DARPA запустило проект ROAR по разработке ядерного ракетного двигателя

Агентство DARPA планирует начать работу по созданию ядерного ракетного двигателя. Задача — разработка такого движка, который можно было бы использовать для передвижения космических транспортников в пределах лунной орбиты. Финансирование проекта составляет $10 млн, а называется он ROAR (Reactor On A Rocket). Военные США (во всяком случае те, которые имеют отношение к этому проекту) считают, что ядерные реакторы дадут возможность наладить эффективную систему передвижения космических аппаратов. При этом запас времени работы ядерного движка будет несколько большим стандартных двигателей, применяющихся сейчас. Расчет строится на том, что расход рабочего тела будет идти медленнее. Ну а в качестве рабочего тела будут использовать жидкий газ, возможно, водород.

Картинки по запросу project ROAR DARPA

Рабочее тело внутри двигателя нагревается, происходит выброс через сопло, что двигает космический корабль вперед. Это дает возможность значительно увеличить эффективность использования ядреного топлива. В свою очередь, это означает, что размеры ракеты можно уменьшить, а часы полета — сократить.

Топливо для ядерного движка будет урановым, где содержание изотопа U-235 составит больше 5%, но меньше 20%. На современных подводных лодках с ядерным реактором используется топливо с высоко обогащенным ураном, процент содержания которого составляет вплоть до 90%. А вот на АЭС используется слабо обогащенный уран (всего 3-5%).

Разработка ядерного движка намечена на 2020 году потому, что до этого момента планируется выполнить ряд научно-исследовательских работ. Часть из них посвящена созданию технологий, которые планируется использовать в реакторе. Проект можно представить в виде конструктора Lego, для которого отсутствуют некоторые из элементов. К сожалению, дата начала работы есть, а вот планируемое окончание проекта не указано — так что разработки могут вестись многие годы.

Что касается идеи использования ядерного двигателя в космосе, то она принадлежит не DARPA, а НАСА. Агентство совместно с несколькими партнерами вело разработку начиная с середины 20-го века. Проводились они исследования по созданию летательных аппаратов с ядерной реактивной установкой и в СССР. Развития они не получили ни в США и в СССР по трем основным причинам. Первая — высокий риск аварии, что при условии наличия ядерного реактора на борту может привести к самым печальным последствиям. Вторая — чисто технические сложности при создании такого космического аппарата. Третья — необходимость создания массивной радиационной защиты для экипажа.

Правда, в середине 20-го века разработчики пытались решить задачу создания аппарата, который поднимался бы с поверхности Земли. Сейчас же речь идет о старте уже с орбиты. На орбиту космический аппарат будет выводиться обычными ракетами-носителями на химическом топливе. В принципе, можно создать и аппарат, который стартовал бы с поверхности планеты на ядерном топливе, но здесь возникает гораздо больше сложностей чем случае орбитальных работ.

Кроме того, ранее ученые пытались создать ядерную электродвигательную установку. В этом случае реактор обеспечивает выработку электроэнергии, которая подается на электрические ракетные двигатели (они могут быть плазменными или ионными). Сейчас же разрабатывается именно ядерный ракетный двигатель, рабочее тело которого поступает в реактор, разогревается и выбрасывается через сопло.

Сейчас работы ведутся и другими организациями, например, BWXT Nuclear Energy. Эта компания является наследницей Babcock & Wilcox, построившей первые в мире ядерные реакторы и атомные подводные лодки. В последние годы специалисты компании занимаются изучением надежности ядерных ракетных двигателей.

Достоинством ядерного двигателя можно назвать еще и то, что конструкция реактора снижает объем топлива, необходимого для выполнения импульсных маневров. Движок можно будет перезапускать несколько раз. Космонавты же будут находиться в защищенном от радиации отсеке — конечно, если говорить о пилотируемых космических аппаратах.

DARPA — весьма многосторонняя организация. Так, недавно сообщалось о том, что она занялась разработкой искусственного интеллекта нового поколения. Агентство считает, что новый AI будет на много порядков умнее своего предтечи, а рассуждать робот будет, основываясь на «здравом смысле». В этот проект инвестировано гораздо больше, чем в ядерный двигатель — не миллионы долларов, а $2 млрд. Директор отдела DAPRA по военной науке Валери Браунинг заявила: «Сверхидея проекта AI Next такова: превратить машину из инструмента, порой очень достойного, в настоящего партнера, в сотрудника, заслуживающего доверия».

Справка:

Часто в общеобразовательных публикациях о космонавтике не различают разницу между ядерным ракетным двигателем (ЯРД) и ядерной ракетной электродвигательной установкой (ЯЭДУ). Однако под этими аббревиатурами скрывается не только разница в принципах преобразования ядерной энергии в силу тяги ракеты, но и весьма драматичная история развития космонавтики.

Драматизм истории состоит в том, что если бы остановленные главным образом по экономическим причинам исследования ЯДУ и ЯЭДУ как в СССР, так и в США продолжились, то полёты человека на марс давно бы уже стали обыденным делом.

Всё начиналось с атмосферных летательных аппаратов с прямоточным ядерным двигателем

Конструкторы в США и СССР рассматривали «дышащие» ядерные установки, способные втягивать забортный воздух и разогревать его до колоссальных температур. Вероятно, этот принцип образования тяги был заимствован от прямоточных воздушно-реактивных двигателей, только вместо ракетного топлива использовалась энергия деления атомных ядер диоксида урана 235.

В США такой двигатель разрабатывался в рамках проекта Pluto[1]. Американцы сумели создать два прототипа нового двигателя — Tory-IIA и Tory-IIC, на которых даже производились включения реакторов. Мощность установки должна была составить 600 мегаватт.

Двигатели, разработанные в рамках проекта Pluto, планировалось устанавливать на крылатые ракеты, которые в 1950-х годах создавались под обозначением SLAM (Supersonic Low Altitude Missile, сверхзвуковая маловысотная ракета).

В США планировали построить ракету длинной 26,8 метра, диаметром три метра, и массой в 28 тонн. В корпусе ракеты должен был располагаться ядерный боезаряд, а также ядерная двигательная установка, имеющая длину 1,6 метра и диаметр 1,5 метра. На фоне других размеров установка выглядела весьма компактной, что и объясняет её прямоточный принцип работы.

Разработчики полагали, что, благодаря ядерному двигателю, дальность полета ракеты SLAM составит, по меньшей мере, 182 тысячи километров.

В 1964 году министерство обороны США проект закрыло. Официальной причиной послужило то, что в полете крылатая ракета с ядерным двигателем слишком сильно загрязняет все вокруг. Но на самом деле причина состояла в значительных затратах на обслуживание таких ракет, тем более к тому времени бурно развивалось ракетостроение на основе жидкостных реактивных ракетных двигателей, обслуживание которых было значительно дешевле.

СССР оставалась верной идеи создания ЯРД прямоточной конструкции значительно дольше, чем США, закрыв проект только в 1985 году [2]. Но и результаты получились значительно весомее. Так, первый и единственный советский ядерный ракетный двигатель был разработан в конструкторском бюро «Химавтоматика», Воронеж. Это РД-0410 (Индекс ГРАУ — 11Б91, известен также как «Ирбит» и «ИР-100»).

В РД-0410 был применён гетерогенный реактор на тепловых нейтронах, замедлителем служил гидрид циркония, отражатели нейтронов — из бериллия, ядерное топливо — материал на основе карбидов урана и вольфрама, с обогащением по изотопу 235 около 80 %.

Конструкция включала в себя 37 тепловыделяющих сборок, покрытых теплоизоляцией, отделявшей их от замедлителя. Проектом предусматривалось, что поток водорода вначале проходил через отражатель и замедлитель, поддерживая их температуру на уровне комнатной, а затем поступал в активную зону, где охлаждал тепловыделяющие сборки, нагреваясь при этом до 3100 К. На стенде отражатель и замедлитель охлаждались отдельным потоком водорода.

Реактор прошёл значительную серию испытаний, но ни разу не испытывался на полную длительность работы. Однако, вне реакторные узлы были отработаны полностью.

Технические характеристики РД 0410

  • Тяга в пустоте: 3,59 тс (35,2 кН)
  • Тепловая мощность реактора: 196 МВт
  • Удельный импульс тяги в пустоте: 910 кгс·с/кг (8927 м/с)
  • Число включений: 10
  • Ресурс работы: 1 час
  • Компоненты топлива: рабочее тело — жидкий водород, вспомогательное вещество — гептан
  • Масса с радиационной защитой: 2 тонны
  • Габариты двигателя: высота 3,5 м, диаметр 1,6 м.

Относительно небольшие габаритные размеры и вес, высокая температура ядерного топлива (3100 K) при эффективной системе охлаждения потоком водорода свидетельствует от том, что РД0410 является почти идеальным прототипом ЯРД для современных крылатых ракет. А, учитывая современные технологии получения самоостанавливающегося ядерного топлива, увеличение ресурса с часа до нескольких часов является вполне реальной задачей.

Конструкции ядерных ракетных двигателей

Ядерный ракетный двигатель (ЯРД) — реактивный двигатель, в котором энергия, возникающая при ядерной реакции распада или синтеза, нагревает рабочее тело (чаще всего, водород или аммиак)[3]. 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.

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.

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 радиационная 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.

Ядерная энергодвигательная установка

Учитывая, что какую-либо достоверную информацию о ЯЭДУ по публикациям, в том числе и из научных статей, получить невозможно, принцип работы таких установок лучше всего рассматривать на примерах открытых патентных материалов, хотя и содержащих ноу-хау.

Так, например, выдающимся российским учёным Коротеевым Анатолием Сазоновичем, автором изобретения по патенту [4], приведено техническое решение по составу оборудования для современной ЯРДУ. Далее привожу часть указанного патентного документа дословно и без комментариев.

Сущность предлагаемого технического решения поясняется схемой, представленной на чертеже. ЯЭДУ, функционирующая в двигательно-энергетическом режиме, содержит электроракетную двигательную установку (ЭРДУ) (на схеме для примера представлено два электроракетных двигателя 1 и 2 с соответствующими системами подачи 3 и 4), реакторную установку 5, турбину 6, компрессор 7, генератор 8, теплообменник-рекуператор 9, вихревую трубку Ранка-Хильша 10, холодильник-излучатель 11. При этом турбина 6, компрессор 7 и генератор 8 объединены в единый агрегат — турбогенератор-компрессор. ЯЭДУ оснащена трубопроводами 12 рабочего тела и электрическими линиями 13, соединяющими генератор 8 и ЭРДУ. Теплообменник-рекуператор 9 имеет так называемые высокотемпературный 14 и низкотемпературный 15 входы рабочего тела, а также высокотемпературный 16 и низкотемпературный 17 выходы рабочего тела.

Выход реакторной установки 5 соединен со входом турбины 6, выход турбины 6 соединен с высокотемпературным входом 14 теплообменника-рекуператора 9. Низкотемпературный выход 15 теплообменника-рекуператора 9 соединен со входом в вихревую трубку Ранка-Хильша 10. Вихревая трубка Ранка-Хильша 10 имеет два выхода, один из которых (по «горячему» рабочему телу) соединен с холодильником-излучателем 11, а другой (по «холодному» рабочему телу) соединен со входом компрессора 7. Выход холодильника-излучателя 11 также соединен со входом в компрессор 7. Выход компрессора 7 соединен с низкотемпературным 15 входом в теплообменник-рекуператор 9. Высокотемпературный выход 16 теплообменника-рекуператора 9 соединен со входом в реакторную установку 5. Таким образом, основные элементы ЯЭДУ связаны между собой единым контуром рабочего тела.

ЯЭДУ работает следующим образом. Нагретое в реакторной установке 5 рабочее тело направляется на турбину 6, которая обеспечивает работу компрессора 7 и генератора 8 турбогенератора-компрессора. Генератор 8 производит генерацию электрической энергии, которая по электрическим линиям 13 направляется к электроракетным двигателям 1 и 2 и их системам подачи 3 и 4, обеспечивая их работу. После выхода из турбины 6 рабочее тело направляется через высокотемпературный вход 14 в теплообменник-рекуператор 9, где осуществляется частичное охлаждение рабочего тела.

Затем, из низкотемпературного выхода 17 теплообменника-рекуператора 9 рабочее тело направляется в вихревую трубку Ранка-Хильша 10, внутри которой происходит разделение потока рабочего тела на «горячую» и «холодную» составляющие. «Горячая» часть рабочего тела далее следует в холодильник-излучатель 11, где происходит эффективное охлаждение этой части рабочего тела. «Холодная» часть рабочего тела следует на вход в компрессор 7, туда же следует после охлаждения часть рабочего тела, выходящая из холодильника-излучателя 11.

Компрессор 7 производит подачу охлажденного рабочего тела в теплообменник-рекуператор 9 через низкотемпературный вход 15. Это охлажденное рабочее тело в теплообменнике-рекуператоре 9 обеспечивает частичное охлаждение встречного потока рабочего тела, поступающего в теплообменник-рекуператор 9 из турбины 6 через высокотемпературный вход 14. Далее, частично подогретое рабочее тело (за счет теплообмена с встречным потоком рабочего тела из турбины 6) из теплообменника-рекуператора 9 через высокотемпературный выход 16 вновь поступает к реакторной установке 5, цикл вновь повторяется.

Таким образом, находящееся в замкнутом контуре единое рабочее тело обеспечивает непрерывную работу ЯЭДУ, причем использование в составе ЯЭДУ вихревой трубки Ранка-Хильша в соответствии с заявляемым техническим решением обеспечивает улучшение массогабаритных характеристик ЯЭДУ, повышает надежность ее работы, упрощает ее конструктивную схему и дает возможность повысить эффективность ЯЭДУ в целом.

Источник: https://habr.com/
Автор: Максим Агаджанов