Vær forsiktig det er mange bokstaver.
En flymodell av et romfartøy med et kjernefysisk fremdriftssystem (NPP) er planlagt opprettet i Russland innen 2025. Tilsvarende arbeid er inkludert i utkastet til føderalt romprogram for 2016–2025 (FKP-25), sendt av Roscosmos for godkjenning til departementene.
Kjernefysiske systemer Elektrisitet regnes som den viktigste lovende energikilden i verdensrommet når man planlegger storskala interplanetariske ekspedisjoner. I fremtiden vil atomkraftverket, som for tiden lages av Rosatom-bedrifter, kunne gi megawatt kraft i verdensrommet.
Alt arbeid med etableringen av et kjernekraftverk foregår i henhold til de fastsatte fristene. Vi kan si med høy grad av sikkerhet at arbeidet vil bli fullført i tide, gitt av målprogrammet, sier Andrey Ivanov, prosjektleder for kommunikasjonsavdelingen til Rosatom statsselskap.
Bak I det siste innenfor rammen av prosjekt to viktige stadier: Det er laget en unik design av drivstoffelementet, som sikrer drift under forhold med høye temperaturer, store temperaturgradienter og høydosestråling. Teknologiske tester av reaktorfartøyet til den fremtidige romkraftenheten er også fullført. Som en del av disse testene ble huset utsatt for overtrykk og 3D-målinger ble tatt i områdene av uedelt metall, ringen sveiset skjøt og konisk overgang.
Driftsprinsipp. skapelseshistorie.
Det er ingen grunnleggende vanskeligheter med en atomreaktor for romapplikasjoner. I perioden fra 1962 til 1993 akkumulerte landet vårt et vell av erfaring i produksjon av lignende installasjoner. Tilsvarende arbeid ble utført i USA. Siden tidlig på 1960-tallet har flere typer elektriske fremdriftsmotorer blitt utviklet i verden: ion, stasjonær plasma, anodelagmotor, pulsert plasmamotor, magnetoplasma, magnetoplasmodynamisk.
Arbeidet med å lage kjernefysiske motorer for romfartøy ble aktivt utført i USSR og USA i forrige århundre: Amerikanerne avsluttet prosjektet i 1994, USSR - i 1988. Nedleggelsen av arbeidet ble i stor grad lettet av Tsjernobyl-katastrofen, som påvirket opinionen negativt angående bruken av kjernekraft. I tillegg gikk tester av atominstallasjoner i rommet ikke alltid som planlagt: i 1978 kom den sovjetiske satellitten Kosmos-954 inn i atmosfæren og gikk i oppløsning, og spredte tusenvis av radioaktive fragmenter over et område på 100 tusen kvadratmeter. km i det nordvestlige Canada. Sovjetunionen betalt til Canada økonomisk kompensasjon til et beløp på mer enn 10 millioner dollar.
I mai 1988, to organisasjoner - Federation of American Scientists og Committee of Soviet Scientists for Peace against kjernefysisk trussel- laget et felles forslag om å forby bruk av atomenergi i verdensrommet. Det forslaget fikk ingen formelle konsekvenser, men siden den gang har ingen land skutt opp romfartøyer med atomkraftverk om bord.
De store fordelene med prosjektet er praktisk viktige driftsegenskaper - lang levetid (10 års drift), betydelig overhalingsintervall og lang driftstid på én bryter.
I 2010 ble det utformet tekniske forslag til prosjektet. Designet begynte i år.
Kjernekraftverket inneholder tre hovedenheter: 1) en reaktorinstallasjon med en arbeidsvæske og hjelpeenheter (varmeveksler-rekuperator og turbogenerator-kompressor); 2) elektrisk rakettfremdriftssystem; 3) kjøleskap-emitter.
Reaktor.
Fra et fysisk synspunkt er dette en kompakt gasskjølt hurtignøytronreaktor.
Drivstoffet som brukes er en forbindelse (dioksyd eller karbonitrid) av uran, men siden utformingen må være svært kompakt, har uranet en høyere anrikning i isotopen 235 enn i brenselstaver i konvensjonelle (sivile) atomkraftverk, kanskje over 20 %. Og skallet deres er en monokrystallinsk legering av ildfaste metaller basert på molybden.
Dette drivstoffet må fungere ved svært høye temperaturer. Derfor var det nødvendig å velge materialer som kunne inneholde negative faktorer, relatert til temperatur, og samtidig la drivstoffet utføre sin hovedfunksjon - å varme opp gasskjølevæsken, ved hjelp av hvilken elektrisitet vil bli produsert.
Kjøleskap.
Avkjøling av gass under drift av en kjernefysisk installasjon er helt nødvendig. Hvordan dumpe varme i verdensrommet? Den eneste muligheten er avkjøling ved stråling. Den oppvarmede overflaten i tomrommet avkjøles, og sender ut elektromagnetiske bølger i et bredt område, inkludert synlig lys. Det unike med prosjektet er bruken av en spesiell kjølevæske - en helium-xenon-blanding. Installasjonen sikrer høy effektivitet.
Motor.
Driftsprinsippet til ionemotoren er som følger. I gassutladningskammeret dannes et forseldet plasma ved hjelp av anoder og en katodeblokk plassert i et magnetfelt. Fra den blir ionene til arbeidsvæsken (xenon eller annet stoff) "trukket" av utslippselektroden og akselerert i gapet mellom den og akselerasjonselektroden.
For å implementere planen ble 17 milliarder rubler lovet mellom 2010 og 2018. Av disse midlene var 7,245 milliarder rubler beregnet på at staten Rosatom skulle lage selve reaktoren. Ytterligere 3,955 milliarder - FSUE "Keldysh Center" for etablering av et kjernekraftverk. Ytterligere 5,8 milliarder rubler vil gå til RSC Energia, der, innenfor samme tidsramme, må det fungerende utseendet til hele transport- og energimodulen dannes.
Etter planene, innen utgangen av 2017, vil et kjernekraftfremdriftssystem være klargjort for å fullføre transport- og energimodulen (interplanetær overføringsmodul). Innen utgangen av 2018 skal kjernekraftverket være klargjort for flyprøver. Prosjektet er finansiert over det føderale budsjettet.
Det er ingen hemmelighet at arbeidet med å lage kjernefysiske rakettmotorer begynte i USA og USSR tilbake på 60-tallet av forrige århundre. Hvor langt har de kommet? Og hvilke problemer møtte du underveis?
Anatoly Koroteev: Faktisk ble arbeidet med bruk av atomenergi i verdensrommet startet og aktivt utført her og i USA på 1960-70-tallet.
Opprinnelig var oppgaven satt til å lage rakettmotorer som, i stedet for den kjemiske energien ved forbrenning av drivstoff og oksidasjonsmiddel, ville bruke oppvarming av hydrogen til en temperatur på rundt 3000 grader. Men det viste seg at en slik direkte vei fortsatt var ineffektiv. Vi får høy skyvekraft i kort tid, men sender samtidig ut en stråle, som ved unormal drift av reaktoren kan vise seg å være radioaktivt forurenset.
Noe erfaring ble samlet, men verken vi eller amerikanerne var i stand til å lage pålitelige motorer. De fungerte, men ikke mye, fordi oppvarming av hydrogen til 3000 grader i en atomreaktor er en alvorlig oppgave. I tillegg oppsto miljøproblemer under bakketester av slike motorer, siden radioaktive jetfly ble sluppet ut i atmosfæren. Det er ikke lenger en hemmelighet at slikt arbeid ble utført på en spesielt forberedt kjernefysiske tester Semipalatinsk teststed, som forble i Kasakhstan.
Det vil si at to parametere viste seg å være kritiske - ekstrem temperatur og strålingsutslipp?
Anatoly Koroteev: Generelt, ja. På grunn av disse og noen andre årsaker ble arbeidet i vårt land og i USA stoppet eller suspendert - dette kan vurderes på forskjellige måter. Og å fornye dem på en slik, vil jeg si, frontal måte som å gjøre kjernefysisk motor med alle de allerede nevnte manglene, virket det urimelig for oss. Vi foreslo en helt annen tilnærming. Den skiller seg fra den gamle på samme måte som en hybridbil skiller seg fra en vanlig. I en vanlig bil dreier motoren hjulene, men i hybridbiler genereres elektrisitet fra motoren, og denne strømmen snur hjulene. Det vil si at det lages en slags mellomkraftstasjon.
Så vi foreslo en ordning der romreaktoren ikke varmer opp strålen som kastes ut fra den, men genererer elektrisitet. Varm gass fra reaktoren snur turbinen, turbinen snur den elektriske generatoren og kompressoren, som sirkulerer arbeidsvæsken i en lukket sløyfe. Generatoren produserer elektrisitet til plasmamotoren med en spesifikk skyvekraft som er 20 ganger høyere enn for kjemiske analoger.
Vanskelig opplegg. I hovedsak er dette et minikjernekraftverk i verdensrommet. Og hva er fordelene fremfor en ramjet atommotor?
Anatoly Koroteev: Hovedsaken er at strålen som kommer ut av den nye motoren ikke vil være radioaktiv, siden en helt annen arbeidsvæske passerer gjennom reaktoren, som er inneholdt i en lukket krets.
I tillegg, med denne ordningen, trenger vi ikke å varme hydrogen til uoverkommelige verdier: et inert arbeidsfluid sirkulerer i reaktoren, som varmer opp til 1500 grader. Vi gjør ting veldig enkelt for oss selv. Og som et resultat vil vi øke den spesifikke skyvekraften ikke med to ganger, men med 20 ganger sammenlignet med kjemiske motorer.
En annen ting er også viktig: det er ikke behov for komplekse fullskala-tester, som krever infrastrukturen til det tidligere Semipalatinsk-teststedet, spesielt testbenkbasen som er igjen i byen Kurchatov.
I vårt tilfelle kan alle nødvendige tester utføres på russisk territorium, uten å bli dratt inn i lange internasjonale forhandlinger om bruk av atomenergi utenfor ens stats grenser.
Er lignende arbeid på gang i andre land?
Anatoly Koroteev: Jeg hadde et møte med nestlederen for NASA, vi diskuterte spørsmål knyttet til å komme tilbake til arbeid med atomenergi i verdensrommet, og han sa at amerikanerne viser stor interesse for dette.
Det er godt mulig at Kina kan svare med aktive handlinger fra sin side, så vi må jobbe raskt. Og ikke bare for å være et halvt skritt foran noen.
Vi må jobbe raskt, først og fremst, slik at vi ser anstendige ut i det nye internasjonale samarbeidet, og det de facto er under dannelse.
Jeg utelukker ikke at det i nær fremtid kan bli satt i gang internasjonalt program på et kjernefysisk romkraftverk som ligner på det kontrollerte termonukleære fusjonsprogrammet som nå implementeres.
Kostnaden for å lansere en bærerakett i moderne astronautikk forblir ganske høy, og når noen ganger flere hundre millioner dollar. For å redusere det betydelig, designere fra forskjellige land rundt om i verden utvikler fundamentalt nye typer rakettmotorer som er i stand til å sende nyttelast i bane med lavere energiforbruk sammenlignet med konvensjonelle kraftverk. I dag, fra ulike lovende prosjekter Tre av denne typen er nærmest implementering. Vi bestemte oss for å se nærmere på funksjonene deres.
På verdensbasis i 2015 ble det utført 87 oppskytninger av bæreraketter med ulik nyttelast: 29 oppskytinger var fra Russland, 20 fra USA, 19 fra Kina, ni fra European Space Agency, fem fra India, fire fra Japan og en til Iran. . Av dette antallet mislyktes fem lanseringer og endte med tap av to automatiske romskip og ti ledsagere. I 2014 gjennomførte land 92 oppskytninger av bæreraketter, og et år tidligere - 80. I dag varierer kostnadene for å skyte en nyttelast i bane fra 15 til 25 tusen dollar per kilogram når de lanserer satellitter inn i en geostasjonær overføringsbane, hvorfra de flytte til geostasjonær. Å lansere et romfartøy i lav bane er billigere, men fortsatt ganske dyrt - fra 2,4 til 6 tusen dollar per kilo.
Det er derfor ikke overraskende at det i mange land arbeides med å lage teknologier som kan redusere kostnadene betydelig. romoppskytinger. Samtidig går forskjellige utviklere forskjellige veier. For eksempel utvikler det amerikanske selskapet SpaceX bæreraketter Falcon Heavy med et returerbart første trinn. Selskapet er overbevist om at gjenbrukbarheten til den første fasen av Falcon Heavy vil redusere kostnadene ved å sende en nyttelast i lav jordbane til to tusen dollar per kilogram og til 9-11 tusen når den skytes ut i en geostasjonær overføringsbane. Og det amerikanske selskapet JP Aerospace lager et flertrinns lanseringssystem, der de to første stadiene vil være representert av luftskip.
Kort sagt, mange forskjellige teknologier rettet mot å redusere kostnadene ved lanseringer utvikles i dag. Disse inkluderer bæreraketter med karosseri laget av moderne materialer, rakettfly som er i stand til å ta av og lande fly, og navigasjonssystemer for raketters returstadier. Men hovedplassen blant dem er okkupert av nye motorer. Riktignok snakker vi oftest i dette området om å forbedre designene til eksisterende rakettmotorer. SpaceXs Merlin-motor har for eksempel betydelig kraft, men er en tradisjonell flytende rakettmotor. Men det finnes også originale løsninger som ikke tidligere har vært brukt til bæreraketter. Vi vil diskutere de tre mest interessante av dem, med tanke på design og potensielle fordeler, nedenfor.
Hybrid motor
På begynnelsen av 1990-tallet begynte det britiske selskapet Reaction Engines å utvikle en ny type rakettmotor som ville forbruke betydelig mindre flytende oksidasjonsmiddel, men som ville være effektiv i alle flyhøyder. Det ble antatt at det ville kombinere egenskapene til en luftturbojet og rakettmotorer. Nytt prosjekt kalt SABRE (Synergistic Air-Breathing Rocket Engine, synergistisk atmosfærisk rakettmotor). Prinsippet til kraftverket er relativt enkelt: når man flyr i atmosfæren, brukes atmosfærisk oksygen til å brenne drivstoff, og når man kommer inn i luftløst rom, går motoren over til å bruke flytende oksygen fra tankene.
I følge prosjektet vil SABRE-motoren få et universelt forbrenningskammer og munnstykke, designet er på mange måter likt lignende elementer i en konvensjonell rakettmotor. Ved lansering og under akselerasjon vil SABRE fungere som en konvensjonell ramjetmotor. Under flyturen vil luft strømme inn i luftinntaket, og deretter gjennom spesielle bypass-kanaler inn i kjøleren og forbrenningskammeret. I det kjøligere området er det installert en turbin og en kompressor: når jetstrømmen kommer ut av dysen, vil luft trekkes inn i motoren og snurre turbinen, som igjen vil snurre kompressoren. Sistnevnte vil begynne å komprimere den avkjølte luften, noe som vil øke tilførselen til forbrenningskammeret, og følgelig fullstendigheten av drivstoffforbrenningen og dens energiutgang.
Det antas at i atmosfærisk modus vil den nye hybridrakettmotoren operere med flyhastigheter på opptil Mach fem (6,2 tusen kilometer i timen). Når hastigheten øker, vil luften i luftinntaket – på grunn av den plutselige oppbremsingen og kompresjonen – bli varmere og varmere. Dette vil forverre kompresjonen, og derfor total effektivitet motor. Derfor, for å avkjøle den innkommende luften, foreslås det å bruke et spesielt nettverk av rør med en diameter på en millimeter og en total lengde på omtrent to tusen kilometer. De vil bli installert i luftkanalen. Helium vil bli tilført selve rørene under et trykk på 200 bar (197 atmosfærer), og fungerer som kjølevæske.
Ifølge utviklernes beregninger vil systemet tillate kjøling av den innkommende luften fra mer enn tusen grader celsius til minus 150 grader celsius på ett hundredels sekund. I dette tilfellet vil luftvæskedannelse, som kan redusere motorens effektivitet kraftig, ikke forekomme. Etter å ha overskredet hastigheten på fem Mach-tall, vil luftinntaket lukkes og motoren går over til å konsumere flytende oksygen fra tanken. I denne versjonen vil den kunne fungere i de sjeldne øvre lagene av atmosfæren og i luftløst rom. Det er planlagt å bruke flytende hydrogen som drivstoff. Testing av individuelle SABRE-komponenter har blitt utført av Reaction Engines siden 2012 og ble ansett som vellykket.
Det britiske selskapet setter for tiden sammen en motorteknologidemonstrator, som skal testes i slutten av 2017 – første halvdel av 2018. I atmosfærisk modus vil denne enheten kunne utvikle en skyvekraft på 196 kilonewton. Når det gjelder dimensjonene, vil prototypekraftverket tilsvare dimensjonene til F135-turbojetmotoren med to kretser med etterbrenner. Slike motorer er installert på de amerikanske F-35 Lightning II jagerfly. F135 er 5,6 meter lang og 1,2 meter i diameter. Dette power point i stand til å utvikle skyvekraft opp til 191 kilonewton i etterbrennermodus. En fullverdig SABRE-installasjon vil være litt større og vil i atmosfærisk modus kunne utvikle en skyvekraft på 667 kilonewton. Testene er planlagt for 2020–2021.
Det britiske selskapet mener at takket være motoren kan bæreraketten gjøres ett-trinns. Dessuten vil dette enkelttrinnet bli returnerbart. Det nye kraftverket vil forbruke drivstoff og spesielt oksidasjonsmiddel mye mindre enn en konvensjonell rakettmotor, fordi for atmosfærisk flyvning skal oksygen til brenning av drivstoff tas fra luften. Britiske motorer er planlagt brukt i lovende amerikanske gjenbrukbare to-trinns romfartøy, som ifølge foreløpige beregninger vil gjøre det mulig å sende en nyttelast i lav jordbane for 1,1–1,4 tusen dollar per kilo.
Hypersonisk motor
Oppskyting av en rakett med en hypersonisk ramjetmotor i India på teststedet Sriharihota
I slutten av august 2016 gjennomførte den indiske romforskningsorganisasjonen de første vellykkede testene av hypersoniske ramjetmotorer. En vellykket test av kraftverkene fant sted på teststedet Sriharihota øst i landet. For testing brukte utviklerne en konvensjonell to-trinns ATV-rakett med fast brensel, til det andre trinnet som hypersoniske motorer ble festet til. Under flytester av fremdriftssystemene testet forskere supersonisk tenning, vedvarende drivstoffforbrenning, luftinntaksmekanisme og drivstoffinnsprøytningssystem. Den totale flyvarigheten av det andre trinnet var 300 sekunder, hvorav de hypersoniske motorene opererte i fem sekunder.
Indiske kraftverk, opprettet innenfor rammen av SRE-prosjektet (Scramjet Rocket Engine, en hypersonisk ramjet rakettmotor), opererte med en flyhastighet på litt over Mach seks. Etappen med motorer steg til en høyde på 70 kilometer. Hensikten med den første testen av hypersoniske motorer var å sjekke stabiliteten til driften, og ikke evnen til disse kraftverkene til å akselerere transportørene til hypersoniske hastigheter. I snart Utviklerne planlegger å fullføre behandlingen av dataene innhentet under den første lanseringen av kraftverkene og gjennomføre en ny serie tester. Det antas at hypersoniske motorer vil akselerere det andre trinnet av bæreraketter til åtte til ni Mach-tall.
Indianerne avslører ikke tekniske detaljer om deres hypersoniske installasjoner. Imidlertid er den generelle utformingen av slike motorer, utviklet i flere land rundt om i verden siden 1970-tallet, kjent. En hypersonisk ramjetmotor skiller seg fra konvensjonelle ved at drivstoffet i kammeret brenner i en supersonisk luftstrøm. I dette tilfellet tilføres luft til forbrenningsprosessen inn i kammeret i direkte strøm uten bruk av ekstra kompressorer. Det ser slik ut: løping luftstrøm kommer inn i luftinntaket, og deretter inn i det innsnevrede kompressorkammeret, hvor det komprimeres og hvorfra det kommer inn i forbrenningskammeret. Det som er mest interessant er at slike hypersoniske motorer kanskje ikke har noen bevegelige deler i det hele tatt.
Hypersoniske kraftverk er i stand til å operere med en flyhastighet på minst fire til fem Mach-tall - det er ved denne hastigheten at nødvendig luftkompresjon og stabil drivstoffforbrenning er sikret. Den teoretiske øvre grensen for hastigheten til en hypersonisk motor er Mach 24. Samtidig vil kraftverket kunne utvikle og høye hastigheter hvis et flytende oksidasjonsmiddel i tillegg injiseres i forbrenningskammeret. Maksimal høyde flyrekkevidden der hypersoniske motorer kan operere uten behov for ekstra oksidasjonsinnsprøytning er 75 kilometer. Til sammenligning starter lav jordbane ved 160 kilometer.
I tillegg til India, jobber USA, Russland, Kina og Australia aktivt med å lage hypersoniske rakettmotorer. USA og Russland planlegger å installere nye fremdriftssystemer på hypersoniske kampmissiler, rekognoseringskjøretøyer og sjette generasjons jagerfly. Australia, som utvikler sammen med amerikanerne, har også til hensikt å utstyre raketter med nye motorer. Kina, i tillegg til kampbruken av kraftverk, har til hensikt å bruke dem i bæreraketter. I følge ubekreftede rapporter vil hypersoniske motorer akselerere kinesiske bæreraketter til Mach 10–12, og kampmissiler til Mach 20. De første testene av et kinesisk hypersonisk missil fant sted i juni i fjor.
USA og Russland tror at bruken av hypersoniske motorer i bæreraketter vil komplisere, snarere enn å forenkle, designet deres. I tillegg mener forskerne at slike kraftverk ikke vil kunne utvikle tilstrekkelig skyvekraft til å sette ut store laster. Indiske og kinesiske utviklere er sikre på at bruken av hypersoniske ramjet-motorer i bæreraketter vil eliminere det meste av det flytende oksidasjonsmidlet, som bare vil være nødvendig under den eksoatmosfæriske fasen av flyturen. Og problemet med mulig utilstrekkelig skyvekraft kan løses ved å installere flere hypersoniske kraftverk, og fordelen ved å forlate oksidasjonsmidlet vil ikke bli oppveid - den totale massen til motorene, på grunn av deres enkle design, vil være liten.
Detonasjonsmotor
I mellomtiden, i Russland, utvikler det spesialiserte laboratoriet "Detonation flytende rakettmotorer" til vitenskapelig og produksjonsforeningen "Energomash" en roterende detonerende flytende rakettmotor som kjører på oksygen-parafin drivstoffpar. Om den første vellykkede testen av et slikt kraftverk 26. august i år. Det skal bemerkes at dette er verdens første spinndetonasjonsmotor utviklet spesielt for bruk på bæreraketter. Et lignende kraftverk opprettes i dag i USA, men det er planlagt brukt som en mer økonomisk og effektiv erstatning for gassturbinmotorer på marinens skip.
Studiet av driftsprinsipper og utvikling av detonasjonsmotorer har blitt utført i noen land i verden i mer enn 70 år. De ble først tatt opp i Tyskland på 1940-tallet. Riktignok var forskerne på den tiden ikke i stand til å lage en fungerende prototype av en detonasjonsmotor, men pulserende luftpustemotorer ble utviklet og masseprodusert. De ble installert på V-1 raketter. I kraftverkene til slike raketter ble det tilført drivstoff til forbrenningskammeret i små porsjoner med jevne mellomrom. I dette tilfellet skjedde forplantningen av forbrenningsprosessen gjennom drivstoffet med en hastighet lavere enn lydhastigheten. Denne forbrenningen kalles deflagrering, og den ligger til grunn for driften av alle konvensjonelle forbrenningsmotorer.
I en detonasjonsmotor forplanter forbrenningsfronten seg gjennom drivstoffblandingen raskere hastighet lyd. Denne forbrenningsprosessen kalles detonasjon. Detonasjonsmotorer er i dag delt inn i to typer: puls og spinn. Sistnevnte kalles noen ganger roterende. Driftsprinsippet til pulsmotorer ligner på pulserende luftpustemotorer: drivstoff og oksidasjonsmiddel tilføres forbrenningskammeret med høye frekvenser med jevne mellomrom. Hovedforskjellen er detonasjonsforbrenningen av drivstoffblandingen i forbrenningskammeret. Takket være detonasjon brenner drivstoffet mer fullstendig og slipper ut stor kvantitet energi enn under deflagrering.
Spindetonasjonsmotorer bruker et ringformet forbrenningskammer. I den tilføres drivstoffblandingen sekvensielt gjennom radielt plasserte ventiler. I slike kraftverk dør ikke detonasjonen ut mens drivstoff og oksidasjonsmiddel tilføres. Under motordrift «løper» detonasjonsbølgen rundt det ringformede forbrenningskammeret, og drivstoffblandingen bak har tid til å fornye seg. På samme tid, hvis i en pulsmotor en forhåndstilberedt blanding av drivstoff og oksidasjonsmiddel skal tilføres forbrenningskammeret, er dette ikke nødvendig i en spinnmotor - høytrykksfronten beveger seg foran detonasjonsbølgen ganske blander effektivt de nødvendige komponentene. Den roterende motoren ble først studert i USSR på 1950-tallet.
I den nye russiske spinndetonasjonsrakettmotoren er spinndetonasjonsfrekvensen 20 kilohertz, det vil si på ett sekund klarer detonasjonsbølgen å "løpe rundt" det ringformede forbrenningskammeret 20 tusen ganger. Teoretisk sett er detonasjonsmotorer i stand til å operere i et bredt spekter av flyhastigheter - fra null til fem Mach-tall, og ved bruk av tilleggsenheter, for eksempel en kompressor, kan den øvre grensen heves til syv eller åtte Mach-tall. Det antas at slike kraftverk kan produsere mer kraft samtidig som de bruker mindre drivstoff enn konvensjonelle jetmotorer. Samtidig er utformingen av detonasjonsmotorer relativt enkel: i grunnversjonen har de ikke kompressor og mange bevegelige deler.
På grunn av deres effektivitet og høye utgangseffekt, vil spinndetonasjonsmotorer i bæreraketter redusere volumene av drivstoff og oksidasjonsmiddel som kreves for å sende en nyttelast i bane betydelig. I praksis (og dette er typisk for alle prosjektene som allerede er oppført), vil reduksjon av massen til motoren (og kraftverket vil veie mindre enn en konvensjonell rakett), drivstoff og oksidasjonsmiddel enten øke utskytningsvekten til bæreren mens den opprettholder sin dimensjoner, eller la kastevekten være uendret mens du reduserer rakettens dimensjoner. Bærerakettens kastevekt er massen til sluttfasen, drivstoffet og nyttelasten.
I fremtiden vil løpet i romoppskytningsmarkedet vinnes av den som kan sette så mye last i bane så billig som mulig. Noen selskaper mener at, takket være bruken av ny teknologi, kan kostnadene ved å sende ut last i lav bane reduseres til under tusen dollar per kilogram og under ti tusen per kilogram når den skytes ut i en geooverføringsbane. Når nøyaktig dette vil være mulig er imidlertid fortsatt uklart. Ifølge de mest vågale anslagene vil nye rakettmotorer bli brukt på bæreraketter fra midten av 2020-tallet.
Vasily Sychev
Moderne rakettmotorer gjør en god jobb med å skyte opp utstyr i bane, men er fullstendig uegnet for langvarig romfart. Derfor har forskere jobbet i flere tiår for å skape alternativer rommotorer, som kan akselerere skip til rekordfart. La oss se på syv nøkkelideer fra dette området.
EmDrive
For å flytte, må du skyve fra noe - denne regelen regnes som en av de urokkelige pilarene i fysikk og astronautikk. Hva man egentlig skal skyve fra – jord, vann, luft eller en jetstrøm av gass, som i tilfellet med rakettmotorer – er ikke så viktig.
Et velkjent tankeeksperiment: tenk deg at en astronaut dro ut i åpen plass, men kabelen som forbinder ham med skipet ryker plutselig og mannen begynner sakte å fly bort. Alt han har er en verktøykasse. Hva er hans handlinger? Riktig svar: han må kaste verktøyene fra skipet. I henhold til loven om bevaring av momentum vil personen bli kastet bort fra verktøyet med nøyaktig samme kraft som verktøyet kastes bort fra personen, så han vil gradvis bevege seg mot skipet. Det er det det er jet thrust- den eneste mulig måte flytte inn tom verdensrommet. Det er sant at EmDrive, som eksperimenter viser, har noen sjanser til å tilbakevise denne urokkelige uttalelsen.
Skaperen av denne motoren er den britiske ingeniøren Roger Schaer, som grunnla sitt eget selskap Satellite Propulsion Research i 2001. Designet til EmDrive er veldig ekstravagant og er formet som en metallbøtte, forseglet i begge ender. Inne i denne bøtta er det en magnetron som sender ut elektromagnetiske bølger, det samme som i en vanlig mikrobølgeovn. Og det viser seg å være nok til å skape en veldig liten, men ganske merkbar skyvekraft.
Forfatteren selv forklarer driften av motoren sin gjennom trykkforskjellen til elektromagnetisk stråling i forskjellige ender"bøtter" - den er mindre i den smale enden enn i den brede enden. Dette skaper et trykk rettet mot den smale enden. Muligheten for slik motordrift har vært omstridt mer enn en gang, men i alle eksperimenter viser Schaers installasjon tilstedeværelsen av skyvekraft i den tiltenkte retningen.
Blant forsøksmennene som har testet Schaers «bøtte» er organisasjoner som NASA, det tekniske universitetet i Dresden og det kinesiske vitenskapsakademiet. Oppfinnelsen ble testet i det meste ulike forhold, inkludert i et vakuum, hvor den viste tilstedeværelsen av en skyvekraft på 20 mikronewton.
Dette er svært lite i forhold til kjemiske jetmotorer. Men tatt i betraktning det faktum at Shaers motor kan fungere på ubestemt tid, siden den ikke krever drivstofftilførsel (solbatterier kan sørge for drift av magnetronen), er den potensielt i stand til å akselerere romskip til enorme hastigheter, målt som en prosentandel av lysets hastighet.
For å fullt ut bevise ytelsen til motoren, er det nødvendig å utføre mange flere målinger og bli kvitt bivirkninger, som kan genereres for eksempel av eksterne magnetiske felt. Imidlertid er alternative mulige forklaringer på den unormale skyvekraften til Shaer-motoren allerede fremmet, som generelt bryter med fysikkens vanlige lover.
Det er for eksempel lagt frem versjoner som motoren kan skape skyvekraft på grunn av interaksjon med det fysiske vakuumet, som på kvantenivået har ikke-null energi og er fylt med stadig dukker opp og forsvinner virtuelle elementærpartikler. Vi vil finne ut i nær fremtid hvem som til slutt vil ha rett - forfatterne av denne teorien, Shaer selv eller andre skeptikere.
Solseil
Som nevnt ovenfor, utøver elektromagnetisk stråling trykk. Dette betyr at den teoretisk sett kan gjøres om til bevegelse - for eksempel ved hjelp av et seil. Akkurat som skipene fra tidligere århundrer fanget vinden i seilene, ville fremtidens romskip fange solen eller noe annet stjernelys i seilene.
Problemet er imidlertid at lystrykket er ekstremt lavt og avtar med økende avstand fra kilden. Derfor, for å være effektivt, må et slikt seil ha en veldig lav vekt og et veldig stort område. Og dette øker risikoen for ødeleggelse av hele strukturen når den møter en asteroide eller et annet objekt.
Forsøk på å bygge og lansere solseilbåter ut i verdensrommet har allerede funnet sted - i 1993 testet Russland et solseil på romfartøyet Progress, og i 2010 gjennomførte Japan vellykkede tester på vei til Venus. Men ingen skip har noen gang brukt et seil som hovedkilde til akselerasjon. Et annet prosjekt ser noe mer lovende ut i denne forbindelse – et elektrisk seil.
Elektrisk seil
Solen sender ikke bare ut fotoner, men også elektrisk ladede partikler av materie: elektroner, protoner og ioner. Alle danner den såkalte solvinden, som bærer bort omtrent en million tonn materie fra stjernens overflate hvert sekund.
Solvinden strekker seg over milliarder av kilometer og er ansvarlig for noen naturfenomener på planeten vår: geomagnetiske stormer og nordlys. Jorden er beskyttet mot solvinden av sitt eget magnetfelt.
Solvinden, som luftvinden, er ganske egnet for reiser, du trenger bare å få den til å blåse inn i seilene. Det elektriske seilprosjektet, opprettet i 2006 av den finske forskeren Pekka Janhunen, har lite til felles med solseiling. Denne motoren består av flere lange tynne kabler, lik eikene til et hjul uten felg.
Takket være en elektronkanon som sender ut mot bevegelsesretningen, får disse kablene et positivt ladet potensial. Siden massen til et elektron er omtrent 1800 ganger mindre enn massen til et proton, vil ikke skyvekraften som skapes av elektroner spille en grunnleggende rolle. Solvindelektroner er heller ikke viktige for et slikt seil. Men positivt ladede partikler - protoner og alfastråling - vil bli frastøtt fra kablene, og dermed skape jet-through.
Selv om denne skyvekraften vil være omtrent 200 ganger mindre enn for et solseil, var European Space Agency interessert. Faktum er at et elektrisk seil er mye lettere å designe, produsere, distribuere og betjene i verdensrommet. I tillegg, ved hjelp av tyngdekraften, tillater seilet også reise til kilden til stjernevinden, og ikke bare fra den. Og siden overflatearealet til et slikt seil er mye mindre enn et solseil, så for asteroider og romrester han er mye mindre sårbar. Kanskje vil vi se de første eksperimentelle skipene med elektriske seil i løpet av de neste årene.
Ion motor
Strømmen av ladede partikler av materie, det vil si ioner, sendes ikke bare ut av stjerner. Ionisert gass kan også lages kunstig. Normalt er gasspartikler elektrisk nøytrale, men når atomene eller molekylene mister elektroner, blir de ioner. I sin totale masse har slik gass fortsatt ikke elektrisk ladning, men dens individuelle partikler blir ladet, noe som betyr at de kan bevege seg i et magnetfelt.
I en ionemotor blir en edelgass (vanligvis xenon) ionisert av en strøm av høyenergielektroner. De slår elektroner ut av atomer, og de får en positiv ladning. De resulterende ionene akselereres deretter i et elektrostatisk felt til hastigheter i størrelsesorden 200 km/s, som er 50 ganger høyere enn hastigheten på gassstrømmen fra kjemiske jetmotorer. Moderne ionmotorer har imidlertid svært lav skyvekraft - omtrent 50-100 millinewton. En slik motor ville ikke engang kunne bevege seg av bordet. Men det har en alvorlig fordel.
Høy spesifikk impuls gjør det mulig å redusere drivstofforbruket i motoren betydelig. For å ionisere gassen, energi hentet fra solcellepaneler, slik at ionemotoren kan fungere i svært lang tid - opptil tre år uten avbrudd. I denne perioden vil han ha tid til å akselerere romfartøyet til hastigheter som kjemiske motorer aldri har drømt om.
Ionemotorer har streifet rundt i viddene mer enn én gang solsystemet som en del av ulike oppdrag, men vanligvis som støtteoppdrag fremfor primære oppdrag. I dag blir plasmamotorer i økende grad omtalt som et mulig alternativ til ionemotorer.
Plasma motor
Hvis graden av ionisering av atomer blir høy (ca. 99%), så dette aggregeringstilstand stoffet kalles plasma. Plasmatilstanden kan bare oppnås ved høye temperaturer, så i plasmamotorer varmes den ioniserte gassen opp til flere millioner grader. Oppvarming utføres ved hjelp av ekstern kilde energi - solcellepaneler eller, mer realistisk, en liten atomreaktor.
Det varme plasmaet blir deretter kastet ut gjennom rakettens dyse, og skaper titalls ganger mer skyvekraft enn en ionemotor. Et eksempel på en plasmamotor er VASIMR-prosjektet, som har vært under utvikling siden 70-tallet av forrige århundre. I motsetning til ionmotorer har plasmamotorer ennå ikke blitt testet i verdensrommet, men det er knyttet store forhåpninger til dem. Det er VASIMR-plasmamotoren som er en av hovedkandidatene for bemannede flyvninger til Mars.
Fusjonsmotor
Temmende termoenergi kjernefysisk fusjon folk har prøvd siden midten av det tjuende århundre, men så langt har de ikke lyktes. Ikke desto mindre er kontrollert termonukleær fusjon fortsatt veldig attraktiv, fordi den er en kilde til enorm energi hentet fra veldig billig drivstoff - isotoper av helium og hydrogen.
For øyeblikket er det flere prosjekter for design av en jetmotor drevet av termonukleær fusjonsenergi. Den mest lovende av dem anses å være en modell basert på en reaktor med magnetisk plasma inneslutning. Den termonukleære reaktoren i en slik motor vil være et sylindrisk kammer uten trykk som måler 100–300 meter i lengde og 1–3 meter i diameter. Kammeret må forsynes med brensel i form av høytemperaturplasma, som under tilstrekkelig trykk går inn i en kjernefysisk fusjonsreaksjon. De magnetiske systemspolene som er plassert rundt kammeret må forhindre at dette plasmaet kommer i kontakt med utstyret.
sone termonukleær reaksjon er plassert langs aksen til en slik sylinder. Ved hjelp av magnetiske felt strømmer ekstremt varmt plasma gjennom reaktordysen, og skaper enorm skyvekraft, mange ganger større enn kjemiske motorer.
Antimaterie motor
All materien rundt oss består av fermioner - elementærpartikler med halvt heltallsspinn. Dette er for eksempel kvarker, som utgjør protoner og nøytroner i atomkjerner, samt elektroner. Dessuten har hver fermion sin egen antipartikkel. For et elektron er dette et positron, for en kvark er det en antikvark.
Antipartikler har samme masse og samme spinn som deres vanlige "kamerater", og skiller seg i tegnet til alle andre kvanteparametere. Teoretisk sett er antipartikler i stand til å lage antimaterie, men til nå har antimaterie ikke blitt oppdaget noe sted i universet. For grunnleggende vitenskap er det et stort spørsmål hvorfor det ikke er der.
Men under laboratorieforhold er det mulig å oppnå en viss mengde antimaterie. For eksempel ble det nylig utført et eksperiment for å sammenligne egenskapene til protoner og antiprotoner som ble lagret i en magnetfelle.
Når antimaterie og vanlig stoff en prosess med gjensidig utslettelse skjer, ledsaget av en bølge av kolossal energi. Så hvis du tar et kilo materie og antimaterie, vil mengden energi som frigjøres under møtet deres være sammenlignbar med eksplosjonen av tsaren Bomba - den kraftigste hydrogenbombe i menneskehetens historie.
Dessuten vil en betydelig del av energien frigjøres i form av fotoner av elektromagnetisk stråling. Følgelig er det et ønske om å bruke denne energien til romreiser ved å lage en fotonisk motor, lik et solseil, bare i dette tilfellet vil lyset bli generert av en intern kilde.
Men for å effektivt bruke stråling i jetmotor, er det nødvendig å løse problemet med å lage et "speil" som vil være i stand til å reflektere disse fotonene. Tross alt må skipet på en eller annen måte skyve av for å skape skyvekraft.
Intet moderne materiale tåler ganske enkelt strålingen som genereres i tilfelle en slik eksplosjon og vil umiddelbart fordampe. I sine science fiction-romaner løste Strugatsky-brødrene dette problemet ved å lage en "absolutt reflektor." I det virkelige liv Ingenting slikt er ennå oppnådd. Denne oppgaven, som spørsmålene om å skape stor kvantitet antimaterie og dens langsiktige lagring er en sak for fremtidens fysikk.
Russland var og er fortsatt ledende innen kjernefysisk romenergi. Organisasjoner som RSC Energia og Roscosmos har erfaring med design, konstruksjon, oppskyting og drift av romfartøyer utstyrt med en kjernekraftkilde. Atommotoren lar deg operere fly i mange år, gjentatte ganger økt deres praktiske egnethet.
Historisk kronikk
Samtidig krever det å levere et forskningskjøretøy inn i banene til de fjerne planetene i solsystemet å øke ressursen til en slik atominstallasjon til 5-7 år. Det er bevist at et kompleks med et kjernefysisk fremdriftssystem med en effekt på ca. 1 MW som del av et forskningsromfartøy vil sikre akselerert levering i bane innen 5-7 år kunstige satellitter de fjerneste planetene, rovers til overflaten av de naturlige satellittene til disse planetene og levering til jorden av jord fra kometer, asteroider, Merkur og satellittene til Jupiter og Saturn.
Gjenbrukbar slepebåt (MB)
En av de viktigste måteneå øke effektiviteten av transportoperasjoner i rommet er gjenbrukbar bruk av elementer i transportsystemet. En kjernefysisk motor for romfartøy med en effekt på minst 500 kW gjør det mulig å lage en gjenbrukbar slepebåt og dermed øke effektiviteten til et flerleddet romtransportsystem betydelig. Et slikt system er spesielt nyttig i et program for å gi store årlige laststrømmer. Et eksempel kan være måneutforskningsprogrammet med opprettelse og vedlikehold av en stadig voksende beboelig base og eksperimentelle teknologiske og produksjonskomplekser.
Godsomsetningsberegning
I henhold til designstudiene til RSC Energia, under byggingen av basen, skal moduler som veier ca. 10 tonn leveres til måneoverflaten, og opptil 30 tonn til månebanen.. Den totale laststrømmen fra jorden under bygging av en beboelig månebase og en besøkt månebanestasjon er estimert til 700-800 tonn, og den årlige lastestrømmen for å sikre funksjon og utvikling av basen er 400-500 tonn.
Kjernemotorens driftsprinsipp tillater imidlertid ikke transportøren å akselerere raskt nok. På grunn av den lange transporttiden og følgelig den betydelige tiden nyttelasten bruker i jordens strålingsbelter, kan ikke all last leveres med atomdrevne slepebåter. Derfor er laststrømmen som kan gis på grunnlag av atomdrevne fremdriftssystemer beregnet til kun 100-300 tonn/år.
Økonomisk effektivitet
Som et kriterium for den økonomiske effektiviteten til et interorbitalt transportsystem, er det tilrådelig å bruke verdien av den spesifikke kostnaden ved å transportere en enhet av massen av nyttelast (PG) fra jordoverflaten til målbanen. RSC Energia har utviklet en økonomisk og matematisk modell som tar hensyn til hovedkomponentene i kostnadene i transportsystemet:
- å lage og skyte inn i bane slepebåtmoduler;
- for kjøp av en fungerende kjernefysisk installasjon;
- driftskostnader, samt FoU-kostnader og eventuelle kapitalkostnader.
Kostnadsindikatorer avhenger av de optimale parametrene til MB. Ved å bruke denne modellen, komparativ økonomisk effektivitet bruk av en gjenbrukbar slepebåt basert på et kjernefysisk fremdriftssystem med en effekt på ca 1 MW og en engangsslepebåt basert på avanserte flytende fremdriftssystemer i programmet for å sikre levering av nyttelast med en totalmasse på 100 tonn/år fra kl. jorden til månebanen i en høyde av 100 km. Ved bruk av samme bærerakett med en nyttelastkapasitet lik nyttelastkapasiteten til Proton-M bæreraket og en to-utskytningsordning for å konstruere et transportsystem enhetskostnad Levering av en enhetsmasse nyttelast ved bruk av slepebåt basert på atommotor vil være tre ganger lavere enn ved bruk av engangsslepebåter basert på raketter med væskemotorer av typen DM-3.
Konklusjon
Effektiv kjernefysisk fremdrift for verdensrommet bidrar til løsning miljø problemer Jorden, menneskelig flukt til Mars, opprettelsen av systemet trådløs overføring energi i rommet, gjennomføring med økt sikkerhet ved begravelse i rom av spesielt farlig radioaktivt avfall bakkebasert kjernekraft, etableringen av en beboelig månebase og begynnelsen på industriell utvikling av månen, som sikrer beskyttelse av jorden mot fare for asteroide-kometer.
Russiske forskere har begynt å utvikle en ny rakettmotor som bruker et fundamentalt nytt drivstoff - en blanding av acetylen og ammoniakk (acetam), direktøren for senteret for innovative utviklinger NPO Energomash Anatoly Likhantsev.
"En blanding av acetylen og ammoniakk, selv i henhold til de groveste anslagene, er 20 ganger billigere enn hydrogen - et kilo hydrogen koster omtrent 2 tusen rubler, og et kilo acetam koster maksimalt 100 rubler. Med et forbruk på fem til syv tonn kan du spare betydelig. I tillegg kan komponentene som er inkludert i acetam lagres og transporteres uten problemer; de har høye kjøleevner, og ammoniakk har strålende egenskaper (det brukes til og med i kjøleskap som kjølemiddel). - sa Likhantsev.
Den nye acetammotoren vil bli laget på grunnlag av oksygenparafinmotoren RD-161, som vil motta indeksen "AC". Sammenlignet med forgjengeren vil acetam være 30 % mer energieffektivt. De nøyaktige parametrene vil bli bestemt under testing av blandingen, som vil begynne i år og vil vare i omtrent tre år.
Etter at det optimale forholdet mellom acetylen og ammoniakk er funnet (drivstoffet blir ganske effektivt og vil ikke eksplodere fra hver støt), vil designerne klargjøre motorparametrene; i henhold til foreløpige beregninger vil det ikke kreve store designendringer, siden de fysiske egenskapene av acetam er ikke mye forskjellig fra parafin. Takket være dette kan det øvre trinnet med den nye motoren installeres på eksisterende bæreraketter - dette er igjen mer lønnsomt enn å utvikle en ny rakett for den.
Utviklerne planlegger å skyte opp raketter med den nye motoren ut i verdensrommet allerede i 2017-2018. Tidspunktet vil imidlertid avhenge av finansieringsbeløpet - jo flere testbenkkopier av motoren kan produseres, jo raskere vil det være mulig å teste alle moduser. Den første benkprøven er planlagt montert på en benksokkel nær Sergiev Posad.
Direktør for Space Cluster Development av Skolkovo Foundation Dmitry Payson bemerket på sin side at til tross for fantasiløse kostnadsindikatorer, kan det vise seg å være et kostnadseffektivt prosjekt å erstatte parafin og hydrogen i rakettstadier med nytt drivstoff.
"Hydrogen er veldig klumpete - det må beskyttes mot varme, noe som gjør det vanskelig å transportere. Derfor er det lettere å produsere den direkte på kosmodromen før du fyller drivstoff. Acetam kan transporteres når romtemperatur som vanlig parafin. Samtidig er energieffektiviteten høyere enn for oksygenparafin, og faren for miljøet er lavere enn for den samme heptylen, forklarte Payson. "I tillegg er den mye tettere; tanker med mindre volum kan lages."
Han la til at når det gjelder å forbedre utformingen av tradisjonelle flytende rakettmotorer, ser moderne designbyråer ut til å ha nådd en viss barriere. Jakten på nye løsninger innen rakettvitenskap i dag utføres i form av nye materialer, drivstoff og produksjonsteknologier, skriver Izvestia.
Laster inn...
