы не пришлось космонавтам из межпланетных путешествий вернуться на оплавленный каменный шар…



Технологии

Машины и Механизмы
Всего 0 комментариев
Комментарии

Рекомендуем

OK OK OK OK OK OK OK