Tuumarakettmootor Venemaa kosmoselaevadele. Tuumarakettmootorid

Kaasaegne rakettmootorid Nad tulevad hästi toime seadmete orbiidile saatmise ülesandega, kuid on täiesti sobimatud pikaajaliseks kosmosereisiks. Seetõttu on teadlased juba aastakümneid tegelenud alternatiivsete kosmosemootorite loomisega, mis võiksid laevu rekordkiiruseni kiirendada. Vaatame seitset selle valdkonna peamist ideed.

EmDrive

Liikumiseks on vaja millestki eemale tõugata – seda reeglit peetakse füüsika ja astronautika üheks vankumatuks alustalaks. Mida täpselt ära lükata – maa, vesi, õhk või gaasijoa, nagu rakettmootorite puhul –, pole nii oluline.

Tuntud mõtteeksperiment: kujutage ette, et astronaut on läinud avakosmosesse, kuid teda kosmoselaevaga ühendav kaabel katkeb ootamatult ja inimene hakkab aeglaselt minema lendama. Kõik, mis tal on, on tööriistakast. Millised on tema teod? Õige vastus: tal on vaja tööriistad laevast minema visata. Impulsi jäävuse seaduse järgi visatakse inimene tööriistast eemale täpselt sama jõuga, millega tööriist inimesest eemale visatakse, seega liigub ta järk-järgult laeva poole. Seda see on joa tõukejõud- ainus võimalik viis liikuda tühjas kosmoses. Tõsi, nagu eksperimendid näitavad, on EmDrive'il mõningaid võimalusi see vankumatu väide ümber lükata.

Selle mootori looja on Briti insener Roger Schaer, kes asutas 2001. aastal oma ettevõtte Satellite Propulsion Research. EmDrive'i disain on väga ekstravagantne ja on vormitud nagu metallämber, mis on mõlemast otsast suletud. Selle ämbri sees on magnetron, mis kiirgab elektromagnetlained, – sama, mis tavalises mikrolaineahjus. Ja see osutub piisavaks, et luua väga väike, kuid üsna märgatav tõukejõud.

Autor ise selgitab oma mootori tööd elektromagnetilise kiirguse rõhu erinevuse kaudu “ämbri” erinevates otstes - kitsas otsas on see väiksem kui laias. See loob kitsa otsa poole suunatud tõukejõu. Sellise mootori töövõimaluse üle on vaidlustatud rohkem kui üks kord, kuid kõigis katsetes näitab Schaeri paigaldus tõukejõu olemasolu ettenähtud suunas.

Schaeri "ämbrit" katsetanud katsetajate hulgas on sellised organisatsioonid nagu NASA, Tehnikaülikool Dresden ja Hiina Teaduste Akadeemia. Leiutist testiti kõige rohkem erinevad tingimused, sealhulgas vaakumis, kus see näitas 20 mikronjuutoni tõukejõu olemasolu.

See on väga väike võrreldes keemiliste reaktiivmootoritega. Kuid arvestades asjaolu, et Shaeri mootor võib töötada nii kaua kui soovitakse, kuna see ei vaja kütusevarustust (magnetroni töö saab tagada päikesepaneelid), on see potentsiaalselt võimeline kiirendama kosmoselaevu tohutu kiiruseni, mõõdetuna protsendina valguse kiirusest.

Mootori jõudluse täielikuks tõestamiseks on vaja läbi viia veel palju mõõtmisi ja vabaneda kõrvalmõjud, mida võivad tekitada näiteks välised magnetväljad. Küll aga esitatakse juba alternatiivseid võimalikke selgitusi Shaeri mootori anomaalsele tõukejõule, mis üldiselt rikub tavalisi füüsikaseadusi.

Näiteks on välja pakutud versioone, et mootor suudab tekitada tõukejõudu koosmõjul füüsilise vaakumiga, mis kvanttasandil on nullist erineva energiaga ning täidetud pidevalt ilmuvate ja kaduvate virtuaalsete elementaarosakestega. Kellel lõpuks õigus on, kas selle teooria autoritel, Shaeril endal või teistel skeptikutel, saame teada lähiajal.

Päikese puri

Nagu eespool mainitud, avaldab elektromagnetkiirgus survet. See tähendab, et teoreetiliselt saab seda muuta liikumiseks – näiteks purje abil. Nii nagu möödunud sajandite laevad püüdsid oma purjedesse tuult, püüdis tuleviku kosmoselaev oma purjedesse päikest või mis tahes muud tähevalgust.

Probleem on aga selles, et valguse rõhk on äärmiselt madal ja väheneb allikast kaugenedes. Seega, et selline puri oleks tõhus, peab see olema väga väikese kaalu ja väga suure pindalaga. Ja see suurendab kogu struktuuri hävimise ohtu, kui see kohtab asteroidi või muud objekti.

Päikesepurjekate ehitamise ja kosmosesse saatmise katseid on juba tehtud - 1993. aastal katsetas Venemaa kosmoselaeval Progress päikesepurje ja 2010. aastal viis Jaapan läbi edukaid katseid teel Veenusele. Kuid ükski laev pole kunagi kasutanud purje peamise kiirenduse allikana. Mõnevõrra lootustandvam tundub selles osas teine ​​projekt – elektripuri.

Elektriline puri

Päike kiirgab mitte ainult footoneid, vaid ka elektriliselt laetud aineosakesi: elektrone, prootoneid ja ioone. Kõik need moodustavad nn päikesetuule, mis kannab tähe pinnalt igas sekundis minema umbes miljon tonni ainet.

Päikesetuul ulatub üle miljardite kilomeetrite ja põhjustab mõningaid looduslik fenomen meie planeedil: geomagnetilised tormid ja virmalised. Maa alates päikese tuul kaitstud oma magnetväljaga.

Päikesetuul, nagu ka õhutuul, on reisimiseks üsna sobiv, tuleb see lihtsalt purjedesse puhuda. Soome teadlase Pekka Janhuneni 2006. aastal loodud elektripurjeprojektil on päikesepurjetamisega vähe ühist. See mootor koosneb mitmest pikast õhukest kaablist, mis sarnanevad ilma veljeta ratta kodaratega.

Tänu vastu liikumissuunda kiirgavale elektronkahurile omandavad need kaablid positiivselt laetud potentsiaali. Kuna elektroni mass on ligikaudu 1800 korda väiksem kui prootoni mass, ei mängi elektronide tekitatud tõukejõud olulist rolli. Ka päikesetuule elektronid pole sellise purje puhul olulised. Kuid positiivselt laetud osakesed – prootonid ja alfakiirgus – tõrjutakse kaablitest eemale, tekitades seeläbi joa tõukejõu.

Kuigi see tõukejõud on umbes 200 korda väiksem kui päikesepurje oma, tundis Euroopa Kosmoseagentuur sellest huvi. Fakt on see, et elektripurje on palju lihtsam konstrueerida, valmistada, kasutusele võtta ja kosmoses kasutada. Lisaks võimaldab puri gravitatsiooni abil reisida ka tähetuule allikani, mitte ainult sealt. Ja kuna sellise purje pindala on palju väiksem kui päikesepurje oma, on see asteroidide ja kosmoseprahi suhtes palju vähem haavatav. Võib-olla näeme lähiaastatel esimesi elektripurjedega katselaevu.

Ioonmootor

Laetud aineosakeste, st ioonide voolu ei kiirga mitte ainult tähed. Ioniseeritud gaasi saab luua ka kunstlikult. Tavaliselt on gaasiosakesed elektriliselt neutraalsed, kuid kui selle aatomid või molekulid kaotavad elektrone, muutuvad nad ioonideks. Kogumassis ei ole sellisel gaasil veel elektrilaengut, kuid selle üksikud osakesed saavad laetud, mis tähendab, et nad saavad magnetväljas liikuda.

Ioonmootoris ioniseeritakse väärisgaas (tavaliselt ksenoon) suure energiaga elektronide vooluga. Nad löövad elektronid aatomitest välja ja omandavad positiivse laengu. Seejärel kiirendatakse tekkivad ioonid elektrostaatilises väljas kiiruseni, mis on suurusjärgus 200 km/s, mis on 50 korda suurem kui keemiliste reaktiivmootorite gaasivoolu kiirus. Kaasaegsetel ioonmootoritel on aga väga väike tõukejõud – umbes 50-100 millinewtonni. Selline mootor ei suudaks isegi laua pealt ära liikuda. Kuid sellel on tõsine eelis.

Kõrge eriimpulss võimaldab oluliselt vähendada kütusekulu mootoris. Gaasi ioniseerimiseks kasutatakse päikesepaneelidelt saadavat energiat, mistõttu ioonmootor võib töötada väga kaua – kuni kolm aastat ilma katkestusteta. Selle aja jooksul on tal aega kiirendada kosmoselaev kiiruseni, millest keemiamootorid pole kunagi unistanud.

Ioonmootorid on avarustel rohkem kui korra ringi liikunud Päikesesüsteem osana erinevatest missioonidest, kuid tavaliselt pigem toetavate kui esmaste missioonidena. Tänapäeval räägitakse üha enam plasmamootoritest kui võimalikust alternatiivist ioonmootoritele.

Plasma mootor

Kui aatomite ionisatsiooniaste muutub kõrgeks (umbes 99%), nimetatakse seda aine agregatsiooni olekut plasmaks. Plasma olekut on võimalik saavutada ainult kõrgetel temperatuuridel, mistõttu plasmamootorites kuumutatakse ioniseeritud gaas mitme miljoni kraadini. Kütmiseks kasutatakse välist energiaallikat - päikesepaneele või realistlikumalt väikest tuumareaktorit.

Kuum plasma väljutatakse seejärel läbi raketi düüsi, luues kümneid kordi suurema tõukejõu kui ioonmootoril. Üks plasmamootori näide on VASIMR projekt, mida on arendatud alates eelmise sajandi 70ndatest. Erinevalt ioonmootoritest pole plasmamootoreid veel kosmoses katsetatud, kuid neile pannakse suuri lootusi. Just VASIMR plasmamootor on üks peamisi kandidaate mehitatud lendudeks Marsile.

Fusioonmootor

Inimesed on termotuumasünteesi energiat püüdnud taltsutada alates kahekümnenda sajandi keskpaigast, kuid siiani pole see õnnestunud. Sellegipoolest on juhitav termotuumasüntees endiselt väga atraktiivne, sest see on tohutu energia allikas, mis saadakse väga odavast kütusest – heeliumi ja vesiniku isotoopidest.

IN praegu Termotuumasünteesienergial töötava reaktiivmootori jaoks on mitu konstruktsiooni. Kõige lootustandvamaks neist peetakse magnetilise plasmasulguriga reaktoril põhinevat mudelit. Sellise mootori termotuumareaktor on surveta silindriline kamber, mille pikkus on 100–300 meetrit ja läbimõõt 1–3 meetrit. Kambrisse tuleb varustada kütust kõrgtemperatuurse plasma kujul, mis piisava rõhu all läheb tuumasünteesi reaktsiooni. Kambri ümber asuvad magnetsüsteemi mähised peavad hoidma seda plasmat seadmega kokku puutumast.

Termotuumareaktsiooni tsoon asub piki sellise silindri telge. Magnetväljade abil voolab läbi reaktori düüsi äärmiselt kuum plasma, mis tekitab tohutu tõukejõu, mis on kordades suurem kui keemiamootoritel.

Antiaine mootor

Kogu meid ümbritsev aine koosneb fermioonidest – pooltäisarvulise spinniga elementaarosakestest. Need on näiteks kvargid, mis moodustavad aatomituumades prootoneid ja neutroneid, aga ka elektrone. Lisaks on igal fermioonil oma antiosake. Elektroni jaoks on see positron, kvargi jaoks antikvark.

Antiosakestel on sama mass ja sama spinn kui nende tavalistel "seltsimeestel", mis erinevad kõigi teiste kvantparameetrite märgi poolest. Teoreetiliselt on antiosakesed võimelised tootma antiainet, kuid siiani pole antiainet kusagil universumis tuvastatud. Fundamentaalteaduse jaoks on suur küsimus, miks seda seal pole.

Kuid laboritingimustes on võimalik saada teatud kogus antiainet. Näiteks viidi hiljuti läbi eksperiment, mille käigus võrreldi magnetlõksus hoitud prootonite ja antiprootonite omadusi.

Kui antiaine ja tavaline aine toimub vastastikuse hävitamise protsess, millega kaasneb kolossaalse energia tõus. Niisiis, kui võtta kilogramm ainet ja antiainet, on nende kohtumise ajal vabanev energiakogus võrreldav tsaar Bomba plahvatusega - kõige võimsama vesinikupomm inimkonna ajaloos.

Lisaks vabaneb märkimisväärne osa energiast elektromagnetkiirguse footonite kujul. Sellest lähtuvalt on soov seda energiat kasutada kosmosereisidel, luues päikesepurje sarnase fotoonmootori, ainult sel juhul genereerib valgust sisemine allikas.

Kuid selleks, et kiirgust reaktiivmootoris tõhusalt kasutada, on vaja lahendada "peegli" loomise probleem, mis suudaks neid footoneid peegeldada. Laev peab ju tõukejõu tekitamiseks kuidagi eemalduma.

Ei kaasaegne materjal see lihtsalt ei talu sellise plahvatuse korral tekkivat kiirgust ja aurustub koheselt. Oma ulmeromaanides lahendasid vennad Strugatskid selle probleemi, luues "absoluutse reflektori". IN päris elu Midagi sellist pole veel saavutatud. See ülesanne, nagu ka loomise küsimused suur kogus antiaine ja selle pikaajaline säilitamine on tuleviku füüsika küsimus.

Venemaa oli ja on praegu tuumaenergia kosmoseenergia valdkonnas liider. Sellistel organisatsioonidel nagu RSC Energia ja Roscosmos on kogemusi tuumaenergiaallikaga varustatud kosmoselaevade projekteerimisel, ehitamisel, käivitamisel ja käitamisel. Tuumamootor võimaldab teil töötada lennukid aastaid, suurendades korduvalt nende praktilist sobivust.

Ajalooline kroonika

Samas nõuab uurimissõiduki toimetamine Päikesesüsteemi kaugete planeetide orbiitidele sellise tuumarajatise ressursi suurendamist 5-7 aastani. On tõestatud, et umbes 1 MW võimsusega tuumajõusüsteemiga kompleks uurimiskosmoselaeva osana tagab kiirendatud orbiidile toimetamise 5-7 aasta jooksul. tehissatelliite kõige kaugemad planeedid, kulgurid pinnale looduslikud satelliidid need planeedid ja pinnase toimetamine Maale komeetidelt, asteroididelt, Merkuurilt ning Jupiteri ja Saturni satelliitidelt.

Korduvkasutatav puksiiri (MB)

Üks olulisemaid viise transporditoimingute tõhustamiseks kosmoses on transpordisüsteemi elementide korduvkasutus. Tuumamootor jaoks kosmoselaevad võimsusega vähemalt 500 kW võimaldab luua korduvkasutatavat puksiiri ja seeläbi oluliselt tõsta mitme lüliga kosmosetranspordisüsteemi efektiivsust. Selline süsteem on eriti kasulik suurte iga-aastaste kaubavoogude pakkumise programmis. Näiteks võiks tuua Kuu uurimisprogrammi koos pidevalt laieneva elamiskõlbliku baasi ning eksperimentaalsete tehnoloogiliste ja tootmiskomplekside loomise ja hooldamisega.

Veosekäibe arvestus

Vastavalt RSC Energia projekteerimisuuringutele peaks baasi ehitamise käigus Kuu pinnale toimetama umbes 10 tonni kaaluvad moodulid, Kuu orbiidile aga kuni 30 tonni.Kogu kaubavoog Maalt ehituse ajal elamiskõlbliku kuubaasi ja külastatava Kuu orbitaaljaama mahuks on hinnanguliselt 700-800 tonni ning aastane kaubavoog baasi toimimise ja arengu tagamiseks 400-500 tonni.

Tuumamootori tööpõhimõte ei võimalda aga transporteril piisavalt kiiresti kiirendada. Pika transpordiaja ja sellest tulenevalt kasuliku koormuse olulise aja tõttu Maa kiirgusvööndites ei ole võimalik kogu lasti kohale toimetada tuumajõul töötavate puksiiridega. Seetõttu on tuumajõul töötavate tõukejõusüsteemide baasil tagatav kaubavoog hinnanguliselt vaid 100-300 tonni aastas.

Majanduslik efektiivsus

Interorbitaalse transpordisüsteemi majandusliku efektiivsuse kriteeriumina on soovitatav kasutada kasuliku koorma massiühiku (PG) transportimise erikulu väärtust Maa pinnalt sihtorbiidile. RSC Energia on välja töötanud majandusliku ja matemaatilise mudeli, mis võtab arvesse transpordisüsteemi kulude põhikomponente:

• luua ja orbiidile suunata puksiirimooduleid;
• töötava tuumarajatise ostmiseks;
• tegevuskulud, samuti uurimis- ja arenduskulud ning võimalikud kapitalikulud.

Kulunäitajad sõltuvad MB optimaalsetest parameetritest. Seda mudelit kasutades, võrdlev majanduslik efektiivsus alates 100 tonni aastas kogumassiga kasuliku koormuse tarnimise tagamiseks programmis tuumajõuseadmel põhineva korduvkasutatava puksiiri võimsusega umbes 1 MW ja täiustatud vedeljõusüsteemidel põhineva ühekordselt kasutatava puksiiri kasutamine programmis. Maa 100 km kõrgusele Kuu orbiidile. Kui kasutatakse sama kanderaketti kandevõimega, mis on võrdne kanderakett Proton-M kandevõimega, ja kahe stardi skeemi transpordisüsteemi ehitamiseks, on kasuliku koormuse massiühiku kohaletoimetamise erikulu tuumajõul töötava puksiiri abil. on kolm korda madalam kui DM-3 tüüpi vedelmootoritega rakettidel põhinevate ühekordsete puksiiride kasutamisel.

Järeldus

Tõhus kosmose tuumamootor aitab kaasa Maa keskkonnaprobleemide lahendamisele, inimeste lendudele Marsile, traadita energiaülekande süsteemi loomisele kosmoses, eriti ohtlike maapinna radioaktiivsete jäätmete matmise suurendatud ohutusega rakendamisele. -põhine tuumaenergia, elamiskõlbliku Kuu baasi loomine ja Kuu tööstusliku arengu algus, tagades Maa kaitsmise asteroidi-komeedi ohu eest.

Seda artiklit võiks alustada traditsioonilise lõiguga selle kohta, kuidas ulmekirjanikud esitavad julgeid ideid ja teadlased viivad need ellu. Saate, aga te ei taha templitega kirjutada. Parem on meeles pidada, et kaasaegsetel tahkekütusel ja vedelatel rakettmootoritel on suhteliselt pikkade vahemaade lendude jaoks enam kui ebarahuldavad omadused. Need võimaldavad lasta lasti Maa orbiidile ja toimetada midagi Kuule, kuigi selline lend on kallim. Kuid selliste mootoritega Marsile lendamine pole enam lihtne. Andke neile vajalikes kogustes kütust ja oksüdeerijat. Ja need mahud on otseselt võrdelised läbitava vahemaaga.

Traditsiooniliste keemiliste rakettmootorite alternatiiviks on elektri-, plasma- ja tuumamootorid. Kõigist alternatiivsetest mootoritest on mootorite arendamise faasi jõudnud vaid üks süsteem – tuumareaktsioon (Nuclear Reaction Engine). Nõukogude Liidus ja USA-s alustati tuumarakettmootorite loomisega juba eelmise sajandi 50ndatel. Ameeriklased töötasid sellise elektrijaama jaoks mõlema variandi kallal: reaktiivse ja impulss-elektrijaama jaoks. Esimene kontseptsioon hõlmab töövedeliku kuumutamist tuumareaktori abil ja seejärel selle vabastamist düüside kaudu. Impulss-tuumajõumootor paneb omakorda kosmoselaeva edasi liikuma väikeste tuumakütusekoguste järjestikuste plahvatuste kaudu.

Ka USA-s leiutati Orioni projekt, mis ühendas tuumajõul töötava mootori mõlemad versioonid. see sai tehtud järgmisel viisil: laeva sabast visati väikesed välja tuumalaengud mahutavusega umbes 100 tonni trotüüli. Nende järele lasti metallkettaid. Laevast kaugemal lõhkas laeng, ketas aurustus ja aine hajus eri suundades. Osa sellest kukkus laeva tugevdatud sabaosasse ja nihutas seda edasi. Väikese tõukejõu suurenemise oleks pidanud tagama lööke vastuvõtva plaadi aurustumine. Sellise lennu ühikuhind oleks pidanud olema vaid 150 dollarit kandevõime kilogrammi kohta.

Asi jõudis isegi katsetamiseni: kogemus näitas, et liikumine järjestikuste impulsside abil on võimalik, nagu ka piisava tugevusega ahtriplaadi loomine. Kuid Orioni projekt suleti 1965. aastal kui vähetõotav. See on aga seni ainus olemasolev kontseptsioon, mis võimaldab ekspeditsioone vähemalt üle päikesesüsteemi.

Prototüübi ehitamiseni oli võimalik jõuda vaid tuumajõul töötava rakettmootoriga. Need olid Nõukogude RD-0410 ja Ameerika NERVA. Nad töötasid samal põhimõttel: "tavalises" tuumareaktoris kuumutatakse töövedelikku, mis düüsidest väljutades tekitab tõukejõu. Mõlema mootori töövedelikuks oli vedel vesinik, Nõukogude oma kasutas aga abiainena heptaani.

RD-0410 tõukejõud oli 3,5 tonni, NERVA andis peaaegu 34, kuid sellel olid ka suured mõõtmed: pikkus 43,7 meetrit ja läbimõõt 10,5 meetrit versus Nõukogude mootoril vastavalt 3,5 ja 1,6 meetrit. Samal ajal jäi Ameerika mootor ressursi poolest Nõukogude omale kolm korda alla - RD-0410 suutis töötada terve tunni.

Mõlemad mootorid jäid aga lubadusest hoolimata ka Maale ega lennanud kuhugi. peamine põhjus mõlema projekti sulgemine (NERVA 70ndate keskel, RD-0410 1985) - raha. Keemiamootorite omadused on kehvemad kui tuumamootoritel, kuid sama kasuliku koormusega tuumajõumootoriga laeva ühe stardi maksumus võib olla 8–12 korda suurem kui sama vedelkütuselise mootoriga Sojuzi käivitamine. . Ja see ei võta isegi arvesse kõiki kulusid, mis on vajalikud tuumamootorite praktiliseks kasutamiseks sobivaks muutmiseks.

"Odavate" süstikute dekomisjoneerimine ja puudumine Hiljuti Revolutsioonilised läbimurded kosmosetehnoloogias nõuavad uusi lahendusi. Tänavu aprillis teatas Roscosmose toonane juht A. Perminov kavatsusest välja töötada ja kasutusele võtta täiesti uus tuumajõusüsteem. Just see peaks Roscosmose arvates radikaalselt parandama "olukorda" kogu maailma kosmonautikas. Nüüd on selgunud, kellest peaksid saama järgmised astronautika revolutsionäärid: tuumajõumootorite väljatöötamisega tegeleb Keldyshi keskuse föderaalne ühtne ettevõte. tegevdirektor Ettevõte A. Korotejev on sellega juba avalikkust rõõmustanud eelprojekt Uue tuumamootori kosmoselaev valmib järgmisel aastal. Mootori konstruktsioon peaks olema valmis 2019. aastaks, testimine on kavandatud 2025. aastaks.

Kompleksi nimetati TEM - transpordi- ja energiamooduliks. Sellel on gaasjahutusega tuumareaktor. Otsene liikuja pole veel otsustatud: kas saab reaktiivmootor nagu RD-0410 või elektriline rakettmootor (ERM). Viimast tüüpi pole aga veel kusagil maailmas laialdaselt kasutatud: nendega oli varustatud vaid kolm kosmoselaeva. Kuid elektrimootori kasuks räägib asjaolu, et reaktor suudab toita mitte ainult mootorit, vaid ka paljusid teisi agregaate või isegi kasutada kogu TEM-i kosmosejõujaamana.

Selgub, et kosmoserakettide tuumamootorit – ulmekirjanike näiliselt kauge unistus – ei välja töötatud mitte ainult ülisalajastes disainibüroodes, vaid ka toodeti ja seejärel katsetati katseplatsidel. "See oli mittetriviaalne töö," ütleb Voroneži föderaali peadisainer riigiettevõte"Keemiaautomaatika KB" Vladimir Rachuk. Tema sõnul tähendab “mittetriviaalne töö” väga kõrget hinnangut tehtule.

Kuigi "KB Khimavtomatiki" on seotud keemiaga (toodab pumpasid asjakohastele tööstusharudele), on tegelikult üks ainulaadseid juhtivaid raketimootorite tootmiskeskusi Venemaal ja välismaal. Ettevõte loodi Voroneži oblastis 1941. aasta oktoobris, kui natside väed kihutasid Moskvasse. Sel ajal töötas disainibüroo välja sõjaväelennukite üksusi. Viiekümnendatel aastatel läks meeskond aga üle uuele paljutõotavale teemale – vedela rakettmootori (LPRE) peale. Voronežist pärit “tooted” paigaldati seadmetele “Vostok”, “Voskhod”, “Soyuz”, “Molniya”, “Proton”...
Siin, Chemical Automatics Design Bureau's, loodi riigi võimsaim ühekambriline hapniku-vesiniku ruumi "mootor", mille tõukejõud on kakssada tonni. Seda kasutati Energia-Buran raketi- ja kosmosekompleksi teises etapis tõukejõuna. Voroneži rakettmootorid on paigaldatud paljudele sõjalistele rakettidele (näiteks "Saatana" nime all tuntud SS-19 või allveelaevadelt välja lastud SS-N-23). Kokku töötati välja umbes 60 näidist, millest 30 viidi masstootmisse. Selles seerias paistab silma tuumarakettmootor RD-0410, mis loodi koostöös paljude kaitseettevõtete, projekteerimisbüroode ja uurimisinstituutidega.
Üks Venemaa kosmonautika rajajaid Sergei Pavlovitš Korolev ütles, et on rakettide tuumajaamast unistanud juba 1945. aastast. Oli väga ahvatlev kasutada aatomi võimsat energiat kosmilise ookeani vallutamiseks. Kuid sel ajal polnud meil isegi rakette. Ja 50ndate keskel Nõukogude luureohvitserid teatas, et USA-s täies hoos Käimas on uuringud tuumarakettmootori (NRE) loomiseks. See teave edastati kohe kõrgem juhtkond riigid. Suure tõenäosusega oli ka Korolev sellega tuttav. 1956. aastal salaaruanne raketitehnoloogia arendamise väljavaadete kohta rõhutas ta, et tuumamootoritel on väga suured väljavaated. Kuid kõik mõistsid, et idee elluviimine oli tohutute raskustega. Näiteks tuumaelektrijaam asub mitmekorruselises hoones. Väljakutse oli muuta see suur hoone kahekohaliseks kompaktseks installatsiooniks lauad. 1959. aastal toimus Aatomienergia Instituudis väga tähendusrikas kohtumine meie aatomipommi “isa”, rakendusmatemaatika instituudi direktori Igor Kurtšatovi, “astronautika peateoreetiku” Mstislav Keldõši ja Sergei Koroljovi vahel. . Foto "kolmest K-st", kolm silmapaistvad inimesed, mis ülistas riiki, sai õpikuks. Kuid vähesed inimesed teavad, mida nad sel päeval täpselt arutasid.
"Kurtšatov, Korolev ja Keldõš rääkisid tuumamootori loomise konkreetsetest aspektidest," kommenteerib fotot enam kui 40 aastat Voroneži projekteerimisbüroos töötanud tuumamootori juhtivkonstruktor Albert Belogurov. . - Selleks ajaks ei tundunud idee ise enam fantastiline. Alates 1957. aastast, mil meil olid mandritevahelised raketid, hakkasid Sredmashi (aatomiküsimustega tegeleva ministeeriumi) disainerid tegelema tuumamootorite eeluuringutega. Pärast “kolme K-de” kohtumist said need uuringud uue võimsa tõuke.
Tuumateadlased töötasid raketiteadlastega kõrvuti. Rakettmootori jaoks võtsid nad ühe kompaktseima reaktori. Väliselt on see suhteliselt väike metallist silinder, mille läbimõõt on umbes 50 sentimeetrit ja pikkus umbes meeter. Sees on 900 õhukest toru, mis sisaldavad "kütust" - uraani. Reaktori tööpõhimõte on ka tänapäeval koolilastele teada. Aatomituumade lõhustumise ahelreaktsiooni käigus tekib tohutul hulgal soojust. Võimsad pumbad vesinik pumbatakse läbi uraanikatla soojuse, mis soojeneb kuni 3000 kraadini. Seejärel tekitab düüsist suurel kiirusel väljuv kuum gaas võimsa tõukejõu...
Diagrammil paistis kõik hästi, aga mida näitavad testid? Täismahulise tuumamootori käivitamiseks ei saa kasutada tavalisi stende – kiirgusega ei saa nalja. Reaktor on oma olemuselt aatomipomm, ainult viivitusega, kui energia vabaneb mitte hetkega, vaid teatud aja jooksul. Igal juhul on vaja erilisi ettevaatusabinõusid. Reaktorit otsustati katsetada Semipalatinski tuumakatsetuspaigas ja konstruktsiooni esimest osa (nagu mootor ise) - Moskva oblastis asuvas stendis.
"Zagorskis on suurepärane baas rakettmootorite maapealseks käivitamiseks," selgitab Albert Belogurov. - Oleme valmistanud umbes 30 proovi stendi testimiseks. Vesinik põletati hapnikus ja seejärel suunati gaas mootorisse – turbiini. Turbopump pumpas voolu, aga mitte tuumareaktorisse, nagu skeemi järgi peaks olema (Zagorskis reaktorit muidugi polnud), vaid atmosfääri. Kokku viidi läbi 250 testi. Programm õnnestus täielikult. Selle tulemusena saime töökorras mootori, mis vastas kõigile nõuetele. Keerulisemaks osutus tuumareaktori katsetuste korraldamine. Selleks oli vaja Semipalatinski katsepolügooni rajada spetsiaalsed kaevandused ja muud rajatised. Selline suuremahuline töö oli loomulikult seotud suurte rahaliste kuludega ja raha saamine polnud ka tollal lihtne.
Sellegipoolest algas ehitusobjektil ehitus, kuigi Belogurovi sõnul viidi see läbi "ökonoomsel režiimil". Kahe kaevanduse rajamiseks kulus palju aastaid ja kontoriruumid maa all. Šahtide vahel asuvas betoonpunkris olid tundlikud instrumendid. Teises punkris, 800 meetri kaugusel, on juhtpult. Tuumareaktori katsetamise ajal oli inimeste viibimine esimeses neist ruumidest rangelt keelatud. Õnnetuse korral muutuks stend võimsaks kiirgusallikaks.
Enne eksperimentaalset käivitamist langetati reaktor ettevaatlikult väljapoole (maa pinnale) paigaldatud pukkkraana abil šahti. Võll ühendati sfäärilise paagiga, õõnestati 150 meetri sügavuselt graniidist ja vooderdati terasega. Vesinikgaas pumbati kõrge rõhu all sellisesse ebatavalisse “reservuaari” (ei olnud raha, et seda vedelal kujul kasutada, mis on muidugi tõhusam). Pärast reaktori käivitamist sisenes vesinik uraanikatlasse altpoolt. Gaas kuumenes 3000 kraadini ja purskas müriseva tulise vooluga šahtist välja. Tugevat radioaktiivsust selles ojas ei olnud, kuid päeval ei tohtinud katsepaigast pooleteise kilomeetri raadiuses õues viibida. Kaevandusele endale oli kuu aega võimatu läheneda. Ohutu tsoonist viis esmalt ühte punkrisse ja sealt teise, kaevanduste läheduses asuvasse maa-alune tunnel, mis oli kaitstud kiirguse läbitungimise eest. Spetsialistid liikusid mööda neid omapäraseid pikki “koridore”.
Reaktori katsetused viidi läbi aastatel 1978-1981. Katsetulemused kinnitasid õigsust konstruktiivseid lahendusi. Põhimõtteliselt loodi tuumarakettmootor. Jäi vaid kaks osa omavahel ühendada ja kokkupandud tuumamootori põhjalikud katsetused läbi viia. Kuid nad ei andnud selle eest enam raha. Kaheksakümnendatel ei nähtud tuumaelektrijaamade praktilist kasutamist kosmoses ette. Need ei sobinud Maalt startimiseks, sest ümbritsev ala oleks saanud tugeva kiirgusreostuse. Tuumamootorid on üldjuhul ette nähtud kasutamiseks ainult kosmoses. Ja siis väga kõrgetel orbiitidel (600 kilomeetrit ja rohkem), nii et kosmoseaparaat tiirleb ümber Maa palju sajandeid. Sest tuumarakettmootori "ekspositsiooniperiood" on vähemalt 300 aastat. Tegelikult töötasid ameeriklased sarnase mootori välja peamiselt Marsile lendamiseks. Kuid kaheksakümnendate alguses olid meie riigi juhid ülimalt selged: lend Punasele Planeedile käis üle meie võimete (nagu ameeriklased piirasid ka seda tööd). Kuid just 1981. aastal tulid meie disainerid välja uute paljulubavate ideedega. Miks mitte kasutada tuumamootorit ka elektrijaamana? Lihtsamalt öeldes, et toota sellel kosmoses elektrit. Mehitatud lennu ajal saab liugvardaga uraanikatla „liigutada“ eluruumidest, milles astronaudid asuvad, kuni 100 meetri kaugusele. Ta lendab jaamast kaugele. Samas saaksime väga võimsa energiaallika, mida kosmoselaevadel ja jaamades nii vaja on. 15 aastat tegelesid Voroneži elanikud koos tuumateadlastega selle paljutõotava uurimistööga ja viisid läbi katseid Semipalatinski katsepaigas. Riigi rahastus puudus üldse ning kõik tööd tehti tehase ressursse ja entusiasmi kasutades. Täna on meil siin väga tugev alus. Küsimus on vaid selles, kas nende arenduste järele on nõudlust.
"Kindlasti," vastab kindraldisainer Vladimir Rachuk enesekindlalt. - Tänapäeval saavad kosmosejaamad, laevad ja satelliidid energiat päikesepaneelidelt. Kuid elektri tootmine tuumareaktoris on palju odavam - kaks või isegi kolm korda. Lisaks ei tööta päikesepaneelid Maa varjus. See tähendab, et akusid on vaja ja see suurendab oluliselt kosmoselaeva kaalu. Muidugi, kui me räägime Kui võimsus on väike, ütleme 10-15 kilovatti, siis on päikesepaneelide olemasolu lihtsam. Kuid kui kosmoses on vaja 50 kilovatti või rohkem, ei saa orbitaaljaamas või planeetidevahelises kosmoselaevas ilma tuumarajatiseta (mis, muide, kestab 10–15 aastat) hakkama. Nüüd, ausalt öeldes, me selliste tellimustega tegelikult ei arvesta. Kuid aastatel 2010–2020 on tuumamootorid, mis on ka minielektrijaamad, väga vajalikud.
- Kui palju selline tuumarajatis kaalub?
- Kui me räägime mootorist RD-0410, siis selle mass koos kiirguskaitse ja kinnitusraamiga on kaks tonni. Ja tõukejõud on 3,6 tonni. Kasu on ilmne. Võrdluseks: prootonid tõstavad orbiidile 20 tonni. Ja võimsamad tuumarajatised kaaluvad muidugi rohkem - võib-olla 5-7 tonni. Kuid igal juhul võimaldavad tuumarakettmootorid 2–2,5 korda suurema massiga lasti statsionaarsele orbiidile suunata ja annavad kosmoselaevadele pikaajalise stabiilse energia.

Ma ei rääkinud peakonstruktoriga valusal teemal - et Semipalatinski katseobjektil (praegu teise osariigi territooriumil) oli palju väärtuslikku tehaseseadet, mida polnud veel Venemaale tagastatud. Seal kaevanduses on ka üks katsetuumareaktor. Ja pukk-kraana on endiselt paigas. Ainult tuumamootori katseid enam ei tehta: kokkupandud kujul seisab see nüüd tehasemuuseumis. Ootab tiibadesse.

Olge ettevaatlik, seal on palju kirju.

Venemaal plaanitakse 2025. aastaks luua tuumajõusüsteemiga (NPP) kosmoseaparaadi lennumudel. Vastav töö sisaldub föderaalse kosmoseprogrammi 2016–2025 eelnõus (FKP-25), mille Roscosmos saadab ministeeriumidele kooskõlastamiseks.

Tuumaenergiasüsteeme peetakse suuremahuliste planeetidevaheliste ekspeditsioonide kavandamisel peamisteks paljulubavateks energiaallikateks kosmoses. Tulevikus suudab tuumaelektrijaam, mida praegu Rosatomi ettevõtted loovad, anda kosmoses megavatti võimsust.

Kõik tööd tuumajaama rajamisel kulgevad vastavalt kavandatud tähtaegadele. Võime suure kindlusega väita, et töö valmib sihtprogrammis ettenähtud tähtaegselt,” ütleb riigikorporatsiooni Rosatomi kommunikatsiooniosakonna projektijuht Andrey Ivanov.

Hiljuti on projekt lõppenud kaks olulised etapid: on loodud kütuseelemendi ainulaadne disain, mis tagab töökindluse kõrgete temperatuuride, suurte temperatuurigradientide ja suure kiirgusdoosi tingimustes. Edukalt on lõppenud ka tulevase kosmosejõuseadme reaktorimahu tehnoloogilised katsetused. Nende testide osana allutati korpusele ülerõhk ja tehti 3D-mõõtmised mitteväärismetallist, ringkeevisõmblusest ja kitsenevatest üleminekupiirkondadest.

Tööpõhimõte. Loomise ajalugu.

Kosmoses kasutatavate tuumareaktorite puhul pole põhimõttelisi raskusi. Ajavahemikul 1962–1993 kogus meie riik sarnaste seadmete tootmisel hulgaliselt kogemusi. Sarnast tööd tehti ka USA-s. Alates 1960. aastate algusest on maailmas välja töötatud mitut tüüpi elektrilisi tõukemootoreid: ioon, statsionaarne plasma, anoodkihtmootor, impulssplasmamootor, magnetoplasma, magnetoplasmodünaamiline.

NSV Liidus ja USA-s tehti eelmisel sajandil aktiivselt tööd kosmosesõidukite tuumamootorite loomisel: ameeriklased lõpetasid projekti 1994. aastal, NSV Liit - 1988. aastal. Tööde sulgemisele aitas suuresti kaasa Tšernobõli katastroof, mis mõjutas negatiivselt avalikku arvamust tuumaenergia kasutamise osas. Lisaks ei kulgenud kosmose tuumarajatiste katsetused alati plaanipäraselt: 1978. aastal sisenes Nõukogude satelliit Kosmos-954 atmosfääri ja lagunes, hajutades tuhandeid radioaktiivseid fragmente 100 tuhande ruutmeetri suurusele alale. km sisse loodepiirkonnad Kanada. Nõukogude Liit maksti Kanadale rahaline hüvitis rohkem kui 10 miljoni dollari väärtuses.

1988. aasta mais tegid kaks organisatsiooni – Ameerika teadlaste föderatsioon ja tuumaohuvastase rahu eest vastutav nõukogude teadlaste komitee – ühise ettepaneku tuumaenergia kasutamine kosmoses keelata. Sellel ettepanekul ei olnud formaalseid tagajärgi, kuid pärast seda pole ükski riik tuumaelektrijaamadega kosmoselaevu saatnud.

Projekti suurteks eelisteks on praktiliselt olulised tööomadused - pikk kasutusiga (10 aastat kasutust), märkimisväärne kapitaalremondi intervall ja pikk tööaeg ühel lülitil.

2010. aastal koostati projekti tehnilised ettepanekud. Disain algas sel aastal.

Tuumaelektrijaam sisaldab kolme põhiseadet: 1) reaktoripaigaldis töövedeliku ja abiseadmetega (soojusvaheti-rekuperaator ja turbogeneraator-kompressor); 2) elektriraketi tõukejõusüsteem; 3) külmik-emitter.

Reaktor.

KOOS füüsiline punkt See on kompaktne gaasjahutusega kiire neutronreaktor.
Kütusena kasutatakse uraani ühendit (dioksiid või karbonitriid), kuid kuna konstruktsioon peab olema väga kompaktne, on uraani isotoobis 235 suurem rikastus kui tavaliste (tsiviil) tuumajaamade kütusevarrastes, võib-olla üle 20%. Ja nende kest on molübdeenil põhinev tulekindlate metallide monokristalliline sulam.

See kütus peab töötama väga kõrgetel temperatuuridel. Seetõttu oli vaja valida materjalid, mis võivad sisaldada temperatuuriga seotud negatiivseid tegureid ja samal ajal võimaldada kütusel täita oma põhifunktsiooni - soojendada jahutusvedeliku gaasi, mida kasutatakse elektri tootmiseks.

Külmkapp.

Gaasi jahutamine tuumarajatise töötamise ajal on hädavajalik. Kuidas koguda soojust kosmosesse? Ainus võimalus on jahutamine kiirgusega. Kuumutatud pind tühimikus jahtub, kiirgades laias vahemikus elektromagnetlaineid, sealhulgas nähtavat valgust. Projekti unikaalsus on spetsiaalse jahutusvedeliku - heeliumi-ksenooni segu kasutamine. Paigaldus tagab kõrge efektiivsuse.

Mootor.

Ioonmootori tööpõhimõte on järgmine. Gaaslahenduskambris luuakse anoodide ja magnetväljas paikneva katoodploki abil haruldane plasma. Sellest "tõmbab" emissioonielektrood töövedeliku (ksenooni või muu aine) ioonid ja kiirendab neid selle ja kiirenduselektroodi vahelises pilus.

Plaani elluviimiseks lubati aastatel 2010–2018 17 miljardit rubla. Nendest vahenditest oli 7,245 miljardit rubla ette nähtud Rosatomi riiklikule korporatsioonile reaktori enda loomiseks. Veel 3,955 miljardit - FSUE "Keldyshi keskus" tuumajõujõujaama loomiseks. Veel 5,8 miljardit rubla läheb RSC Energiale, kus sama aja jooksul tuleb kujundada kogu transpordi- ja energiamooduli tööilme.

Plaanide kohaselt valmistatakse 2017. aasta lõpuks transpordi- ja energiamooduli (planetidevahelise ülekande moodul) komplekteerimiseks tuumajõujõusüsteem. 2018. aasta lõpuks valmistatakse tuumajaam ette lennukatseteks. Projekti rahastatakse föderaaleelarvest.

Pole saladus, et töö tuumarakettmootorite loomisega algas USA-s ja NSV Liidus juba eelmise sajandi 60ndatel. Kui kaugele nad on jõudnud? Ja milliste probleemidega te oma teel kokku puutusite?

Anatoli Korotejev: Tõepoolest, 1960-70ndatel alustati ja tehti aktiivselt tööd tuumaenergia kasutamisega kosmoses nii siin kui ka USA-s.

Esialgu seati ülesandeks luua rakettmootorid, mis kütuse ja oksüdeerija põlemisel tekkiva keemilise energia asemel kasutaksid vesiniku kuumutamist umbes 3000 kraadise temperatuurini. Kuid selgus, et selline otsetee oli siiski ebaefektiivne. Oleme peal lühikest aega Saame suure tõukejõu, kuid samal ajal kiirgame välja joa, mis reaktori ebanormaalse töö korral võib osutuda radioaktiivselt saastunuks.

Omajagu kogemusi kogunes, kuid ei meie ega ameeriklased ei suutnud luua töökindlaid mootoreid. Nad töötasid, kuid mitte palju, sest vesiniku kuumutamine 3000 kraadini tuumareaktoris on tõsine töö. Lisaks tekkisid selliste mootorite maapealsete katsete käigus keskkonnaprobleemid, kuna radioaktiivsed joad paiskusid atmosfääri. Pole enam saladus, et selline töö tehti spetsiaalselt tuumakatsetusteks ettevalmistatud Semipalatinski polügoonil, mis jäi Kasahstani.

See tähendab, et kaks parameetrit osutusid kriitiliseks - äärmuslik temperatuur ja kiirgusemissioon?

Anatoli Korotejev: Üldiselt jah. Nendel ja mõnel muul põhjusel peatati või peatati töö meie riigis ja USA-s – seda saab hinnata erinevalt. Ja meile tundus ebamõistlik jätkata neid sellisel, ma ütleks, et pea ees, et teha tuumamootor koos kõigi juba mainitud puudustega. Pakkusime välja hoopis teistsuguse lähenemise. See erineb vanast samamoodi, nagu hübriidauto tavalisest. Tavaautol keerab mootor rattaid, aga hübriidautodel tekib mootorist elekter ja see elekter keerab rattaid. See tähendab, et luuakse mingi vahepealne elektrijaam.

Seega pakkusime välja skeemi, mille kohaselt kosmosereaktor ei soojenda sealt välja paiskuvat juga, vaid toodab elektrit. Reaktorist tulev kuum gaas pöörab turbiini, turbiin elektrigeneraatorit ja kompressorit, mis ringleb töövedelikku suletud ahelas. Generaator toodab plasmamootorile elektrit, mille eritõukejõud on 20 korda suurem kui keemilistel analoogidel.

Keeruline skeem. Põhimõtteliselt on see kosmoses asuv mini-tuumajaam. Ja millised on selle eelised reaktiivmootoriga tuumamootori ees?

Anatoli Korotejev: Peaasi, et uuest mootorist väljuv joa ei oleks radioaktiivne, kuna reaktorit läbib täiesti erinev töövedelik, mis on suletud ahelas.

Lisaks ei pea me selle skeemi puhul vesinikku kuumutama lubamatute väärtusteni: reaktoris ringleb inertne töövedelik, mis soojeneb kuni 1500 kraadini. Teeme asjad enda jaoks väga lihtsaks. Selle tulemusena suurendame keemiamootoritega võrreldes spetsiifilist tõukejõudu mitte kaks, vaid 20 korda.

Oluline on ka teine ​​asi: pole vaja keerulisi täismahus teste, mis nõuavad endise Semipalatinski katsepaiga infrastruktuuri, eelkõige Kurtšatovi linna jäävat katsestendi baasi.

Meie puhul saab kõik vajalikud katsetused läbi viia Venemaa territooriumil, ilma et peaksime sattuma pikkadesse rahvusvahelistesse läbirääkimistesse tuumaenergia kasutamise üle väljaspool oma riigi piire.

Kas sarnane töö käib praegu ka teistes riikides?

Anatoli Korotejev: Kohtusin NASA asejuhiga, arutasime küsimusi, mis on seotud tuumaenergiaga kosmosesse tööle naasmisega ja ta ütles, et ameeriklased näitavad selle vastu suurt huvi.

On täiesti võimalik, et Hiina võib reageerida omapoolsete aktiivsete tegevustega, seega peame tegutsema kiiresti. Ja mitte ainult selle pärast, et olla kellestki pool sammu ees.

Peame kiiresti töötama ennekõike selleks, et tekkivas rahvusvahelises koostöös näeksime korralikud välja ja de facto see kujuneb.

Ma ei välista, et lähiajal võidakse algatada rahvusvaheline tuumaelektrijaama programm, mis sarnaneb praegu elluviidava juhitava termotuumasünteesi programmiga.