Космоновости № 44. Ядерные ракетные двигатели - просто о сложном.

Космос

Ядерный буксир «Зевс».

В конце июля 2021 года в подмосковном Жуковском состоялся 15-й авиационно-космический салон МАКС 2021. Роскосмос занимал большую площадь, было много интересных новинок и, в частности, любителей русского космоса порадовали новости о космическом ядерном буксире, модель которого с характеристиками и подробным описанием была представлена на одном из стендов.

Наш уважаемый блогер Дмитрий Конаныхин сделал репортаж о посещении авиасалона и сфотографировал в подробностях макет ядерного буксира.

Макет ядероного буксира «Зевс» (фото Д. Конаныхина)

Что же это за птица – «ядерный буксир»? Почему на него возлагают такие большие надежды? Настолько большие, что Россия прекратила разработку сверхтяжелой ракеты для полетов к Луне?

Если кто-то не знал, то еще в феврале 2021 г. Роскосмос приостановил техническое проектирование «Енисея», сверхтяжелой РН. По плану, оно должно было завершиться в октябре 2021.

В феврале гендиректор самарского РКЦ «Прогресс» Дмитрий Баранов сообщил, что «необходимо скорректировать внешний вид ракеты».

«В январе 2021 года Совет по космосу Российской академии наук рекомендовал отложить создание сверхтяжелой ракеты и вместо нее использовать для полетов на Луну уже существующие модели. Представители РАН говорили, что для новой ракеты нужен «принципиально новый маршевый двигатель», «новые, облегченные материалы для обечаек и топливных баков», а также «новое незатратное производство с минимизацией накладных расходов с продуманной логистикой доставки готовых изделий на космодром».

Новый маршевый двигатель – это многоразовый метановый. У нас его нет. В сентябре 2021 г. Дмитрий Рогозин объявил: «ракета в прежнем облике создаваться не будет". По его словам, средства на ее разработку были направлены на создание метановых технологий, на базе которых в будущем построят новую ракету. «Деньги, которые мы планировали бросить на сверхтяж, мы сейчас бросаем на разработку в КБ химавтоматики двигателей на метане, потому что метановый двигатель даст нам возможность использовать многократно двигатели ракеты сверхтяжелого класса».

«В процессе создания необходимо использовать только новейшие технологии, например композитные баки, которые на 30–40% будут легче баков из уже существующих сплавов. «Мы лучше сделаем чуть позже, но зато мы сделаем так, что это будет стимулом развития композиционных материалов в «Роскосмосе», и систем, и сплавов, и новых двигателей. Мы лучше потратим время и деньги, но создадим то, что двинет отрасль вперед».

Прогресс в создании многоразовых метановых двигателей действительно есть. Запуск демонстратора ракетного двигателя с внутренним телом состоялся, об этом я напишу в другой статье.

4 октября 2021 года генконструктор РКК «Энергия» Владимир Соловьев на конференции «Научный космос XXI века: вызовы, решения, прорывы» сообщил, что разработка сверхтяжелой ракеты была приостановлена, в основном, по финансовым причинам

Об использовании РН «Ангара» для полетов к Луне в сочетании с ядерным буксиром (мы даже запатентовали принцип организации таких перелетов) я писала в статье https://cont.ws/@proctotanya/1...

Еще тогда вызывало недоумение – зачем, при отсутствии производственных возможностей и отработанных технологий делать сверхтяж, если у нас есть уже запатентованная схема организации полетов к Луне с применением уже имеющейся «Ангары 5» и близкого к реализации ядерного буксира? Как-то это все не стыковалось.

На сайте Роскосмоса информации о реальной ситуации новейших разработок очень мало. Публикуются статьи о всевозможных спортивных соревнованиях, о профессиональных состязаниях, широко освещены темы воспитания подрастающего поколения. Много пишут о проекте «Выбор» и полете наших отчаянно смелых деятелей культуры на МКС (кстати, первые серии проекта уже вышли, можно посмотреть). А кому еще верить? На сайтах разработчиков и производителей – как полагается, скупая тишина, ТАСС молчит. Рогозин Дмитрий Олегович общается с публикой в Твиттере и через интервью. Но… мнение Генерального очень быстро меняется. И много чехарды. От того, что наш перспективный пилотируемый корабль космический корабль поменял название с «Федерации» на «Орёл», он быстрее не «вылупился». Смена названий перспективной РН среднего класса с «Союз 5» на «Феникс» (для стартов с казахского космодрома «Сункар») и далее на «Иртыш» тоже не ускорила процесс. Хотя по «Иртышу» пока все идет по плану. К счастью.

Отсутствие достоверной информации вызывает недоумение. Но, так как мы хотим «все знать», и твердый орешек знаний мы все равно расколем, давайте попробуем разобраться, что же это за штука – ядерный буксир, о котором так много говорят, который носит гордое имя «Зевс» и на который возложено так много надежд. Начнем с азов.

Принцип работы реактивного двигателя – выталкивание с высокой скоростью рабочего тела и, соответственно, движение вперед за счет создаваемого импульса.

Поговорим о ядерном ракетном двигателе (ЯРД).

Ядерная реакция в ядерном реакторе разогревает рабочее тело (например, водород), разогретый газ выбрасывается из сопла и толкает ракету вперед. У ЖРД (см схему выше) вместо реактора — камера сгорания элементов топлива.

Существует три типа ЯРД по виду топлива для реактора:

твердофазный;

жидкофазный;

газофазный.

Наиболее законченным является твердофазный вариант двигателя.

«Твердофазный ЯРД работает как прямоточный двигатель. Жидкий водород поступает в сопловую часть, охлаждает корпус реактора, тепловыделяющие сборки (ТВС), замедлитель, а далее разворачивается и попадает внутрь ТВС, где нагревается до 3000 К и выбрасывается в сопло, ускоряясь до высоких скоростей».

Разработки ЯРД в СССР начались в середине 50-х годов 20 века и шли параллельно, «ноздря в ноздрю» с США.

«Ракетная» часть первого отечественного ядерного РД-0410 была разработана в воронежском Конструкторском бюро химической автоматики (КБХА), «реакторная» (компактный нейтронный реактор и вопросы радиационной безопасности) – в Физико-энергетическом институте (Обнинск) и в Курчатовском институте атомной энергии при при научном руководстве НИИ-1 (сейчас — ГКНЦ «Исследовательский центр им. М. В. Келдыша»).

Испытания «ядерной части», из-за радиации, проводились на полигоне в Семипалатинске, начиная с 1962 г. За два года работ состоялся 41 пуск реактора.

Несмотря на то, что позднее программа была свернута, результаты исследований не пропали даром. В частности, они позволили создать компактные ядерные энергетические установки для использования в космосе.

Вот как проводились испытания РД-0410.

Испытания ЯРД в СССР

«Прежде всего, удалось найти наиболее эффективный вариант содержимого активной зоны. Также были подтверждены все основные решения и характеристики. В частности, все узлы реактора справились с тепловыми и радиационными нагрузками. Таким образом, было установлено, что разработанный реактор способен решать свою основную задачу – нагревать газообразный водород до 3000-3100°K при заданном расходе. Все это позволяло приступать к разработке полноценного ядерного ракетного двигателя».

Основным элементом являлся реактор, названный ИР-100. Позже реактор получил название ИРГИТ («Исследовательский реактор для групповых исследований ТВЭЛ»).

Одновременно создавался испытательный стенд «Байкал» — подземное сооружение, с полным комплексом защиты. Ввиду особой сложности, на его создание ушло 15 лет.

На рубеже 70-х и 80-х готов мы были готовы к созданию ЯРД. Был сформирован облик изделия, испытания в Семипалатинске подтвердили расчетные данные.

«РД-0410 разделялся на несколько основных блоков: реактор, средства подачи рабочего тела и теплообменник и соплом. Компактный реактор занимал центральное положение, а рядом с ним помещались остальные устройства. Также ЯРД нуждался в отдельном баке для жидкого водорода».

Общая высота двигателя РД-0410 достигала 3,5 м, максимальный диаметр – 1,6 м. Масса с учетом радиационной защиты – 2 т. Расчетная тяга двигателя в пустоте достигала 35,2 кН или 3,59 тс.

Интересно: РД-0410 планировали использовать в РН тяжелого класса«Протон».

Важнейшая характеристика двигателя — удельный импульс — составила 910 с ( 8927 м/с ), а вот для сравнения удельные импульсы современных и перспективных РД на химическом топливе:

Жидкофазный ЯРД— ядерное топливо в активной зоне реактора такого двигателя находится в жидком виде. Тяговые параметры таких двигателей выше, чем у твердофазных, за счет более высокой температуры реакторе.

В газофазных ЯРД топливо (например, уран) и рабочее тело находится в газообразном состоянии (в виде плазмы) и удерживается в рабочей зоне электромагнитным полем. Нагретая до десятков тысяч градусов урановая плазма передает тепло рабочему телу (например, водороду), которое, в свою очередь, будучи нагретым до высоких температур и образует реактивную струю.

Интересно: центр Келдыша провел разработку такого газофазного ЯРД. Полученные результаты ошеломляют. И это — середина прошлого века! В середине прошлого века человечество стояло на пороге межзвездных путешествий, освоения атомной энергии в масштабе всей планеты. А сейчас? Ветряки? Ну, спасибо!

Плюсы ЯРД.

— высокий удельный импульс;

— значительный энергозапас;

— компактные размеры;

— возможность получения очень большой тяги — десятки, сотни и тысячи тонн в вакууме.

Минусы ЯРД.

— истечение радиоактивных газов с рабочим телом;

— потоки проникающей радиации (гамма-излучение, нейтроны) при ядерных реакциях.

В частности, из-за возможного радиационного заражения программы по ЯРД закрыли и в США, и у нас. В 1988 г. эти разработки были окночательно прекращены (тогда же был закрыт проект «Энергия-Буран»). Началась «перестройка».

Более подробно о том, как работает ЯРД, можно посмотреть по этой ссылке:

У американцев была подобная разработка — NERVA (Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application). Устройство двигателя подобно отечественному РД-0410. Судьбы их тоже схожи. Проектирование начато в первой половине 50-х годов прошлого века, в 1966 г. начались испытания, подтвердившие возможности двигателя, но в начале 70-х из-за сильнейшего экономического кризиса космическая программа была сокращена, о путешествиях к Луне и Марсу пришлось забыть, и проект был закрыт.

Интересно: «Планы НАСА, включающие NERVA, предполагали полет на Марс к 1978-му и постоянную лунную базу к 1981 году. Ракеты с NERVA предполагалось использовать как «буксиры» для снабжения нескольких космических станций на орбитах вокруг Земли и Луны и постоянной лунной базы. Ракета NERVA была бы также атомной верхней ступенью для ракеты «Сатурн SN», что позволило бы ей иметь гораздо большую грузоподъемность, до 154 тонн на низкой околоземной орбите».

Импульсный ядерный ракетный двигатель.

Существовал еще один весьма оригинальный ЯРД – импульсный.

Принцип работы ядерного импульсного двигателя

«Атомные заряды последовательно выбрасываются из ракеты и подрываются за ней на некотором расстоянии. При каждом взрыве некоторая часть расширяющихся газообразных осколков деления в виде плазмы с высокой плотностью и скоростью сталкивается с основанием ракеты — толкающей платформой. Количество движения плазмы передается толкающей платформе, которая движется вперед с большим ускорением. Ускорение уменьшается демпфирующим устройством до нескольких g в носовом отсеке ракеты, что не превышает пределов выносливости человеческого организма. После цикла сжатия демпфирующее устройство возвращает толкающую платформу в начальное положение, после чего она готова к воздействию очередного импульса».

В США космические разработки с использованием импульсных ядерных ракетных двигателей осуществлялись с 1958 по 1965 год в рамках проекта «Орион».

Первоначальная версия «Ориона» называлась «Марк 1». По форме она напоминала огромную пулю диаметром 40 м и массой 4000 тонн. Полезная нагрузка составляла четверть — 1000 тонн. Внутренне пространство было поделено на пять палуб. Четыре предназначались для атомных зарядов (2200 шт.).

Были проведены испытания с химическим РД, для подтверждения возможности подобного принципа, и даже ядерные испытания. Испытания были признаны успешными, но проект «Орион» не получил дальнейшего развития.

Интересно: «В СССР аналогичный проект разрабатывался в 1950–1970-х годах. Устройство содержало дополнительные химические реактивные двигатели, выводящие его на 30–40 км от поверхности Земли. Затем предполагалось включать основной ядерно-импульсный двигатель. Проект не был завершен. Реальных испытаний импульсного ЯРД с подрывом ядерных устройств не проводилось».

Китайская космическая программа предусматривает разработку и создание космического корабля с ЯРД до 2045 г. Подробности пока неизвестны.

А на каких двигателях полетит ядерный буксир? Не на ядерных. На борту будет ядерная энергетическая установка, вырабатывающая электроэнергию для ионных или плазменных двигателей – вот что будет «толкать» буксир в космосе. Подробнее об интереснейшей истории ЯЭУ я расскажу в следующей статье.

Из космоновостей.

15.10.2021 14:31

О ситуации на борту МКС

По данным Ракетно-космической корпорации «Энергия» имени С.П. Королева (входит в состав Госкорпорации «Роскосмос»), при тестировании двигателей транспортного пилотируемого корабля «Союз МС-18» произошло влияние работы двигателей на ориентацию Международной космической станции.

В результате произошло временное изменение ориентации Международной космической станции. Она была оперативно восстановлена благодаря действиям персонала Главной оперативной группы управления российским сегментом МКС.

Станции и экипажу ничего не угрожает.

На борту Международной космической станции продолжает свою работу 65-я длительная экспедиция. Отснята большая часть материалов будущего фильма в рамках научно-просветительского проекта «Вызов».

Экипаж транспортного пилотируемого корабля «Ю.А. Гагарин» (Союз МС-18) также продолжает активную подготовку к предстоящей на 17 октября 2021 года посадке. Герой России, космонавт Роскосмоса Олег Новицкий, а также участники космического полета Клим Шипенко и Юлия Пересильд провели осмотр полётных скафандров «Сокол КВ-2», проверили бортовую документацию, а также продолжают заниматься доукладкой возвращаемых на Землю грузов.

P. S.

17.10.2021 07:37
Экипаж «Вызова» вернулся на Землю

Сегодня утром, 17 октября 2021 года в 07:35:44 мск, спускаемый аппарат транспортного пилотируемого корабля «Ю.А. Гагарин» (Союз МС-18), отстыковавшегося тремя часами ранее от Международной космической станции, совершил посадку в расчётной точке на территории Казахстана. На Землю вернулся экипаж в составе Героя России, космонавта Роскосмоса Олега Новицкого и участников космического полета в рамках научно-просветительского проекта «Вызов» Клима Шипенко и Юлии Пересильд.

Все операции по спуску с околоземной орбиты и посадке прошли в штатном режиме, самочувствие экипажа хорошее. Корабль отделился от российского сегмента станции в 04:14:05 мск. Его двигательная установка в штатном режиме включилась на торможение в 06:41:46 мск, после чего он начал сход с орбиты. Вскоре после этого «Союз» разделился на три отсека, а экипаж из трех человек в спускаемом аппарате испытал перегрузки около 4g.

Сегодня же Олега Новицкого, Клима Шипенко и Юлию Пересильд доставят специальным бортом на аэродром Чкаловский (Московская область), а затем в Комплекс предстартовой подготовки и послеполетной реабилитации космонавтов (астронавтов) Звёздного городка. Реабилитация Олега Новицкого будет проходить в несколько этапов: первые 2-3 недели он проведет в Центре подготовки космонавтов, позже отправится в санаторий. Восстановление Пересильд и Шипенко после краткосрочного полета в космос составит около недели. Во вторник, 19 октября, «киноэкипаж» даст свою первую пресс-конференцию.

Поздравляем с благополучным возвращением!

15.10.2021 12:52

Как в СССР готовились к пилотируемому полету на Луну

Уникальные исторические документы, раскрывающие ранее неизвестные подробности истории освоения космоса, продолжает публиковать холдинг «Российские космические системы» (РКС, входит в Госкорпорацию «Роскосмос»). На сайте компании размещена электронная версия документа 1965 года «Автономная радиоэлектронная система управления объектом НI-Л3 (АРСУ)» с концепцией управления лунного орбитального корабля (АРСУ-ЛОК).

Подготовленный 56 лет назад инженерами научно-исследовательского института 885 (НИИ-885, сегодня — РКС) технический отчет содержит подробную информацию о формировании принципов автономной радиоэлектронной системы управления, которая должна была обеспечить запуск на Луну пилотируемого корабля с экипажем из трех человек.

Система управления лунного орбитального корабля должна была включать: оптический построитель вертикали, радиовысотомер, вычислительное устройство для обработки измерений. Также планировалось использовать средства астроориентации. Лунную кабину предполагалось оснастить универсальным радиолокационным устройством для измерения вектора скорости, высоты и оценки качества посадочной площадки, а также вычислительным устройством для обработки результатов измерения и выработки установок и команд.

По результатам исследований в НИИ-885 сформулировали несколько ключевых принципов. По мнению специалистов, автономные и неавтономные средства должны дублировать друг друга на протяжении всего полета. При этом основными средствами должны считаться автономные системы, которые могут контролироваться космонавтами.

Планировалось, что вся информация, получаемая с помощью автономных средств, должна передаваться по линии телеконтроля на Землю. Предполагалась и обратная связь: команды и установки, рассчитанные на Земле по данным неавтономных средств измерения, должны предаваться на борт космического корабля и фиксироваться в устройствах памяти.

14.10.2021 17:18

Разгонный блок «Фрегат» вывел 36 спутников One Web на орбиту

В четверг, 14 октября 2021 года, в 12:40:10 по московскому времени на космодроме Восточный состоялся пуск ракеты-носителя «Союз-2.1б» с разгонным блоком «Фрегат» и 36 космическими аппаратами спутниковой компании OneWeb. Спустя 562,5 секунды головная часть штатно отделилась от третьей ступени носителя и продолжила свой автономный полет.

Последовательное отделение девяти групп космических аппаратов от разгонного блока прошло в соответствии с циклограммой полёта. Спутники в штатном режиме выведены на целевую круговую орбиту высотой 450 километров. Дальнейший переход на орбиту высотой 1200 километров спутники осуществят с помощью своих двигателей. Зарубежные заказчики Главкосмоса подтвердили выполнение компанией контрактных обязательств. Все спутники приняты на связь заказчиком.

Данный пуск стал 101-м для разгонного блока «Фрегат».

Первые шесть спутников OneWeb отправились в космос с космодрома в Гвианском космическом центре на ракете «Союз-СТ» 28 февраля 2019 года. С Байконура 7 февраля 2020 года были выведены 34 аппарата, 21 марта — еще столько же. Впервые с Восточного OneWeb запустили в середине декабря 2020 года — тогда были выведены 36 аппаратов. Затем запуски с нового российского космодрома состоялись 25 марта, 26 апреля, 28 мая и 1 июля 2021 года, с Байконура — 22 августа и 14 сентября 2021 года.

Спутники OneWeb предназначены для создания космической системы связи, обеспечивающей предоставление высокоскоростного доступа в Интернет в любой точке планеты. Орбитальная группировка будет состоять из 18 плоскостей по 36 аппаратов в каждой. После сегодняшнего запуска группировка спутников OneWeb на низкой околоземной орбите насчитывает 358 аппаратов.

Доступ в Интернет через спутниковую систему OneWeb будет осуществляться через 40 наземных станций-терминалов, которые будут развернуты на поверхности Земли. Терминалы OneWeb будут автономными, способными самостоятельно снабжать себя энергией и хорошо защищенными от влияния неблагоприятных факторов окружающей среды.