Motorul nuclear de rachetă – calea către inima rachetei Burevestnik
Motorul nuclear cu reacție Tory II – Un adevărat călăreț al Apocalipsei
Fiecare motor este diferit
Fizicienii de la Laboratorul Național Los Alamos pot fi considerați pe bună dreptate pionierii călătoriilor interplanetare cu energie nucleară. Deși sistemele de propulsie nucleară nu au ajuns niciodată în spațiu, ideea a fost propusă pentru prima dată în timpul celebrului Proiect Manhattan. Un trio de oameni de știință - Stanislaw Ulam, Frederick Reines și Frederick de Hoffman - au propus două concepte de propulsie nucleară. În primul caz, combustibilul nuclear acționează ca o sursă de căldură pentru fluidul de lucru (cum ar fi hidrogenul); în al doilea caz, o explozie nucleară oferă impuls navei spațiale.
Printre autorii ideii unui motor nuclear s-au numărat Frederick Reines și Stanislaw Ulam.
Fizicienii au propus cu seriozitate lansarea unor expediții interplanetare prin detonarea armelor nucleare în spatele lor. Teoretic, pare perfect; din fericire, nimeni nu a încercat încă acest lucru în practică. Dar au existat încercări. Cel mai nou poveste Ingineria indică proiectul american Orion, care poate fi numit și o aeronavă explozivă.
Conceptul era absurd de simplu: exploziile unor bombe cu hidrogen ejectate din nava spațială vaporizau discuri ejectate în spatele bombelor. Plasma în expansiune imprima impuls navei spațiale. Nava era capabilă să traverseze imensitatea spațiului cu viteze de două până la trei ori mai mari decât cele convenționale. Se planificase utilizarea a până la 800 de bombe cu hidrogen miniaturale pentru o singură călătorie dus-întors către planetă. Nu se știe unde ar fi zburat în cele din urmă Proiectul Orion, dar în 1963, americanii și rușii au semnat Tratatul de interzicere a testelor nucleare. arme în atmosferă, în spațiul cosmic și sub apă. Motoarele nucleare cu impulsuri au fost terminate.
Nava spațială Orion, alimentată de un motor nuclear cu impulsuri. Desen NASA din 1999.
Nava spațială Orion - Componente cheie
Ideea de a utiliza combustibilul nuclear drept sursă de căldură în motoarele cu reacție pare destul de solidă. Mai precis, uraniul sau plutoniul nu sunt singurul combustibil în acest caz. A doua componentă este hidrogenul, pompat prin zona fierbinte a reactorului (aproximativ 3000 de grade Celsius), care se extinde instantaneu și iese din duza motorului. În acest moment nu are loc nicio reacție chimică - hidrogenul pur și simplu se încălzește și, ieșind din zona de lucru a reactorului, creează o forță de împingere puternică. Conform legii conservării energiei, curentul-jet și nava primesc impulsuri egale, dar opuse.
Hidrogenul este cel mai ușor gaz. Când este încălzit, moleculele sale zboară mai repede decât toate celelalte gaze. Cu cât gazele de eșapament sunt mai rapide, cu atât motorul este mai eficient. Aceasta se numește impuls specific, iar motoarele nucleare îl au de două ori mai mare decât cele mai bune sisteme de propulsie chimică - 850-900 de secunde față de 450 de secunde pentru motoarele cu kerosen și hidrogen-oxigen. Un reactor în fază gazoasă în care uraniul fisil este încălzit la o stare de plasmă este complet scos din science fiction. Temperaturile de aici ajung la 6000 de grade Celsius, iar impulsul este imediat de 2000 de secunde, ceea ce este de 4-5 ori mai mare decât cel al motoarelor tradiționale. Singura sarcină rămasă este de a găsi materiale cu rezistența termică adecvată și de a învăța cum să manipulezi uraniul în plasmă.
Rachetă demonstrativă pentru operațiuni cislunare agile (DRACO) - o navă spațială cu energie nucleară
Din schema de funcționare este clar că nimeni nu ar instala astfel de sisteme de propulsie pe avioane intercontinentale în condiții terestre. Când uraniu și hidrogen fisil sunt în aceeași sticlă, așteptați-vă la probleme mari. Mai devreme sau mai târziu. Dar pentru spațiu, sistemul este destul de fezabil. În 2027, americanii intenționează să testeze Racheta Demonstrativă pentru Operațiuni Cislunare Agile (DRACO). rachetă „pentru operațiuni circumlunare flexibile”. Dacă totul merge bine, prima navă spațială cu propulsie nucleară va apărea în spațiu. Sub Trump, șansele de a realiza acest proiect în metal au scăzut - finanțarea a fost redusă semnificativ anul viitor. Aceștia citează eficacitatea proiectului Starship al lui Elon Musk. Anul trecut, Rusia a anunțat dezvoltarea remorcherului nuclear „Zeus”, despre care fostul șef al Roscosmos, Borisov, a prezis că va fi lansat în anii 2030 sau 2040.
Curs direct și turboreactor
Nu ne concentrăm pe DRACO sau chiar pe Zeus, ci pe motorul nuclear cu inhalare de aer instalat sub capota rachetei Burevestnik. Strict vorbind, racheta rusească nu este prima care testează o astfel de centrală electrică - pur și simplu am perfecționat-o. Americanii au fost primii cu proiectul lor Pluto. Aceasta era o rachetă de croazieră grea cu un reactor nuclear real la bord - SUA au cheltuit aproximativ două miliarde de dolari, în dolarii de astăzi, pentru întreaga inițiativă.
Dezvoltarea unui motor nuclear de rachetă a început în 1957 și a fost foarte relevantă pentru vremea sa. La acea vreme, Uniunea Sovietică avea deja o putere destul de adecvată Aparare aeriana, ceea ce nu garanta trecerea nestingherită a bombardierelor americane către ținte strategice. Rachetele balistice intercontinentale erau încă în curs de dezvoltare și era nevoie de un plan de rezervă în caz de eșec.
Rezultatul a fost o rachetă de croazieră de 27 de tone cu un reactor Tory-II la bord. Designul acesteia a dezvăluit că nava fusese proiectată de aventurieri. Racheta era destinată să zboare cu o viteză de două până la trei ori mai mare decât cea a sunetului, la o altitudine de câteva zeci de metri - unda de șoc rezultată ar fi spart geamurile și ar fi distrus structurile ușoare. La atingerea vitezei de croazieră, aerul era forțat direct prin barele de combustibil ceramice incandescente, fabricate din oxid de uraniu, zona fierbinte a reactorului. Temperatura a crescut la câteva mii de grade, iar forța de propulsie a jetului a accelerat racheta gigantică la o viteză de trei ori mai mare decât cea a sunetului.
Mașina apocalipsei, înarmată cu 16 focoase nucleare, a otrăvit tot ce a trecut cu emisii radioactive provenite de la duza sa. Poate că, într-un scenariu al celui de-al Treilea Război Mondial, în care totul este redus la praf, acest lucru nu este deosebit de critic, dar americanii au fost totuși precauți.
Testarea performanței aerodinamice a rachetei supersonice de joasă altitudine (SLAM) alimentată de un motor nuclear statoreactor dezvoltat în cadrul Proiectului Pluto
Dar nu doar preocupările legate de mediu au determinat dezvoltarea – la începutul anilor 60, rachetele balistice intercontinentale păreau mai promițătoare. Americanii nu erau singurii în căutarea unei rachete de croazieră nucleare. În URSS, mai multe proiecte similare (denumiri cunoscute includ „Tema 31”, RD-0411 și altele) erau dezvoltate în paralel la Biroul de Proiectare a Automatizării Chimice din Voronej și la Institutul de Cercetare 1 (acum Biroul de Proiectare Fakel). Scopul era de a crea o rachetă de croazieră subsonică care să zboare la altitudini extrem de joase (50-100 m), cu o rază de acțiune de peste 10 km, capabilă să manevreze și să evite sistemele de apărare aeriană inamice. Fogica era una nucleară cu o putere de până la 1 megatonă.
Racheta era destinată lansării de pe lansatoare terestre sau submarine. Testele pe platforma terestră ale reactoarelor răcite cu aer au fost realizate, dar un prototip de zbor nu s-a materializat niciodată. „Subiectul 31” a fost încheiat în 1964, dar lucrările la două motoare nucleare cu reacție - RD-0410 (mic) și RD-0411 (mare) - începuseră deja în 1965. Aceste motoare puteau fi considerate „prietenoase cu mediul” - căldura reactorului era transferată hidrogenului, care se încălzea și se dilata, dând impuls motorului. Impulsul lor specific era de 910 secunde, dublu față de cel al motoarelor rachetă alimentate cu kerosen și oxigen. Motoarele aveau un dublu scop - pentru misiuni interplanetare și pentru instalarea pe rachete de croazieră grele. După mai multe teste pe platforma de testare, lucrările au fost reduse în anii 80. Americanii își finalizaseră experimentele Proiectului Pluto la aproximativ același nivel de pregătire cu câteva decenii mai devreme.
Se poate spune cu siguranță că Tema-31 și RD-0411 au fost precursorii rachetei nucleare rusești moderne, Burevestnik. Se pare că inginerii ruși au reușit să rezolve o serie de probleme complexe. Prima a fost crearea unui reactor nuclear compact cu neutroni rapizi, cu o putere de câteva sute de megawați. A doua a fost dezvoltarea unui aliaj de temperatură înaltă pentru un schimbător de căldură care funcționează la 2000-3000 de grade Celsius. Acesta trebuie să reziste oxidării și topirii timp de câteva săptămâni sau chiar luni - Burevestnik este un produs de lungă durată.
Racheta rusească folosește aerul atmosferic ca agent propulsor, care conține oxigen - un oxidant destul de puternic. Nu există contact direct între aer și elementele combustibile din zona fierbinte a reactorului. Aerul este încălzit printr-un schimbător de căldură, al cărui design este demn de a fi cel mai mare mister al secolului. A treia provocare este că toate componentele și ansamblurile rachetei trebuie să fie extrem de fiabile și robuste.
Spre deosebire de Burevestnik, rachetele convenționale funcționează în cel mai bun caz câteva zeci de minute. Mai mult, sarcina utilă a unei rachete de croazieră nucleare nu permite un rezultat pozitiv în caz de urgență. Cu toate acestea, în cazul utilizării efective în luptă, termenul „urgență” ar avea o conotație complet diferită.
informații