Sw-motors.ru

Автомобильный журнал
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

DRACO: ядерный двигатель Пентагона

DRACO: ядерный двигатель Пентагона

В 60-х и 70-х годах прошлого века Соединенные Штаты и Советский Союз отчаянно пытались создать ядерный двигатель. И даже разработали несколько прототипов. Наиболее известными из них являются совместная программа НАСА и Комиссии по атомной энергетике США — NERVA, и советская программа по разработке ядерного двигателя РД-0410.

Однако ни одно из созданных устройств никогда не использовалось для полетов в космос. Почему? На это есть несколько причин. Давайте разберемся в этом вопросе. И попробуем понять — а что же происходит в этом направлении сегодня?

Что такое ядерный двигатель?

Для начала давайте разберемся, как работает тепловой ядерный двигатель. Тяга, которую развивает подобное устройство, возникает при использовании ядерного реактора деления для нагрева топлива с низкой молекулярной массой. В этом качестве предлагается использовать водород. При стремительном нагреве атомы водорода получают колоссальное количество кинетической энергии и выбрасываются с очень с высокой скоростью, создавая реактивную тягу. Все просто.

Использования силовой установки подобного типа дает огромные преимущества перед обычными ракетными двигателями. Поскольку демонстрирует высокую эффективность. Ядерный двигатель способен создавать удельные импульсы (Isp) выше 800 секунд. Для сравнения — обычная химическая тяга обычно обеспечивает Isp от 300 до 450 секунд. Разница очевидна.

Что касается недостатков, то наиболее важным из них является выброс радиоактивных материалов через сопло. Хотя это перестает быть проблемой, если двигатель запускается в космосе. Также нужно учитывать генерируемое излучение, которое может повлиять как на электронику, так и на живых существ. Еще можно отметить плохое соотношение развиваемой тяги к собственному весу изделия. Ну и высокую цену, которую нужно заплатить за ядерный двигатель.

Из плюсов можно добавить еще, что неактивированный ядерный двигатель не является радиоактивным. В отличие от тех же РИТЭГов.

Художественное представление о космическом корабле программы DRACO. Источник: DARPA.

Низкая эффективность

Но, возможно, главный недостаток ядерных тепловых двигателей заключается в том, что их эффективность, хотя она и высока, не особо впечатляет. Особенно по сравнению с другими перспективными двигательными установками. (Например, ионная двигательная установка может легко выдавать от 2000 до 5000 Isp секунд. Хотя тяга, обеспечиваемая этими типами двигателей, обычно мизерна). Этот факт стал причиной того, что космические агентства и симпатизирующие им организации посчитали, что с внедрением подобного двигателя однозначно возникнут трудности. И его недостатки не перевешивают его преимуществ.

Но ситуация может скоро измениться. Потому что в 2020 году управление перспективных исследований Министерства обороны США DARPA запустило программу DRACO. Ее цель — разработать тепловой ядерный двигатель. Который можно было бы использовать для полетов в окололунное пространство.

Прототипы советского теплового двигателя РД-0410 (слева) и американского NERVA (справа). Из открытых источников.

9 апреля 2021 года DARPA заключило контракт на сумму 22 миллиона долларов с компанией General Atomics на разработку компактного ядерного реактора, который может быть использован в ядерном двигателе. Удельная масса этого устройства должна быть аналогичной таковой у обычного химического двигателя. Но Isp должен быть от двух до пяти раз выше.

У General Atomics есть полтора года, чтобы спроектировать подходящий реактор для программы на первом этапе. Реактор должен быть типа HALEU (High-Assay Low-Enriched Uranium), то есть в нем будет 20% урана-235. Предположительно, в окончательной конструкции будет использоваться твердый сердечник. Такой же, как тот, что использовался в программах 1960-х годов. Но не жидкий или газовый сердечник. Да, их использование, в принципе, может значительно повысить эффективность двигателя. Однако сильно усложнит конструкцию.

Лунный корабль

Позже DARPA объявило и о контрактах на разработку корабля программы DRACO. В соответствии с опубликованной информацией, компания Lockheed Martin получила 2,9 миллиона долларов, а Blue Origin — 2,5 миллиона. Обе компании приступят к разработке своих концепций кораблей после того, как General Atomics завершит проектирование реактора.

Концепция пилотируемого космического корабля с двумя ядерными двигателями для полета на Марс из ныне несуществующей программы NASA Constellation. Источник: НАСА.

Однако совершенно очевидно, что этих денег недостаточно для создания космического корабля, на котором будет установлен тепловой ядерный двигатель. Скорее всего, речь идет лишь об этапе эскизного проектирования.

Как уже говорилось в начале этой статьи, ядерные двигатели не опасны, если запускаются в отключенном состоянии на орбиту. Но после запуска все меняется. И нужно быть очень осторожным, чтобы они не попали в атмосферу Земли.

Программа DRACO — не единственная инициатива США по возрождению ядерных тепловых двигателей. НАСА тоже имеет свою собственную программу. Ее цель — тоже разработать ядерный двигатель. И НАСА даже заключило контракт на 9,4 миллиона долларов с компанией BWX Technologies, которая должна определить общие параметры конструкции реактора нового ядерного двигателя.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

NASA может отправить людей на Марс при помощи ядерного двигателя. Это не опасно?

Аэрокосмическое агентство NASA хочет высадить людей на Марсе к 2035 году. Для этого ему необходимо разработать космический корабль, который сможет пролететь 55 миллионов километров. По расчетам исследователей, в лучшем случае преодоление этого пути займет 7-8 месяцев. За это время может произойти что угодно, начиная от конфликта между членами экипажа и заканчивая получением смертельной дозы космической радиации. Поэтому чем быстрее аппарат сможет доставить людей на далекую планету, тем лучше. Представители компании Ultra Safe Nuclear Technologies (USNC-Tech) предложили оснастить космический корабль ядерным двигателем. По их мнению, благодаря ему достигнуть Марса можно будет всего лишь за 3 месяца. Но насколько безопасно отправлять в космос ядерный реактор? Ведь члены экипажа корабля могут пострадать от его излучения, да и во время запуска он может попросту взорваться. Компания уже придумала, как сделать ядерный двигатель максимально безопасным.

Ядерный двигатель может ускорить полеты на Марс

Ядерный двигатель для космического корабля

По словам главы USNC-Tech Майкла Идса (Michael Eades), ядерный двигатель будет более эффективен для полетов на дальние планеты, чем химический двигатель. Как минимум, он позволит быстро преодолевать большие расстояния, сжигая меньше топлива. Использование меньшего количества топлива должно заметно снизить стоимость космических полетов. А быстрый полет сократит время воздействия космической радиации на организмы членов экипажа корабля. Люди еще ни разу не летали на далекие планеты. Но считается, что космическая радиация может вызвать лучевую болезнь, повысить риск возникновения рака в течение жизни и разрушить нервную систему человека.

Читать еще:  405 двигатель работает как дизель

К тому же, быстрый полет повышает вероятность успеха миссии:

Чем дольше люди будут находиться в полете, тем больше вероятность, что что-то пойдет не так, — объяснил Джефф Шихи, главный инженер Управления космических технологий NASA.

Как работает ядерный двигатель?

О том, как работает ядерный двигатель, вкратце рассказало издание CNN. Сперва ядерный реактор вырабатывает тепло из уранового топлива. Затем полученная тепловая энергия нагревает жидкое топливо, роль которого обычно играет жидкий водород. Топливо расширяется в газ и выбрасывается из сопла, создавая тягу. Ядерный двигатель производит вдвое большую тягу на единицу топлива, чем двигатели на основе химических процессов.

Впервые об использовании ядерных двигателей в космосе задумались в XX веке

Но чтобы использовать ядерный двигатель в космосе, нужно найти урановое топливо, которое способно выдерживать высокие температуры внутри двигателя. Компания USNC-Tech уверяет, что разработало топливо, которое может работает даже при 4400 градусах Цельсия. Оно содержит карбид кремния, который часто используется в качестве покрытия для элементов ядерного топлива в реакторах с высокими температурами.

Примерно так будет выглядеть производство ракетных двигателей USNC-Tech

Опасность ракетных двигателей

Итак, компания смогла разработать подходящее топливо. Но как защитить членов экипажа корабля от радиации? По словам Майкла Идса, хранящееся между двигателем и жилым сегментом корабля жидкое топливо должно хорошо блокировать радиоактивные частицы. При проектировании корабля важно будет сделать так, чтобы будущие колонисты Марса находились как можно дальше от реактора. И все, проблему можно считать решенной.

Ядерная двигательная установка USNC-Tech

А чтобы ядерный двигатель не навредил людям во время взлета, запуск корабля предлагается осуществлять с космоса. Корабль будет выводиться на земную орбиту обычной ракетой и только потом будет включать ядерный реактор. Если катастрофа произойдет во космосе, радиоактивные вещества будут двигаться настолько медленно, что достигнут Земли или других планет только спустя десятки тысяч лет. За это время они уже утратят свои вредные свойства.

Запуск космического корабля предлагается осуществлять вне Земли, потому что так безопаснее

Агентство NASA уже должна быть в курсе об идее компании USNC-Tech. Если она будет принята, в будущем полет на Марс будет заниматься всего лишь около 90 дней. В случае, если технология окажется безопасной и эффективной, ядерные двигатели можно будет использовать даже в сфере космического туризма. Ведь в будущем людям явно будут доступны не только путешествие вокруг земной орбиты, но и экскурсии в далекие планеты.

Если вам интересны новости науки и технологий, подпишитесь на наш Telegram-канал. Там вы найдете анонсы свежих новостей нашего сайта!

Об использовании ядерных двигателей агентство NASA размышляет уже давно. О преимуществах ядерных двигателей ранее уже рассказывалось в этой статье. Также в ней говорится о других технологиях, которые могут ускорить космические путешествия.

Космическая пыль в глаза? «Роскосмос» начал строить межпланетный корабль

На первый взгляд, разработка ведущих учёных не найдёт применения в ближайшие годы, но торопиться с выводами всё же не стоит.

Коллаж LIFE. Фото © Арсенал, © Shutterstock

Когда никто не понимает

Заявления «Роскосмоса» о том, что в России началось строительство марсианского корабля, не все встретили с воодушевлением. На волне критики проекта значительная часть комментариев была сосредоточена на том, что ни СССР, ни Россия не смогли отправить экспедицию на Луну, а сейчас говорят про целый Марс. В этой истории нужно разбираться по порядку, и сразу стоит отметить, что экспедиционный комплекс, о котором рассказали ещё летом 2020 года, — это конструкция не столько для Марса или любой другой планеты, сколько для всего сразу.

Возвращение «Бурана». Для чего Россия реанимирует уникальный проект?

Корабль «Нуклон» — это огромный космический грузовик массой почти в 600 тонн, собрать который до настоящего момента не позволял уровень технологического развития не какой-то отдельной страны, а человечества в целом. По сути, главная задача комплекса, создаваемого исследовательским центром имени М.В. Келдыша и конструкторским бюро «Арсенал», — привезти людей туда, куда они хотят, не ограничиваясь при этом какой-то конкретной точкой. Но построить такое устройство — задача не из лёгких.

Инженер-ракетостроитель, популяризатор космонавтики и блогер Дмитрий Конаныхин отметил, что, несмотря на сложность, эту задачу «Роскосмос» будет вынужден решать и успехи в этом направлении уже есть.

Ни на одном другом двигателе в космосе активно не полетать. Радиация, которую, например, в NASA очень долго не принимали в расчёт, заставляет либо строить защищённые корабли, либо двигаться очень быстро. Поэтому выбор энергетической установки, которая электричеством разгоняет некий газ — в данном случае ксенон, — оптимальна для таких полётов. Что касается предназначения корабля, это освоение дальнего космоса, которое является определяющим для человечества

Инженер-ракетостроитель, популяризатор космонавтики

» ratio=»1/1″ src=»https://static.life.ru/publications/2020/9/12/810009712137.1768.jpg» loading=»lazy» />

» ratio=»1/1″ src=»https://static.life.ru/publications/2020/9/12/810009712137.1768.jpg» loading=»lazy» />

Как это работает?

С технической точки зрения «Нуклон» — самый передовой космический корабль, когда-либо создаваемый человечеством. И это не просто громкие слова. При работе над проектом пришлось заново понимать и изучать физику, химию, ненавистный многим докторам наук сопромат и много чего ещё. Отдельно стоит остановиться на том, что будет двигать «Нуклон» к выбранной планете. По сути, новый корабль будет почти точной копией «Ностромо» из фильма «Чужой» — ядерный двигатель на высокообогащённом уране будет «пропускать» через себя гелий-ксеноновый теплоноситель. Он, в отличие от воды, пара или щелочных металлов (например, натрия), обладает гораздо большей эффективностью.

Читать еще:  M15a сколько масла в двигатель

Сражение за космос. «Морской старт» выставят против Илона Маска

Ядерная электродвигательная установка, созданием которой занимаются как в центре им. Келдыша, так и в других крупных учреждениях России, даст практически неограниченный запас электроэнергии и позволит выводить корабль в нужные точки максимально быстро. Есть мнение, что при удачном запуске (когда Земля и Марс будут на минимальном расстоянии друг от друга) такой двигатель может сократить путь до Красной планеты до полугода. Таких двигателей (или похожих, но с той же мощностью) в корме «Нуклона» может быть несколько, и причина использования больше чем одного агрегата в качестве разгонного блока одна — сократить время пребывания человека в космосе и как можно быстрее «проскочить» такие опасные участки, как радиационные пояса Ван Аллена.

И как его собрать?

Заявляется, что отправиться в свою первую миссию «Нуклон» сможет через десять лет. На рубеже 2030–2035-х годов. Единственный вопрос состоит в том, что через десять лет для сборки «Нуклона» на орбите должна быть готова целая космическая группа, состоящая как из высококлассных специалистов, так и из сотен ракет, верхом на которых с Земли будут доставляться модули корабля. Пока ядерный планетолёт находится в стадии создания отдельных деталей и узлов, но на ключевые вопросы специалисты российской космической промышленности отвечать не торопятся. А вопросов между тем немало, и почти все они — боль российской космонавтики.

«Сокол» был лишь ширмой. Илон Маск может построить систему противоракетной обороны для США

  • Вопрос номер один. Если верить рабочей документации, найденной на официальном сайте «Роскосмоса», сборку корабля планируют проводить в четыре этапа. Для каждого из них потребуется вывод на орбиту десятков ракет-носителей, поскольку собрать корабль массой в 600 тонн — это не то же самое, что и вывести на орбиту спутник навигационной системы. В госкорпорации признают, что выведение сборочных модулей на орбиту возможно при использовании ракет «Ангара» или «Протон». Но есть проблема. На самой мощной «Ангаре» можно вынести в космос максимум 35 тонн полезной нагрузки. Это значит, что для начала сборки «Нуклона» потребуется не менее 18, а с запасом на аварии и отказы — не менее 20 пусков самой тяжёлой и самой дорогой версии ракеты «Ангара». Удешевить пуски могла бы многоразовая ракета, например «Союз-СПГ» (она же «Амур»), но ждать её создания в горизонте пяти лет не стоит.

  • Вопрос номер два. Условные космические пуски для вывода конструкции мы уже посчитали, но как и с помощью чего осуществлять сборку? Тут мог бы помочь ракетоплан «Буран», а точнее, его реинкарнация, над которой в данный момент начинают работать в «Роскосмосе». Да, в документах госкорпорации упоминаются и корабли «Прогресс», но их придётся делать быстро и очень массово, и под них же придётся наращивать количество пусков. Вполне вероятно, что к началу сборки «Нуклона» на орбите подоспеет и российский космический грузовик «Арго», создаваемый «частниками» из МТКС, и, возможно, первая в истории России частная ракета-носитель.

Битва за космос. Первая война на Луне может начаться уже до конца десятилетия

Если самые очевидные варианты со сборкой «Нуклона» на орбите не сработают, то есть и резервный план — Международная космическая станция. Но здесь велика вероятность, что к тому моменту, как на орбиту начнут возить модули ядерного межпланетного корабля, МКС просто перестанет существовать. Слухи о том, что США могут в ближайшие годы выйти из проекта, не лишены оснований, а «держать» такой объект до готовности «Нуклона» в одиночку Россия не сможет. Доктор технических наук, специалист по эксплуатации высокоорбитальных спутниковых систем Андрей Палий объяснил, что до начала сборки «Нуклона» придётся решить несколько важных проблем, работу над которыми откладывали десятилетиями.

У меня есть ощущение, что, как только работа закипит, сразу станет ясна экономика обычных ракет. И «Союзы», и «Зениты», над которыми мы работали в «Южном», окажутся ненужными, слишком сложными. Производственный цикл будет замкнут на многоразовость, на то, чтобы не тратить время. «Нуклон» — сложный инженерный объект, и собирать его на орбите нужно будет быстро, поэтому если так навскидку, то под его создание понадобится челнок с манипулятором, несколько кораблей и какой-то штаб — вероятно, МКС подойдёт. Но я думаю, до конца пока никто не понимает, как это будет работать

Доктор технических наук, специалист по эксплуатации высокоорбитальных спутниковых систем

Для чего он нужен?

О коммерческой окупаемости «Нуклона» речь не идёт. Во всяком случае, пока. Известны лишь суммы, которые будут потрачены на его проектирование, — это примерно четыре миллиарда рублей. Бывший научный сотрудник и руководитель подразделения американской компании Orbital Sciences Денис Савченков пояснил, что итоговая стоимость «Нуклона» будет зависеть от того, какими модулями его оснастят.

Россия готовит ядерный двигатель для покорения космоса

В недавнем прошлом покорение космоса было прерогативой избранных стран, способных создать высокоорганизованные производственные цепочки на базе развитой промышленности и научных институтов. Однако сегодня в космосе уже тесновато.

Орбитальная станция теперь, например, есть и у Китая. После 2030 года китайцы хотят завести собственную лунную базу. К этому же времени на спутнике Земли хотят обосноваться европейцы. Даже индусы и японцы строят свои амбициозные планы по покорению космоса.

На орбите не протолкнуться — спутники запускают малазийцы, испанцы, индонезийцы и господа из Пакистана.

Но первопроходцев больше нет. Сегодня в кармане у каждого игрушка с вычислительными возможностями суперкомпьютера из 80-х годов и цветной фотокамерой с зумом, как у хорошего полевого бинокля, и создается впечатление, что не так уж и сложно сконструировать автоматическую двигающуюся платформу и с помощью технологий прошлого века запустить ее к Марсу.

«Луноход-1» на спутнике Земли, «Марс-2» и «Викинг-1» на Красной планете — это были прорывы 70-х годов XX столетия. Марсоход «Кьюриосити» в 2016 году — это уже, простите, банальность. Уже почти четыре десятилетия человечество топчется на месте, тщательно пережевывая результаты смелых открытий прошлого.

Читать еще:  Включаю печку растет температура двигателя

Не от того ли, что нация первопроходцев и колонизаторов вынуждена была на долгое время заняться наведением порядка в своих внутренних пределах, отвернув свой взор от звездных сфер?

Электрический ракетный двигатель

Что интересно, если в лице России человечество все еще использует химические ракетные двигатели, то в лице большинства других стран оно даже не сумело их разработать, а в случае со Штатами даже разучилось их строить. Технологическое развитие на планете, очевидно, неравномерно.

Меж тем химические ракетные двигатели безнадежно устарели. Если в качестве способа вывода полезного груза на орбиту они себя хоть еще как-то оправдывают, то человечество, устремляющееся хотя бы к Луне на струе топлива, — это смешно.

А ведь давно уже изобретены разнообразные электрические ракетные двигатели ( ЭРД ). Они, например, используются для корректировки орбиты искусственных спутников. Их удельный импульс варьируется в широком диапазоне от 10 до 210 км/с, в то время как удельный импульс химических ракетных двигателей едва ли превышает значение в 4500 м/c. Также они гораздо более экономичны в использовании топлива, чем ЭРД, однако имеют чрезвычайно низкую тягу, что не позволяет их использовать, например, для подъема большого количества полезной нагрузки с поверхности Земли. Зато они отлично себя чувствуют в космосе.

Удовлетвори чудовищную потребность ЭРД в электричестве, и он потащит тонны груза со скоростью, недоступной любой современной ракете. Однако, к сожалению, виду того, что на орбиту пока не провели газопровода и там нет залежей угля, для питания ЭРД используют солнечные батареи, весьма и весьма ограниченные по мощности выработки электроэнергии.

Ядерный реактор

Для ЭРД отлично бы подошел ядерный реактор в качестве электростанции по выработке электричества. Подобные устройства способны работать по десятку лет без перезагрузки топливом и благодаря последним разработкам получили изрядную автономность длительностью около года.

Единственная проблема заключается лишь в том, что ядерный реактор выглядит примерно так:

Никто еще не создавал мощной атомной установки достаточно малых габаритов, чтобы она сгодилась для работы в космосе.

Чтобы обеспечить высокую длительность службы при малых габаритах рабочей зоны, пришлось бы использовать высокообогащенный уран, из-за чего вырастет и температура эксплуатации — примерно до 1200 градусов Цельсия, тогда как сталь плавится при 1500 градусах. Для работы при таких температурах вода, которая используется в обычных реакторах, уже не подходит. Тут нужен особый теплоноситель типа гелий-ксеноновой смеси, а чтобы все это циркулировало, требуется особый материал, из которого будут изготавливаться трубы, — молибденовый сплав.

Ну и сам реактор, естественно, на быстрых нейтронах.

Кстати, а кто у нас сейчас эксплуатирует реакторы на быстрых нейтронах? В мире осталось всего четыре научно-исследовательских реактора такого типа: два у России, один у Индии и еще один недавно мы помогли построить Китаю. Промышленных реакторов и вовсе только два, и оба у России. Остальные в США, Германии, Франции, Великобритании были закрыты, и там к идее их реинкарнации больше не возвращались.

В России тоже шли споры и дискуссии на тему того, зачем нам сложные, дорогие реакторы на быстрых нейтронах, если можно создавать обычные. Но тот, кто отказывается от научных изысканий, отказывается от будущего: главное преимущество быстрых реакторов в том, что топлива для них человечеству хватит на тысячи и десятки тысяч лет.

Ядерная энергодвигательная установка

Вот так получается, что Россия обладает технологиями, необходимыми для создания электрических ракетных двигателей — еще в Советском Союзе конструировались и испытывались самые разнообразные из них. Также мы умеем создавать компактные атомные установки, и мы лучше всех разбираемся в ядерных реакторах на быстрых нейтронах. Да и к тому же являемся одним из мировых лидеров в космической отрасли.

Но самое главное – у нас есть серьезная научная и промышленная база, для того чтобы все эти технологии воплотить в готовом изделии.

И вы знаете, мы так и сделали: с 2009 года в России разрабатывается ядерная энергодвигательная установка (ЯЭДУ) мегаваттного класса.

Мегаваттный класс — это характеристика ее мощности. Мы помним, что для развития электрическим ракетным двигателям нормальной тяги требуется серьезное количество электроэнергии.

В ближайшее время отдельные части установки отправятся на МКС, чтобы можно было провести испытания в реальных условиях космоса. В целом работы планируется завершить в 2018 году.

Прорыв

Так ли уж важен этот ЯЭДУ?

Полет до Марса на химических ракетных двигателях теоретически занимает полтора года в одну сторону. Обратно мы пока не можем вернуться даже в теории. Но если мы решим проблему с возвращением, такой трехлетний пилотируемый полет превратится в поход аргонавтов, только без золотого руна, но зато с превозмоганием и прочим героизмом. Ядерная энергодвигательная установка мегаваттного класса же в составе соответствующего космического корабля позволяет обернуться примерно за три месяца.

Она же может быть использована для создания космического буксира, который будет способен возить грузы и людей с лунной орбиты на земную, причем не по трое суток, как на химических ракетных двигателях, а за 7–8 часов, словно из Санкт-Петербурга до Москвы на поезде.

ЯЭДУ найдется место и у Земли — чистить орбиты от космического мусора. Это, между прочим, прозаичная, но весьма серьезная в деле покорения космоса проблема.

Вперёд к звездам!

Понятно, что ядерная энергодвигательная установка — это только двигатель. К нему необходим еще космический корабль, создание которого требует не только применения разнообразных высоких технологий, но и очень и очень серьезных капиталовложений.

Хорошая задача для России и стран БРИКС, не правда ли?

Подписывайтесь на наш канал в Telegram

Если заметили ошибку, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector