Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Эскиз ядерной тепловой ракеты с твердым ядром деления с отводным турбонасосом
1 декабря 1967: Первый наземный экспериментальный ядерный ракетный двигатель (XE) в сборе показан здесь в конфигурации "холодного потока", когда он прибывает поздно вечером на стенд для испытаний двигателей № 1 в Jackass Flats , Невада . Двигатель находится на левом заднем плане со структурой щита на среднем / переднем плане.

Ядерный ракетный двигатель ( NTR ) представляет собой тип тепловой ракеты , где тепло от ядерной реакции , часто ядерное деление , заменяет химическую энергию ракетного топлива в химической ракете . В NTR рабочая жидкость , обычно жидкий водород , нагревается до высокой температуры в ядерном реакторе, а затем расширяется через сопло ракеты, создавая тягу . Внешний ядерный источник тепла теоретически обеспечивает более высокую эффективную скорость истечения и ожидается, что полезная нагрузка увеличится вдвое или втрое по сравнению с химическим топливом, накапливающим энергию внутри.

NTR были предложены в качестве технологии силовой установки космических кораблей , первые наземные испытания проводились в 1955 году. США поддерживали программу разработки NTR до 1973 года, когда она была закрыта, чтобы сосредоточиться на разработке космических шаттлов . Хотя было построено и испытано более десяти реакторов различной мощности, по состоянию на 2020 год ни одна ядерная тепловая ракета не летала. [1]

В то время как все ранние приложения для ядерных тепловых ракетных двигателей использовали процессы деления , исследования в 2010-х годах перешли на методы термоядерного синтеза . Direct Fusion Drive проект в Принстонской лаборатории физики плазмы является одним из таких примеров, хотя «энергия положительная фьюжн остается неуловимым». В 2019 году Конгресс США одобрил выделение 125 миллионов долларов США на разработку ядерных тепловых двигателей. [1]

История [ править ]

Еще в 1944 году Станислав Улам и Фредерик де Хоффманн обдумывали идею управления мощностью ядерных взрывов для запуска космических аппаратов. [2] После Второй мировой войны американские военные начали разработку межконтинентальных баллистических ракет на основе немецких ракет Фау-2 . Некоторые большие ракеты были предназначены для нести ядерные боеголовки с ядерными двигательными установками. [2] Еще в 1946 году секретные отчеты были подготовлены для ВВС США в рамках проекта NEPA компанией North American Aviation и компанией Douglas Aircraft Company 's Project Rand .[3] Эти новаторские отчеты идентифицировали реакторный двигатель, в котором рабочая жидкость с низкой молекулярной массой нагревается с использованием ядерного реактора, как наиболее многообещающую форму ядерной силовой установки, но выявили многие технические проблемы, которые необходимо было решить. [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11]

В январе 1947 года, не подозревая об этом засекреченном исследовании, инженеры Лаборатории прикладной физики опубликовали свое исследование ядерной энергетической установки, и их отчет в конечном итоге был засекречен. [12] [2] [13] В мае 1947 года китайский ученый, получивший образование в Америке, Сюэ-Шэнь Цзянь представил свое исследование «тепловых струй», питаемых ядерным реактором с пористым графитовым замедлителем, на семинарах по ядерной науке и технике LIV, организованных Массачусетский технологический институт . [14] [13]

В 1948 и 1949 годах физик Лесли Шеперд и ученый-ракетчик Вэл Кливер выпустили серию новаторских научных статей, в которых рассматривались возможности применения ядерных технологий в межпланетных путешествиях . В статьях рассматривались как ядерно-тепловые, так и ядерно-электрические двигательные установки. [15] [16] [17] [18]

Типы ядерного топлива [ править ]

Ядерную тепловую ракету можно разделить на категории по типу реактора, от относительно простого твердотельного реактора до гораздо более сложного в строительстве, но теоретически более эффективного реактора с газовой активной зоной. Как и во всех конструкциях тепловых ракет , вырабатываемый удельный импульс пропорционален квадратному корню из температуры, до которой нагревается рабочая жидкость (реакционная масса). Чтобы добиться максимальной эффективности, температура должна быть как можно более высокой. Для данной конструкции температура, которая может быть достигнута, обычно определяется материалами, выбранными для конструкций реактора, ядерного топлива и оболочки твэла. Эрозия также вызывает беспокойство, особенно потеря топлива и связанные с этим выбросы радиоактивности. [ необходима цитата ]

Solid core [ править ]

NERVA твердого сердечника конструкции

Ядерные реакторы с твердой активной зоной работают на соединениях урана, которые существуют в твердой фазе в встречающихся условиях и подвергаются ядерному делению для высвобождения энергии. Летные реакторы должны быть легкими и выдерживать чрезвычайно высокие температуры, поскольку единственным доступным теплоносителем является рабочая жидкость / топливо. [1] Ядерный двигатель с твердым сердечником - это самая простая в конструкции конструкция, и эта концепция используется во всех испытанных NTR. [ необходима цитата ]

Рабочие характеристики реактора с твердой активной зоной в конечном итоге ограничиваются свойствами материала, включая температуру плавления , материалов, используемых в ядерном топливе и корпусе реактора под давлением . Ядерные реакции могут создавать гораздо более высокие температуры, чем обычно выдерживают большинство материалов, а это означает, что большая часть потенциала реактора не может быть реализована. Кроме того, поскольку охлаждение обеспечивается топливом, только все остаточное теплоОставшиеся после остановки реактора должны быть отправлены в космос - медленный процесс, который подвергнет топливные стержни экстремальным температурным нагрузкам. Во время работы температуры на поверхностях твэлов находятся в диапазоне от 22 К допустимого топлива до 3000 К на выходе. При длине топливного стержня 1,3 м это обязательно вызовет растрескивание оболочки, если коэффициенты расширения не будут точно согласованы во всех компонентах реактора. [ необходима цитата ]

Использование водорода в качестве газа - вытеснителя, твердый сердечник конструкции, как правило , обеспечивают определенные импульсы (I SP ) от порядка от 850 до 1000 секунд, что примерно вдвое больше , чем жидкий водород - кислород конструкций , таких как главный двигатель Space Shuttle . Также были предложены другие пропелленты, такие как аммиак, вода или LOX , но эти пропелленты обеспечат пониженную скорость выхлопа и производительность при незначительном снижении стоимости топлива. Еще одним признаком в пользу водорода является то, что при низких давлениях он начинает диссоциировать примерно при 1500 K, а при высоких давлениях около 3000 K. Это снижает массу выхлопных газов, увеличивая I sp . [цитата необходима ]

Ранние публикации сомневались в космическом применении ядерных двигателей. В 1947 году укомплектованный ядерный реактор был настолько тяжелым, что ядерные тепловые двигатели с твердой активной зоной были бы совершенно неспособны [19] достичь соотношения тяги к весу 1: 1, необходимого для преодоления гравитации Земли при запуске. В течение следующих двадцати пяти лет американские ядерные тепловые ракеты в конечном итоге достигли отношения тяги к массе примерно 7: 1. Это по-прежнему намного более низкое соотношение тяги к весу, чем то, что можно получить с помощью химических ракет, у которых отношение тяги к весу составляет порядка 70: ​​1. В сочетании с большими резервуарами, необходимыми для хранения жидкого водорода, это означает, что ядерные тепловые двигатели с твердым сердечником лучше всего подходят для использования на орбите за пределами Земли.гравитационный колодец , не говоря уже об избежании радиоактивного загрязнения, которое могло бы произойти в результате использования в атмосфере [1] (если использовалась конструкция «открытого цикла», в отличие от конструкции «закрытого цикла» с более низкими характеристиками, где не было возможности утечки радиоактивных материалов с ракетным топливом [20] ).

Одним из способов повышения рабочей температуры реактора является замена тепловыделяющих элементов. Это основа реактора со слоем частиц, который питается от ряда (обычно сферических) элементов, которые «плавают» внутри водородной рабочей жидкости. Вращение всего двигателя могло предотвратить выброс топливного элемента из сопла. Считается, что эта конструкция способна увеличить удельный импульс примерно до 1000 секунд (9,8 кН · с / кг) за счет увеличения сложности. Такая конструкция могла бы иметь общие элементы конструкции с реактором с галечным слоем , некоторые из которых в настоящее время вырабатывают электричество. [ необходима цитата ] С 1987 по 1991 год Управление SDI финансировало проект Timberwind., невращающаяся ядерная тепловая ракета, основанная на технологии слоя частиц. Перед тестированием проект был закрыт. [ необходима цитата ]

Импульсная ядерная тепловая ракета [ править ]

Основная статья: Импульсная ядерная тепловая ракета
Концепция элементарной импульсной ядерной тепловой ракетной ячейки для усиления I sp . В этой ячейке водородное топливо нагревается непрерывными интенсивными импульсами нейтронов в каналах топлива. В то же время нежелательная энергия от осколков деления удаляется через отдельный канал охлаждения с литием или другим жидким металлом.

Импульсная ядерная тепловая ракета (не путать с ядерной импульсной двигательной установкой , которая представляет собой гипотетический метод приведения в движение космического корабля , использующий ядерные взрывы для тяги ) - это тип твердой ядерной тепловой ракеты для усиления тяги и удельного импульса ( I sp ). [21] Согласно этой концепции, обычный твердотельный ядерный реактор ядерного деления может работать как в стационарном, так и в импульсном режиме, во многом как реактор TRIGA . Потому что время пребыванияЕсли топливо в камере короткое, значительное увеличение энергии достигается за счет импульсного воздействия на ядро ​​ядра, что может увеличить тягу за счет увеличения массового расхода топлива. Однако наиболее интересной особенностью является возможность получения очень высоких температур топлива (выше, чем у топлива), а затем большого увеличения скорости истечения. Это связано с тем, что, в отличие от обычного стационарного твердого НТР, топливо нагревается интенсивным потоком нейтронов.от пульсации, которая напрямую передается от топлива к топливу в виде кинетической энергии. Путем пульсации активной зоны можно получить пропеллент, более горячий, чем топливо. Однако, в отличие от классических ядерных тепловых ракет (включая жидкостные и газовые ядерные ракеты), тепловая энергия от распада дочерних элементов деления нежелательна. [ необходима цитата ]

Гипотетически достижимы очень высокие мгновенные температуры пороха с помощью пульсации твердого ядерного ядра, что ограничивается только быстрым радиационным охлаждением после пульсации. [ необходима цитата ]

Жидкое ядро [ править ]

Ядерные двигатели с жидким сердечником работают на смеси делящихся элементов в жидкой фазе . Двигатель с жидким сердечником предлагается для работы при температурах выше точки плавления твердого ядерного топлива и оболочки, при этом максимальная рабочая температура двигателя вместо этого определяется корпусом реактора и материалом отражателя нейтронов . Ожидается, что более высокие рабочие температуры обеспечат удельную импульсную мощность порядка 1300–1500 секунд (12,8–14,8 кН · с / кг). [ необходима цитата ]

Реактор с жидкой активной зоной было бы чрезвычайно сложно построить с использованием современных технологий. Одна из основных проблем заключается в том, что время реакции ядерного топлива намного больше, чем время нагрева рабочего тела. Если ядерное топливо и рабочая жидкость физически не разделены, это означает, что топливо должно удерживаться внутри двигателя, в то время как рабочая жидкость может легко выходить через сопло. Одно из возможных решений - вращать смесь топливо / жидкость на очень высоких скоростях, чтобы вытеснить топливо с более высокой плотностью наружу, но это подвергнет корпус реактора под давлением максимальной рабочей температуре, увеличивая массу, сложность и движущиеся части. [ необходима цитата ]

Альтернативная конструкция с жидким сердечником - ядерная ракета с морской водой . В этой конструкции вода является рабочим телом, а также замедлителем нейтронов . Ядерное топливо не сохраняется, что резко упрощает конструкцию. Однако ракета будет сбрасывать огромное количество чрезвычайно радиоактивных отходов и может безопасно эксплуатироваться только за пределами земной атмосферы и, возможно, даже полностью за пределами земной магнитосферы . [ необходима цитата ]

Газовое ядро [ править ]

Схема ракетного двигателя замкнутого цикла с ядерным газовым сердечником, ядерная "лампочка"
Схема ракетного двигателя открытого цикла с ядерным газовым сердечником

Окончательная классификация деления - двигатель с газовым сердечником . Это модификация конструкции с жидкой активной зоной, в которой используется быстрая циркуляция жидкости для создания тороидального кармана из газообразного уранового топлива в середине реактора, окруженного водородом. В этом случае топливо вообще не соприкасается со стенкой реактора, поэтому температура может достигать нескольких десятков тысяч градусов, что дает удельные импульсы от 3000 до 5000 секунд (от 30 до 50 кН · с / кг). В этой базовой конструкции, «открытом цикле», потери ядерного топлива было бы трудно контролировать, что привело к исследованиям «закрытого цикла» или двигателя с ядерной лампочкой , где газообразное ядерное топливо содержится в сверхвысоком -температурный кварцемкость, по которой течет водород. Двигатель с замкнутым циклом на самом деле имеет гораздо больше общего с конструкцией с твердым сердечником, но на этот раз ограничено критической температурой кварца, а не топлива и оболочки. Хотя конструкция с замкнутым циклом менее эффективна, чем конструкция с открытым циклом, ожидается, что она будет обеспечивать удельный импульс длительностью около 1500–2000 секунд (15–20 кН · с / кг). [ необходима цитата ]

Конструкции деления твердой активной зоны на практике [ править ]

KIWI A Prime ядерный ракетный двигатель на тепловых нейтронах

Советский Союз и Россия [ править ]

Советский РД-0410 прошел серию испытаний на ядерном полигоне под Семипалатинском . [22] [23]

В октябре 2018 года Российский Центр Келдыша подтвердил успешное наземное испытание радиаторов отходящего тепла для ядерного космического двигателя, а также предыдущие испытания топливных стержней и ионных двигателей . [ необходима цитата ]

Соединенные Штаты [ править ]

Воспроизвести медиа
Видео Министерства энергетики США о ядерных тепловых ракетах.

Разработка NTR с твердой активной зоной началась в 1955 году под эгидой Комиссии по атомной энергии (AEC) как Project Rover и продолжалась до 1973 года. [1] Работа над подходящим реактором проводилась в Лос-Аламосской национальной лаборатории и в зоне 25 на полигоне в Неваде . В результате этого проекта появилось четыре основных дизайна: KIWI, Phoebus, Pewee и Nuclear Furnace. Было испытано двадцать отдельных двигателей, суммарная наработка которых составила более 17 часов. [24]

Когда в 1958 году было создано НАСА , ему были предоставлены полномочия по всем неядерным аспектам программы Rover. В то же время для обеспечения сотрудничества с AEC и разделения секретной информации было создано Управление космических ядерных двигателей (SNPO). Программа NERVA 1961 года должна была привести к освоению космоса ядерными тепловыми ракетными двигателями. В отличие от работы AEC, которая была направлена ​​на изучение конструкции самого реактора, цель NERVA заключалась в создании настоящего двигателя, который можно было бы использовать в космических миссиях. Базовая конструкция NERVA с тягой 75 000 фунтов-силы (334 кН) была основана на серии KIWI B4. [ необходима цитата ]

Проверенные двигатели включали Kiwi, Phoebus, NRX / EST, NRX / XE, Pewee, Pewee 2 и Nuclear Furnace. Постепенно более высокая плотность мощности привела к появлению Pewee. [24] Испытания усовершенствованной конструкции Pewee 2 были отменены в 1970 году в пользу более дешевой ядерной печи (NF-1), и американская ядерная ракетная программа официально завершилась весной 1973 года. В ходе этой программы NERVA накопила более 2 часа работы, в том числе 28 минут на полной мощности. [1] SNPO рассматривает NERVA как последний реактор для разработки технологий, необходимый для создания летных прототипов. [ необходима цитата ]

Ряд других твердотопливных двигателей также в некоторой степени изучен. Малый ядерный ракетный двигатель, или SNRE, был разработан в Лос-Аламосской национальной лаборатории (LANL) для использования на разгонных ступенях как на беспилотных пусковых установках, так и на космических челноках . Он имел раздельное сопло, которое можно было повернуть в сторону, что позволило ему занимать меньше места в грузовом отсеке Shuttle. Конструкция обеспечивала тягу 73 кН и работала с удельным импульсом 875 секунд (8,58 кН · с / кг), и планировалось увеличить это значение до 975 секунд, достигнув массовой доли около 0,74 по сравнению с 0,86 для SSME. , один из лучших обычных двигателей. [ необходима цитата ]

Схожим проектом, который претерпел некоторые доработки, но так и не дошел до стадии прототипа, был Дамбо. Дамбо был похож на KIWI / NERVA по концепции, но использовал более передовые методы строительства, чтобы снизить вес реактора. Реактор Дамбо состоял из нескольких больших бочкообразных труб, которые, в свою очередь, были построены из уложенных друг на друга пластин из гофрированного материала. Гофры были выровнены так, чтобы образовавшаяся стопка имела каналы, идущие изнутри наружу. Некоторые из этих каналов были заполнены урановым топливом, другие - замедлителем, а некоторые были оставлены открытыми как газовые. Водород закачивался в середину трубы и нагревался топливом, когда он проходил через каналы, продвигаясь наружу. Полученная система была легче, чем обычная конструкция для любого конкретного количества топлива.[ необходима цитата ]

Между 1987 и 1991 годами в рамках проекта Timberwind в рамках Стратегической оборонной инициативы изучалась усовершенствованная конструкция двигателя , которая позже была расширена до более крупной конструкции в программе космической термоядерной двигательной установки (STNP). Достижения в области жаропрочных металлов, компьютерного моделирования и ядерной техники в целом привели к значительному повышению производительности. В то время как двигатель NERVA планировался весить около 6 803 кг, последний STNP предлагал чуть более 1/3 тяги от двигателя всего 1650 кг за счет улучшения I sp до 930–1000 секунд. [ необходима цитата ]

Тестовые стрельбы [ править ]

Двигатель KIWI проходит разрушительные испытания

KIWI был первым, кто был запущен, начиная с июля 1959 года с KIWI 1. Реактор не был предназначен для полета и назван в честь нелетающей птицы . Ядро представляло собой просто набор пластин оксида урана без покрытия, на которые сбрасывался водород. Была произведена тепловая мощность 70 МВт при температуре выхлопа 2683 К. Два дополнительных испытания базовой концепции, A1 и A3, добавили покрытия к пластинам для проверки концепции топливных стержней. [ необходима цитата ]

Серия KIWI B заправлялась крошечными сферами из диоксида урана (UO 2 ), встроенными в матрицу графита с низким содержанием бора и покрытыми карбидом ниобия . По всей длине пучков проходило девятнадцать отверстий, через которые протекал жидкий водород. Во время первых запусков тепловыделяющие пучки треснули из-за сильного нагрева и вибрации. Графитовые материалы, использованные в конструкции реактора, были устойчивы к высоким температурам, но разрушались под действием перегретого водорода - восстановителя . Позже вид топлива был заменен на карбид урана.с последним запуском двигателя в 1964 году. Проблемы с эрозией и растрескиванием пучка твэлов были устранены, но так и не были решены полностью, несмотря на многообещающие исследования материалов в Аргоннской национальной лаборатории . [ необходима цитата ]

NERVA NRX (Nuclear Rocket Experimental) начал испытания в сентябре 1964 года. Последним двигателем в этой серии был XE, разработанный с использованием летно-репрезентативного оборудования и запускаемый в камеру низкого давления для имитации вакуума. В марте 1968 года SNPO выпустила NERVA NRX / XE 28 раз. Вся серия вырабатывала 1100 МВт, и многие испытания завершились только тогда, когда на испытательном стенде закончилось топливо. NERVA NRX / XE произвела базовую тягу в 75000 фунтов силы (334 кН), которую Маршалл требовал в планах миссии на Марс. Последний запуск NRX потерял 17 килограммов (38 фунтов) ядерного топлива за 2 часа испытаний, что было сочтено SNPO достаточным для космических миссий. [ необходима цитата ]

Основываясь на серии KIWI, серия Phoebus была гораздо более крупными реакторами. Первое испытание 1A в июне 1965 г. длилось более 10 минут при 1090 МВт и температуре выхлопных газов 2370 К. Испытание B в феврале 1967 г. улучшило этот показатель до 1500 МВт за 30 минут. Последнее испытание 2А в июне 1968 года длилось более 12 минут при мощности 4000 МВт, в то время это был самый мощный ядерный реактор из когда-либо построенных. [ необходима цитата ]

Также была построена уменьшенная версия KIWI, Pewee. Он был запущен несколько раз на 500 МВт, чтобы испытать покрытия из карбида циркония (вместо карбида ниобия ), но Pewee также увеличил удельную мощность системы. В системе с водяным охлаждением, известной как NF-1 (для ядерной печи ), топливные элементы Pewee 2 использовались для будущих испытаний материалов, что показало еще большее трехкратное снижение коррозии топлива. Pewee 2 никогда не тестировался на стенде и стал основой для текущих проектов NTR, исследуемых в исследовательских центрах НАСА Гленна и Маршалла. [ необходима цитата ]

Проект NERVA / Rover был в конечном итоге отменен в 1972 году из-за общего сворачивания НАСА в эпоху после Аполлона . Без полета человека на Марс необходимость в ядерной тепловой ракете остается неясной. Еще одна проблема - обеспокоенность общественности безопасностью и радиоактивным загрязнением.

Разрушающий тест Kiwi-TNT [ править ]

В январе 1965 года американская программа Rover намеренно модифицировала реактор Kiwi (KIWI-TNT), чтобы он сразу стал критическим, что привело к немедленному разрушению корпуса реактора, сопла и топливных сборок. Предназначенный для моделирования наихудшего сценария падения с высоты в океан, такого как могло бы произойти при отказе ракеты-носителя после запуска, в результате высвобождение радиации привело бы к гибели людей на глубине до 600 футов (183 метра) и травмам до 2000 года. футов (610 метров). Реактор был установлен на железнодорожном вагоне в районе Чудаков Флэтс на испытательном полигоне в Неваде . [25]

Соединенное Королевство [ править ]

По состоянию на январь 2012 года двигательная группа проекта «Икар» изучала двигательную установку NTR. [26]

Израиль [ править ]

В 1987 году Ронен и Лейбсон [27] [28] опубликовали исследование о применении 242m Am (одного из изотопов америция ) в качестве ядерного топлива в космических ядерных реакторах , отметив его чрезвычайно высокое тепловое сечение и плотность энергии . Ядерные системы с питанием от 242 м Am требуют в 2-100 раз меньше топлива по сравнению с обычным ядерным топливом .

Ракета с осколками деления, использующая 242 м Am, была предложена Джорджем Чаплином [29] из LLNL в 1988 году, который предложил двигательную установку, основанную на прямом нагреве порохового газа осколками деления, генерируемыми делящимся материалом. Ронен и др. [30] демонстрируют, что 242m Am может поддерживать длительное ядерное деление в виде чрезвычайно тонкой металлической пленки, толщиной менее 1/1000 миллиметра. 242m Am требуется только 1% массы 235 U или 239 Pu для достижения критического состояния. Группа Ронена из Университета Бен-Гуриона в Негеве также показала, что ядерное топливо на основе 242mAm может разогнать космические аппараты от Земли до Марса всего за две недели. [31]

242m Am в качестве ядерного топлива вытекает из того факта, что оно имеет самое высокое поперечное сечение теплового деления (тысячи амбаров ), примерно в 10 раз больше, чем следующее по величине поперечное сечение среди всех известных изотопов. 242m Am является делящимся (потому что у него нечетное количество нейтронов ) и имеет низкую критическую массу , сравнимую с массой 239 Pu . [32] [33] Он имеет очень высокое поперечное сечение деления, и если в ядерном реакторе разрушается относительно быстро. В другом отчете утверждается, что 242m Am может выдерживать цепную реакцию даже в виде тонкой пленки и может быть использован для нового типа ядерной ракеты.. [30] [34] [35] [36]

Поскольку тепловое сечение поглощения из 242m Am очень высока, лучший способ , чтобы получить 242m Am является захватом быстрых или надтепловых нейтронов в америций-241 , облученный в реакторе на быстрых нейтронах . Однако реакторы на быстрых нейтронах недоступны. Подробный анализ размножения 242m Am в существующих реакторах PWR был представлен в [37] Исследование Карлсруэского технологического института в 2008 г. сообщило о резистентности к распространению 242m Am . [38]

Италия [ править ]

В 2000 году Карло Руббиа из ЦЕРНа продолжил работу Ронена [39] и Чаплина [40] по ракете с осколками деления, использующей 242 м Am в качестве топлива. [41] В проекте 242 [42], основанном на конструкции Руббиа, изучалась концепция НТР с подогревом тонкопленочных фрагментов деления на основе 242m Am [43] с использованием прямого преобразования кинетической энергии осколков деления в увеличение энтальпии порохового газа. Проект 242 изучал применение этой двигательной установки в пилотируемой миссии на Марс. [44]Предварительные результаты были очень удовлетворительными, и было замечено, что двигательная установка с такими характеристиками может сделать миссию выполнимой. Другое исследование было сосредоточено на производстве 242m Am в обычных тепловых ядерных реакторах. [45]

Текущее исследование [ править ]

Впечатление художника от двухрежимных двигателей NTR на марсианском транспортном средстве (MTV). Холодный запуск, он будет собираться на орбите с помощью ряда подъемников полезной нагрузки Block 2 SLS. Космический корабль Орион пристыкован слева.

Современные конструкции ядерных тепловыделяющих ракет с твердым сердечником предназначены для значительного ограничения рассеивания и разрушения радиоактивных топливных элементов в случае катастрофического отказа. [46]

По состоянию на 2013 год в Центре космических полетов им . Маршалла изучается NTR для межпланетных путешествий с орбиты Земли на орбиту Марса . [47] Исторические наземные испытания показали, что NTR как минимум вдвое эффективнее самых современных химических двигателей, что позволяет сократить время переброски и увеличить грузоподъемность. Более короткая продолжительность полета, оцениваемая в 3–4 месяца с двигателями NTR [48] по сравнению с 6–9 месяцами при использовании химических двигателей, [49] снизит воздействие на экипаж потенциально вредных и трудных для защиты космических лучей . [50] [51] [52] [53] Двигатели NTR, такие как Pewee из проекта Ровера , были выбраны в Mars Design Reference Architecture (ДРА). [51] [52] [54] [55]

В 2017 году НАСА продолжило исследования и разработки в области NTR, проектируя для космических приложений с использованием одобренных для гражданского использования материалов, с трехлетним контрактом на сумму 18,8 миллиона долларов. [56] [ требуется обновление ]

В 2019 годе ассигнование законопроект , принятый Конгрессом США включал US $ 125 млн [1] в финансировании ядерных тепловых пропульсивных исследований, в том числе планирования демонстрационного полета миссии по 2024 [57]

Коммерческая разработка [ править ]

По состоянию на 2020 год космические силы США проявляли большой интерес к ядерным тепловым ракетам для миссий в цис-лунном пространстве, а в сентябре 2020 года DARPA выделило Gryphon Technologies задание на 14 миллионов долларов для их программы DRACO, которая направлена ​​на демонстрацию ядерная тепловая двигательная установка на орбите. Помимо американских военных, администратор НАСА Джим Бриденстайн также выразил интерес к проекту и его потенциальным приложениям для будущей миссии на Марс . [58]

Риски [ править ]

Отказ ракеты в атмосфере или на орбите может привести к выбросу радиоактивного материала в окружающую среду. Столкновение с орбитальным мусором, разрушение материала из-за неконтролируемого деления, дефекты материала или усталость, или недостатки конструкции человека могут вызвать нарушение условий содержания делящегося материала. Такой катастрофический отказ во время полета может привести к выбросу радиоактивного материала над Землей в обширной и непредсказуемой области. Степень загрязнения будет зависеть от размера ядерного теплового ракетного двигателя, в то время как зона загрязнения и ее концентрация будут зависеть от преобладающих погодных и орбитальных параметров во время возвращения в атмосферу. [ необходима цитата ]

Считается маловероятным, что тепловыделяющие элементы реактора будут размещены на большой площади, поскольку они состоят из таких материалов, как углеродные композиты или карбиды, и обычно покрыты гидридом циркония . До возникновения критичности топливо NTR с твердой активной зоной не представляет особой опасности. После того, как реактор был запущен в первый раз, производятся чрезвычайно радиоактивные короткоживущие продукты деления, а также менее радиоактивные, но чрезвычайно долгоживущие продукты деления. Кроме того, все конструкции двигателя подвергаются прямой бомбардировке нейтронами, что приводит к их радиоактивной активации. [ необходима цитата ]

См. Также [ править ]

  • NERVA  - американский проект ядерного теплового ракетного двигателя 1956-1973 гг.
  • Project Rover  - американский проект по созданию ядерной тепловой ракеты
  • Проект Timberwind  - американский проект 1987-1991 годов по разработке ядерных тепловых ракетных двигателей.
  • Тепловая ракета
  • Ракета осколков деления
  • Ядерная электрическая ракета
  • Ядерный импульсный двигатель
  • Радиоизотопная ракета
  • Движение космического корабля
  • Проект Прометей  - проект НАСА ядерной электрической двигательной установки 2003-2006 гг.
  • UHTREX  - Американский сверхвысокотемпературный реакторный эксперимент (1959–1971)
  • Project Pluto  - проект США по созданию ядерного ПВРД, 1957-1964 гг.

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b c d e f g Каин, Фрейзер (3 июля 2019 г.). «От Земли до Марса за 100 дней? Сила ядерных ракет» . Universal Sci . Проверено 24 августа 2019 . Первые испытания ядерных ракет начались в 1955 году с проекта Rover в Лос-Аламосской научной лаборатории. Ключевым достижением было уменьшение размеров реакторов до такой степени, чтобы их можно было разместить на ракете. В течение следующих нескольких лет инженеры построили и испытали более десятка реакторов разных размеров и мощностей.
  2. ^ a b c Корлисс, Уильям Р .; Швенк, Фрэнсис К. (1968). Ядерная двигательная установка для космоса (PDF) . Понимание серии Atom. Комиссия по атомной энергии США. С. 11–12.
  3. Перейти ↑ Schreiber, RE (1 апреля 1956 г.). «Программа ядерных ракетных двигательных установок LASL » : LAMS – 2036, 7365651. doi : 10.2172 / 7365651 . Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  4. ^ Serber, R. (5 июля 1946). Использование атомной энергии для ракет . Компания Douglas Aircraft.
  5. ^ HP Йоки, TF Dixon (1 июля 1946), «Предварительное исследование по использованию атомной энергии в Ракетно ракет», Доклад NA-46-574.
  6. ^ Р. Gomog (3 августа 1946), "Rocket" Вычисление, Доклад НАООС-508.
  7. ^ LA Oblinger (13 августа 1946), "Экспериментальный завод по атомолёт", Доклад NEEA-505.
  8. ^ LA Ohlinger (21 ноября 1946) "Управление по атомолёт", Доклад НАООС-511.
  9. ^ Целесообразность атомных подводных ракет SND ПВРД, отчет Н.А. 47-15, февраль 1947 года.
  10. ^ "Атомный подводный Полет", LEXP-1, 30 сентября 1948.
  11. ↑ EM Redding (8 сентября 1948 г.), «Возможность создания ракет с ядерным двигателем», Отчет LP-148.
  12. ↑ AE Ruark ed. (14 января 1947 г.) "Полет на ядерных установках", APL / JEU-TG-20.
  13. ^ а б Шрайбер, RE (1956). Программа ядерных ракетных двигателей LASL (PDF) . LAMS 2036. LANL.
  14. ^ Цзянь, HS (1949). «Ракеты и другие тепловые струи с использованием ядерной энергии». В Goodman, C. (ред.). Наука и техника ядерной энергетики . 2 . Эддисон-Уэсли Пресс. (Представлено на семинаре Массачусетского технологического института в 1947 г.)
  15. ^ Шеперд, LR; Кливер А.В. (сентябрь 1948 г.). «Атомная ракета I». Журнал Британского межпланетного общества . 7 : 185–194. ISSN 0007-084X . 
  16. ^ Шеперд, LR; Кливер А.В. (ноябрь 1948 г.). «Атомная ракета-2». Журнал Британского межпланетного общества . 7 : 234–241. ISSN 0007-084X . 
  17. ^ Шеперд, LR; Кливер А.В. (январь 1949 г.). «Атомная ракета III». Журнал Британского межпланетного общества . 8 : 23–27. ISSN 0007-084X . 
  18. ^ Шеперд, LR; Кливер А.В. (март 1949 г.). «Атомная ракета IV». Журнал Британского межпланетного общества . 8 : 59–70. ISSN 0007-084X . 
  19. ↑ Альварес, Луис, «Не существует очевидного или простого способа использовать атомную энергию для космических кораблей», US Air Services , январь 1947 г., стр. 9-12
  20. ^ "Список двигателей 2 - Атомные ракеты" . www.projectrho.com .
  21. ^ Ариас, Франциско. J (2016). «Об использовании импульсной ядерной тепловой ракеты для межпланетных путешествий». 52-я Совместная конференция по двигательным установкам AIAA / SAE / ASEE Солт-Лейк-Сити, Юта, Двигательные установки и энергия, (AIAA 2016-4685) . DOI : 10.2514 / 6.2016-4685 . ISBN 978-1-62410-406-0.
  22. ^ Уэйд, Марк. «РД-0410» . Энциклопедия Astronautica . Архивировано из оригинала 8 апреля 2009 года . Проверено 25 сентября 2009 года .
  23. ^ " " Конструкторское бюро химавтоматики "- научно-исследовательский комплекс / РД0410. Ядерный ракетный двигатель. Перспективные ракеты-носители" . КБХА - Конструкторское бюро химической автоматики . Архивировано из оригинального 30 ноября 2010 года . Проверено 25 сентября 2009 года .
  24. ^ a b Дьюар, Джеймс. «До конца солнечной системы: история ядерной ракеты», Apogee, 2003 г.
  25. ^ Fultyn, RV (июнь 1968). «Воздействие на окружающую среду сточных вод киви-TNT: обзор и оценка» (PDF) . Отчеты Лос-Анджелеса: Комиссия по атомной энергии США . Лос-Аламос: 1–67. PMID 5695558 . LA-3449.   (На страницах 35-36 есть цитируемый материал.)
  26. ^ Gilster, Пол (26 января 2012). «Проект Бифрост: возвращение к ракетно-ядерной технике» . Дата обращения 5 июля 2019 .
  27. ^ Ронен, Игаль и Мелвин Дж. Лейбсон. «Пример потенциального применения америция-242m в качестве ядерного топлива». Пер. Israel Nucl. Soc. 14 (1987): V-42.
  28. ^ Ронен, Игаль и Мелвин Дж. Лейбсон. «Возможное применение 242mAm в качестве ядерного топлива». Ядерная наука и инженерия 99.3 (1988): 278-284.
  29. ^ Чаплин, Джордж. «Концепция ракеты осколков деления». Ядерные инструменты и методы в физических исследованиях Секция A: Ускорители, спектрометры, детекторы и связанное с ними оборудование 271.1 (1988): 207-208.
  30. ^ а б Ронен, Игаль; Швагераус, Э. (2000). «Ультратонкие тепловыделяющие элементы 241mAm в ядерных реакторах». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях А . 455 (2): 442–451. Bibcode : 2000NIMPA.455..442R . DOI : 10.1016 / s0168-9002 (00) 00506-4 .
  31. ^ «Чрезвычайно эффективное ядерное топливо может доставить человека на Марс всего за две недели» (пресс-релиз). Университет Бен-Гуриона в Негеве. 28 декабря 2000 г.
  32. ^ "Расчет критической массы для 241 Am, 242m Am и 243 Am" (PDF) . Архивировано из оригинального (PDF) 22 июля 2011 года . Проверено 3 февраля 2011 года .
  33. ^ Людвиг, Х. и др. «Проектирование реакторов со слоем частиц для программы космических ядерных тепловых двигателей». Прогресс в ядерной энергии 30.1 (1996): 1-65.
  34. Перейти ↑ Ronen, Y., and G. Raitses. «Ультратонкие тепловыделяющие элементы 242 мАм в ядерных реакторах. II». Ядерные инструменты и методы в физических исследованиях Секция A: Ускорители, спектрометры, детекторы и связанное с ними оборудование 522.3 (2004): 558-567.
  35. ^ Ронен, Игаль, Менаше Aboudy и Дрор Регев. «Новый метод производства энергии с использованием 242 м Am в качестве ядерного топлива». Ядерные технологии 129.3 (2000): 407-417.
  36. ^ Ронен, Ю., Э. Фридман и Э. Швагераус. «Самый маленький тепловой ядерный реактор». Ядерная наука и инженерия 153.1 (2006): 90-92.
  37. ^ Golyand, Леонид, Игаль Ронен и Евгений Shwageraus. «Рабочий проект размножения 242 м Am в реакторах с водой под давлением». Ядерная наука и инженерия 168.1 (2011): 23-36.
  38. ^ Кесслер, Г. "Сопротивление распространению америция, происходящего из отработавшего облученного реакторного топлива реакторов с водой под давлением, быстрых реакторов и систем с приводом от ускорителя с различными вариантами топливного цикла". Ядерная наука и инженерия 159.1 (2008): 56-82.
  39. ^ Ronen1988
  40. ^ Чаплин 1988
  41. ^ Руббия, Карло. Нагрев осколков деления для космических двигателей. № SL-Note-2000-036-EET. ЦЕРН-SL-Примечание-2000-036-EET, 2000.
  42. ^ Augelli, М.,Ф. Бигны и Г. Гент. «Проект 242: Прямой нагрев осколков деления для космических двигателей. Синтез программ и приложения к исследованию космоса». Acta Astronautica 82.2 (2013): 153-158.
  43. ^ Дэвис, Эрик В. Продвинутое исследование двигательной установки. Метрики Warp Drive Metrics, 2004.
  44. ^ Чезана, Алессандра и др. «Некоторые соображения по производству 242 м Ам в тепловых реакторах». Ядерная технология 148.1 (2004): 97-101.
  45. ^ Benetti, P., et al. «Производство 242mAm». Ядерные инструменты и методы в физических исследованиях Секция A: Ускорители, спектрометры, детекторы и связанное с ними оборудование 564.1 (2006): 482-485.
  46. ^ «Недавняя деятельность в Центре космических ядерных исследований для разработки ядерных тепловых ракет» (PDF) . Национальная лаборатория Айдахо . Inl.gov . Дата обращения 12 июня 2017 .
  47. ^ "Исследователи НАСА, изучающие передовые ядерные ракетные технологии" . space-travel.com .
  48. ^ Брайан Fishbine, Роберт Ханрахан, Стивен Хау, Ричард Мейлфант, Carolynn Шерер, Haskell Шейнберг и Октавио Рамос - младший (декабрь 2016). «Ядерные ракеты: на Марс и дальше» . Наука национальной безопасности . Лос-Аламосская национальная лаборатория.CS1 maint: использует параметр авторов ( ссылка )
  49. ^ "Сколько времени займет поездка на Марс?" . НАСА.
  50. ^ "Как быстро мы можем (должны) мы полететь на Марс? | Ad Astra Rocket" . www.adastrarocket.com .
  51. ^ a b Лаура М. Берк, Стэнли К. Боровски, Дэвид Р. Маккард и Томас Паккард (июль 2013 г.). Одногодичный полет экипажа на Марс с использованием бимодальных ядерных тепловых и электрических двигателей (BNTEP) . 49-я Конференция по совместным двигательным установкам AIAA / ASME / SAE / ASEE Сан-Хосе, Калифорния. ARC . DOI : 10.2514 / 6.2013-4076 .CS1 maint: использует параметр авторов ( ссылка )
  52. ^ a b Боровски, Стэнли К .; Маккарди, Дэвид Р .; Паккард, Томас У. (9 апреля 2012 г.). «Ядерная тепловая тяга (NTP): проверенная технология роста для исследовательских миссий человека на ОСЗ / Марса» (PDF) . НАСА.
  53. ^ Боровски, Стэнли К .; Маккарди, Дэвид Р .; Паккард, Томас У. (16 августа 2012 г.). «Характеристики ядерной тепловой ракеты / корабля и сделки по чувствительности для исследования эталонной архитектуры проекта Марса (DRA) 5.0 НАСА» (PDF) . НАСА.
  54. ↑ Крис Бергин (24 января 2012 г.). «Оценки SLS Exploration Roadmap дают ключ к разгадке человеческих миссий на Марс» . NASASpaceFlight.com . Проверено 26 января 2012 года .
  55. ↑ Рик Смит для Центра космических полетов Маршалла, Хантсвилл, штат Алабама (SPX) (10 января 2013 г.). «Исследователи НАСА, изучающие передовые ядерные ракетные технологии» .
  56. ^ Mohon, Ли (2 августа 2017). «Новый контракт НАСА будет способствовать развитию технологии ядерных тепловых двигателей» . НАСА .
  57. ^ «Окончательный бюджетный законопроект на 2019 финансовый год обеспечивает НАСА 21,5 миллиарда долларов» . SpaceNews . 17 февраля 2019 . Дата обращения 14 августа 2019 .
  58. ↑ Сентябрь 2020, Майк Уолл, 30. «Американские военные рассматривают ядерные тепловые ракеты для миссий в космосе Земля-Луна» . Space.com .

Внешние ссылки [ править ]

  • Ядерно-космическое движение: НАСА, 1968 г. наYouTube
  • Программа Rover Nuclear Rocket Engine: Заключительный отчет - NASA 1991 (PDF)
  • Проект Прометей: За пределами Луны и Марса
  • Ядерный ракетный двигатель РД-0410 СССР