Avtoargon.ru

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

NASA может отправить людей на Марс при помощи ядерного двигателя

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

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

Ядерный двигатель может ускорить полеты на Марс

Ядерный двигатель для космического корабля

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

К тому же, быстрый полет повышает вероятность успеха миссии:

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

Как работает ядерный двигатель?

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

Впервые об использовании ядерных двигателей в космосе задумались в XX веке

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

Примерно так будет выглядеть производство ракетных двигателей USNC-Tech

Опасность ракетных двигателей

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

Ядерная двигательная установка USNC-Tech

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

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

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

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

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

И с т о р и я к о с м о н а в т и к и

Галерея

Ядерные ракетные двигатели

Жидкостные ракетные двигатели дали возможность выйти человеку в космос — на околоземные орбиты. Но скорость истечения реактивной струи в ЖРД не превышает 4,5 км/с, а для полетов на другие планеты нужны десятки километров в секунду. Возможным выходом является использование энергии ядерных реакций.

Практическое создание ядерных ракетных двигателей (ЯРД) вели только СССР и США. В 1955 году в США началась реализация программы «Rover» по разработке ядерного ракетного двигателя для космических кораблей. Через три года, в 1958 году, проектом стало заниматься НАСА, которое поставило конкретную задачу для кораблей с ЯРД — полет на Луну и Марс. С этого времени программа стала называться NERVA, что расшифровывается как — «ядерный двигатель для установки на ракеты».

Читать еще:  Ваз 2107 стук при работе двигателя

К середине 70-х годов в рамках этой программы предполагалось спроектировать ЯРД с тягой около 30 тонн (для сравнения у ЖРД этого времени характерная тяга была примерно 700 тонн), но со скоростью истечения газов — 8,1 км/с. Однако, в 1973 году программа была закрыта из-за смещения интересов США в сторону космических челноков.

В СССР проектирование первых ЯРД велось во второй половине 50-х годов. При этом советские конструкторы, вместо создания полномасштабной модели, стали делать отдельные части ЯРД. А потом эти наработки испытывались во взаимодействии со специально разработанным импульсным графитовым реактором (ИГР).

В 70—80-е годы прошлого века в КБ «Салют», КБ «Химавтоматики» и НПО «Луч» были созданы проекты космических ЯРД РД-0411 и РД-0410 с тягой 40 и 3,6 т соответственно. В течение процесса проектирования были изготовлены реактор, «холодный» двигатель и стендовый прототип для проведения испытаний.

Принципиальная и конструктивная схемы взрыволета А. Д. Сахарова

В июле 1961 года советский академик Андрей Сахаров сообщил о проекте ядерного взрыволета на совещании ведущих атомщиков в Кремле. Взрыволет имел обычные жидкостные ракетные двигатели для взлета, в космосе же предполагалось взрывать небольшие ядерные заряды. Возникающие при взрыве продукты деления передавали свой импульс кораблю, заставляя его лететь. Однако 5 августа 1963 года в Москве был подписан договор о запрещении испытаний ядерного оружия в атмосфере, космическом пространстве и под водой. Это послужило причиной закрытия программы ядерных взрыволетов.

ракетный двигатель РД-0410

Возможно, что разработки ЯРД опережали свое время. Однако они не были слишком преждевременными. Ведь подготовка пилотируемого полета к другим планетам длится несколько десятилетий, и двигательные установки для него должны готовиться заранее.

Конструкция ядерного ракетного двигателя

Ядерный ракетный двигатель (ЯРД) — реактивный двигатель, в котором энергия, возникающая при ядерной реакции распада или синтеза, нагревает рабочее тело (чаще всего, водород или аммиак).

Существует три типа ЯРД по виду топлива для реактора:

  • твердофазный;
  • жидкофазный;
  • газофазный.

Наиболее законченным является твердофазный вариант двигателя. На рисунке изображена схема простейшего ЯРД с реактором на твердом ядерном горючем. Рабочее тело располагается во внешнем баке. С помощью насоса оно подается в камеру двигателя. В камере рабочее тело распыляется с помощью форсунок и вступает в контакт с тепловыделяющим ядерным топливом. Нагреваясь, оно расширяется и с огромной скоростью вылетает из камеры через сопло.

Жидкофазный — ядерное топливо в активной зоне реактора такого двигателя находится в жидком виде. Тяговые параметры таких двигателей выше, чем у твердофазных, за счет более высокой температуры реакторе.

В газофазных ЯРД топливо (например, уран) и рабочее тело находится в газообразном состоянии (в виде плазмы) и удерживается в рабочей зоне электромагнитным полем. Нагретая до десятков тысяч градусов урановая плазма передает тепло рабочему телу (например, водороду), которое, в свою очередь, будучи нагретым до высоких температур и образует реактивную струю.

Принцип действия ЯРД

По типу ядерной реакции различают радиоизотопный ракетный двигатель, термоядерный ракетный двигатель и собственно ядерный двигатель (используется энергия деления ядер).

Интересным вариантом также является импульсный ЯРД — в качестве источника энергии (горючего) предлагается использовать ядерный заряд. Такие установки могут быть внутреннего и внешнего типов.

Основными преимуществами ЯРД являются:

  • высокий удельный импульс;
  • значительный энергозапас;
  • компактность двигательной установки;
  • возможность получения очень большой тяги — десятки, сотни и тысячи тонн в вакууме.

Основным недостатком является высокая радиоционная опасность двигательной установки:

  • потоки проникающей радиации (гамма-излучение, нейтроны) при ядерных реакциях;
  • вынос высокорадиоактивных соединений урана и его сплавов;
  • истечение радиоактивных газов с рабочим телом.

Поэтому запуск ядерного двигателя неприемлем для стартов с поверхности Земли из-за риска радиоактивного загрязнения.

Импульсный ядерный ракетный двигатель

Импульсный ЯРД был разработан в соответствии с принципом, предложенным в 1945 г. д-ром С. Уламом из Лос-Аламосской научно-исследовательской лаборатории, согласно которому в качестве источника энергии (горючего) высокоэффективной космической ракетной установки предлагается использовать ядерный заряд.

В те дни, как и в последующие многие годы, ядерные и термоядерные заряды были самыми мощными и компактными источниками энергии по сравнению с любыми другими. Как известно, в настоящее время мы находимся на пороге открытия способов управления еще более концентрированным источником энергии, поскольку мы уже достаточно далеко продвинулись в области разработки первого агрегата с использованием антивещества. Если исходить только из количества располагаемой энергии, то ядерные заряды обеспечивают удельную тягу более 200 000 сек, а термоядерные — вплоть до 400 000 сек. Такие значения удельных тяг чрезмерно высоки для большинства полетов в пределах солнечной системы. Более того, при использовании ядерного горючего в «чистом» виде возникает очень много проблем, которые даже в настоящее время еще не решены в полном объеме. Итак, энергия, выделяемая при взрыве, должна передаваться рабочему телу, которое нагревается и затем истекает из двигателя, создавая тягу. В соответствии с обычными методами решения такой задачи ядерный заряд помещается в «камеру сгорания», наполненную рабочим телом (например, водой или другим жидким веществом), которое испаряется и затем расширяется с большей или меньшей степенью диабатичности в сопле.

Такая система, которую мы называем импульсным ЯРД внутреннего действия, очень эффективна, поскольку все продукты взрыва и вся масса рабочего тела используются для создания тяги. Нестационарный цикл работы позволяет такой системе развивать более высокие давления и температуры в камере сгорания, а как следствие и более высокую удельную тягу по сравнению с непрерывным циклом работы. Однако сам факт, что взрывы происходят внутри некоторого объема, налагает существенные ограничения на давление и температуру в камере, а следовательно, и на достижимую величину удельной тяги. Ввиду этого, несмотря на многие достоинства импульсного ЯРД внутреннего действия, импульсный ЯРД внешнего действия оказался проще и эффективнее благодаря использованию гигантского количества энергии, выделяемой при ядерных взрывах.

Читать еще:  Что такое беличья клетка асинхронного двигателя

В ЯРД внешнего действия не вся масса горючего и рабочего тела принимает участие в создании реактивной тяги. Однако здесь даже при меньшем к.п.д. используется большее количество энергии, что позволяет получить более эффективные характеристики систем. Импульсный ЯРД внешнего действия (называемый далее просто импульсным ЯРД) использует энергию взрыва большого количества небольших ядерных зарядов, находящихся на борту ракеты. Эти ядерные заряды последовательно выбрасываются из ракеты и подрываются за ней на некотором расстоянии (чертеж ниже). При каждом взрыве некоторая часть расширяющихся газообразных осколков деления в виде плазмы с высокой плотностью и скоростью сталкивается с основанием ракеты — толкающей платформой. Количество движения плазмы передается толкающей платформе, которая движется вперед с большим ускорением. Ускорение уменьшается демпфирующим устройством до нескольких g в носовом отсеке ракеты, что не превышает пределов выносливости человеческого организма. После цикла сжатия демпфирующее устройство возвращает толкающую платформу в начальное положение, после чего она готова к воздействию очередного импульса.

Суммарное приращение скорости, приобретаемое космическим кораблем (рисунок, заимствованная из работы [Nance J. E., Nuclear Pulse Propulsion, General Atomic report GA-5572, General Atomic, A Division of General Dynamics Corp., October 1964]), зависит от количества взрывов и, следовательно, определяется количеством ядерных зарядов, израсходованных при данном маневре. Систематическая разработка проекта такого ЯРД была начата д-ром Т. Б. Тейлором (отделение «Дженерал атомик» фирмы «Дженерал дайнемикс») и продолжалась при поддержке Управления перспективного планирования научно-исследовательских работ (ARPA), ВВС США, НАСА и фирмы «Дженерал дайнемикс» в течение девяти лет, после чего работы в этом направлении были временно прекращены, с тем чтобы в дальнейшем возобновиться вновь, так как такой тип двигательной установки был выбран в качестве одного из двух основных движителей космических кораблей, совершающих полеты в пределах солнечной системы.

Принцип действия импульсного ЯРД внешнего действия

Ранний вариант установки, разработанный НАСА в 1964—1965 гг., был сравним (по диаметру) с ракетой «Сатурн-5» и обеспечивал удельную тягу 2500 сек и эффективную тягу 350 г; «сухой» вес (без горючего) основного двигательного отсека составлял 90,8 т. В первоначальном варианте импульсного ЯРД использовались упомянутые ранее ядерные заряды, причем предполагалось, что он будет работать на низких земных орбитах и в зоне радиационных поясов из-за опасности радиоактивного загрязнения атмосферы продуктами распада, выделяющимися при взрывах. Затем удельная тяга импульсных ЯРД была доведена до 10 000 сек, а потенциальные возможности этих двигателей позволяли в будущем удвоить эту цифру.

Двигательная система с импульсным ЯРД могла быть уже разработана в 70-х годах, с тем чтобы осуществить первый пилотируемый космический полет к планетам в начале 80-х годов. Однако разработки этого проекта не велись в полную силу ввиду утверждения программы создания твердофазного ЯРД. Кроме того, разработка импульсного ЯРД была связана с политической проблемой, так как в нем использовались ядерные заряды.

Эрике К.А. (Krafft A. Ehricke)

О судьбе идеи ядерного ракетного двигателя для полётов в глубокий космос

США намерены превратить Луну и лунную орбиту в сферу своих военных интересов

Американское агентство оборонных исследований DARPA выделило в своём бюджете на 2021 год $158 млн. на космические программы и технологии, связанные с лунной программой, в том числе с созданием ракеты с ядерным двигателем для операций в глубоком космосе, а также между Землёй и Луной.

Заказчиком для создания ракеты с ядерным двигателем являются ВВС США. Это означает, что США собираются превратить Луну и лунную орбиту в сферу своих военных интересов. Американский военный портал Breaking Defense пишет о том, что эта программа является прикрытием военных амбиций Пентагона. Основой для работы двигателя DRACO-21 должен стать низкообогащённый уран-235 (от 5 до 20 процентов).

Разработки космической ракеты на ядерном двигателе США велись ещё в 1960-х годах в так называемой Зоне 25 (рядом со знаменитой Зоной 51) на полигоне в пустыне Невада. В 1961 году NASA совместно с Комиссией по атомной энергии разработало идею применения ядерных ракетных двигателей (ЯРД) для полётов в космос.

Бывший конструктор гитлеровских ракет ФАУ Вернер фон Браун, ставший отцом американской космонавтики, рассчитывал, что благодаря ядерным двигателям первые пилотируемые миссии на Марс состоятся уже в 1980-х годах. Проект создания ЯРД для космических аппаратов был назван NERVA (Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application).

Почти все исследования по проекту NERVA проводились в Лос-Аламосской лаборатории. NASA планировало использовать ракету с ядерным двигателем для полёта к Марсу в 1978 году и к постоянной лунной базе в 1981 году.

Ракеты с NERVA также предполагалось использовать как «буксиры» для снабжения нескольких космических станций на орбитах вокруг Земли и Луны. Эта ракета стала бы также атомной верхней ступенью ракеты «Сатурн», что позволило бы выводить на низкую околоземную орбиту до 154 тонн полезной нагрузки.

Читать еще:  Что то ревет в двигателе при запуске

В ходе испытаний общее время работы ядерного двигателя составило 115 минут, было проведено 28 пусков. NASA заявило, что «ядерный двигатель подходит для применения космической техники и в состоянии работать с удельным импульсом в два раза большим, чем химическая система». Двигатель считался пригодным для полёта на Луну и на Марс.

Однако в конце 1960-х Америка погрузилась в глубокий политический кризис, и исследования глубокого космоса были отложены в долгий ящик. Администрация Ричарда Никсона сначала сократила, а затем прекратила финансирование работ по космической ракете с ядерным двигателем. Вместо ракет с ЯРД в США начали программу создания космических челноков.

Ограниченные возможности ракетных двигателей на химическом топливе стали ясны ещё в 1950-х годов, до начала первых космических полётов. Для дальнего космоса эти двигатели были малопригодны.

Уже тогда были проведены исследования, которые показали, что космический аппарат с ядерным двигателем может добраться до Марса чуть более чем за месяц, до далекого Плутона всего за два месяца, до звезды Альфа Центавра за 12 лет, а до Эпсилона Эридана за 24,8 года. То есть ЯРД сделал бы возможным пилотируемые полёты к звездам, а полёты к планетам Солнечной системы стали бы обыденными.

Впервые идея использования ракет с ядерными двигателями была выдвинута в Советском Союзе. В 1955 году академик Мстислав Келдыш выступил с инициативой создания ракетного двигателя особой конструкции, в которой источником энергии выступал бы ядерный реактор. Проработку идеи поручили НИИ-1 Минавиапрома, а руководителем работ стал талантливый конструктор Виталий Иевлев.

В кратчайшие сроки советские учёные предложили несколько вариантов перспективного ЯРД. В 1958 году постановлением Совмина СССР ответственными за разработку ЯРД были назначены М.В. Келдыш, И.В. Курчатов и С.П. Королёв. К работам были привлечены несколько десятков научных и проектных организаций. Планировалось участие и министерства обороны.

В августе 1978 года на Семипалатинском полигоне были проведены успешные испытания ЯРД. В их ходе реактор постепенно выводился на мощность 24, 33 и 42 МВт. В начале восьмидесятых годов состоялись испытания двух более мощных ЯРД. Они показывали мощность до 62-63 МВт.

Однако в середине 1980-х годов основные работы по тематике советского ЯРД были прекращены. Промышленность уже тогда могла начать разработку разгонного блока или иной ракетно-космической техники под ЯРД, получивший название РД0410, но началась горбачёвская «перестройка», поставившая крест на советской программе освоения дальнего космоса. К 1988 году все работы по теме космических ЯРД были свёрнуты.

К тому времени Конструкторское бюро химавтоматики в Воронеже уже успело изготовить полноценный двигатель РД0410, пригодный для установки на будущий разгонный блок космической ракеты-носителя. Однако этот перспективный ядерный двигатель остался невостребованным.

Современные технологические достижения дают возможность использовать обедненный уран, что гораздо безопасней.

С 2010 года в России начались работы над проектом «ядерной электродвигательной установки» (ЯЭДУ) мегаваттного класса для космических транспортных систем. Разработку вел московский Научно-исследовательский и конструкторский институт энерготехники имени Н.А. Доллежаля (НИКИЭТ).

На начало 2016 года было завершено эскизное проектирование, создана проектная документация, завершены испытания системы управления реактором, проведены испытания ТВЭЛ, корпуса реактора, полномасштабных макетов радиационной защиты реакторной установки, но эти достижения оказались напрасными.

В сентябре 2015 года Роскосмос решил не тратиться на создание космических аппаратов с ядерной электродвигательной установкой. Запланированная опытно-конструкторская работа «Разработка и наземные испытания ключевых элементов и технологий ядерных энергодвигательных установок для межорбитального буксира и межпланетных космических аппаратов» (ОКР «ЯЭДУ») была вычеркнута из проекта Федеральной космической программы на 2016–2025 годы (ФКП-2025).

А ведь уже к 2017 году НИКИЭТ планировал построить реактор для будущего ядерного двигателя. Головной организацией по созданию самой энергодвигательной установки был ФГУП «Центр Келдыша». А транспортный модуль должна была строить РКК «Энергия».

Причина свёртывания программ исследования дальнего космоса, невозможных без создания ракет на ЯРД, известна. В 2015 году во главе Роскосмоса был поставлен «эффективный менеджер» Игорь Комаров, не имевший профильного образования. Через четыре года его сменил журналист Дмитрий Рогозин…

Время было потеряно, и уже вскоре компания «рекламщика и пускателя пыли в глаза» Илона Маска добилась более дешёвой (в сравнении с российскими ракетами) цены вывода на орбиту полезного груза, а SpaceX сделала больше гражданских пусков, чем Роскосмос.

Работы по созданию ЯРД всё же возобновлены, однако отставание от американцев не сократилось. В 2020 году Роскосмос планирует испытать лишь макет космического ядерного двигателя. Буксуют программы создания новых ракет-носителей, которые должны быть первыми ступенями космических кораблей, отправляющихся в глубокий космос.

Сейчас к разработке ядерных двигателей для космических полётов приступил Китай. В ноябре 2017 года Китайская корпорация аэрокосмической науки и техники (China Aerospace Science and Technology Corporation) опубликовала программу развития космической программы КНР на 2017-2045 годы, предусматривающую создание многоразового корабля, работающего на ядерном ракетном двигателе.

Так что с «эффективными менеджерами» Россия может отстать в стратегических программах военного космоса не только от Америки, но и от Китая.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector