В миналото водещите страни търсеха фундаментално нови решения в областта на двигателите за ракетни и космически технологии. Най-дръзките предложения касаеха създаването на т.нар. ядрени ракетни двигатели на базата на реактор от делящ се материал. У нас работата в тази насока даде реални резултати под формата на експериментален двигател RD0410. Въпреки това, този продукт не успя да намери своето място в обещаващи проекти и да повлияе върху развитието на местната и световната астронавтика.
Предложения и проекти
Още през петдесетте години, няколко години преди изстрелването на първия спътник и пилотиран космически кораб, се определят перспективите за развитие на ракетни двигатели на химическо гориво. Последното направи възможно получаването на много високи характеристики, но нарастването на параметрите не можеше да бъде безкрайно. В бъдеще двигателите трябваше да „ударят тавана“на своите възможности. В тази връзка за по -нататъшното развитие на ракетно -космическите системи бяха необходими фундаментално нови решения.
Създаден, но не тестван от RD0410 NRM
През 1955 г. академик М. В. Келдиш излезе с инициатива за създаване на ракетен двигател със специален дизайн, в който ядрен реактор да действа като източник на енергия. Разработването на тази идея е поверено на NII-1 на Министерството на авиационната индустрия; В. М. Иевлев. В най -кратки срокове специалистите разработиха основните въпроси и предложиха два варианта за обещаващ NRE с най -добри характеристики.
Първата версия на двигателя, обозначена като "Схема А", предлага използването на реактор с твърдофазна сърцевина и твърди топлообменни повърхности. Вторият вариант, "Схема В", предвиждаше използването на реактор с активна зона в газова фаза - делящото се вещество трябваше да бъде в плазмено състояние, а топлинната енергия да се прехвърля в работния флуид посредством радиация. Експертите сравняват двете схеми и считат вариант „А“за по -успешен. В бъдеще той беше най-активно разработен и дори достигна до пълноценни тестове.
Паралелно с търсенето на оптималните проекти на NRE се разработват въпросите за създаване на научна, производствена и тестова база. И така, през 1957 г. V. M. Иевлев предложи нова концепция за тестване и фина настройка. Всички основни конструктивни елементи трябваше да бъдат тествани на различни щандове и едва след това те можеха да бъдат сглобени в една структура. В случая на схема А този подход предполага създаването на пълномащабни реактори за тестване.
През 1958 г. се появява подробна резолюция на Министерския съвет, която определя хода на по -нататъшната работа. М. В. Келдиш, И. В. Курчатов и С. П. Королев. В НИИ-1 е сформиран специален отдел, ръководен от В. М. Иевлев, който трябваше да се занимава с нова посока. Също така в работата бяха включени няколко десетки научни и дизайнерски организации. Планирано е участието на Министерството на отбраната. Определен е работният график и други нюанси на обширната програма.
Впоследствие всички участници в проекта активно взаимодействаха по един или друг начин. Освен това през шейсетте години два пъти се провеждат конференции, посветени изключително на темата за ядрените оръжия и свързаните с тях въпроси.
Тестова база
Като част от програмата за развитие на NRE беше предложено да се приложи нов подход за тестване и тестване на необходимите единици. В същото време специалистите се сблъскаха със сериозен проблем. Проверката на някои продукти трябваше да се извърши в ядрен реактор, но извършването на такива дейности беше изключително трудно или дори невъзможно. Тестването може да бъде възпрепятствано от икономически, организационни или екологични трудности.
Схема за сглобяване на гориво за IR-100
В тази връзка бяха разработени нови методи за изпитване на продукти без използване на ядрени реактори. Такива проверки бяха разделени на три етапа. Първият включва изследване на процесите в реактора по модели. Тогава компонентите на реактора или двигателя трябваше да преминат механични и хидравлични „студени“изпитания. Едва след това комплектите трябваше да бъдат проверени при условия на висока температура. Отделно, след като бяха разработени всички компоненти на NRE на щандовете, беше възможно да се започне сглобяването на пълноценен експериментален реактор или двигател.
За извършване на тристепенни тестове на блокове няколко предприятия са разработили и изградили различни щандове. Техниката за изпитване при висока температура е от особен интерес. По време на неговото развитие беше необходимо да се създадат нови технологии за нагряване на газове. От 1959 до 1972 г. NII-1 разработи редица плазмотрони с висока мощност, които нагряват газове до 3000 ° K и направиха възможно провеждането на високотемпературни тестове.
Специално за разработването на "Схема Б" беше необходимо да се разработят още по -сложни устройства. За такива задачи беше необходим плазмотрон с изходно налягане от стотици атмосфери и температура 10-15 хиляди К. До края на шестдесетте години се появи технологията за нагряване на газ въз основа на взаимодействието му с електронни лъчи, което го направи е възможно да се получат необходимите характеристики.
Резолюцията на Министерския съвет предвижда изграждането на ново съоръжение на полигона в Семипалатинск. Там беше необходимо да се изгради стенд за изпитване и експериментален реактор за по -нататъшно изпитване на горивни възли и други компоненти на NRE. Всички основни конструкции са построени до 1961 г. и по същото време се осъществява първото стартиране на реактора. След това полигонното оборудване се усъвършенства и подобрява няколко пъти. Няколко подземни бункера с необходимата защита бяха предназначени за настаняване на реактора и персонала.
Всъщност проектът на обещаващ NRM беше едно от най -смелите начинания на своето време и следователно доведе до разработването и изграждането на маса уникални устройства и тестови инструменти. Всички тези щандове направиха възможно провеждането на много експерименти и събиране на голямо количество данни от различни видове, подходящи за разработването на различни проекти.
Схема А
В края на петдесетте най -успешната и обещаваща версия на двигателя тип "А". Тази концепция предлага изграждането на ядрен реактор на базата на реактор с топлообменници, отговарящи за загряването на газообразната работна течност. Изхвърлянето на последния през дюзата трябваше да създаде необходимата тяга. Въпреки простотата на концепцията, прилагането на такива идеи беше свързано с редица трудности.
FA модел за реактор IR-100
На първо място възникна проблемът с избора на материали за изграждането на ядрото. Конструкцията на реактора трябваше да издържа на високи термични натоварвания и да поддържа необходимата здравина. В допълнение, той трябваше да премине топлинни неутрони, но в същото време да не губи характеристики поради йонизиращо лъчение. Неравномерното генериране на топлина в ядрото също се очакваше, което поставя нови изисквания към дизайна му.
За търсене на решения и усъвършенстване на дизайна, в NII-1 беше организиран специален семинар, който трябваше да изработи моделни горивни сглобки и други основни компоненти. На този етап от работата бяха тествани различни метали и сплави, както и други материали. За производството на горивни възли могат да се използват волфрам, молибден, графит, високотемпературни карбиди и др. Извършено е и търсене на защитни покрития, за да се предотврати разрушаването на конструкцията.
В хода на експериментите бяха открити оптималните материали за производството на отделни компоненти на NRE. Освен това беше възможно да се потвърди фундаменталната възможност за получаване на специфичен импулс от порядъка на 850-900 s. Това даде на обещаващия двигател най -висока производителност и значително предимство пред системите с химическо гориво.
Ядрото на реактора представляваше цилиндър с дължина около 1 м и диаметър 50 мм. В същото време се предвиждаше да се създадат 26 варианта на горивни комплекти с определени характеристики. Въз основа на резултатите от последващите тестове бяха избрани най -успешните и ефективни. Откритият дизайн на горивни възли предвижда използването на две горивни състави. Първият беше смес от уран-235 (90%) с ниобий или циркониев карбид. Тази смес се формова под формата на четири лъчева усукана пръчка с дължина 100 mm и диаметър 2.2 mm. Вторият състав се състои от уран и графит; той е направен под формата на шестоъгълни призми с дължина 100-200 мм с 1 мм вътрешен канал, който има подплата. Пръчките и призмите бяха поставени в запечатан топлоустойчив метален корпус.
Тестовете на възли и елементи на полигона в Семипалатинск започнаха през 1962 г. За две години работа е извършено 41 стартиране на реактори. На първо място, успяхме да намерим най -ефективната версия на основното съдържание. Всички основни решения и характеристики също бяха потвърдени. По -специално, всички блокове на реактора се справят с топлинни и радиационни натоварвания. Така беше установено, че разработеният реактор е в състояние да реши основната си задача - да нагрее газообразния водород до 3000-3100 ° K при дадена скорост на потока. Всичко това даде възможност да се започне разработването на пълноценен ядрен ракетен двигател.
11B91 на "Байкал"
В началото на шестдесетте години започна работа по създаването на пълноправен NRE въз основа на съществуващи продукти и разработки. На първо място, NII-1 проучва възможността за създаване на цяло семейство ракетни двигатели с различни параметри, подходящи за използване в различни проекти за ракетни технологии. От това семейство те първи проектират и изграждат двигател с ниска тяга - 36 kN. По -късно такъв продукт може да се използва в обещаващ горен етап, подходящ за изпращане на космически кораби до други небесни тела.
Реактор IRGIT по време на монтажа
През 1966 г. NII-1 и Конструкторското бюро за химическа автоматика започват съвместна работа за оформяне и проектиране на бъдещия ядрен ракетен двигател. Скоро двигателят получи индекси 11B91 и RD0410. Основният му елемент беше реактор на име IR-100. По -късно реакторът е наречен IRGIT ("Изследователски реактор за групови изследвания на TVEL"). Първоначално се планираше създаването на два различни ядрени проектора. Първият беше експериментален продукт за тестване на полигона, а вторият беше летателен модел. Въпреки това, през 1970 г. двата проекта бяха комбинирани с оглед провеждането на полеви тестове. След това KBHA стана водещ разработчик на новата система.
Използвайки развитието на предварителните изследвания в областта на ядреното задвижване, както и използвайки съществуващата тестова база, беше възможно бързо да се определи външният вид на бъдещия 11B91 и да се започне пълноправен технически проект.
В същото време е създаден скамейката "Байкал" за бъдещи тестове на полигона. Предлага се новият двигател да бъде тестван в подземно съоръжение с пълен набор от защита. Бяха осигурени средства за събиране и утаяване на газообразната работна течност. За да се избегне излъчването на радиация, газът трябваше да се съхранява в газодържатели и едва след това да може да се изпуска в атмосферата. Поради особената сложност на работата, комплексът Байкал се строи около 15 години. Последните негови обекти бяха завършени след началото на тестовете на първия.
През 1977 г. в комплекса в Байкал е пусната в експлоатация втора работна станция за пилотни инсталации, оборудвана със средство за подаване на работна течност под формата на водород. На 17 септември беше извършено физическото пускане на продукта 11B91. Стартирането на захранването се състоя на 27 март 1978 г. На 3 юли и 11 август бяха проведени два пожарни теста с пълната експлоатация на продукта като ядрен реактор. При тези тестове реакторът постепенно се довежда до мощност 24, 33 и 42 MW. Водородът се нагрява до 2630 ° К. В началото на осемдесетте години бяха тествани още два прототипа. Те показаха мощност до 62-63 MW и нагрят газ до 2500 ° K.
Проект RD0410
В края на седемдесетте и осемдесетте години става въпрос за създаване на пълноправен NRM, напълно подходящ за инсталиране на ракети или горни степени. Оформя се окончателният вид на такъв продукт и тестовете на изпитателния обект в Семипалатинск потвърждават всички основни конструктивни характеристики.
Готовият двигател RD0410 беше забележимо различен от съществуващите продукти. Той се отличаваше със състава на блоковете, оформлението и дори външния вид, поради други принципи на работа. Всъщност RD0410 беше разделен на няколко основни блока: реактор, средство за подаване на работна течност и топлообменник и дюза. Компактният реактор заемаше централно място, а останалите устройства бяха поставени до него. Също така YARD се нуждаеше от отделен резервоар за течен водород.
Общата височина на продукта RD0410 / 11B91 достигна 3,5 м, максималният диаметър беше 1,6 м. Теглото, като се вземе предвид радиационната защита, беше 2 т. Изчислената тяга на двигателя в кухината достигна 35,2 kN или 3,59 tf. Специфичният импулс в кухината е 910 kgf • s / kg или 8927 m / s. Двигателят може да се включи 10 пъти. Ресурс - 1 час. С помощта на определени модификации в бъдеще беше възможно да се повишат характеристиките до необходимото ниво.
Известно е, че нагрятата работна течност на такъв ядрен реактор е имала ограничена радиоактивност. Независимо от това, след тестовете тя беше защитена и зоната, където се намираше щандът, трябваше да бъде затворена за един ден. Използването на такъв двигател в земната атмосфера се счита за опасно. В същото време може да се използва като част от горните етапи, които започват работа извън атмосферата. След употреба такива блокове трябва да бъдат изпратени на орбитата за изхвърляне.
Още през шестдесетте години се появи идеята за създаване на електроцентрала на базата на ядрен реактор. Нагрятата работна течност може да се подава към турбина, свързана към генератор. Такива електроцентрали представляват интерес за по -нататъшното развитие на астронавтиката, тъй като дават възможност да се отърват от съществуващите проблеми и ограничения в областта на производството на електроенергия за бордово оборудване.
През осемдесетте години идеята за електроцентрала достига етапа на проектиране. Разработва се проект на такъв продукт, базиран на двигателя RD0410. Един от експерименталните реактори IR-100 / IRGIT участва в експерименти по тази тема, по време на които осигурява работата на генератор от 200 kW.
Нова среда
Основната теоретична и практическа работа по темата за съветския NRE с твърдофазно ядро е завършена до средата на осемдесетте години. Индустрията може да започне разработването на усилващ блок или друга ракетна и космическа технология за съществуващия двигател RD0410. Такива работи обаче никога не са започнати навреме и скоро тяхното начало става невъзможно.
По това време космическата индустрия нямаше достатъчно ресурси за навременно изпълнение на всички планове и идеи. Освен това скоро започна прословутата Перестройка, която сложи край на масата от предложения и разработки. Репутацията на ядрената технология беше сериозно засегната от аварията в Чернобил. И накрая, през този период имаше политически проблеми. През 1988 г. всички работи по YARD 11B91 / RD0410 бяха прекратени.
Според различни източници поне до началото на 2000 -те години някои обекти от комплекса на Байкал все още са останали на полигона в Семипалатинск. Нещо повече, на един от т.нар. експерименталният реактор все още се намираше на работното място. KBKhA успя да произведе пълноправен двигател RD0410, подходящ за инсталиране на бъдещ горен етап. Техниката за използването му обаче остана в плановете.
След RD0410
Развитието по темата за ядрените ракетни двигатели намери приложение в нов проект. През 1992 г. редица руски предприятия съвместно разработиха двумодов двигател с твърдофазна сърцевина и работна течност под формата на водород. В режим на ракетен двигател такъв продукт трябва да развие тяга от 70 kN със специфичен импулс 920 s, а режимът на захранване осигурява 25 kW електрическа мощност. Такъв NRE е предложен за използване в проекти за междупланетни космически кораби.
За съжаление, по това време ситуацията не беше благоприятна за създаването на нова и дръзка ракетна и космическа технология и затова втората версия на ядрения ракетен двигател остана на хартия. Доколкото е известно, местните предприятия все още проявяват известен интерес към темата на НРП, но изпълнението на такива проекти все още не изглежда възможно или целесъобразно. Независимо от това, трябва да се отбележи, че в рамките на предишни проекти съветските и руските учени и инженери успяха да натрупат значително количество информация и да придобият важен опит. Това означава, че когато възникне нужда и възникне съответна поръчка у нас, може да се създаде нов NRE, подобен на този, изпробван в миналото.
