ЯДЕРНАЯ РАКЕТА 2


Суть этих преимуществ таится в уже известной нам формуле, связывающей величину удельного импульса / и параметры рабочего вещества в двигателе — его темпера-УРУ Т и молекулярный вес fi:

где k можно приближенно считать постоянной.

В случае термохимических двигателей обе величины, Т и р, определяющие величину удельного щмпульса, неразрывно связаны друг с другом и не могут изменяться независимо ~ обе они характеризуют одну и ту же химическую реакцию, происходящую в двигателе. Но как только источник энергии оказывается отделенным от рабочего

вещества, появляется возможность независимого, раздельного воздействия на величины Т и |х. Ведь величина температуры, до которой может быть разогрето рабочее вещество, характеризуется теперь прежде всего наличным

Рис. 14. Схема устройства термохимического (слева) и атомного ракетного двигателя (реактор с твердой активной зоной). (Journal of the British Interplanetary Society, 18, 1961—1962).

источником энергии, извне подводимой к этому веществу, а величина молекулярного веса есть характеристика самого рабочего вещества. Вот почему теперь уже можно добиваться одновременного уменьшения р и увеличения Т, что обычно является недосягаемой мечтой в случае термохимических двигателей. Здесь-то и таятся новые замечательные возможности.

Но как часто возможности от их практической реализации отделяет «дистанция огромного размера»! Во вся-

ком случае эта старая истина оказывается весьма кстати, когда речь идет об атомных тепловых ракетных двигателях. Мы убеждаемся в этом сразу же, когда пытаемся сначала достичь повышения температуры рабочего вещества. Это оказывается далеко не таким простым, если вообще не невозможным делом.

Действительно, чтобы нагреть рабочее вещество, т. е. подвести к нему тепло, выделяющееся в атомном реакторе, это тепло должно находиться на более высоком температурном уровне. Ведь тепло «течет», как жидкость, «сверху вниз», от более высокой к меньшей температуре. Значит, температура теплопередающих поверхностей атомного реактора должна быть во всех случаях больше, чем температура Г, до которой мы хотим нагреть рабочее вещество двигателя. Но возможно ли это? Ведь уже в современных термохимических ракетных двигателях температура газов в камере сгорания иногда превышает 4000° С, а мы хотим добиться дальнейшего возрастания этой температуры. В то же время самые тугоплавкие из известных ядерных горючих плавятся при значительно меньшей температуре, например, двуокись урана UO2 — при 2800° С, монокарбид урана UC — при 2300° С ). При использовании даже этих горючих в ядерных реакторах обычного типа, с так называемой твердой активной зоной, температура тепловыделяющих элементов реактора должна быть, как легко видеть, значительно ниже указанной ранее температуры плавления. Иначе нельзя: твердая активная зона представляет собой сложную и весьма точную пространственную конструкцию, «архитектура» которой должна быть строго неизменной, она не должна изменяться сколько-нибудь значительно под действием силовых и тепловых нагрузок. Если же рабочая температура чрезмерно приблизится к точке плавления, хотя и не достигнет ее, жесткость и прочность конструкции недопустимо снизятся. При такой температуре возникают и другие осложнения в работе реактора, например, начинают идти с заметной скоростью различные нежелательные химические реакции, усиливается эрозия поверхностей реактора, раскаленных в работе добела и омываемых потоком охлаждающего вещества, и др. И хотя ядерное горючее в тепловыделяющих

)

lear Е

Экспресс-информация ngineering, 7, № 69.

«Атомная энергия», 1962, № 18; Nuc-

элвхментах диспергировано в особо жароупорных конструкционных материалах, таких как вольфрам, молибден и др., температура плавления которых достигает 3370° С (вольфрам) и даже 3800—3900° С (карбиды гафния, тантала и др.) *)> все же> очевидно, нагреть рабочее вещество в таком атомном тепловом ракетном двигателе удастся меньше, чем в жидкостном ракетном. Где уж тут мечтать о более сильном нагреве!

Однако наука не сдается. Творческий гений человека ищет пути решения этой, казалось бы, неразрешимой задачи. Высказываются самые различные идеи, и с некоторыми из них космонавтика связывает определенные надежды.

Суть парадоксальной ситуации в проблеме использования ядерной энергии в ракетном двигателе заключается в том, что потенциальная возможность выделения внутри двигателя огромной энергии атомного ядра не может быть реализована в связи с невозможностью передать эту энергию рабочему веществу двигателя. Иметь практически неисчерпаемый источник энергии, каким является внутриядерная энергия, и не уметь им с толком воспользоваться, это действительно обидно. Поистине видит око, да зуб неймет!

Но нет ли все же каких-либо методов значительной интенсификации теплопередачи от ядерного горючего рабочему веществу? Кстати сказать, это важно не только для увеличения температуры рабочего вещества, но и для уменьшения поверхности теплообмена и соответственно размеров и веса ядерного реактора. Ведь обычные стационарные и даже судовые реакторы на ракету, пожалуй, не взгромоздишь...

В существующих ядерных реакторах передача тепла в активной зоне от тепловыделяющих элементов охладителю происходит конвекцией. Наука и техника накопили немалый опыт в отношении интенсификации конвективного теплообмена — в энергетике, химической, нефтеперерабатывающей и других отраслях промышленности. Нельзя ли использовать этот опыт, почерпнуть из него методы, пригодные для использования в ядерном ракетном двигателе?

Один такой метод — метод псевдоожижения — послужил основой для идеи ядерного ракетного двигателя с активной зоной в виде «кипящего слоя». В этом случае

) Astronautics, VIII, 1961, стр. 34.

ядерное горючее остается в твердой фазе, но вместо сложной монолитной конструкции оно выполняется гранулированным, т. е. в виде огромного множества мельчайших частичек диаметром в доли миллиметра, каждая из которых заключена в оболочку из замедлителя с защитным покрытием. Если между всеми этими частичками сохраняется достаточный зазор, чтобы через него могло течь рабочее вещество, то огромная поверхность частичек позволила бы значительно интенсифицировать теплообмен. Но как обеспечить нужный зазор, как избежать слипания, контакта частичек между собой?

Вот тут-то и приходит на помощь «кипящий слой». Если через слой мелких частичек какого-либо твердого вещества, лежащий на опорной поверхности, пропустить снизу вверх поток газа, например, воздуха, то этот по^ок увлечет частички, поднимет их на некоторую высоту и заставит «плясать» в восходящем потоке. Должным образом соразмерив интенсивность потока, размеры и вес частичек, можно получить устойчивый слой таких взвешенных, «пляшущих» частичек, действительно очень смахивающий на «кипящий слой». Подобный слой по многим своим свойствам напоминает жидкость, отчего он и называется иногда псевдоожиженным. Ядерный реактор с «кипящим слоем» авторы ряда проектов ракетных двигателей с таким реактором) представляют себе в виде полого цилиндрического барабана, в полости которого заключено гранулированное ядерное горючее и через который течет рабочее вещество. Чтобы создать «кипящий слой» барабан вращается так, что частички горючего под действием центробежной силы располагаются кольцевым слоем по его периферии, а через этот слой толщиной порядка 10 см снаружи внутрь продавливается рабочее вещество (рис. 15), либо же барабан неподвижен, а центробежная сила, необходимая для создания «кипящего слоя», образуется путем тангенциального впуска рабочего вещества, закручивающего частички ядерного горючего.

Несмотря на то, что о различных проектах ядерного ракетного реактора с «кипящим слоем» сообщается в зарубежной печати уже немало лет, работы по созданию такого реактора, очевидно, так и не начаты до сих пор, да и вряд ли начнутся. Судя по опубликованным сообще

) «Атомная техника за рубежом», 3, 1961.

ниям, были лишь проведены некоторые модельные «холодные» испытания, показавшие реальную возможность образования «кипящего слоя» во вращающемся барабане), а также более или менее детальные теоретические расчеты. Причины такого «прохладного» отношения

Рис. 15. Схема ядерного ракетного двигателя с «кипящим слоем».

а) Барабан не вращается, частички взвешены; б) барабан вращается, образуется плотное кольцо из частичек; в) барабан вращается, рабочее тело проходит через кольцо из частичек, образуется псевдоожиженный «кипящий слой». 1 — перфорированный барабан, 2 — корпус с замедлителем и отражателем, з — подача рабочего вещества, 4 — «кипящий слой» (активная зона), 5 — реактивная струя (по ARS Journal, IV, 1961, стр. 548).

к реактору с «кипящим слоем» очевидны: с его разработкой связаны значительные инженерные трудности, а выигрыш в величине удельного импульса по сравнению с обычными твердофазными реакторами относительно весьма скромен.

Нет, судя по всему, твердофазный реактор не в состоянии решить задачу существенного увеличения температуры рабочего вещества и, следовательно, удельного импульса, даже если используется «кипящий слой». Но именно этот слой подсказывает идею принципиально иного реактора— с жидкой активной зоной.

\) ARS Journal, IV, 1961, стр. 547.

Действительно, если ограничение температуры нагрева рабочего вещества связано с плавлением твердого ядер-ного горючего, то — долой это горючее! Пусть оно заранее будет расплавленным, тогда по крайней мере не придется опасаться его плавления, что сразу должно позволить существенно повысить температуру горючего и, следовательно, возможную температуру нагрева рабочего вещества. Но как в этом случае удержать ядерное горючее в реакторе, не дать рабочему веществу унести его с собой в реактивное сопло двигателя и далее наружу?

И здесь-то снова вспоминается «кипящий слой». Если он может быть псевдоожиженным, то что мешает сделать его истинно жидким? Так напрашивается идея жидкофазного реактора. В ряде сообщений зарубежной печати), посвященных ракетному двигателю с таким реактором, описываются некоторые возможные его схемы. Проще всего представить себе «полостной» реактор, т. е. в виде такого же вращающегося цилиндрического барабана, как и в случае реактора с «кипящим слоем», но только место слоя гранулированного твердого ядерного горючего должен занять слой жидкого горючего, например, в виде его расплавленных солей (рис. 16). В более сложных проектах в корпусе реактора предлагается разместить значительное число таких же вращающихся барабанов малого диаметра, что обещает ряд серьезных преимуществ технического характера). Во всех случаях нагрев рабочего вещества происходит при его течении поперек жидкого слоя горючего, причем газовые пузырьки рабочего вещества, пробивающиеся через этот слой, не должны уносить с собой горючее, иначе его расход окажется чрезмерным и работа двигателя невыгодной.

В двигателе с жидкофазной активной зоной реактора температура нагрева рабочего вещества, уже не ограниченная точкой плавления ядерного горючего, может быть значительно более высокой. Конечно, ядерное горючее не должно испаряться, но критическая температура кипения для урана достаточно высока, она равна примерно 12 200 К), так что это ограничение не имеет практиче

_ ) AIAA J., XI, 1963, т. 1, № 11, стр. 2649; J. Spacecraft, V—VI, 196Т. 2, № 3, стр. 384 И др.

*) Astronautics a. Aeronautics, I, 1966, стр. 34.

) AIAA J., XI, 1963, т. 1, № 11, стр. 2649.

ского значения. Что же касается корпуса реактора и других его твердых частей, то они, очевидно, должны эффективно охлаждаться. Хотя жидкофазный реактор эффективнее твердофазного, инженерные проблемы его создания значительно серьезнее. Во всяком случае, пока зарубежная печать сообщает лишь об отдельных частных экспериментальных исследованиях, о разработке же двигателя не упоминается. Может быть, потому что и от него

Рис. 16. Схема ядерного ракетного двигателя с жидкой активной зоной; внизу — с несколькими вращающимися барабанами.

1 — корпус с замедлителем и отражателем, 2 — перфорированный вращающийся барабан, 3 — кольцевой слой вращающейся жидкости (активная зона), 4 — подача рабочего вещества, 5 — реактивная струя, 6 — отдельные вращающиеся барабаны (по AIAA Journal, XI, 1963, № 11).

не ждут существенных сдвигов в сторону увеличения удельного импульса?

Зато большие надежды связаны с реактором иного типа, представляющим собой, по существу, следующий логический шаг вперед по тому же пути у^ода от ограничений твердофазного реактора. Если уже переход от твердого к жидкому ядерному горючему открывает перспективы существенного возможного повышения температуры нагрева рабочего вещества, то почему не совершить еще один такой же переход — от жидкого горючего к... газооб

разному? В идее такого газофазного «полостного» реактора ничего абсурдного нет, и эта идея привлекает к себе в последние годы все большее внимание за рубежом*)• Причина этого — рекордные возможности в отношении повышения температуры рабочего вещества и потому удельного импульса, которые открывает газофазный реактор.

В том, что эти возможности, действительно, рекордные, ничего удивительного нет: ведь газ можно нагреть в принципе до любой желаемой температуры. Нет ничего сложного и в превращении ядерного горючего в газ: известны газообразные соединения урана, да и испарить можно любое вещество. Но как сохранить газ в реакторе, обеспечив, вместе с тем, эффективную теплопередачу от него к рабочему веществу?

Впрочем, так ли уж необходимо сохранять, не расходуя, ядерное горючее? Конечно, если реактивная струя ядерного ракетного двигателя будет состоять из смеси рабочего вещества с ядерным горючим и продуктами его деления, то такая струя окажется смертельно опасной из-за своей радиоактивности. Но в большинстве проектов космических ядерных ракет использование ядерного двигателя предусматривается только в космосе, где эта опасность уже не страшна. Правда, остается другое — ядерное горючее намного дороже рабочего вещества (по некоторым данным, в десятки тысяч раз), и если это горючее будет расходоваться в больших количествах, как, например, в простейшей «прямоточной» схеме ядерного двигателя (рис. 17), то применение такого двигателя окажется неприемлемым по экономическим соображениям — каждый космический полет обойдется в миллиарды рублей.

Поэтому-то расход ядерного горючего нужно ограничивать, стремиться к тому, чтобы он был во много раз меньше, чем расход рабочего вещества, но полное его сохранение вовсе не обязательно. По некоторым оценкам зарубежной печати ) экономически пригодным можно считать двигатель, в котором расход рабочего вещества превосходит расход ядерного горючего не менее чем в 35 раз; по другим оценкам теряться с рабочим веществом должно

*) Реферативный журнал «Авиационные и ракетные двигатели», X, 1967, реф. 10. 34. 169 и др.

) «Вопросы ракетной техники», X, 1967, № 10.

) Astronautics and Aerospace Engineering, VIII, 1963, стр. 89.

не более одного атома ядерного горючего из каждой тысячи таких атомов).

Из-за этого, а также из-за того, что в реактивной струе концентрация ядерного горючего должна быть примерно в 1000 раз меньше, чем рабочего вещества (чтобы не было существенных потерь в величине удельного импульса и по другим причинам), при создании газофазного реактора нужно стремиться к тому, чтобы скорости движения через реактор ядерного горючего и рабочего вещества были разными. В среднем частицы горючего должны находиться в активной зоне реактора дольше, чем частицы рабочего вещества, раз в 100, и даже в 1000). Как же можно добиться этого?

Рис. 17. Схема «прямоточного» газофазного ядерного ракетного двигателя.

1 — корпус с замедлителем и отражателем, 2 — подача газообразного ядерного горючего, 3 — подача рабочего вещества,

4 — газовая активная зона реактора, 5 реактивная струя (по Astronautics a. Aerospace Engineering, VIII, 1963, стр. 88).

В одной из предложенных схем двигатель остается «прямоточным», как и на рис. 17, но потоки ядерного горючего и рабочего вещества в нем уже предварительно не перемешиваются, а выполняются раздельными, причем соосными, так что ядерное горючее течет как бы внутри трубопровода из рабочего вещества (рис. 18). В таком «коаксиальном» реакторе скорость движения ядерного горючего легко может быть выдержана значительно меньшей, чем у рабочего вещества.

В другой схеме — вихревого газофазного реактора), используется уже известный нам принцип создания устойчивого вихря, например, путем тангенциального впуска

*) New Scientist, 27. VI. 1963, стр. 706.

) Raumfahrtforschung, 1965, 3, стр. 106.

) Missiles and Rockets, 3. VI. 1963, стр. 28.

внутрь барабана реактора газообразной смеси ядерного горючего и рабочего вещества. Так как молекулы ядерного горючего тяжелее, то под действием образующейся

Рис. 18. Схема «коаксиального» газофазного ядерного ракетного двигателя.

1 — подача ядерного горючего, 2 — подача рабочего вещества, 3 — поток ядерного горючего, малая скорость, 4 — поток рабочего вещества, большая скорость, 5 — реактивная струя (по Astronautics a. Aerospace Engineering, VIII, 1963, стр. 91).

при быстром вращении вихря центробежной силы они будут оттесняться к периферии, создавая там снова кольцевой слой, своеобразное вращающееся урановое или

Рис. 19. Схема «вихревого» газофазного ядерного ракетного двигателя.

1 — корпус с замедлителем и отражателем, 2 — подача смеси ядерного горючего и рабочего вещества, 3 — «урановое облако», 4 — реактивная струя (по Astronautics a. Aerospace Engineering, VTII, 1963, стр. 91).

плутониевое «облако» (рис. 19). И в этом случае «время пребывания» в реакторе для ядерного горючего оказывается гораздо большим, чем для рабочего вещества). Правда, при тангенциальном впуске возникает сильная *)

*) Реферативный журнал «Авиационные и ракетные двигатели», X, 1967, реф. 10.34.169.

турбулентность, затрудняющая создание устойчивого «облака», но проблема может быть решена и иначе, например, путем электромагнитной закрутки вихря ). Другой метод решения той же задачи связан с использованием открытия, сделанного недавно в США при исследовании процессов в газофазном реакторе. Оказалось, что наряду с основным вихревым потоком в полости реактора образуется дополнительный медленный и устойчивый вихрь тороидальной формы. Если в обычном вихревом реакторе «время пребывания» ядерного горючего больше, чем рабочего вещества, в пять раз, то в опытах с использованием тороидального вихря в качестве своеобразного «резервуара» для горючего это соотношение возросло до 240* 2).

Рассматривается за рубежом и еще одна схема газофазного ядерного реактора для ракетного двигателя, получившая название схемы с «ядерной лампой» или ампульной). В этой схеме, в отличие от предыдущих, ядер-ное горючее полностью изолируется от рабочего вещества, так что не возникает проблемы его расходования. Все ядерное горючее размещается внутри реактора в специальном баллоне (или ампуле), изготовленном из жароупорного прозрачного материала, например, сапфира или кварца.

Естественно, что этот ярко светящийся баллон, из-за которого реактор и обязан своему названию, должен иметь стенки со специальным охлаждением (рис. 20). Внутри баллона и находится активная зона реактора; там идет цепная реакция деления ядерного горючего, а в кольцевом зазоре между баллоном и корпусом реактора течет рабочее вещество (в проекте, разработанном фирмой Дуглас, таких баллонов должно быть несколько; рис. 21). На этот раз нагрев рабочего вещества производится уже не за счет конвекции, а в результате поглощения излучения активной зоны, температура в которой может достигать 14 000° К. Разумеется, стенки баллона не должны терять своей прозрачности под действием излучения, в особенности, нейтронного и гамма-излучения) (чего,

*) «Ракетная техника и космонавтика» (AIAA J.), IV, 1966, т. 4, № 4, стр. 78.

) Science News, 5. VIII. 1967, т. 92, № 6, стр. 135.

) Missiles and Rockets, 4. V. 1964, стр. 27; «Вопросы ракетной техники», 10, 1968.

) J. Spacecraft a. Rockets, X, 1968, № 10.

Рис. 20. Схема газофазного ядерного реактора с «ядерной лампой». В кружке вынесено сечение стенки «лампы».

I — корпус с замедлителем и отражателем, 2 — прозрачный баллон — «ядерная лампа», 3 — канал для подачи охладителя в стенки баллона, 4 — активная зона с ядерным горючим, 5 — рабочее вещество, 6 — охладитель баллона, 7 — слой охладителя, изолирующий баллон от ядерного горючего (Missiles and Rockets, 4. V. 1964, сгр. 27).

Рис. 21. Схема ядерного ракетного двигателя с газофазным реактором по проекту фирмы Дуглас (несколько «ядерных ламп»).

I — тяговая камера, 2 — управляющие стержни, з — отражатель-замедлитель, 4 — кварцевые трубки («ядер-ные лампы»), 5 — рабочее вещество (охлаждающий водород), 6 — ядерное горючее (уран) (Space/Aeronautics, 1962, т. 38, № 4, стр. 54).

вообще говоря, очень не просто достичь), а рабочее вещество не должно быть прозрачным для этого излучения, в связи с чем может понадобиться добавление к нему в небольших количествах какого-либо вещества, хорошо поглощающего излучение в нужном спектре частот (например, частичек графита).

Кстати сказать, такое насыщение ядерного горючего поглощающим излучение веществом может оказаться необходимым и для всех типов газофазного реактора по другой, очень важной причине. Мы до сих пор не касались вопроса о том, как обеспечить охлаждение стенок газофазного реактора, а это, очевидно, немаловажная проблема, если учесть колоссальную температуру газов внутри реактора. Ведь если рабочее вещество прозрачно для излучения, то значительная часть ядерной энергии, выделяющейся в реакторе, будет передаваться излучением его стенкам; во всех случаях стенки будут поглощать с нейтронным и гамма-излучением примерно 10% всей энергии *). Легко видеть, что в предельном теоретически мыслимом случае, когда вся выделяющаяся в реакторе энергия передается стенкам именно излучением, рабочее вещество может нагреваться только, при охлаждении им стенок, но при этом теряются все потенциальные преимущества газофазного реактора, ибо максимальная температура рабочего вещества опять оказывается ограниченной температурой твердых стенок реактора. Поэтому-то необходима большая поглощательная способность рабочего вещества при рабочих температурах в реакторе, чтобы максимально увеличить долю поглощаемого им излучения и тем самым снизить поглощение излучения стенками. Иначе возможная температура нагрева рабочего вещества будет также неизбежно уменьшена1 2). Так, если считать, как указано выше, что стенкам передается 10% всей энергии, выделяемой в активной зоне реактора, то это сразу же определяет максимальное значение температуры газофазной активной зоны; очевидно, она будет больше, чем у твердофазной активной зоны, примерно в 10 раз, т. е. составит примерно 30000°К). Кстати, это определяет и возможную величину удельного импульса (поскольку он про

) Space/Aeronautics, IV, 1965, стр. 35.

) Astronautics and Aerospace Engineering, VIII, 1963 и др.

) «Ракетная техника и космонавтика» (AIAA J.), IV, 1966, т. 4, № 4, стр. 78.

порционален корню квадратному из температуры) — для газофазного реактора в этом случае он составит примерно 3000 сек. Значительное увеличение удельного импульса, вплоть до 20000 сек и более, может быть достигнуто только в том случае, если охлаждение стенок реактора будет осуществляться уже не рабочим веществом, а путем непосредственного излучения в космос с помощью специального высокотемпературного радиатора).



Электрические межпланетные корабли, Гильзин К.А., 1970



Блондинка за углом смотреть фильм
Маленькая Вера смотреть фильм
Любовь и голуби смотреть фильм