БПЛА с ядерным двигателем

В 60-х годах прошлого века был проект большой крылатой сверхзвуковой ракеты с ядерным реакторным прямоточным двигателем – Плутон,
http://www.bisbos.com/rocketscience/pluto/pluto-history.html ракета должна была в угрожаемый период барражировать на высоте 10000м в безопасном районе, по команде атаковать цели на малой высоте сбрасывая от 16 до 24 ядерных боеприпаса на траектории.
Проект закрыли по причине дороговизны и радиационной опасности – в неэкранированном реакторе должно быть порядка тонны урана.
В свете современной миниатюризации техники интересно рассмотреть возможность применения ядерного источника энергии на небольшом 50-100кг весом дозвуковом беспилотном летательном аппарате (БПЛА) с управлением со спутника и неограниченной дальностью полета.
Конечно, ядерный реактор на такой аппарат не поставишь – но возможно применение гораздо более несложного и безопасного радиоизотопного двухконтурного турбореактивного двигателя (ДТРД) на полонии-210 (Po-210).
Действительно, Po-210 является изотопом с периодом полураспада 138 суток излучающим энергию в виде слабопроникающих альфа-частиц в количестве 141Вт на 1 грамм изотопа. Капсула, содержащая 0,5г Po-210, разогревается до температуры 500 С.
Для обеспечения тяги ДТРД в 10кгс потребуется всего 0,71кг Po-210 размещенного в тепловыделяющих элементах (ТВЭЛах) на месте камеры сгорания. Правда, цена Po-210 получаемого в реакторах из висмута путем облучения нейтронами довольно высока – 8250$ за 1 грамм. Т.е. стоимость такого топливного заряда составит порядка 6 млн. $. Но зато он может обеспечить полет девайса непрерывно в течение 60 суток, правда к концу этого срока мощность снизится на 26%. При скорости в 200км/час дальность полета составит более 280 тысяч километров! По окончании этого срока девайс может быть возвращен на базу для регенерации топлива, что снизит его стоимость. Ввиду малого периода полураспада в случае аварии активность изотопа через 5 лет снизится в 10 тысяч раз. Изотоп должен быть упакован в жаропрочные капсулы небольшого размера, могущие выдержать аварию БПЛА. При расчетной температуре на поверхности капсулы порядка 2500С она проплавит грунт и самозахоронится на месте аварии.
Применять БПЛА, выполненный по технологии «стелс», можно, например, для разведки и скрытного слежения за мобильными пусковыми установками МБР, кораблями, выслеживании террористов и т.п.

ПС
А кончилось всё "Буревестником".

http://gizmodo.ru/2006/03/29/samolet_zephyr_letajuschij_na_solnechnyx_batarejax/

А какую проблему должен решать этот аппарат? И в чём его преимущество перед существующими решениями? Или это очередное решение, под которое ещё надо придумать задачу?

А какую проблему должен решать этот аппарат? И в чём его преимущество перед существующими решениями? Или это очередное решение, под которое ещё надо придумать задачу?

 

СВЕРХДЛИТЕЛЬНОЕ БАРРАЖИРОВАНИЕ. В т.ч. и с последующим броском на гиперзвуке к цели. Близкий аналог спутников - может висеть, например как ретранслятор, или в качестве стратегического носителя ЯО, по типу "глобальной ракеты" или "супербомбы", долго летать вдоль границ супостата и в час Ч атаковать цель (причем если собьют - то им же хуже )
Идея красивая - главным препятсвием для ядерного самолета была защита экипажа и невозможность экипажа к сверхдлительному полету.

Ник

Ник, это не проблема, а решение. Далее должна (но не будет) следовать итерация заданных вопросов.. А вот летание вдоль границ гарантированно создаст проблемы, которых не было раньше.

Был бы девайс - а задачи найдуться...
Зачем летать вдоль границ если можно летать сквозь них незаметно? БПЛА весом 50-100кг с размахом крыла порядка 3м. Нечто вроде сильно уменьшинного Б-2. Если Цесна села на Красной площади безо всякого сопровождения, то такой может над Кремлем или Белым домом неделями кружить - никто и не заметит. Задачи - вплоть до отстрела отдельных физических лиц. На высоте порядка 3-4км днем его уже не видно, ночью еще ниже. Девайс все видит и передает на геостационар лазерным лучом. Оттуда же и управляется.
На море - сопровождение АУГ, на расстоянии 10-20км никакой радар не обнаружит такую цель. Выдача целеуказания в реальном времени через спутник. Это покруче чем была "Легенда".
Стоимость - дешевле спутника. Солнечные батареи слишко велики - полоний-210 займет всего стакан объема. В отличие от реактора воздух не активирует - все излучение внутри капсулы. Капсула из вольфрама покрытого рением.
Единственный недостаток- двигатель нельзя выключить, тягу прийдется регулировать частичным реверсом.

К счастью на подобноээ деньги получить нереально, Серг.

К счастью на подобноээ деньги получить нереально, Серг.

 

Реально. И да уже.

To Serg Ivanov

При всем уважении к вам - девайс абсолютно, абсолютно ненужный по многим причинам

1. Неограниченную дальность БПЛА запросто получить с помощью солнечных батарей и современных аккумуляторов (или каких на новых принципах) - летай сколько влезет

2. Это не что иное как летающий чернобыль - какая страна оставит просто так полеты у своих границ такой штуки, а летать у своей - себе дороже

3. БПЛА 50-100 кг и с ядерным двигателем? ;D

ЯСУ килограммов в 20? Ну вы WYWERN-а переплюнули. Тот ЯЭУ в габариты мини ПЛ хочет засунуть, а вы..

Был один американский фантаст испанского происхождения, может поможете вспомнить фамилию ;D - у него как помню ядерные реакторы аж на кухнях стояли. Но это же несерьезно

To Serg Ivanov

При всем уважении к вам - девайс абсолютно, абсолютно ненужный по многим причинам

1. Неограниченную дальность БПЛА запросто получить с помощью солнечных батарей и современных аккумуляторов (или каких на новых принципах) - летай сколько влезет

2. Это не что иное как летающий чернобыль - какая страна оставит просто так полеты у своих границ такой штуки, а летать у своей - себе дороже

3. БПЛА 50-100 кг и с ядерным двигателем? ;D

ЯСУ килограммов в 20? Ну вы WYWERN-а переплюнули. Тот ЯЭУ в габариты мини ПЛ хочет засунуть, а вы..

Был один американский фантаст испанского происхождения, может поможете вспомнить фамилию ;D - у него как помню ядерные реакторы аж на кухнях стояли. Но это же несерьезно

 

1.ДПЛА способный на небольшой высоте неделями летать над территорией противник не нужен? :o
На солнечных батареях это уже не тот девайс - больше похожий на мускулолеты, непригодный для полетов в турбулентной атмосфере, действительно малополезный.

2.Полоний – мягкий металл серебристо-белого цвета чуть легче свинца. В организм человека поступает с едой и табачным дымом. Достаточно токсичен из-за своего альфа-излучения. Голыми руками брать его не рекомендуется, так как возможны поражения кожных покровов и всего организма.

Особую ценность полонию придаёт его так называемая экологическая чистота. Дело в том, что продуктами распада полония являются стабильные изотопы свинца. Период полураспада полония-210 составляет 138 дней, а это значит, что через 5-10 лет от первоначальной радиоактивности образца не остаётся и следа, и никаких усилий по захоронению отходов не потребуется.
Наибольшую известность полоний-210 получил из-за своих космических обязанностей. Чистые альфа-излучатели являются великолепными источниками энергии, и полоний-210 – настоящий чемпион среди своих конкурентов. Удельная мощность излучателя с этим изотопом составляет более 1200 Ватт на кубический сантиметр. Полоний-210 послужил в качестве обогревателя советского «Лунохода-2», поддерживая температурные условия, необходимые для работы научной аппаратуры.

В качестве источников энергии, полоний-210 широко задействован и на Земле. В бывшем Советском Союзе он часто работал на удалённых маяках. В его послужном списке найдутся также и удаление статического электричества на текстильных фабриках, и ионизация воздуха для лучшего горения топлива в мартеновских печах, и даже удаление пыли с фотоплёнок. Несомненна и его роль при проведении научных исследований.

3.Недавно в Москве состоялось заседание четвёртой секции Научно-технического совета № 6 "Новые энергетические технологии и управляемый термоядерный синтез". Заместитель директора РФЯЦ-ВНИИЭФ Ю.К. Завалишин рассказал на этой встрече о разработках радионуклидных источников тепла (РИТов) на основе полония-210 и плутония-238.
Радиохимическое производство по наработке полония-210 из облучённого висмута вступило в строй на заводе "Авангард" в 1952 году. Работы по проектированию и изготовлению РИТов ведутся на заводе с 1961 года. В них принимали постоянное участие ВНИИНМ, Радиевый институт АН СССР, ВНИИТФА, ПО "Маяк", институты биологического профиля и другие организации.
Рабочая температура РИТов достигает 1000 градусов Цельсия, а при аварийных ситуациях -1800 градусов, поэтому для изготовления источников используются специальные сплавы на основе тугоплавких и благородных металлов. Надёжность и экологическая безопасность источников подтверждается испытаниями, имитирующими как нормальный, так и аварийный режимы работы. Критерий надёжности - герметичность установки. За всё время существования производства на "Авангарде" не было ни одного случая разгерметизации изделия.
Первое время РИТы производились прежде всего для космических исследований. В 1962-1963 годах была достигнута возможность применения определённых радионуклидов для изготовления радионуклидных термоэлектрических генераторов (РИТЭГов). В 1965 году состоялся запуск искусственных спутников Земли, оснащённых РИТЭГами типа "Орион". Работа этих объектов на орбитах подтвердила правильность выбранных решений. Появились новые конструкции, которые использовались, в частности, в луноходах. Целая серия РИТов для РИТЭГов и тепловых блоков космических аппаратов - таких, как "Высота-2" с тепловой мощностью 1000 Вт, "Возможность" (100 Вт), "Торос" и "Веер" (80 Вт) и "Пантера" (8,5 Вт) - продолжили космическую эпопею. РИТ "Пантера" использовался на пенетраторе научно-исследовательского комплекса "Марс-96", а также в составе РИТЭГов для снабжения электрической и тепловой энергией научных приборов и аппаратуры малой станции этого комплекса.
В 1999-2002 годах завод "Авангард" совместно с ВНИИЭФ создал РИТЭГ с РИТ на основе плутония-238. Этот небольшой прибор, который может в течение 50 лет обеспечивать энергией радиомаяк, использовался в качестве автономного энергоисточника в системе дистанционного мониторинга хранилищ ядерных материалов. Большой интерес представляет также источник тепла, созданный для аппарата "искусственное сердце".
При выработке концепции обеспечения радиационной безопасности наши специалисты уже на начальном этапе создания РИТ сочли необходимым обеспечить сохранение герметичности конструкции изделия по отношению к изотопу во всех режимах эксплуатации, включая аварийные и послеаварийные условия нахождения его на воздухе, в грунте и в воде.

Лучшим подтверждением высокого качества и надежности радиоизотопного источника тепла на основе полония-210, являются:
1. Сохранение герметичности при аварии ракетно-космического комплекса в декабре 1969 года на космодроме "Байконур", когда ракета взорвалась на высоте в несколько километров и тепловой блок, содержащий РИТ, упав на полигоне, был обнаружен в герметичном состоянии.2. "Луноход-1" функционировал 322 суток (с 17 ноября 1970 года по 4 октября 1971 года), а "Луноход-2" 220 суток, что существенно превышало требования технического задания (105 суток).

1.ДПЛА способный на небольшой высоте неделями летать над территорией противник не нужен? :o
На солнечных батареях это уже не тот девайс - больше похожий на мускулолеты, непригодный для полетов в турбулентной атмосфере, действительно малополезный.

2.Полоний – мягкий металл серебристо-белого цвета чуть легче свинца. В организм человека поступает с едой и табачным дымом. Достаточно токсичен из-за своего альфа-излучения. Голыми руками брать его не рекомендуется, так как возможны поражения кожных покровов и всего организма.

Особую ценность полонию придаёт его так называемая экологическая чистота. Дело в том, что продуктами распада полония являются стабильные изотопы свинца. Период полураспада полония-210 составляет 138 дней, а это значит, что через 5-10 лет от первоначальной радиоактивности образца не остаётся и следа, и никаких усилий по захоронению отходов не потребуется.
Наибольшую известность полоний-210 получил из-за своих космических обязанностей. Чистые альфа-излучатели являются великолепными источниками энергии, и полоний-210 – настоящий чемпион среди своих конкурентов. Удельная мощность излучателя с этим изотопом составляет более 1200 Ватт на кубический сантиметр. Полоний-210 послужил в качестве обогревателя советского «Лунохода-2», поддерживая температурные условия, необходимые для работы научной аппаратуры.

 

Думал какое то время перед тем как вам отвечать. В конце концов имеет же человек право помечтать (без обид)

Если эти полониевые источники так хороши, что же они не расплодились миллионами за 40 лет со времени полета "лунохода"?

Вы по тону не 15-летний мальчик. Значит должны понимать - есть минусы и немалые. Безвредных ядерных источников небыло и нет, иначе об этом в школах бы изучали

В мирное время полет такого дивайса - прямая провокация

Даже в военное время падение такого устройства вызовет обвинение в применении грязной (пусть и не очень ) атомной бомбы - оно вам надо?

Ну вы WYWERN-а переплюнули. Тот ЯЭУ в габариты мини ПЛ хочет засунуть, а вы...

 

Ну почему же - я не мечтатель
ЯР были в габаритомассах и самолета и космического корабля. Так, что - в миниАПЛ поместяться тем более.
А полет ЛЮБОГО летательного аппарата ЗА пределами 200мильной(по закону и 6 мильной) зоны - ПРАВО ЛЮБОЙ СТРАНЫ. Никто ведь не протестует когда АПЛ плавают и даже в терводы заплывают
Конструктивно же сделать реактор гарантированно не разрушающийся при падении с максимальными характеристиками - вполне возможно.

Ник

Ну почему же - я не мечтатель
ЯР были в габаритомассах и самолета и космического корабля. Так, что - в миниАПЛ поместяться тем более.
А полет ЛЮБОГО летательного аппарата ЗА пределами 200мильной(по закону и 6 мильной) зоны - ПРАВО ЛЮБОЙ СТРАНЫ. Никто ведь не протестует когда АПЛ плавают и даже в терводы заплывают
Конструктивно же сделать реактор гарантированно не разрушающийся при падении с максимальными характеристиками - вполне возможно.

Ник

 

Ну вы же серьезный человек. Конечно все это было - но когда и какой ценой

Все это в Дочернобыльскую и до-ТриМайлАйлендовскую эпоху, когда на биологическую защиту почти плевали, прошу за выражение.

Не зря же в америке шутят о названии плато, где испытывали Нерву "Плато ослов" (Jackass plato кажется по английски)

Поскольку форум считается техническим, хотелось бы услышать технические соображения по поводу радиоизотопного мини-авиадвигателя. А не бла-бла про летающий Чернобыль. Или раз этого нет (а может есть? ;D), значит и быть не может. Или нет - значит не нужен.
Не было раньше миниатюрных СУ которым можно доверить девайс стоимостью в 10млн. баксов.
Мини-ТРД тоже недавно появились http://www.uav.ru/articles/micro_trd.pdf
При массе 1кг и стоимости 2500 баксов тяга 10кг.
По удельному расходу керосина можно посчитать тепловую мощность -примерно 150квт получается. Это простейший авиамодельный ТРД с центробежным компрессором и одноступенчатой турбиной.
1кг полония-210 дает такую тепловую мощность и занимает объем в твердом виде меньше стакана.
Вопрос - сколько будет весить, теплообменник и капсула? Если 20-30кг - нормально.

Тепловая мощность - это еще не все. Нужна еще и температура.
Чтобы КПД (соответственно - тяга) при данной мощности были аналогичны ТРД, температура должна быть та же (при том же расходе воздуха). То есть - где-то полторы тысячи (так?).

Теперь вопрос: что будет, если этот расход вдруг по каким-то причинам не обеспечивается? ИМХО: авария с выходом активности.
РИТЭГи в пример не приводить, там совсем другой расклад и другие температуры.

могно односторонне намазать полоний
на крыльялопасти - тяга будет за счет
непосредственного нагрева воздуху ... ;D ;D ;D

Тепловая мощность - это еще не все. Нужна еще и температура.
Чтобы КПД (соответственно - тяга) при данной мощности были аналогичны ТРД, температура должна быть та же (при том же расходе воздуха). То есть - где-то полторы тысячи (так?).

Теперь вопрос: что будет, если этот расход вдруг по каким-то причинам не обеспечивается? ИМХО: авария с выходом активности.
РИТЭГи в пример не приводить, там совсем другой расклад и другие температуры.

 

Почему же? РИТ лунохода- рабочая температура 1000С, аварийная за счет аэродинамического нагрева 1800С в течение 50сек. Давление внутри 60ати. Выдерживает падение на гранит со скоростью 100м/с Без выхода активности. Мини-ТРД -температура на турбине 1000С.
С учетом перепада на теплообменнике рабочая температура РИТ движка порядка 1300-1400С. Со времен лунохода 40 лет техника ушла вперед...
К стати Б-52, Ту-95, Б-1, Б-2, Ту-160 с полной боевой загрузкой несут примерно по 50кг плутония-239 каждый. Никто не озабочен выходом активности гораздо более опасного плутония (период полураспада 24тыс.лет). 1кг полония-210 по сравнению с этим - мелочи жизни.

Тепловая мощность - это еще не все. Нужна еще и температура.
Чтобы КПД (соответственно - тяга) при данной мощности были аналогичны ТРД, температура должна быть та же (при том же расходе воздуха). То есть - где-то полторы тысячи (так?).

 

Температура на скорость распада не влияет, это не химия. Т.е. всё зависит от интенсивности охлаждения...

Почему же? РИТ лунохода- рабочая температура 1000С, аварийная за счет аэродинамического нагрева 1800С в течение 50сек. Давление внутри 60ати. Выдерживает падение на гранит со скоростью 100м/с Без выхода активности. Мини-ТРД -температура на турбине 1000С.
С учетом перепада на теплообменнике рабочая температура РИТ движка порядка 1300-1400С. Со времен лунохода 40 лет техника ушла вперед...
К стати Б-52, Ту-95, Б-1, Б-2, Ту-160 с полной боевой загрузкой несут примерно по 50кг плутония-239 каждый. Никто не озабочен выходом активности гораздо более опасного плутония (период полураспада 24тыс.лет). 1кг полония-210 по сравнению с этим - мелочи жизни.

 

Ну так ведь плутоний не будет самораспыляться?
Чем больше активность - тем выше радиотоксичность. ИМХО, очевидно. Вопрос об изотопической чистоте полония - тоже открыт.

Не, в общем мне идея кажется вполне работоспособной. Только... несколько геморройной, что ли? и мне неочевидны задачи, ради которых мириться с этим геммороем.

Температура на скорость распада не влияет, это не химия. Т.е. всё зависит от интенсивности охлаждения...

 

Перечитайте мой пост.

2 Татарин
Тепловыделение можно считать постоянным, невзирая на окружающую обстановку.
Температура будет определятся исключительно теплообменом. Хотя как нагреть газ теплообменом до полутора тысяч градусов - представляю слабо. Это сколько же должно быть у теплообменника?
Хотя нам в принципе КПД не так важен, важна тяга. Можно и на меньшей температуре работать...
И главный недостаток - его не выключишь. Если "на ходу" несколько тыщ градусов, то без охлаждения оно просто испарится...

лучше уж нормальный ЯРД

Дабы не растекаться мыслию по древу сузим круг задач этого ДПЛА до скрытного слежения за АУГ и другими кораблями при обострении международной обстановки.
Цель- выдача целеуказаний и наведение на конечном участке (в том числе лазерным целеуказателем) различных средств поражения – от АПЛ до головных блоков МБР через высокоорбитальный спутник связи. Наведение оружия с точность до 1-3 м, например на авианосец позволит резко сократить мощность боевой части и количество жертв. Попадание четырех 50кг зарядов в катапульты или аэрофинишеры – и авианосец на месяцы превращается в дорогое корыто с экипажем в 6000 чел.
Полеты только над морем в нейтральных водах. Скорость броска в предполагаемый район цели - 200-300км/ч. Барражирования на малой высоте в районе АУГ – 70-80км/ч до 60 суток.
Скорость барражирования сравнима со скоростью волн и морских птиц. ЭПР малоразмерного аппарата - как у птицы. Передача данных на спутник – по остронаправленному радио или лазерному каналу. Обнаружить и выделить ДПЛА на фоне волн и птиц будет практически невозможно.
Конечно, для аппарата со стоимостью топлива в несколько мегабаксов нужно разработать миниатюрный турбовинтовой двигатель, что снизит потребную мощность для создания тяги, а, следовательно, и количество полония-210 раз в пять, т. е. до 200 граммов. РИТ (радиоизотопный источник тепла) девайса должен быть рассчитан на удар о воду в случае аварии и пребывание на дне в течение 10 лет без разгерметизации – задача вполне посильная для техники даже полвека назад. При повышении температуры РИТа в случае отказа двигателя и пожара на борту его защита может обеспечиваться в течение времени падения высокотемпературным абляционным покрытием, затем охлаждением морской водой. ИМХО такая система была бы более безопасной чем «Легенда» с 30кг высокообогащенного урана в реакторе на орбите. И АСАТ ей не страшен. Да и сам факт ее создания можно скрыть - спутники связи могут быть многоцелевыми.
При регенерации оставшегося полония после возвращения на базу для последующих полетов стоимость одного летного часа аппарата по топливу составит:
70г*8250$/(24*60)=400$- не много для аппарата с межконтинентальной дальностью полета.

2 Татарин
Тепловыделение можно считать постоянным, невзирая на окружающую обстановку.
Температура будет определятся исключительно теплообменом. Хотя как нагреть газ теплообменом до полутора тысяч градусов - представляю слабо. Это сколько же должно быть у теплообменника?
Хотя нам в принципе КПД не так важен, важна тяга. Можно и на меньшей температуре работать...
И главный недостаток - его не выключишь. Если "на ходу" несколько тыщ градусов, то без охлаждения оно просто испарится...

лучше уж нормальный ЯРД

 

Нормальный ЯРД в ДПЛА весом до 100кг не засунеш. Теплообменник нужен и там к стати. Есть такая формула терлопередачи от нагретой стенки к воздуху (5,6+4в)*К = Ватт
Где в-скорость потока воздуха м/с
К- разность температур
Для турбовинтового двигателя тепловой мощностью 30кВт при скорости потока после компрессора 150м/с получается 0,17м2 площадь теплообменника если разность температур его поверхности и воздуха 300градусов.
А выключать нельзя- только реверсом тяги управление.

Разработаны Sandia по заказу Northrop Grumman, в данный момент "on hold" по политическим причинам. Заказ выполнен в 2012 году.