Атомный ракетный двигатель

[Источник: ВИФ - 2]

---

Отправил Товарищ Рю 18 апреля 2000 года в 12:44

---

Атомный двигатель для космических ракет - казалось бы, далекая мечта писателей-фантастов - был, оказывается, не только разработан в сверхсекретных конструкторских бюро, но и изготовлен, а затем испытан на полигонах.
"КБхимавтоматики", хотя и име-ет отношение к химии (изготавлива-ет насосы для соответствующих от-раслей промышленности), на самом деле является одним из уникальных, ведущих в России и за рубежом цен-тров ракетного двигателестроения. Предприятие было создано в Воро-нежской области в октябре 1941 года. когда гитлеровские войска рвались к Москве. В то время КБ разрабатывало агрегаты для боевой авиационной техники. Однако в пя-тидесятые годы коллектив переклю-чился на новую перспективную те-матику - жидкостные ракетные дви-гатели (ЖРД). "Изделия" из Воронежа были установлены на "Востоках", "Восходах", "Союзах", "Молниях", "Протонах"...
Здесь, в "КБ химавтоматики", создан и самый мощный в стране однокамерный кислородно-водородный космический "мотор" тягой в двести тонн. Он использовался в качестве маршевого двигателя на второй ступени ракетно-космического комплекса "Энергия-Буран". Воронежские ЖРД установлены на многих военных ракетах (например, SS-19, известных как "Сатана", или SS-N-23, запускаемых с подводных лодок). Всего было разработано около 60 образцов, 30 из которых доведено до серийного производст-ва. В этом ряду наособицу стоит ядерный ракетный двигатель РД-0410, который создавался совмест-но со многими оборонными пред-приятиями, КБ и НИМ.
Один из основоположников оте-чественной космонавтики Сергей Павлович Королев рассказывал, что о силовой атомной установке для ракет мечтал еще с 1945 года. Очень заманчиво было использовать могу-чую энергию атома для покорения космического океана. Но в то время у нас и ракет-то не было. А в сере-дине 50-х советские разведчики со-общили, что в США полным ходом идут исследования по созданию ядерного ракетного двигателя (ЯРД). Эта информация была сразу же доведена до высшего руководст-ва страны. Скорее всего, с ней был ознакомлен и Королев. В 1956-м в секретном докладе о перспективах развития ракетной техники он под-черкивал, что ядерные двигатели будут иметь очень большие пер-спективы.
Впрочем, все понимали, что ре-ализация идеи сопряжена с огром-ными трудностями. Атомная электростанция, к примеру, занимает многоэтажный корпус. Задача со-стояла в том, чтобы превратить это большое здание к компактную уста-новку величиной с два письменных стола. В 1959 году в Институте атом-ной энергии состоялась весьма зна-менательная встреча "отца" на-шей атомной бомбы Игоря Курчато-ва, директора Института приклад-ной математики, главного теорети-ка космонавтики — Мстислава Келды-ша и Сергея Королева. Фотография "трех К". трех выдающихся людей, прославивших страну, стала хресто-матийной. Но мало кто знает, что именно обсуждали они в тот день.
- Курчатов, Королев и Келдыш вели разговор о конкретных аспектах создания ядерного двигателя, - комментирует фотографию веду-щий конструктор атомного "мотора" Альберт Белогуров, более 40 лет работающий н воронежском КБ. - Сама идеи к тому времени уже не казалась фантастической. С 57-го, когда у нас появились межконтинен-тальные ракеты, конструкторы Средмаша (министерства, занимавшегося атомной тематикой) стали заниматься предварительными про-работками ядерных двигателей. После встречи "трех К" эти исследования получили новый мощный импульс.
Атомщики труди-лись бок о бок с ракет-чиками. Для ракетного двигателя взяли один из самых компактных реак-торов. Внешне это срав-нительно небольшой металлический цилиндр диаметром около 50 сантиметров и длиной примерно метр. Внутри - 900 тонких трубок, в которых находится "го-рючее" - уран. Прин-цип работы реактора се-годня известен и школь-никам. Во время цепной реакции деления атомных ядер образуется ог-ромное количество теп-ла. Мощные насосы прокачивают через пек-ло уранового котла во-дород, который нагре-вается до 3000 градусов. Затем рас-каленный газ, вырываясь с огром-ной скоростью из сопла, создает мощную тягу…
На схеме все выглядело хоро-шо, но что покажут испытания? Обычные стенды для запуска полномасштабного ядерного двигате-ля не используешь - с радиацией шутки плохи. Реактор - это, по сути, атомная бомба, только замед-ленного действия, когда энергия выделяется не мгновенно, а в течение определенного времени. В лю-бом случае необходимы особые меры предосторожности. Испытания реактора решили проводить на атомном полигоне в Семипалатинске, а первую часть конструкции (как бы сам двигатель) - на стенде в Подмосковье.
- В Загорске имеется превос-ходная база для наземных запусков ракетных двигателей, - поясняет Альберт Белогуров. - Мы изготови-ли около 30 образцов для стендовых испытаний. Водород сжигали в кис-лороде и затем газ направляли с дви-гателя на турбину. Турбонасос перекачивал поток, но не в атомный реактор, как положено по схеме (ре-актора в 3aгорске, понятно, не было), а к атмосферу. Всего было проведе-но 250 испытаний. Программа за-вершилась полным успехом. В итоге получили работоспособный двига-тель, отвечавший всем предъявленным требованиям. Снежнее оказа-лось организовать испытания ядер-ного реактора. Для этого необходимо было построить специальные шахты и другие сооружения на Семи-палатинском полигоне. Столь мас-штабные работы были сопряжены, естественно, с большими финансо-выми затратами, а получить деньги и в то время было непросто.
Тем не менее стройка на поли-гоне началась, хотя и велась, по сло-вам Белогурова, "в экономном ре-жиме". Не один год ушел на соору-жение двух шахт и служебных поме-щений под землей. В бетонном бун-кере, расположенном между шахта-ми, находились чуткие приборы. В другом бункере, на удалении 800 метров, - пульт управления. Во
время испытаний ядерного реакто-ра пребывание людей в первом из названных помещении было катего-рически запрещено. В случае ава-рии стенд превратился бы в мощный источник радиации.
Перед экспериментальным за-пуском реактор аккуратно опускали в шахту с помощью усыновленного снаружи (на поверхности земли) козлового крана. Шахта была со-единена с выдолбленной на глуби-не 150 метров в граните и облицо-ванной сталью сферической емко-стью. В такой необычный "резерву-ар" закачивали под большим давле-нием газообразный водород (для использования его в жидком виде, что, конечно же, эффективней, не было денег). После запуска реакто-ра водород поступал снизу в урано-вый котел. Газ раскалялся до 3000 градусов и с грохотом огненной струёй вырывался из шахты наружу. Сильной радиоактивности в этом потоке не было, но а течение суток находиться снаружи в радиусе полу-тора километров oт места испыта-ний не разрешалось. К самой же шахте нельзя было подходить в те-чение месяца. Полуторакилометровый подземный тоннель, защищен-ный от проникновения радиации, вел из безопасной зоны сначала к одному бункеру, а из него - к другому, находящемуся возле шахт. По этим своеобразным длиннющим "коридорам" и передвигались специалисты.
Испытания реактора проводи-лись в 1978-1981 годах. Результа-ты экспериментов подтвердили пра-вильность конструктивных решений. В принципе ядерный ракетный дви-гатель был создан. Оставалось соединить две части и провести ком-плексные испытания ЯРД в собран-ном виде. Но на это денег уже не дали. Ибо в восьмидесятые годы практического использования в ко-смосе атомных силовых установок не предусматривалось. Для старта с Земли они не годились, ибо окру-жающая местность подверглась бы сильному радиационному загрязнению. Ядерные двигатели вообще
предназначены только для работы в космосе, И то на очень высоких ор-битах (600 километров и выше), что-бы космический аппарат вращался вокруг Земли многие столетия. По-тому что "период высвечивания" ЯРД составляет как минимум 300 лет. Собственно говоря, аналогич-ный двигатель американцы разра-батывали прежде всего для полета к Марсу. Но в начале восьмидесятых руководителям нашей страны было предельно ясно: полет к Красной планете нам не под силу [как, впрочем, и американцам, они тоже свер-нули эти работы).
Однако именно в 1981-м у на-ших конструкторов появились новые перспективные идеи. Почему бы не использовать ядерный двигатель еще и в качестве энергетической установки? Проще говоря, выраба-тывать на нем в космосе электроэнергию. При пилотируемом поле-те можно с помощью раздвижной штанги "отодвинуть" урановый котел от жилых помещений, в которых находятся космо-навты, на расстояние до 100 метров. Будет он лететь вдали от станции. При этом получи-ли бы очень мощный источник столь нужной на космических кораблях и станциях энергии. В течение 15 лет воронежцы вместе с атомщиками занимались этими перспективными исследованиями, проводили испы-тания на Семипалатинском полиго-не. Государственного финансирова-ния не было вообще, и все работы велись за счет заводских ресурсов и… энтузиазма. Сегодня мы имеем здесь очень солидный задел. Во-прос лишь и том, будут ли эти раз-работки востребованы.
- Обязательно, - уверенно от-вечает генеральный конструктор Владимир Рачук. - Сегодня на кос-мических станциях, кораблях и спут-никах энергию получают от солнеч-ных батарей. Но на ядерном реакто-ре выработка электричества намно-го дешевле - вдвое, а то и втрое. Кроме того, в тени Земли солнечные батареи не работают. Значит, нужны аккумуляторы, а это заметно увеличивает вес космического аппарата.
Конечно, если речь идет о неболь-шой мощности, скажем, о 10-15 ки-ловаттах, то проще иметь солнечные батареи. Но когда в космосе требу-ется 50 киловатт и больше, то без ядерной установки (которая, кстати, служит 10-15 лет) на орбитальной станции или межпланетном корабле не обойтись. Сейчас на такие зака-зы мы, откровенно говоря, не очень рассчитываем. Но в 2010-2020 го-дах ядерные двигатели, являющие-ся одновременно мини-электро-станциями, будут очень нужны.
- Сколько весит такая ядер-ная установка?
- Если говорить о двигателе РД-0410, то масса его вместе с ра-диационной защитой и рамой крепления -две тонны. A тяга - 3.6 тон-ны. Выигрыш очевиден. Для сравне-ния: "Протоны" поднимают на орби-ту и 20 тонн. А более мощные ядер-ные установки, конечно, будут повесомее - может быть, 5-7 тонн. Но в любом случае ядерные ракетные двигатели позволят выводить на стационарную орбиту грузы, имею-щие в 2-2,5 раза большую массу, и обеспечат космические аппараты долговременной стабильной энергетикой...
Я не стал говорить с генераль-ным конструктором на больную тему - о том, что на Семипалатинском полигоне (нынче это территория дру-гого государства) осталось немало ценного заводского оборудования, которое вернуть в Россию пока не удалось. Там же, в шахте, находится и один из испытательных атомных реакторов. Да и козловой кран все еще стоит на своем местe. Только вот испытания ядерного двигателя боль-ше не проводятся... В собранном виде он стоит сейчас в заводском музее. Ждет своего часа.

Виталий ГОЛОВАЧЕВ
Труд, 13.04.2000
Просто не все живут в России - да и Труд не все читают.

С уважением

=Только вот испытания ядерного двигателя боль-ше не проводятся... В собранном виде он стоит сейчас в заводском музее. Ждет своего часа.=
Интересно, он все еще "светится"?

Однако, американцы летали на ядерном двигателе. Сумасшедшие отморозки. См. Mark Wade Encyclopedia of Space Flight.
Наши тоже огневые испытания проводили, но хоть наземные...
Грохнуть оземь 20т высокоактивного материала - это не шутки.

Уважаемый EBL. Я не по наслышке знаком с данной тематикой. Никогда не проводилось лёных испытаний ЯРД. В США в рамках программы ROVER/NERVA были проведены наземные испытания ЯРД в составе ступени, т.е. с баком и со штатной системой подачи.

Летали, причём, у нас в большей степени, ядерные энергоустановки, и кстати падали, было дело.

Было дело, я собственными глазами видел эти двигатели и наш и штатовский и даже трогал руками.

Не совсем так. Основное преимущество ЯРД - его более высокий удельный импульс. Есть такая характеристика. Определят, каков необходим секундный расход рабочего тела для создания единицы тяги, т.е. определяет экономичность двигателя. Зависит от температуры в камере, от молекулярной массы продуктов сгорания и других факторов. У двигателя Фау-2 (кислород-спирт) он был что-то около 210 единиц. У SSME (кислород-водород)- 460 единиц. Сейчас давятся за каждую единичку. Так вот у штатовского ЯРД-а NERVA было достигнуто 840 единиц, у нашего - 900.
А что касется необходмости длительного высвечивания, так уже давным давно поступают с ядерными ЭУ. Абсолютно ничего страшного. Главное, чтоб не грохнулся на земь

Всё это очень интересно, однако, насколько я понимаю, ничего принципиально нового (кроме новых проблем с обсуживанием) и полезного этот тип двигателя нам (землянам) дать не может. Насколько я понял, период в 300 лет, о котором говорится в статье, это не период работы двигателя, а время, в течении которого аппарат с таким двигателем необходимо сохранять на орбите во избежание радиационного заражения в результате его вхождения в атмосферу. Так что, единственное преимущество рассматриваемого двигателя, на мой взгляд, это увеличение полезной ёмкости топлива на аппарате и то, наверное, даже не в два раза (за счёт того, что кроме топлива не нужно размещать ещё и окислитель). А что на это скажут специалисты, если таковые здесь бывают?

Главный выйгрыш получаеися за счёт уменьшения молекулярной массы рабочего тела. У кислород-водородного мотора отбрасывается вода с молекулярной массой 18, а у ЯРД отбрасывается водород с двойкой. Температура в камере (за реактором) даже ниже чем в ЖРД и составляет 2900-3100 кельвинов. Температура ограничена только стойкостью в водороде тепловыделяющих элементов.

Что касается других типов двигателей, конкретных разработок не было, всё только на уровне идей. Прорабатывались даже импульсные двигатели с подрывом ядерных зарядов в специальной камере. Да и ЯРД бывают тоже разные.

Да вобщем можно и провести, но ей Богу, значительно проще обратьиться к соответствующей литературе. А там есть формулка скорости истечения, коея находится в пямой зависимости от температуры в камере и в обратной от этой самой мол.массы и ещё от кучи разных параметров. Т.е. если температуру увеличить вдвое - уд.имп. увеличится вдвое, а если мол.массу уменьшить в девять раз (наш случай) то и уд.имп. увеличится в девять раз. В идеальном случае, ессно.

Народу, я смотрю, всё это не шибко интересно, так что если правда интересно, обращайтесь мылом, учебники подскажу

Интересно! А можно попросить небольшой ликбез провести? В чём выигрыш от снижения молекулярной массы?

Народу, я думаю, интересно, только сказать, может быть, нечего (вон сколько счётчик прочтения показывает!). Поэтому, если можно, спрошу здесь: если не трудно, Diadia_Sidor, объясни, пожалуйста, физическую природу этого эффекта (который описывает упоминаемая тобой формула). Почему такая зависимость?

Я почему так прицепился, потому, что мне мои дилетанские представления подсказывают, что от этого параметра ничего не должно зависеть. Я всегда считал, что импульс двигателя зависит от скорости истекающих газов и от массы вещества выбрасываемого в единицу времени. Как же могут эти параметры зависеть от молекулярной массы выбрасываемого вещества? Может это как-то влияет на плотность в рабочей камере и на выходе?

А-а! Теперь ясно. Выигрыш, видимо, за счёт большей температуры в камере сгорания (если её в этом двигателе можно так назвать)? А, интересно, насколько большей?

P.S.: А вообще-то, когда я увидел название этого топика, я подумал, что изобрели нечто испускающее с огромной скоростью элементарные частицы, получающиеся в результате распада, в определённом направлении. Кстати, никто не знает, есть ли такие разработки или, хотя бы, есть ли какие-либо перспективы в этом направлении?

Согласен, продолжим. Вы совершенно правы, в своём утверждении о важности скорости отброса массы. Она то и завитсит от мол.массы. Непосредственно от мол.массы зависит величина газовой постоянной R, которая равна универсальной газовой постоянной (8314)делёной на эту самую мол.массу. Если совсем на пальцах, то газовая постоянная неким образом определяет теплоёмкость газа. А теплоёмкость является определяющей величиной во всех термодинамических процессах. И, всё таки, обратитесь к учебнику по термодинамике или по теории ЖРД их навалом, там всё написано.
Для постижения сих наук необходимы небольшие познания в высшей математике.

Да-а, становится ясно, что без чтения литературы не обойтись. Не мог бы ты выложить здесь список того, что можно прочесть начинающему? Было бы круто, если бы в списке присутствовали ссылки на источники в Сети. Спасибо.

Стремление к знаниям похвально. Однако боюсь, что на русском языке, в сети таких книжек нет. А вот в библиотеках (обычных) навалом. На память я помню очень хороший учебник Кудрявцева "Теория и расчёт ЖРД".
По ЯРДам открытых книжек, практически, не было. Есть книжка Бассарда и Де Лауэра "Ракета с атомным двигателем" но она очень редка. Это конец 50-х годов. Удачи в поиске.
Для оперативности мой АйСиКу 50152843

Diadia_Sidor
=...теплоёмкость является определяющей величиной во всех термодинамических процессах.=
Ну это всем известно, что у водорода самая большая теплоемкость - им даже обмотки крупных электрогенераторов охлаждают. Следует ли отсюда, что у него бОльшая скорость истечения из сопла ЯРД, чем у азота, например, при равных температурах?

Абсолютно справедливый вывод. Более того, имеет место быть базовая формула, интегрированием которой и получается формула для расчёта скорости истечения, которая звучит, что работа процесса равна произведению массы рабочего тела на разницу температур процесса и на теплоёмкость.

Кстати,в эпизоде "Операции Ы" когда Шурик сдаёт экзамен и ошалело бегает по институтскому коридору, некий юноша пишет мелом на двери и далее на полу. Так вот, если присмотреться, он выводит именно формолу скорости истечения.

Круто!!!
Очень круто!
))))

Посмотрел. Точно!:)
Для ЯРД ф-ла в самый раз, но на экзамене - вряд ли РД. Скорее теплотехника, термодинамика и т. п. Для РД на химическом топливе есть ф-ла, кот. проще написать, чем понять - скорость истечения равна квадратному корню из разниц энтальпии продуктов и топлива. Только это еще более неинтуитивно.

При реальных расчётах скорости истечения, хоть из ЯРД, хоть из жидкого, хоть из твёрдого используется именно длинная формула

Смотря кто считает. Дело в том, что "длинная" формула предполагает неизменный состав продуктов истекания. Чем меньше время пребывания в сопловом тракте, тем ближе процесс к замороженному. Если РД достаточно крупный, хим. состав меняется и все параметры (м. масса, Cp, Cv) - тоже. Разница импульсов особенно заметна в случае реакционно способных продуктов - 5...10%, причем большая величина получается, если использовать разницу энтальпии. Поэтому топливники считают по "короткой", а двигателисты - по длинной ф-ле. Постоянный повод для ругани на совещаниях.
Если своими заметками нарушаю правила обсуждения, дайте знать, и больше не буду. Хотя читая материалы конференции, видел еще большие заскоки.

Абсолютно согласен. Именно так оно и есть. Только не понял, что Вы нарушаете. Тогда уж и я. По моему, наоборот - отличный повод вспомнить молодость.

Спасибо, друзья!

А откуда, если не секрет, столь специфические знания ?
"В каком полку служили ?" (О.Бендер)

Спасибо!
На Марс - это интересно. Ничего не знаю об этом, кроме то, что обсуждалось с десяток лет назад в журналах. Хотя каждый ракетчик должен помнить цандеровское "Вперед, на Марс!".
Не обсудить ли нам эту тему? Берешся вести?

Да, в общем, там особенно и обсуждать нечего было. С приходом Клинтона программу прикрыли и денежки кончились. Успели только несколько отчётов накарябать. Но зато с заморскими ракетчиками подружились. С некоторыми до сих пор дружусь.
А что касается Цандера. У нас в МАИ на первом курсе был курс "введение в специальность". Так вот его читал ныне покойный Л.С.Душкин, который начинал ещё в ГИРДе под непосредственным руководством Цандера. На лабораторках преинтересные вещи рассказывал из старинных времён.