Внимателно многу букви.
Прототип за летање на вселенско летало со погонски систем за нуклеарна енергија (НПП) во Русија се планира да се создаде до 2025 година. Соодветната работа е утврдена во нацртот на Федералната вселенска програма за 2016-2025 година (ФКП-25), испратена од Роскосмос за одобрување до министерствата.
Системите за нуклеарна енергија се сметаат за главни ветувачки извори на енергија во вселената при планирање на големи планетарни експедиции. Обезбедувањето моќност од мегават во вселената во иднина ќе овозможи нуклеарна централа, која во моментов ја создаваат претпријатијата на Росатом.
Сите работи за создавање нуклеарна централа се одвиваат во согласност со планираните услови. Можеме со голема доверба да кажеме дека работата ќе биде завршена во временската рамка предвидена со целната програма “, вели Андреј Иванов, проект -менаџер на одделот за комуникации на државната корпорација Росатом.
Неодамна, во рамките на проектот, поминаа две важни фази: создаден е единствен дизајн на елементот за гориво, кој обезбедува оперативност во услови на високи температури, големи температурни градиенти и зрачење со високи дози. Исто така, успешно се завршени технолошките тестови на реакторскиот сад на идната вселенска енергетска единица. Како дел од овие тестови, телото беше под притисок и беа направени 3D мерења во основниот метал, заварување со обем и заострени преодни зони.
Принцип на работа. Историја на создавање.
Нема фундаментални тешкотии со нуклеарен реактор за вселенски апликации. Во периодот од 1962 до 1993 година, нашата земја има акумулирано богато искуство во производство на слични инсталации. Слична работа беше извршена и во Соединетите држави. Од почетокот на 1960 -тите години, во светот се развиени неколку видови електрични млазни мотори: јонска, стационарна плазма, мотор на аноден слој, мотор со пулсна плазма, магнетоплазма, магнетоплазмодинамика.
Работата за создавање нуклеарни мотори за вселенски летала беше активно спроведена во СССР и САД во минатиот век: Американците го затворија проектот во 1994 година, СССР во 1988 година. Затворањето на работите беше во голема мера олеснето со катастрофата во Чернобил, која негативно го подеси јавното мислење кон употреба на нуклеарна енергија. Покрај тоа, тестовите за нуклеарни инсталации во вселената не беа секогаш рутински: во 1978 година, советскиот сателит „Космос-954“ влезе во атмосферата и се распадна, расфрлајќи илјадници радиоактивни фрагменти на површина од 100 илјади квадратни метри. км во северозападните региони на Канада. Советскиот Сојуз и плати на Канада повеќе од 10 милиони долари компензација.
Во мај 1988 година, две организации - Федерацијата на американски научници и Комитетот на советските научници за мир против нуклеарната закана - дадоа заеднички предлог за забрана на употреба на нуклеарна енергија во вселената. Тој предлог не доби формални импликации, но оттогаш ниту една земја не лансираше вселенски летала со нуклеарни централи.
Големите предности на проектот се практично важните оперативни карактеристики - долг работен век (10 години работа), значителен интервал за ремонт и долго време на работа со едно вклучување.
Во 2010 година беа формулирани технички предлози за проектот. Од оваа година, дизајнот започна.
Нуклеарната централа содржи три главни уреди: 1) реакторска централа со работна течност и помошни уреди (разменувач на топлина-обновувач и турбински генератор-компресор); 2) електричен ракетен погонски систем; 3) ладилник-радијатор.
Реактор.
Од физичка гледна точка, тоа е компактен брз неутронски реактор ладен со гас.
Соединение (диоксид или карбонитрид) на ураниум се користи како гориво, но бидејќи дизајнот мора да биде многу компактен, ураниумот има поголемо збогатување во изотоп 235 отколку во елементите за гориво во конвенционалните (цивилни) нуклеарни централи, веројатно повисоко од 20% На И нивната обвивка е монокристална легура од огноотпорни метали базирани на молибден.
Ова гориво ќе мора да работи на многу високи температури. Затоа, беше неопходно да се изберат материјали што ќе можат да ги содржат негативните фактори поврзани со температурата, а во исто време да му овозможат на горивото да ја изврши својата главна функција - да го загрее гасниот носач на топлина, со помош на која електричната енергија ќе биде произведен.
Фрижидер.
Ладењето на гас за време на работата на нуклеарната инсталација е апсолутно од суштинско значење. Како ја ослободувате топлината во вселената? Единствената опција е ладење со зрачење. Загреаната површина во празнината се лади со емитување електромагнетни бранови во широк опсег, вклучително и видлива светлина. Единственоста на проектот е во употреба на специјална течност за ладење - мешавина од хелиум -ксенон. Инсталацијата обезбедува висока ефикасност.
Мотор.
Принципот на работа на јонскиот мотор е како што следува. Во комората за испуштање гасови се создава ретка плазма со помош на аноди и блок катода лоцирани во магнетно поле. Јони на работната течност (ксенон или друга супстанција) се „извлекуваат“ од неа со емитувачка електрода и се забрзуваат во процепот помеѓу неа и електродата за забрзување.
За спроведување на планот, беа ветени 17 милијарди рубли во периодот од 2010 до 2018 година. Од овие средства, 7.245 милијарди рубли беа доделени на државната корпорација Росатом за создавање на самиот реактор. Други 3,955 милијарди - ФСУЕ „Центар Келдиш“ за создавање нуклеарна погонска централа. Уште 5,8 милијарди рубли - за RSC Energia, каде што работниот изглед на целиот транспортен и енергетски модул треба да се формира во иста временска рамка.
Според плановите, до крајот на 2017 година, ќе биде подготвен погонски систем за нуклеарна енергија за да се заврши транспортниот и енергетскиот модул (модул за меѓупланетарни летови). До крајот на 2018 година, нуклеарната централа ќе биде подготвена за тестови за дизајн на летови. Проектот е финансиран од федералниот буџет.
Не е тајна дека работата за создавање нуклеарни ракетни мотори започна во Соединетите држави и СССР уште во 60 -тите години на минатиот век. До каде стигнаа? И со какви проблеми требаше да се соочите на патот?
Анатолиј Коротеев: Навистина, работата за употреба на нуклеарна енергија во вселената започна и активно се спроведуваше во нашата земја и во САД во 1960 -тите и 1970 -тите години.
Првично, задачата беше поставена да создаде ракетни мотори, кои наместо хемиска енергија на согорување на гориво и оксидатор, ќе користат греење на водород на температура од околу 3000 степени. Но, се покажа дека таквата директна рута е с уште неефикасна. Добиваме висок потисок за кратко време, но во исто време исфрламе млаз, кој во случај на абнормална работа на реакторот може да испадне дека е радиоактивно контаминиран.
Се акумулираше одредено искуство, но ниту ние, ниту Американците не успеавме да создадеме сигурни мотори во тоа време. Тие работеа, но не многу, бидејќи загревањето на водородот до 3000 степени во нуклеарен реактор е сериозна задача. Покрај тоа, имаше проблеми со животната средина при тестирање на такви мотори на земја, бидејќи во атмосферата беа пуштени радиоактивни авиони. Веќе не е тајна дека таквата работа беше извршена на полигонот Семипалатинск специјално подготвен за нуклеарни тестови, кои останаа во Казахстан.
Односно, два параметри се покажаа како критични - забраната температура и емисиите на зрачење?
Анатолиј Коротеев: Во принцип, да. Од овие и некои други причини, работата во нашата земја и во Соединетите држави беше запрена или суспендирана - можете да ја оцените на различни начини. И ни се чинеше неразумно да ги обновиме на таков, би рекол, фронтален начин, за да направиме нуклеарен мотор со сите веќе споменати недостатоци. Ние предложивме сосема поинаков пристап. Се разликува од стариот на ист начин како што хибридниот автомобил се разликува од конвенционалниот. Во конвенционален автомобил, моторот ги врти тркалата, а во хибридните автомобили, електричната енергија се генерира од моторот, и оваа електрична енергија ги врти тркалата. Односно, се создава еден вид средна електрана.
Значи, ние предложивме шема во која вселенскиот реактор не го загрева млазот исфрлен од него, туку генерира електрична енергија. Топлиот гас од реакторот ја врти турбината, турбината ги врти електричниот генератор и компресорот, кои циркулираат работна течност во затворена јамка. Генераторот генерира електрична енергија за плазма моторот со специфичен удар 20 пати поголем од оној на неговите хемиски колеги.
Незгодна шема. Во суштина, ова е мини-нуклеарна централа во вселената. А кои се неговите предности во однос на нуклеарниот мотор Рамеџт?
Анатолиј Коротеев: Главната работа е дека млазот што излегува од новиот мотор нема да биде радиоактивен, бидејќи сосема поинаква работна течност, која е содржана во затворена јамка, минува низ реакторот.
Покрај тоа, со оваа шема, не треба да го загреваме водородот до превисоки вредности: во реакторот циркулира инертна работна течност, која се загрева до 1500 степени. Сериозно ја поедноставуваме нашата задача. И како резултат на тоа, ние ќе го подигнеме конкретниот поттик не двапати, туку 20 пати во споредба со хемиските мотори.
Друга работа е исто така важна: нема потреба од комплексни тестови на терен, за кои е потребна инфраструктура на поранешниот полигон Семипалатинск, особено базата на клупата што остана во градот Курчатов.
Во нашиот случај, сите потребни тестови може да се спроведат на територијата на Русија, без да се вклучат во долги меѓународни преговори за употреба на нуклеарна енергија надвор од нивната држава.
Дали сега се спроведуваат слични работи во други земји?
Анатолиј Коротеев: Имав состанок со заменик -шефот на НАСА, разговаравме за прашања поврзани со враќањето на работа на нуклеарна енергија во вселената, и тој рече дека Американците покажуваат голем интерес за ова.
Сосема е можно Кина да одговори со енергични акции од своја страна, така што работата мора да се заврши брзо. И не само со цел да се понапред од некого за половина чекор.
Треба да работиме брзо, пред с all, така што во појавата на меѓународната соработка, и де факто таа се формира, да изгледаме достојно.
Не ја исклучувам можноста во блиска иднина да се спроведува меѓународна програма за нуклеарна вселенска централа, слична на програмата за контролирана термонуклеарна фузија.
Трошоците за лансирање на возило за лансирање во модерната астронаутика останува доста висока, понекогаш достигнувајќи неколку стотици милиони долари. За значително намалување, дизајнерите од различни земји во светот развиваат фундаментално нови типови на ракетни мотори способни за лансирање товар во орбита со помала потрошувачка на енергија во споредба со конвенционалните електрани. Денес, од различни ветувачки проекти од овој вид, три се најблиску до реализација. Решивме да ги разбереме нивните карактеристики.
На глобално ниво, во 2015 година, имаше 87 лансирања ракети -носачи со различни носивост: 29 лансирања беа во Русија, 20 во САД, 19 во Кина, девет во Европската вселенска агенција, пет во Индија, четири во Јапонија и едно во Иран На Од оваа бројка, пет лансирања беа неуспешни и завршија со загуба на две беспилотни вселенски летала и десет сателити. Во 2014 година, земјите изведоа 92 лансирања ракети -носачи, а една година порано - 80. Денес, трошоците за лансирање товар во орбитата изнесуваат од 15 до 25 илјади долари за килограм при поставување сателити во геостационарна орбита, од каде што оди на геостационарни. Лансирањето на вселенско летало во ниска орбита е поевтино, но сепак прилично скапо - од 2,4 до 6 илјади долари за килограм.
Затоа, не е изненадувачки што во многу земји се работи на создавање технологии што можат значително да ги намалат трошоците за лансирање во вселената. Сепак, различни програмери одат по различни патишта. На пример, американската компанија SpaceX развива возила за лансирање Falcon Heavy со прва етапа. Компанијата е убедена дека употребливоста на првата етапа на Falcon Heavy ќе ги намали трошоците за лансирање товар во ниска орбита на Земјата до две илјади долари за килограм и на 9-11 илјади при лансирање во гео-трансфер орбита. И американската компанија JP Aerospace развива систем за лансирање во повеќе фази, во кој првите две етапи ќе бидат претставени со воздушни бродови.
Со еден збор, денес се развиваат многу различни технологии насочени кон намалување на трошоците за лансирање. Тука спаѓаат лансирни возила со трупови од модерни материјали и ракетни авиони способни за полетување и слетување на авиони, како и системи за навигација на ракетни фази за повторно воведување. Но, главното место меѓу нив е окупирано од нови мотори. Точно, во оваа област, најчесто зборуваме за подобрување на дизајнот на веќе постоечките ракетни мотори. На пример, Мерлин моторот на SpaceX има значителна моќност, но сепак е традиционален ракетен мотор со течни горива. Сепак, постојат и оригинални решенија кои претходно не биле користени за возила за лансирање. Трите најинтересни од нив, во однос на дизајнот и потенцијалните придобивки, ќе разговараме подолу.
Хибриден мотор
Во раните 1990 -ти години, британската компанија „Реакција енџинес“ започна да развива нов тип ракетен мотор кој ќе троши значително помалку течен оксидатор, но ќе биде ефикасен на сите височини на летот. Се претпоставуваше дека ќе ги комбинира квалитетите на воздушниот турбомотор и ракетните мотори. Новиот проект беше именуван како САБЕР (Синергистички ракетен мотор за воздух-дишење, синергиски атмосферски ракетен мотор). Принципот на електраната е релативно едноставен: при летање во атмосферата, атмосферскиот кислород се користи за согорување гориво, а кога влегува во простор без воздух, моторот се префрла на користење течен кислород од резервоарите.
Според проектот, моторот SABER ќе добие универзална комора за согорување и млазница, кои се слични по дизајн со слични елементи на конвенционален ракетен мотор. На почетокот и за време на забрзувањето, SABER ќе работи како конвенционален мотор ramjet. Во лет, воздухот ќе влезе во влезот на воздух, а потоа преку специјални бајпас канали - во поладната и комората за согорување. Во поладната зона, се обезбедува инсталација на турбина и компресор: кога млазот ќе излезе од млазницата, воздухот ќе се вовлече во моторот и ќе ја врти турбината, што пак ќе го врти компресорот. Вториот ќе го компресира ладениот воздух, што ќе го зголеми снабдувањето со комората за согорување и, следствено, комплетноста на согорувањето на горивото и неговата енергетска ефикасност.
Се претпоставува дека во атмосферски режим, новиот хибриден ракетен мотор ќе работи со брзина на летот до пет маха бројки (6,2 илјади километри на час). Како што се зголемува брзината, воздухот во внесот на воздух - поради неговото ненадејно забавување и компресија - ќе се вжешти и ќе се вжешти. Ова ќе ја наруши неговата компресија, а со тоа и целокупната ефикасност на моторот. Затоа, за да се излади влезниот воздух, се планира да се користи специјална мрежа на цевки со дијаметар од еден милиметар и вкупна должина од околу две илјади километри. Тие ќе бидат инсталирани во каналот. Самите цевки под притисок од 200 бари (197 атмосфери) ќе бидат снабдени со хелиум, кој дејствува како течноста за ладење.
Според пресметките на развивачите, системот ќе овозможи ладење на влезниот воздух од повеќе од илјада степени Целзиусови до минус 150 степени Целзиусови за една стотинка од секундата. Во овој случај, нема да дојде до втечнување на воздухот, кое може драматично да ја намали ефикасноста на моторот. По надминување на брзината од пет Маха броеви, влезот на воздух ќе се затвори и моторот ќе се префрли на потрошувачка на течен кислород од резервоарот. Во оваа верзија, ќе може да функционира во ретката горна атмосфера и во простор без воздух. Планирано е да се користи течен водород како гориво. Тестовите на одделни SABER единици се спроведуваат од Reaction Engines од 2012 година и се сметаат за успешни.
Британската компанија моментално собира демонстратор за технологија на мотори, кој се тестира на крајот на 2017 година и првата половина на 2018 година. Во атмосферски режим, овој уред ќе може да развие удар од 196 килоновенти. Во однос на неговите димензии, прототипот на електричната централа ќе одговара на димензиите на турбомоторниот мотор F135 со погорување. Вакви мотори се инсталирани на американските ловци Ф-35 Молња II. F135 е долг 5,6 метри и дијаметар 1,2 метри. Оваа електрана е способна да развие потисок до 191 киловонтон во режим на послегорување. Полноправната инсталација на САБЕР ќе биде малку поголема и во атмосферски режим ќе може да развие удар од 667 киловонтон. Неговите тестови се закажани за 2020-2021 година.
Британската компанија верува дека благодарение на неговиот мотор, лансирното возило може да се направи едностепен. Покрај тоа, оваа единствена фаза ќе стане повратна. Новата електрана ќе троши гориво и особено оксидатор многу помалку од конвенционалниот ракетен мотор, бидејќи кислородот за согорување на горивото треба да се земе од воздух за лет во атмосферскиот дел. Планирано е британските мотори да се користат во ветувачки американски вселенски летала за повеќекратна употреба, што, според прелиминарните пресметки, ќе овозможи лансирање товар во ниска земјина орбита со 1,1-1,4 илјади долари за килограм.
Хиперсоничен мотор
Лансирање на ракета со хиперсоничен мотор ramjet во Индија на полигонот Шрихарихота
Кон крајот на август 2016 година, индиската организација за вселенско истражување за првпат успешно тестираше хиперсонични рамџет мотори. Успешен тест на електраните се одржа на полигонот Шрихарихота на исток од земјата. За тестирање, развивачите користеа конвенционално двостепено возило за лансирање АТВ со цврсти горива, на втората фаза од кое беа прикачени хиперсонични мотори. За време на тестовите за летање на електраните, истражувачите го тестираа палењето со суперсонична брзина, одржливо согорување, механизмот за внесување воздух и системот за вбризгување гориво. Вкупното времетраење на летот на втората етапа беше 300 секунди, од кои хиперсоничните мотори работеа пет секунди.
Индиските електрани, создадени како дел од SRE (Scramjet Rocket Engine, хиперсоничен ракетен мотор), работеа со брзина на летот од нешто повеќе од шест маха броеви. Етапата со мотори се искачи на височина од 70 километри. Целта на првиот тест на хиперсонични мотори беше да се тестира стабилноста на нивната работа, а не способноста на овие електрани да ги забрзаат носителите на хиперсонични брзини. Во блиска иднина, програмерите планираат да ја завршат обработката на податоците добиени за време на првото лансирање на електраните и да спроведат уште една серија тестови. Се претпоставува дека хиперсоничните мотори ќе ја забрзаат втората фаза на лансирање возила до осум или девет маха.
Индијанците не откриваат технички детали за нивните хиперсонични инсталации. Сепак, познат е општиот дизајн на таквите мотори, развиен во неколку земји низ светот од 1970 -тите години. Хиперсоничен мотор Рамеџет се разликува од конвенционалните мотори по тоа што горивото во неговата комора се согорува при суперсоничен проток на воздух. Во овој случај, воздухот за процесот на согорување се внесува во комората со директен проток без употреба на дополнителни компресори. Изгледа вака: влезниот проток на воздух влегува во влезот на воздух, а потоа во стеснувачката компресорска комора, каде што е компресирана и од каде што влегува во комората за согорување. Што е најинтересно, таквите хиперсонични мотори можеби немаат никакви подвижни делови.
Хиперсоничните електрани се способни да работат со брзина на летот од најмалку четири до пет маха броеви - со оваа брзина се обезбедува потребната компресија на воздухот и стабилно согорување на горивото. Теоретското ограничување на горната брзина за хиперсоничен мотор е 24 Маха. Во исто време, електраната ќе може да развие големи брзини доколку дополнително се вбризга течен оксидатор во комората за согорување. Максималната надморска височина на летот на која хиперсоничните мотори можат да работат без потреба од дополнително вбризгување на оксидатор е 75 километри. За споредба, ниската орбита на Земјата започнува на 160 километри.
Покрај Индија, САД, Русија, Кина и Австралија активно работат на создавање хиперсонични ракетни мотори. САД и Русија планираат да инсталираат нови електрани на хиперсонични борбени ракети, извидувачки возила и борци од шеста генерација. Австралија, која се развива заедно со Американците, исто така има намера да ги опреми проектилите со нови мотори. Кина, покрај борбената употреба на електрани, има намера да ги користи и во лансирните возила. Според непотврдени извештаи, хиперсоничните мотори ќе ги забрзаат кинеските возила за лансирање до 10-12 Мах, а борбените проектили до 20 Мах. Првите тестови на кинеската хиперсонична ракета се одржаа во јуни минатата година.
Соединетите држави и Русија веруваат дека употребата на хиперсонични мотори во возилата за лансирање ќе го комплицира, а не ќе го поедностави нивниот дизајн. Покрај тоа, истражувачите веруваат дека таквите електрани нема да можат да развијат доволен удар за лансирање големи товари. Индиските и кинеските развивачи се уверени дека употребата на хиперсонични раметели во возилата за лансирање ќе овозможи да се напушти поголемиот дел од течниот оксидатор, што ќе биде потребен само во трансатмосферскиот сегмент на летот. И проблемот со можниот недостаток на потисок може да се реши со инсталирање на неколку хиперсонични електрани, а придобивките од напуштањето на оксидаторот нема да се израмнат - вкупната маса на моторите ќе биде мала поради едноставниот дизајн.
Мотор за детонација
Во меѓувреме, во Русија, специјализираната лабораторија „Детонација ЛРЕ“ на истражувачко-производствената асоцијација „Енергомаш“ развива ракетен мотор со течно гориво-детонација што работи на кислород-керозин гориво. За првиот успешен тест на ваква електрана на 26 август годинава. Треба да се напомене дека ова е првиот мотор со спин детонација во светот дизајниран специјално за употреба при лансирање возила. Слична електрана денес се создава во Соединетите држави, но се планира да се користи како поекономична и поефикасна замена за моторите на гасни турбини на бродовите на морнарицата.
Проучувањето на принципите на работа и развојот на моторите за детонација се спроведува во некои земји во светот повеќе од 70 години. Со нив првпат се разговараше во Германија во 1940 -тите. Точно, тогаш истражувачите не успеаја да создадат работен прототип на моторот за детонација, но пулсирачките мотори на воздушни авиони беа развиени и масовно произведени. Тие беа поставени на ракети В-1. Во електраните на таквите проектили, горивото се внесуваше во комората за согорување во мали делови во редовни интервали. Во овој случај, ширењето на процесот на согорување долж горивото се случи со брзина помала од брзината на звукот. Ова согорување се нарекува дефлаграција и е основа за сите конвенционални мотори со внатрешно согорување.
Во моторот за детонација, предниот дел од согорувањето се шири низ мешавината на горивото побрзо од брзината на звукот. Овој процес на согорување се нарекува детонација. Детонационите мотори денес се поделени на два вида: импулс и спин. Вторите понекогаш се нарекуваат ротациони. Принципот на работа на пулсирачките мотори е сличен на оној на пулсирачките мотори: горивото и оксидантот се внесуваат во комората за согорување со голема фреквенција во редовни интервали. Главната разлика лежи во согорување на детонација на мешавината на гориво во комората за согорување. Благодарение на детонацијата, горивото гори поцелосно, ослободувајќи повеќе енергија отколку за време на дефлаграција.
Моторите за спин детонација користат прстенеста комора за согорување. Во него, мешавината на горивото се храни последователно преку радијално лоцирани вентили. Во такви електрани, детонацијата не ослабува се додека се испорачува гориво и оксидатор. За време на работата на моторот, бранот на детонација „трча“ околу прстенестата комора за согорување, а мешавината на гориво зад неа има време да се обнови. Во исто време, ако во комората за согорување треба да се достави однапред подготвена мешавина од гориво и оксиданс во пулсен мотор, тогаш ова не треба да се прави во спин мотор-предниот дел под висок притисок се движи пред бранот на детонација доста ефикасно ги меша потребните компоненти. Ротациониот мотор за првпат беше проучен во СССР во 1950 -тите.
Во новиот руски ракетен мотор за спин детонација, фреквенцијата на вртење е 20 килохерци, односно во една секунда бранот на детонација има време да „заобиколи“ околу прстенестата комора за согорување 20 илјади пати. Во теорија, моторите за детонација се способни да работат во широк опсег на брзини на летање - од нула до пет Маха броеви, а со употреба на дополнителни единици, како што е компресорот, горната граница може да се зголеми на седум до осум Маха броеви. Се верува дека таквите погонски системи можат да испорачаат повеќе енергија, додека трошат помалку гориво од конвенционалните млазни мотори. Во исто време, дизајнот на моторите за детонација е релативно едноставен: во основната верзија, тие немаат компресор и многу подвижни делови.
Поради нивната ефикасност при голема излезна моќност, моторите со вртење со спин во возилата за лансирање значително ќе го намалат количеството на гориво и оксидатор што се потребни за да се стави товарот во орбита. Во пракса (и ова е типично за сите веќе наведени проекти), намалување на масата на моторот (а електраната ќе тежи помалку од конвенционалната ракета), горивото и оксидаторот или ќе ја зголемат тежината на фрлање на носачот додека одржувајќи ги неговите димензии, или оставете ја тежината на фрлање непроменета додека ја намалувате големината на ракетата. Тежината на лансирање е масата на последната фаза, нејзиното гориво и носивост.
Во иднина, трката на пазарот за лансирање во вселената ќе ја добие оној кој може да стави што е можно поевтино товар во орбитата. Некои компании веруваат дека благодарение на употребата на нови технологии, трошоците за лансирање товар во ниска орбита може да се намалат под илјада долари за килограм и под десет илјади долари за килограм кога се лансираат во гео-трансфер орбита. Точно, кога точно ќе биде можно, с not уште не е јасно. Според најсмелите проценки, новите ракетни мотори ќе се користат за лансирање возила од средината на 2020 година.
Василиј Сичев
Современите ракетни мотори прават добра работа во ставање на технологијата во орбита, но тие се целосно несоодветни за долго патување во вселената. Затоа, повеќе од десетина години, научниците работеа на создавање алтернативни вселенски мотори кои би можеле да ги забрзаат бродовите до рекордни брзини. Ајде да погледнеме седум главни идеи од оваа област.
EmDrive
За да се преселите, треба да оттргнете од нешто - ова правило се смета за еден од непоколебливите столбови на физиката и астронаутиката. Од што точно да започнете - од земја, вода, воздух или млаз гас, како и во случај на ракетни мотори - не е толку важно.
Познат експеримент за мисла: замислете дека астронаут излезе во вселената, но кабелот што го поврзува со вселенското летало одеднаш се скрши и лицето почнува полека да лета. С All што има е кутија со алатки. Кои се неговите постапки? Точен одговор: тој треба да фрли алатки од бродот. Според законот за зачувување на моментумот, лицето ќе биде исфрлено од инструментот со иста сила како и инструментот од личноста, така што постепено ќе се движи кон бродот. Ова е удар на млаз - единствениот можен начин за движење во празен простор. Навистина, EmDrive, како што покажуваат експериментите, има некои шанси да ја побие оваа непоколеблива изјава.
Творецот на овој мотор е британскиот инженер Роџер Шаер, кој во 2001 година основа своја компанија Satellite Propulsion Research. Дизајнот на EmDrive е доста екстравагантен и има метална кофа во форма, запечатена на двата краја. Внатре во оваа кофа е магнетрон што емитува електромагнетни бранови - исто како и во конвенционалната микробранова печка. И излегува дека е доволно за да се создаде многу мал, но доста забележлив удар.
Самиот автор ја објаснува работата на неговиот мотор преку разликата во притисокот на електромагнетното зрачење на различни краеви на „кофата“ - на тесниот крај е помала отколку на широката. Ова создава повлекување насочено кон тесниот крај. Можноста за таква работа на моторот е оспорена повеќе од еднаш, но во сите експерименти, инсталацијата Шаер покажува присуство на потисок во предвидената насока.
Експериментаторите кои ја пробаа кофата на Шаер вклучуваат организации како НАСА, Техничкиот универзитет во Дрезден и Кинеската академија на науките. Пронајдокот беше тестиран во различни услови, вклучително и во вакуум, каде што покажа присуство на удар од 20 микронутони.
Ова е многу малку во однос на хемиските млазни мотори. Но, со оглед на фактот дека моторот на Шаер може да работи онолку долго колку што сакате, бидејќи не му треба гориво (соларните батерии можат да обезбедат магнетронот да работи), тој е потенцијално способен да ги забрза вселенските летала до огромни брзини, измерени како процент од брзината на светлината.
За целосно докажување на перформансите на моторот, неопходно е да се извршат многу повеќе мерења и да се ослободат од несаканите ефекти што можат да се генерираат, на пример, од надворешни магнетни полиња. Сепак, веќе се изнесуваат алтернативни можни објаснувања за абнормалниот удар на моторот Шаер, што, генерално, ги крши вообичаените закони на физиката.
На пример, се изнесуваат верзии дека моторот може да создаде потисок поради неговата интеракција со физички вакуум, кој на квантно ниво има не-нулта енергија и е исполнет со постојано појавувачки и исчезнувачки виртуелни елементарни честички. Кој ќе има право на крајот - авторите на оваа теорија, самиот Шаер или други скептици - ќе дознаеме во блиска иднина.
Сончево едро
Како што споменавме погоре, електромагнетното зрачење врши притисок. Ова значи дека во теорија може да се претвори во движење - на пример, со помош на плови. Исто како што бродовите од минатите векови го фатија ветрот во едрата, вселенското летало на иднината ќе фати сончева светлина или која било друга starвездена светлина во нивните едра.
Проблемот, сепак, е што притисокот на светлината е исклучително мал и се намалува со зголемување на растојанието од изворот. Затоа, за да биде ефективен, таквото едро мора да има многу мала тежина и многу голема површина. И ова го зголемува ризикот од уништување на целата структура кога ќе се сретне со астероид или друг објект.
Обидите за изградба и лансирање соларни пловни бродови во вселената веќе се случија - во 1993 година, Русија тестираше сончево едро на вселенското летало Прогрес, а во 2010 година, Јапонија изврши успешни тестови на пат кон Венера. Но, ниту еден брод никогаш не го користел пловито како примарен извор на забрзување. Друг проект, електрично плови, изгледа малку поперспективно во овој поглед.
Електрично плови
Сонцето емитува не само фотони, туку и електрично наелектризирани честички од материја: електрони, протони и јони. Сите тие го формираат таканаречениот соларен ветер, кој оддалечува од површината на сонцето околу еден милион тони материја секоја секунда.
Сончевиот ветер се шири преку милијарди километри и е одговорен за некои од природните феномени на нашата планета: геомагнетни бури и северните светла. Земјата е заштитена од сончевиот ветер со сопствено магнетно поле.
Сончевиот ветер, како и воздушниот ветер, е сосема погоден за патување, само треба да го натерате да дува во едрата. Проектот за електрично плови, создаден во 2006 година од финскиот научник Пека Јанхунен, надворешно има малку заедничко со соларниот. Овој мотор се состои од неколку долги, тенки кабли, слични на краците на тркалото без раб.
Благодарение на електронскиот пиштол што емитува спротивно од правецот на патување, овие кабли добиваат потенцијален позитивен полнеж. Бидејќи масата на електронот е околу 1800 пати помала од масата на протонот, потисот што го создаваат електроните нема да игра фундаментална улога. Електроните на сончевиот ветер не се важни за таков плови. Но, позитивно наелектризираните честички - протони и алфа зрачење - ќе бидат отфрлени од јажињата, со што ќе се создаде нафрлување на млазот.
Иако овој потисок ќе биде околу 200 пати помал од оној на соларното едро, заинтересирана е Европската вселенска агенција. Факт е дека електричното едро е многу полесно да се дизајнира, произведе, распореди и работи во вселената. Покрај тоа, користејќи ја гравитацијата, плови, исто така, ви овозможува да патувате до изворот на larвездениот ветер, а не само подалеку од него. И бидејќи површината на таквото едро е многу помала од онаа на сончевото едро, таа е многу помалку ранлива на астероиди и вселенски остатоци. Можеби ќе ги видиме првите експериментални бродови на електричен плови во следните неколку години.
Јонски мотор
Протокот на наелектризирани честички на материјата, односно јони, го емитуваат не само starsвездите. Јонизираниот гас, исто така, може да се создаде вештачки. Нормално, честичките на гасот се електрично неутрални, но кога неговите атоми или молекули губат електрони, тие се претвораат во јони. Во вкупната маса, таков гас с still уште нема електрично полнење, но неговите поединечни честички стануваат наелектризирани, што значи дека можат да се движат во магнетно поле.
Во јонски мотор, инертен гас (обично ксенон) се јонизира со струја на високо-енергетски електрони. Тие исфрлаат електрони од атомите и добиваат позитивен полнеж. Понатаму, добиените јони се забрзуваат во електростатско поле до брзини од редот на 200 км / с, што е 50 пати поголема од стапката на одлив на гас од хемиски млазни мотори. Како и да е, модерните јонски потиснувачи имаат многу низок потисок - околу 50-100 милинути. Таков мотор не би можел ниту да се помести од масата. Но, тој има сериозен плус.
Големиот специфичен импулс може значително да ја намали потрошувачката на гориво во моторот. Енергијата добиена од соларни батерии се користи за јонизирање на гасот, така што јонскиот мотор може да работи многу долго - до три години без прекин. За таков период, тој ќе има време да го забрза вселенското летало до брзини за кои хемиските мотори никогаш не сонувале.
Јонските мотори постојано ја ораа пространоста на Сончевиот систем како дел од различни мисии, но обично како помошни, а не главни. Денес, плазма моторите с increasingly повеќе се дискутираат како можна алтернатива на јонските погонувачи.
Плазма мотор
Ако степенот на јонизација на атомите стане висок (околу 99%), тогаш таквата агрегатна состојба на материјата се нарекува плазма. Плазма состојба може да се постигне само при високи температури, затоа, јонизираниот гас се загрева до неколку милиони степени во моторите со плазма. Греењето се изведува со помош на надворешен извор на енергија - соларни панели или, пореално, мал нуклеарен реактор.
Топлата плазма потоа се исфрла преку млазницата на ракетата, создавајќи нафрлување десетици пати поголемо од она на јонскиот потиснувач. Еден пример за плазма мотор е проектот ВАСИМР, кој се развива од 70 -тите години на минатиот век. За разлика од јонските потиснувачи, плазма ударите сеуште не се тестирани во вселената, но големи надежи се врзуваат на нив. Тоа е плазма моторот ВАСИМР кој е еден од главните кандидати за летови со луѓе до Марс.
Фузија мотор
Луѓето се обидуваат да ја скротат енергијата на термонуклеарната фузија од средината на дваесеттиот век, но досега не успеаја да го направат ова. Како и да е, контролираната термонуклеарна фузија с still уште е многу привлечна, бидејќи е извор на огромна енергија добиена од многу евтино гориво - изотопи на хелиум и водород.
Во моментов, постојат неколку проекти за дизајн на млазен мотор на енергија на термонуклеарна фузија. Најперспективниот од нив се смета за модел базиран на реактор со магнетна плазма. Термонуклеарен реактор во таков мотор ќе биде цилиндрична комора што протекува долга 100-300 метри и 1-3 метри во дијаметар. Комората мора да се снабдува со гориво во форма на плазма со висока температура, која при доволен притисок влегува во реакција на нуклеарна фузија. Калемите на магнетниот систем лоцирани околу комората мора да ја заштитат оваа плазма од контакт со опремата.
Термонуклеарната реакциона зона се наоѓа по должината на оската на таков цилиндар. Со помош на магнетни полиња, екстремно топла плазма тече низ млазницата на реакторот, создавајќи огромен потисок, многу пати поголем од оној на хемиските мотори.
Антиматеријален мотор
Целата материја околу нас се состои од фермиони - елементарни честички со спин со половина цел број. Ова се, на пример, кваркови што сочинуваат протони и неутрони во атомските јадра, како и електрони. Покрај тоа, секој фермион има своја античестичка. За електрони, ова е позитрон, за кварк - антикварк.
Античестичките имаат иста маса и ист спин како и нивните вообичаени „другари“, разликувајќи се во знакот на сите други квантни параметри. Во теорија, античестичките се способни да претставуваат антиматерија, но досега, антиматеријата не е снимена никаде во Универзумот. За основната наука, големото прашање е зошто таа не постои.
Но, во лабораториски услови, можете да добиете антиматерија. На пример, неодамна беше спроведен експеримент во кој се споредуваат својствата на протоните и антипротоните складирани во магнетна стапица.
Кога антиматеријата и обичната материја се среќаваат, се случува процес на меѓусебно уништување, придружен со излив на огромна енергија. Значи, ако земеме килограм материја и антиматерија, тогаш количината на енергија ослободена кога ќе се сретнат ќе биде споредлива со експлозијата на „Царската бомба“ - најмоќната хидрогенска бомба во историјата на човештвото.
Покрај тоа, значителен дел од енергијата ќе се ослободи во форма на фотони од електромагнетно зрачење. Соодветно на тоа, постои желба да се искористи оваа енергија за патување во вселената со создавање фотонски мотор сличен на сончево едро, само во овој случај светлината ќе се генерира од внатрешен извор.
Но, за ефективно користење на зрачењето во млазен мотор, неопходно е да се реши проблемот со создавање на „огледало“ кое би можело да ги отслика овие фотони. На крајот на краиштата, бродот мора некако да оттурне за да создаде удар.
Ниту еден модерен материјал едноставно нема да го издржи зрачењето родено во случај на таква експлозија и веднаш ќе испари. Во своите научно -фантастични романи, браќата Стругатски го решија овој проблем со создавање на „апсолутен рефлектор“. Во реалниот живот, вакво нешто с yet уште не е направено. Оваа задача, како и прашањата за создавање голема количина антиматерија и нејзино долгорочно складирање, е прашање на физиката на иднината.
Русија беше и останува лидер во областа на нуклеарната вселенска енергија. Организации како RSC Energia и Roskosmos имаат искуство во проектирање, изградба, лансирање и работа на вселенски летала опремени со нуклеарен извор на енергија. Нуклеарниот мотор овозможува да се управуваат авиони многу години, зголемувајќи ја нивната практична соодветност многу пати.
Историска хроника
Во исто време, испораката на апарат за истражување до орбитите на далечните планети на Сончевиот систем бара зголемување на ресурсот на таква нуклеарна инсталација на 5-7 години. Докажано е дека комплекс со нуклеарен погонски систем со капацитет од околу 1 MW како дел од истражувачко вселенско летало ќе овозможи забрзана испорака на вештачки сателити од најоддалечените планети, планетарски ровери на површината на природните сателити од овие планети, и испорака на земја до Земјата од комети, астероиди, Меркур, итн месечините на Јупитер и Сатурн.
Затегнување за повеќекратна употреба (МБ)
Еден од најважните начини за подобрување на ефикасноста на транспортните операции во вселената е употребата на елементи на транспортниот систем за повеќекратна употреба. Нуклеарен мотор за вселенски бродови со капацитет од најмалку 500 kW ви овозможува да креирате влечење за повеќекратна употреба и со тоа значително да ја зголемите ефикасноста на системот за транспорт со повеќе врски. Таквиот систем е особено корисен во програмата за обезбедување на големи годишни товари на товар. Пример би била програмата за развој на Месечината со создавање и одржување на постојано проширлива база за живеење и експериментални технолошки и индустриски комплекси.
Пресметка на обрт на товар
Според дизајнерските студии на RSC Energia, за време на изградбата на базата, модулите со тежина од околу 10 тони треба да се испорачаат на површината на Месечината, до 30 тони во орбитата на Месечината. Вкупниот товарен сообраќај од Земјата за време на изградбата на населена Месечевата база и посетената месечева орбитална станица се проценуваат на 700-800 тони, а годишниот товарен сообраќај за да се обезбеди функционирање и развој на базата е 400-500 тони.
Сепак, принципот на работа на нуклеарен мотор не дозволува транспортерот да забрза доволно брзо. Поради долгото време на транспорт и, соодветно, значајното време поминато со товарот во зоните на зрачење на Земјата, не може целиот товар да се испорача со помош на влечни возила со нуклеарен погон. Затоа, товарниот сообраќај што може да се обезбеди врз основа на погонски системи за нуклеарна енергија се проценува на само 100-300 т / година.
Економска ефикасност
Како критериум за економска ефикасност на меѓуорбиталниот транспортен систем, препорачливо е да се искористи вредноста на специфичниот трошок за транспорт на единица маса на носивост (ПГ) од површината на Земјата до целната орбита. RSC Energia разви економски и математички модел кој ги зема предвид главните компоненти на трошоците во транспортниот систем:
- да креира и лансира влечни модули во орбита;
- за купување работна нуклеарна инсталација;
- оперативни трошоци како и трошоци за истражување и развој и потенцијални капитални трошоци.
Индикаторите за трошоци зависат од оптималните параметри на МБ. Користејќи го овој модел, споредбената економска ефикасност на користење на повлекување за еднократна употреба базирана на нуклеарни погонски системи со капацитет од околу 1 MW и еднократна влечење врз основа на ветувачки течности во програмата за да се обезбеди испорака на товар од беше истражена орбитата на Земјата до Месечината со висина од 100 километри со вкупна маса од 100 т / година. Кога се користи истото лансирно возило со носивост еднаков на оној на лансирното возило Протон-М и шема за две лансирања за изградба на транспортен систем, единечните трошоци за испорака на единица товарна маса со помош на влечење базирана на нуклеарен мотор ќе биде три пати помал отколку кога се користат влечни возила за еднократна употреба базирани на проектили со мотори со течни горива, тип ДМ-3.
Излез
Ефикасен нуклеарен мотор за вселената придонесува за решавање на еколошките проблеми на Земјата, човечки лет на Марс, создавање систем за безжичен пренос на енергија во вселената, имплементација со зголемена безбедност на погребување во простор на особено опасен радиоактивен отпад од нуклеарна енергија на копно, создавање на лунарна база за живеење и почеток на индустрискиот развој на Месечината, обезбедувајќи заштита на Земјата од астероид-кометарска опасност.
Руските научници започнаа да развиваат нов ракетен мотор базиран на фундаментално ново гориво - мешавина од ацетилен и амонијак (ацетам), изјави за „Известија“ Анатолиј Лихванцев, директор на Центарот за развој на иновации НПО Енергомаш.
„Мешавина од ацетилен и амонијак, дури и според најгрубите проценки, е 20 пати поевтина од водородот - килограм водород чини околу 2 илјади рубли, а килограм ацетам - максимум 100 рубли. Со потрошувачка од пет до седум тони, може да се заштеди значителна сума. Покрај тоа, компонентите вклучени во ацетамот можат лесно да се складираат и транспортираат со висок капацитет за ладење, додека амонијакот има сјајни својства (се користи дури и во фрижидери како средство за ладење) ". - рече Лихванцев.
Новиот ацетам мотор ќе биде направен врз основа на кислородот на керозинскиот мотор RD-161, кој ќе го добие индексот „AC“. Во споредба со неговиот претходник, ацетаминската киселина ќе биде 30% поефикасно енергетска. Точните параметри ќе се одредат при тестирање на смесата, која ќе започне оваа година и ќе трае околу три години.
Откако ќе се најде оптималниот сооднос на ацетилен и амонијак (горивото ќе стане доста ефикасно и во исто време нема да експлодира од секое влијание), дизајнерите ќе ги разјаснат параметрите на моторот, според прелиминарните пресметки, нема да бараат сериозни промени во дизајнот, бидејќи физичките својства на ацетамот не се многу различни од керозин ... Благодарение на ова, горната фаза со нов мотор може да се инсталира на постојните возила за лансирање - повторно, ова е попрофитабилно отколку развивање нова ракета за тоа.
Програмерите планираат да лансираат ракети со новиот мотор во вселената во 2017-2018 година. Сепак, времето ќе зависи од износот на финансирањето - колку повеќе копии од моторот може да се произведат, толку побрзо ќе биде можно да се проверат сите режими. Првиот примерок од клупа се планира да се монтира на клупа во близина на Сергиев Посад.
Димитри Пејсон, директор за развој на вселенското јато на Фондацијата Сколково, пак, истакна дека, и покрај незамисливите индикатори за трошоци, замената на керозин и водород во ракетните фази со ново гориво може да биде економичен проект.
„Водородот е многу гломазен - треба да се заштити од топлина, што го отежнува транспортот. Затоа, полесно е да се произведе директно на космодромот пред полнење гориво. Ацетамот може да се транспортира на собна температура како обичен керозин. Во исто време, неговата енергетска ефикасност е повисока од онаа на кислород-керозин, а опасноста по животната средина е помала од онаа на истиот хептил, објасни Писон. „Покрај тоа, многу е погусто, можете да направите резервоари со помал волумен“.
Тој додаде дека во однос на подобрувањето на дизајнот на традиционалните ракетни мотори со течен погон, бироата за модерен дизајн, најверојатно, се приближиле до одредена бариера. Потрагата по нови решенија во ракетирањето денес се спроведува во однос на нови материјали, горива, технологии за производство, пишува „Известија“.
Се вчитува ...
