Гонка за ядерным движком
Гонка за ядерным движком. Кто первым полетит на нём: Россия или США?
На этой неделе из Соединённых Штатов прозвучало требование к России прекратить разработку ракет с ядерными энергетическими установками. Озвучил его спецпредставитель президента по контролю над вооружениями Маршалл Биллингсли. «Мы считаем, что они вообще не должны существовать. Кому вообще нужно иметь крылатую ракету с ядерной силовой установкой? Это не что иное, как летающий Чернобыль», — сказал он, добавив, что это «неимоверная трата средств» и «дестабилизирующая идея».
На поверхности у этого высказывания — благие намерения и забота о мировой безопасности. Но корни «заботы», конечно, гораздо глубже. И дело не только в стремлении приостановить державу, создающую более эффективное вооружение. В перспективе речь идёт о создании ядерного двигателя для полётов в глубокий космос. Это соревнование между СССР и США началось ещё в пятидесятые годы прошлого века.
РД0410 из Воронежа
Идею использовать в космосе ракеты с ядерными двигателями впервые выдвинули в Советском Союзе. Академик Мстислав Келдыш в 1955 году выступил с инициативой создания двигателя, где источником энергии служил бы ядерный реактор. Учёные и инженеры предложили несколько вариантов. В 1958 году постановлением Совмина СССР были назначены ответственные за разработку ядерного ракетного двигателя (ЯРД): Келдыш, Курчатов и Королёв. К работам подключили десятки НИИ, проектных, конструкторских, строительных и монтажных организаций. Двигатель разрабатывался в воронежском КБ «Химавтоматика».
Первоначальная идея была в том, чтобы вместо химической энергии сгорания горючего и окислителя (как в обычных ракетах) использовать нагрев водорода до температуры 3000 °С. Он выступал в качестве рабочего тела: подавался из бака в активную зону реактора, проходил через нагретые реакцией ядерного распада каналы и выбрасывался через сопло, создавая реактивную тягу.
Задача оказалась непростой, с момента постановления Совмина до первых испытаний ЯРД прошло 20 лет. Испытания провели в 1978 году на Семипалатинском полигоне, они оказались успешными. При этом сама идея двигателя вызывала нарекания, в первую очередь — экологического характера. При нештатной работе реактора струя становилась радиоактивной, а ведь она выбрасывалась в атмосферу. К тому же нагреть водород до 3000 °С — серьёзная техническая задача.
И всё же к середине 1980-х в распоряжении СССР был ядерный ракетный двигатель РД0410. Его можно было ставить на разгонный блок ракеты-носителя, но до этого так и не дошло. Началась перестройка, которая поставила крест на многих космических проектах (один «Буран» чего стоит), в том числе на идее освоения дальнего космоса с помощью ЯРД. В 1988 году все работы по этой теме были свёрнуты.
KIWI из Зоны 25
В США к разработке ЯРД приступили в начале 1960-х. Тогда американцы уже были нацелены на Луну и мечтали о Марсе. А лететь к нему лучше на ядерном двигателе: у него выше тяга, дольше срок эксплуатации и время работы на одном включении. Вернер фон Браун, ставший отцом американской космонавтики, рассчитывал отправить первые пилотируемые миссии на Марс уже в 1980-е.
Работы велись на полигоне в Неваде, в так называемой Зоне 25, что неподалёку от знаменитой Зоны 51. Проект назвали NERVA. Ракеты с ядерными двигателями планировалось использовать не только для полёта к Марсу и к постоянной лунной базе, но и как «буксиры» для снабжения орбитальных станций у Земли и Луны.
В январе 1965 года американцы провели испытания ЯРД под кодовым названием KIWI. Он тоже использовал водород как рабочее тело, но нагревался до 2000 °C. Было произведено 28 пусков, общее время работы составило 115 минут. «Ядерный двигатель подходит для применения космической техники и в состоянии работать с удельным импульсом в два раза большим, чем химическая система», — сделали вывод эксперты NASA.
До Альфы Центавра — за 12 лет
Два года назад появились сообщения о том, что США возобновляют исследования по этой тематике. Причём мирные цели и задачи теперь переплетены с военными, что и не скрывается. Агентство оборонных исследований DARPA в своём бюджете на 2021 год выделило 158 млн долларов на космические программы и технологии, связанные с американской лунной программой, в том числе с разработкой ракеты с ЯРД.
Заказчиком создания ракеты выступают ВВС США. Что это значит? Похоже, Пентагон намерен осваивать окололунное пространство (а затем и Луну), преследуя какие-то свои интересы. И вряд ли речь идёт о мирных научных исследованиях.
В таком случае американской стороне выгодно, чтобы аналогичные работы не велись в других странах. А они ведутся. С 2009 года предприятия «Роскосмоса» и «Росатома» реализуют совместный проект по созданию ядерной энергодвигательной установки (ЯЭДУ) мегаваттного класса, предназначенной для космических транспортных систем. В ней используется ионный (плазменный) двигатель. То есть тягу будет создавать не раскалённая струя водорода, а поток ионов. А ядерная реакция нужна для выработки электричества.
«Мы предложили схему, в которой реактор не нагревает струю, выбрасываемую из него, а вырабатывает электричество. Горячий газ от реактора крутит турбину, турбина крутит электрогенератор и компрессор, который обеспечивает циркуляцию рабочего тела по замкнутому контуру. Генератор же вырабатывает электричество для плазменного двигателя, — объяснял принцип установки научный руководитель Исследовательского центра им. Келдыша академик Анатолий Коротеев в интервью РГ. — Выходящая из двигателя струя не будет радиоактивной, поскольку через реактор проходит совершенно другое рабочее тело, которое содержится в замкнутом контуре. Кроме того, нам не надо при этой схеме нагревать до запредельных значений водород: в реакторе циркулирует инертное рабочее тело, которое нагревается до 1500 °C. Мы серьёзно упрощаем задачу. И в итоге поднимаем удельную тягу в 20 раз по сравнению с химическими двигателями».
Согласно расчётам, благодаря ядерной двигательной установке можно будет добраться до Марса не за 1,5 года, а чуть более чем за месяц. А до Альфы Центавра — за 12 лет. Если так, то двигатель нового типа сделает возможными пилотируемые полёты не только к планетам Солнечной системы, но и к другим звёздам.
Тем не менее наши учёные и конструкторы проделали огромную по сложности работу, и понятно, что теперь она не прекратится. Возможно, Россия станет первой страной, которая перейдёт на качественно новый способ передвижения в космосе.
7 Различных типов ракет — На основе движущей силы и их использования
Ракетная двигательная установка — это увлекательная технология. Технология, которая генерирует достаточную тягу для перемещения летательных аппаратов по воздуху. Но знаете ли вы, что ракетная технология была изобретена китайцами в 13 веке?
Конечно, тогда ракеты использовались не для запуска космических аппаратов, а для военных целей. В 1380 году мир увидел свою первую ракетную установку, которая на самом деле была огненной стрелой, названной «осиное гнездо», созданное династией Мин.
До середины 20 века ракеты не использовались в промышленных или научных работах. Фактически, первая ракета, которая могла летать достаточно высоко, чтобы выйти из земной атмосферы, была впервые запущена в 1942 году Германией. В 1957 году Советский Союз запустил первую ракету, которая вывела на эллиптическую низкую околоземную орбиту первый искусственный спутник (Спутник 1).
С тех пор космические агентства и научно-исследовательские центры разработали многочисленные ракетные технологии для получения эффективной тяги. Мы перечисляем самые популярные из них, которые привлекли внимание людей за последние семь десятилетий.
Так сколько на самом деле типов ракет? По сути, ракеты можно разделить на две категории:
На основе движущей силы
1. Твердотопливная Ракета
Космический челнок «Колумбия» был запущен с помощью двух твердотопливных ракет-носителей
Все старые ракеты приводились в движение твердотопливными двигателями. Однако теперь появились новые конструкции, более современные виды топлива и функции с использованием твердого топлива. В настоящее время усовершенствованные твердотопливные двигатели в основном используются на разгонных блоках серии Delta и на сдвоенных разгонных блоках «Спейс шаттла».
Твердое топливо может быть изготовлено из многочисленных соединений, например, черного порошка (содержит древесный уголь, серу и нитрат калия), цинк-серы, нитрата калия и композиционных топлив на основе нитрата аммония или перхлората аммония.
Поскольку эти ракеты могут быть надежно запущены в короткие сроки, а твердое топливо может храниться в течение длительного периода времени, они часто используются в военных целях. Маленькие ракеты, такие как Nike Hercules и Honest John, и большие баллистические ракеты, такие как Vanguard и Polaris, используют двигатели на твердом топливе.
Хотя эти ракеты могут обеспечить высокую тягу при относительно низкой стоимости, они не столь эффективны, как современные ракеты на жидком топливе. Они могут использоваться только для выведения на низкую околоземную орбиту до 2 тонн полезной нагрузки.
2. Ракета на жидком топливе
Как следует из названия, жидкостные ракеты используют жидкое топливо для создания тяги. В отличие от твердого топлива, жидкие состоят либо из одного, либо из двух химических веществ (бипропелленты). Жидкое топливо в значительной степени предпочтительнее твердого топлива из-за его высокой плотности и высокого массового соотношения для ракеты.
Инертный газ хранится в баке двигателя под чрезвычайно высоким давлением для принудительного ввода топлива в камеру сгорания. Хотя двигатели имеют меньшее массовое соотношение, они более надежны и поэтому в основном используются в спутниках для поддержания орбиты.
Жидкие ракеты можно далее разделить на три группы: монотопливные ракеты (с одним топливом), двухтопливные ракеты (с двумя различными видами топлива) и более совершенные трехтопливные ракеты (с тремя видами топлива).
Наиболее популярными являются двухтопливные ракеты, работающие на жидком топливе (углеводороде или жидком водороде) и жидкостном окислителе (жидкий кислород). В ракете может также использоваться криогенный двигатель, в котором и окислитель, и топливо — это газы, которые при низких температурах превращаются в жидкость.
Первый зарегистрированный полет такой ракеты состоялся в 1926 году, когда профессор Роберт Х.Годдард экспериментировал с аппаратом, использующим жидкий кислород и бензин в качестве топлива.
3. Плазменная ракета
Плазменная двигательная установка 1961 г. Предоставлено: НАСА
В плазменном двигателе тяга создается из квазинейтральной плазмы (где ионы и электроны упакованы в равных количествах). Это тип электрического двигателя, который использует токи и потенциалы (производимые внутри плазмы) для ускорения заряженных частиц в плазме.
За последние два десятилетия многие институты работали или в настоящее время работают над плазменными двигателями, включая Иранское космическое агентство, Австралийский национальный университет и Европейское космическое агентство.
Плазменные ракеты могут быть легко построены и использованы не один раз из-за их простой теории работы и дешевого топлива (большое количество газов, а также их комбинации могут быть использованы в качестве топлива). В отличие от обычных химических ракет, плазменные ракеты не используют все свое топливо сразу, что делает их легко пригодными для использования в полете.
Однако самая большая проблема с плазменными ракетами — это производство достаточного количества электричества для превращения газов в плазму. И из-за их относительно низкой тяги они не подходят для запуска тяжелых спутников. В среднем плазменная ракета может производить примерно 1/2 килограмма тяги. Более того, при использовании плазменных двигателей всегда существует вероятность разрушения ракеты.
VASIMR (переменная удельная импульсная магнитоплазменная ракета) — это новейшие типы ракетных двигателей, работающих на плазме, которые ионизируют топливо в плазму с помощью радиоволн. Одним из многих преимуществ плазменного двигателя является его более высокое удельное значение импульса или Isp, чем у любого другого типа ракет.
Хотя плазменные двигатели до сих пор не используются в коммерческих целях, несколько небольших версий уже успешно развернуто и протестировано. В 2011 году НАСА совместно с компанией по производству двигателей, базирующейся в Массачусетсе, запустило в космос на борту экспериментального спутника Tacsat-2 первый в истории подруливающий аппарат Холла (плазменный).
4. Ионная ракета
Испытание зажигания ионного двигателя в Лаборатории реактивного движения НАСА
Ионные двигатели — это еще одна форма электрического движения, которая использует электрический ток для ускорения положительных ионов. Более конкретно, они используют электростатическую или электромагнитную силу для ускорения ионов и создания тяги.
Ионные двигатели ионизируют топливо, добавляя/удаляя электроны для получения ионов. Ксенон в основном используется в качестве топлива из-за его ионизирующих возможностей и высокой атомной массы, которая производит достаточное количество тяги при ускорении ионов.
Поскольку ксенон является инертным газом с впечатляющей плотностью хранения, его можно эффективно хранить на космических аппаратах. Большинство ионных двигателей используют процесс, известный как термоэмиссия для получения электронов.
Ионные двигатели не могут работать в атмосфере Земли, где ионы присутствуют вне двигателя. Они не могут преодолеть никакого заметного сопротивления воздуха и работают только в вакууме пространства. В настоящее время ионные двигатели (разработанные НАСА) используются для поддержания более чем 100 геосинхронных спутников связи в надлежащем положении.
Первой в мире успешной миссией в дальнем космосе с использованием ионных двигателей была НАСА Deep Space 1 (в 1990 году). Позже JAXA запустила космический корабль Hayabusa в 2003 году, который все еще находится в эксплуатации.
На данный момент НАСА работает над двумя различными ионными двигателями — кольцевым двигателем и эволюционным ксеноновым двигателем НАСА, чтобы увеличить срок эксплуатации космических аппаратов и снизить эксплуатационные расходы.
На основе использования
5. Ракетный автомобиль
Возможно, вы слышали о реактивных машинах, но что насчет ракетных машин? В отличие от реактивного автомобиля, ракетный автомобиль несет и топливо, и окислитель, что устраняет необходимость в компрессоре и воздухозаборнике, что, в свою очередь, снижает общий вес и минимизирует сопротивление.
Эти автомобили могут работать на своих двигателях в течение коротких промежутков времени (
Ракетные двигатели также могут быть использованы в авиации. Ракетные самолеты могут достигать гораздо более высоких скоростей, чем самолеты аналогичного размера, но только на небольших расстояниях. А поскольку им не нужен атмосферный кислород, они идеально подходят для полетов на больших высотах.
Ракетные самолеты были впервые спроектированы немцами во время Первой мировой войны. Однако у этих первоначальных конструкций были некоторые серьезные проблемы с производительностью, которые позже были устранены британскими инженерами в 1950-х годах, когда они разработали свои очень эффективные турбореактивные конструкции. Они могут обеспечить более короткие взлеты и намного более высокое ускорение.
Из-за интенсивного использования ракетных двигателей ракетные двигатели в основном используются в самолетах-перехватчиках и космических самолетах. X-15 является одним из самых популярных образцов ракетных самолетов. Это был ракетообразный самолет с своеобразным клиновидным вертикальным хвостом и короткими крыльями, построенный Североамериканской авиацией. На этапе эксплуатации он установил рекорд высоты и скорости в 354 200 футов и 4 520 миль в час.
Гонка за ядерным движком. Кто первым полетит на нём: Россия или США?
На этой неделе из Соединённых Штатов прозвучало требование к России прекратить разработку ракет с ядерными энергетическими установками. Озвучил его спецпредставитель президента по контролю над вооружениями Маршалл Биллингсли. «Мы считаем, что они вообще не должны существовать. Кому вообще нужно иметь крылатую ракету с ядерной силовой установкой? Это не что иное, как летающий Чернобыль», — сказал он, добавив, что это «неимоверная трата средств» и «дестабилизирующая идея».
На поверхности у этого высказывания — благие намерения и забота о мировой безопасности. Но корни «заботы», конечно, гораздо глубже. И дело не только в стремлении приостановить державу, создающую более эффективное вооружение. В перспективе речь идёт о создании ядерного двигателя для полётов в глубокий космос. Это соревнование между СССР и США началось ещё в пятидесятые годы прошлого века.
РД0410 из Воронежа
Идею использовать в космосе ракеты с ядерными двигателями впервые выдвинули в Советском Союзе. Академик Мстислав Келдыш в 1955 году выступил с инициативой создания двигателя, где источником энергии служил бы ядерный реактор. Учёные и инженеры предложили несколько вариантов. В 1958 году постановлением Совмина СССР были назначены ответственные за разработку ядерного ракетного двигателя (ЯРД): Келдыш, Курчатов и Королёв. К работам подключили десятки НИИ, проектных, конструкторских, строительных и монтажных организаций. Двигатель разрабатывался в воронежском КБ «Химавтоматика».
Первоначальная идея была в том, чтобы вместо химической энергии сгорания горючего и окислителя (как в обычных ракетах) использовать нагрев водорода до температуры 3000 °С. Он выступал в качестве рабочего тела: подавался из бака в активную зону реактора, проходил через нагретые реакцией ядерного распада каналы и выбрасывался через сопло, создавая реактивную тягу.
Задача оказалась непростой, с момента постановления Совмина до первых испытаний ЯРД прошло 20 лет. Испытания провели в 1978 году на Семипалатинском полигоне, они оказались успешными. При этом сама идея двигателя вызывала нарекания, в первую очередь — экологического характера. При нештатной работе реактора струя становилась радиоактивной, а ведь она выбрасывалась в атмосферу. К тому же нагреть водород до 3000 °С — серьёзная техническая задача.
И всё же к середине 1980-х в распоряжении СССР был ядерный ракетный двигатель РД0410. Его можно было ставить на разгонный блок ракеты-носителя, но до этого так и не дошло. Началась перестройка, которая поставила крест на многих космических проектах (один «Буран» чего стоит), в том числе на идее освоения дальнего космоса с помощью ЯРД. В 1988 году все работы по этой теме были свёрнуты.
KIWI из Зоны 25
В США к разработке ЯРД приступили в начале 1960-х. Тогда американцы уже были нацелены на Луну и мечтали о Марсе. А лететь к нему лучше на ядерном двигателе: у него выше тяга, дольше срок эксплуатации и время работы на одном включении. Вернер фон Браун, ставший отцом американской космонавтики, рассчитывал отправить первые пилотируемые миссии на Марс уже в 1980-е.
Работы велись на полигоне в Неваде, в так называемой Зоне 25, что неподалёку от знаменитой Зоны 51. Проект назвали NERVA. Ракеты с ядерными двигателями планировалось использовать не только для полёта к Марсу и к постоянной лунной базе, но и как «буксиры» для снабжения орбитальных станций у Земли и Луны.
В январе 1965 года американцы провели испытания ЯРД под кодовым названием KIWI. Он тоже использовал водород как рабочее тело, но нагревался до 2000 °C. Было произведено 28 пусков, общее время работы составило 115 минут. «Ядерный двигатель подходит для применения космической техники и в состоянии работать с удельным импульсом в два раза большим, чем химическая система», — сделали вывод эксперты NASA.
До Альфы Центавра — за 12 лет
Два года назад появились сообщения о том, что США возобновляют исследования по этой тематике. Причём мирные цели и задачи теперь переплетены с военными, что и не скрывается. Агентство оборонных исследований DARPA в своём бюджете на 2021 год выделило 158 млн долларов на космические программы и технологии, связанные с американской лунной программой, в том числе с разработкой ракеты с ЯРД.
Заказчиком создания ракеты выступают ВВС США. Что это значит? Похоже, Пентагон намерен осваивать окололунное пространство (а затем и Луну), преследуя какие-то свои интересы. И вряд ли речь идёт о мирных научных исследованиях.
В таком случае американской стороне выгодно, чтобы аналогичные работы не велись в других странах. А они ведутся. С 2009 года предприятия «Роскосмоса» и «Росатома» реализуют совместный проект по созданию ядерной энергодвигательной установки (ЯЭДУ) мегаваттного класса, предназначенной для космических транспортных систем. В ней используется ионный (плазменный) двигатель. То есть тягу будет создавать не раскалённая струя водорода, а поток ионов. А ядерная реакция нужна для выработки электричества.
«Мы предложили схему, в которой реактор не нагревает струю, выбрасываемую из него, а вырабатывает электричество. Горячий газ от реактора крутит турбину, турбина крутит электрогенератор и компрессор, который обеспечивает циркуляцию рабочего тела по замкнутому контуру. Генератор же вырабатывает электричество для плазменного двигателя, — объяснял принцип установки научный руководитель Исследовательского центра им. Келдыша академик Анатолий Коротеев в интервью РГ. — Выходящая из двигателя струя не будет радиоактивной, поскольку через реактор проходит совершенно другое рабочее тело, которое содержится в замкнутом контуре. Кроме того, нам не надо при этой схеме нагревать до запредельных значений водород: в реакторе циркулирует инертное рабочее тело, которое нагревается до 1500 °C. Мы серьёзно упрощаем задачу. И в итоге поднимаем удельную тягу в 20 раз по сравнению с химическими двигателями».
Согласно расчётам, благодаря ядерной двигательной установке можно будет добраться до Марса не за 1,5 года, а чуть более чем за месяц. А до Альфы Центавра — за 12 лет. Если так, то двигатель нового типа сделает возможными пилотируемые полёты не только к планетам Солнечной системы, но и к другим звёздам.
Тем не менее наши учёные и конструкторы проделали огромную по сложности работу, и понятно, что теперь она не прекратится. Возможно, Россия станет первой страной, которая перейдёт на качественно новый способ передвижения в космосе.
Источник Источник http://aif.ru/society/science/gonka_za_yadernym_dvizhkom_kto_pervym_poletit_na_nyom_rossiya_ili_ssha
Источник Источник Источник Источник Источник http://new-science.ru/7-razlichnye-tipy-raket-na-osnove-dvizhushhej-sily-i-ih-ispolzovaniya/
Источник Источник http://aif.ru/society/science/gonka_za_yadernym_dvizhkom_kto_pervym_poletit_na_nyom_rossiya_ili_ssha
