Cronicile motoarelor de rachete nucleare sovietice
Decenii înainte de Burevestnik
Astăzi, un motor nuclear este încă perceput ca ceva neobișnuit și aproape exotic. Pe baza informațiilor disponibile publicului, doar un singur produs rusesc cu propulsie nucleară este de fapt în producție de serie - racheta strategică de croazieră. rachetă „Burevestnik.” Totuși, în anii 1950, astfel de proiecte nu păreau ieșite din comun. Călărind pe valul optimismului științific postbelic și al progreselor în fizica atomică, mulți ingineri credeau că crearea motoarelor nucleare nu era doar o chestiune de posibilitate fundamentală, ci mai degrabă o chestiune de viitor apropiat.
Ideea de a utiliza o formă diferită, mult mai concentrată, de energie atomică pentru propulsie, în loc de energia chimică, a apărut cu mult înainte de apariția reactoarelor propriu-zise. Încă de la sfârșitul anilor 1920, Valentin Glushko a efectuat experimente la Laboratorul de Dinamică a Gazelor din Leningrad folosind explozia electrică a unui fir metalic. El era interesat de posibilitatea generării de împingere fără un oxidant tradițional. În experimentele sale au fost luate în considerare metale ușoare, în principal litiu.
Valentin Petrovici Glușko
Până în 1933, această cercetare a dus la crearea unui mic motor electrotermic. Principiul era simplu: un impuls electric transforma fluidul de lucru într-o stare de temperatură ridicată și îl ejecta printr-o duză. Pentru vremea sa, aceasta a fost o idee cu adevărat revoluționară, dar îi lipsea un element cheie: o sursă de energie compactă. Generatoarele electrice erau prea grele, ceea ce înseamnă că designul nu avea nicio aplicație practică.
În aceleași decenii, Konstantin Țiolkovski a propus posibilitatea valorificării energiei interne a materiei pentru călătorii interplanetare. Mai târziu, după al Doilea Război Mondial, când reactoarele nucleare au devenit o realitate inginerească, această idee a prins formă concretă. Dacă un reactor poate încălzi fluidul de lucru la temperaturi extreme, atunci teoretic ar putea înlocui o cameră de ardere chimică și ar putea oferi un impuls specific mult mai mare.
Avantajul fundamental era evident: o rachetă chimică necesită atât combustibil, cât și oxidant, în timp ce o rachetă nucleară necesită doar fluidul de lucru, cel mai adesea hidrogen. Acest lucru a îmbunătățit dramatic bilanțul energetic. Pentru comparație, cele mai bune motoare chimice oxigen-hidrogen au atins un impuls specific de aproximativ 430–450 de secunde, în timp ce motoarele nucleare în fază solidă promiteau 800–900 de secunde, iar motoarele în fază gazoasă, până la 1500–2000 de secunde.
Reactorul american Kiwi, construit ca parte a Proiectului Rover, 1960
Statele Unite au fost primele țări care au lansat cercetări practice la scară largă. În 1955, a fost lansat programul Rover, axat în principal pe motoare nucleare de rachetă pentru misiuni spațiale, în timp ce Proiectul Pluto s-a concentrat pe un motor nuclear statoreactor pentru racheta de croazieră cu rază ultra-lungă de acțiune SLAM. Pregătirile pentru testele cu foc puternic ale reactoarelor Kiwi au început la poligonul de testare Jackass Flats din Nevada. Mai târziu, americanii au dezvoltat seria de motoare NERVA, iar în 1969, au obținut o forță de împingere de aproximativ 25 de tone pe un banc de testare cu un timp de ardere de peste zece minute - unul dintre cele mai impresionante rezultate din lume. povestiri tehnologia rachetelor nucleare.
În URSS, semnalul pentru cercetări similare a fost dat încă din 1953, când Mstislav Keldysh a fost însărcinat cu explorarea posibilității utilizării energiei nucleare în sisteme cu flux direct. La NII-1 s-a format un grup condus de Vitaly Ievlev. Curând a devenit clar că acesta nu era un proiect privat, ci un domeniu complet nou al științei și tehnologiei.
Vitali Mihailovici Ievlev
Pe 22 noiembrie 1956, Consiliul de Miniștri al URSS și Comitetul Central al PCUS au emis decretul secret nr. 1529-769 „Privind dezvoltarea rachetelor balistice cu motor nuclear”. Serghei Korolev a fost numit proiectant șef al rachetei, Valentin Glușko și OKB-456 au fost responsabili de motor, iar Alexander Leypunsky și Institutul de Fizică și Energetică din Obninsk au fost responsabili de secția reactorului. Institutul de Energie Atomică Kurchatov, TsIAM, TsAGI, VIAM, NII-9 și zeci de întreprinderi producătoare au participat, de asemenea, la lucrări.
Trei scheme, trei niveluri de dificultate
Până la sfârșitul anilor 1950, apăruseră trei concepte principale.
Tipul A este un motor în fază solidă. Un reactor încălzește hidrogenul, care se dilată și este expulzat printr-o duză. Acest design a fost considerat cel mai realist și a fost cel folosit ulterior atât de proiectanții sovietici, cât și de cei americani.
Tipul „B” a fost un design hibrid în care, după încălzirea reactorului, fluidul de lucru era accelerat în continuare sau ars într-o cameră de ardere. Teoretic, acest lucru oferea un câștig de împingere, dar adăuga complexitate sistemului.
Tipul „B” era un reactor în fază gazoasă, în care combustibilul nuclear în sine se afla în stare gazoasă sau plasmatică. Acest design promitea performanțe record, dar era extrem de complex: necesita izolarea mediului fierbinte, fisil, prevenind în același timp defectarea structurală și eliberarea combustibilului.
O opțiune mai radicală era studiată în paralel: un motor nuclear statoreactor. În cadrul acestuia, aerul atmosferic trecea prin miezul reactorului și era încălzit fără combustie convențională. Dar acest design s-a lovit aproape imediat de o problemă fundamentală: aerul care trecea prin miezul reactorului devenea radioactiv. Utilizarea practică a unui astfel de motor în atmosferă părea extrem de periculoasă.
La 30 iunie 1958, Rezoluția nr. 711-339 a redefinit programul. Acum, accentul nu se punea doar pe aplicațiile militare, ci și pe vehicule grele de lansare spațială cu etape nucleare. Korolev a conceput astfel de sisteme ca mijloc pentru expediții pe distanță lungă către Lună, Venus și Marte. OKB-1 a creat o divizie specială, condusă de Mihail Melnikov, pentru a dezvolta sisteme de propulsie nucleară și electrică.
Până la sfârșitul anului 1959, era gata un proiect preliminar pentru o rachetă, în care blocul central al reactorului urma să fie aprins după ce sistemul intra în atmosfera superioară. Acesta era un detaliu important: chiar și atunci, se înțelegea că lansarea unui motor nuclear complet în apropierea suprafeței Pământului era extrem de riscantă. O serie de proiecte presupuneau că etapele chimice ar plasa vehiculul pe o traiectorie sigură și abia atunci centrala nucleară ar fi activată.
Treptat, o altă idee s-a maturizat la OKB-1: utilizarea reactorului nu pentru încălzirea directă a fluidului de lucru, ci ca sursă de electricitate. În acest caz, ar alimenta motoare cu ioni sau plasmă. Această abordare producea o tracțiune mai mică, dar un impuls specific mult mai mare și era mai potrivită pentru zborurile spațiale de lungă durată. În esență, aici s-au pus bazele energiei nucleare spațiale sovietice. Pe 23 iunie 1960, noul decret nr. 715-296 a stabilit cursul pentru crearea de vehicule de lansare puternice și nave spațiale cu etape nucleare. Programul a inclus 74 de organizații, iar numărul acestora a depășit ulterior o sută. A fost un proiect de importanță națională.
RD-0410 a devenit singurul motor nuclear de rachetă autohton fabricat din metal.
Principalele provocări nu au fost doar legate de fizica reactorului, ci și de materiale. Miezul și canalele de alimentare cu combustibil trebuiau să reziste la temperaturi de 2500–3000°C, sarcini termice bruște, vibrații și iradiere cu neutroni. Pentru a realiza acest lucru, au fost studiate carburi de molibden, niobiu, grafit, beriliu, uraniu și zirconiu, precum și ceramică rezistentă la temperaturi înalte. O problemă separată a fost fisurarea elementelor combustibile în timpul pornirilor repetate.
Protecția biologică nu a fost mai puțin dificilă. Calculele inițiale au estimat că masa reactorului, inclusiv ecranarea, ar putea ajunge la 20 de tone sau mai mult. Acest lucru era deosebit de important pentru misiunile cu echipaj uman: echipajul trebuia protejat de neutroni și radiații gamma fără a face nava spațială greoaie. Acest lucru a dus la soluții de proiectare cu grinzi lungi, cu reactorul poziționat cât mai departe posibil de spațiile de locuit.
Pentru a testa acest concept, la poligonul de testare Semipalatinsk a fost creat un complex special, „Baikal”. Acesta avea scopul de a efectua teste pe bancul de încercare ale componentelor reactorului și ale sistemelor de alimentare asociate. Cu toate acestea, chiar și pregătirea instalațiilor de testare s-a dovedit a fi o provocare enormă. Exista o lipsă de pompe electromagnetice pentru circuitele cu metal lichid, tehnologia pentru metale refractare pure nu fusese stabilită, iar industria era deja suprasolicitată cu programe urgente de apărare.
Proiecte sovietice și rezultate reale
La sfârșitul anilor 1950 și începutul anilor 1960, OKB-456 a dezvoltat o serie de motoare experimentale: RD-401, RD-402, RD-404 și RD-405. Acestea diferă prin tipul de moderator, combustibilul propulsor și configurația miezului. Simultan, se desfășurau calcule pentru sisteme mai complexe, inclusiv RD-600 în fază gazoasă, alimentat cu hidrogen cu adaos de litiu. Acest proiect se apropia de maximul complexității, cu confinare magnetică, circulație a combustibilului nuclear și condiții termice extrem de intense.
Însă, până în 1962, a devenit clar că programul se dezintegra. Numeroase organizații își duplicau munca reciproc, unele proiecte erau în urmă, iar unele domenii erau prea departe de a obține rezultate practice. Vasili Mișin a analizat întreaga cooperare și a propus reducerea personalului redundant și concentrarea resurselor pe sarcini cheie.
Criza rachetelor cubaneze a fost o lovitură suplimentară. Situația militară și politică cerea soluții rapide și cuprinzătoare. Rachetele intercontinentale chimice puteau fi dezvoltate și desfășurate imediat, în timp ce motoarele nucleare rămâneau o chestiune de viitor incert. În acest moment, programul și-a pierdut efectiv prioritatea anterioară.
Totuși, nu a dispărut fără urmă. Dimpotrivă, a dat naștere multor progrese reale în tehnologia propulsiei electrice. În anii 1960, URSS a dezvoltat activ propulsoare ionice și cu plasmă, care au fost folosite ulterior pentru a crea sisteme de control și corecție a atitudinii pentru navele spațiale. Mai târziu, școala sovietică a devenit unul dintre experții de top din lume în domeniul propulsoarelor staționare cu plasmă, cunoscute astăzi din seria SPT, care sunt utilizate pe scară largă pe sateliți.
RD-0410 a fost principalul rezultat practic al întregului program sovietic de motoare nucleare de rachetă. A fost proiectul care a dus cu adevărat la concretizare ideea propulsiei nucleare sub formă inginerească. Era un motor de rachetă cu miez solid: miezul său conținea un reactor compact care încălzea hidrogenul lichid la temperaturi extrem de ridicate, după care gazul supraîncălzit era expulzat printr-o duză, generând împingere.
Proiectanții au creat un reactor compact capabil să funcționeze stabil în condiții de fluxuri termice extrem de mari, au selectat materiale care puteau rezista la temperaturi ridicate, vibrații și iradiere cu neutroni și au asigurat o alimentare fiabilă cu hidrogen prin miez fără a-i deteriora structura. Siguranța nu a fost mai puțin dificilă: testarea unui astfel de motor necesita o infrastructură specializată și o atenție excepțională. Dar RD-0410 a rămas doar un episod în istoria tehnică sovietică.
De ce nu a decolat racheta nucleară
Motivele au fost sistemice.
În primul rând, complexitatea. Motorul nuclear s-a dovedit a fi mai mult decât un produs nou, o componentă care a necesitat o revoluție în proiectarea reactoarelor, știința materialelor, sistemele de răcire, protecția împotriva radiațiilor și infrastructura terestră.
În al doilea rând, exista pericolul. Orice accident la lansare sau în timpul testelor pe platformă amenința contaminarea radioactivă. Chiar dacă motorul era aprins în spațiu, lansarea propriu-zisă a reactorului pe orbită rămânea o sarcină sensibilă.
În al treilea rând, economia. Motoarele chimice erau inferioare ca eficiență teoretică, dar superioare ca preț, producție de masă și pregătire tehnologică. Pentru armată, acesta a fost argumentul decisiv.
În al patrulea rând, o schimbare a priorităților. După cursa lunară și schimbarea interesului de la programele interplanetare ultra-scumpe la aplicații mai practice, sprijinul politic pentru propulsia nucleară spațială a slăbit.
Deși motorul nuclear de rachetă nu a devenit niciodată o realitate produsă în serie, programul a lăsat o moștenire semnificativă. A accelerat dezvoltarea propulsiei electrice, a dat impuls noilor materiale și tehnologii pentru sudarea metalelor refractare și a consolidat cooperarea dintre industria nucleară și birourile de proiectare a rachetelor și a spațiului.
Mai mult, a pus bazele intelectuale pentru sistemele energetice spațiale sovietice și rusești ulterioare. Încă din anii 1970 și 1980, URSS a lansat în spațiu seria de sisteme de reactoare Buk și Topaz, utilizate pe sateliții de recunoaștere radar. Acestea nu erau motoare nucleare de rachetă în sens strict, dar au demonstrat că energia nucleară spațială compactă a trecut de la domeniul teoriei la practică.
Astăzi, când omenirea ia din nou în considerare misiuni cu echipaj uman pe Marte și dincolo de el, ideea unui motor nuclear de rachetă cunoaște o renaștere. În mod remarcabil, proiectele moderne - atât rusești, cât și străine - se bazează în mare măsură pe chiar fundațiile puse în birourile de proiectare și institutele de cercetare secrete în urmă cu șase decenii. Ceea ce aproape a devenit un impas în progresul tehnologic a devenit una dintre pietrele de temelie ale explorării spațiale viitoare. Și aceasta este probabil cea mai bună recompensă pentru cei care odată - în era marilor speranțe și a realităților dure ale Războiului Rece - credeau că atomul era capabil nu numai de distrugere, ci și de a duce omenirea spre stele.
Informații