В камере сгорания ракетного двигателя температура равна 3000

Какой ракетный двигатель самый лучший?

Ракетные двигатели — одна из вершин технического прогресса. Работающие на пределе материалы, сотни атмосфер, тысячи градусов и сотни тонн тяги — это не может не восхищать. Но разных двигателей много, какие же из них самые лучшие? Чьи инженеры поднимутся на пьедестал почета? Пришло, наконец, время со всей прямотой ответить на этот вопрос.

К сожалению, по внешнему виду двигателя нельзя сказать, насколько он замечательный. Приходится закапываться в скучные цифры характеристик каждого двигателя. Но их много, какую выбрать?

Мощнее

Ну, наверное, чем мощнее двигатель, тем он лучше? Больше ракета, больше грузоподъемность, быстрее начинает двигаться освоение космоса, разве не так? Но если мы посмотрим на лидера в этой области, нас ждет некоторое разочарование. Самая большая тяга из всех двигателей, 1400 тонн, у бокового ускорителя Спейс Шаттла.

Несмотря на всю мощь, твердотопливные ускорители сложно назвать символом технического прогресса, потому что конструктивно они являются всего лишь стальным (или композитным, но это неважно) цилиндром с топливом. Во-вторых, эти ускорители вымерли вместе с шаттлами в 2011 году, что подрывает впечатление их успешности. Да, те, кто следят за новостями о новой американской сверхтяжелой ракете SLS скажут мне, что для нее разрабатываются новые твердотопливные ускорители, тяга которых составит уже 1600 тонн, но, во-первых, полетит эта ракета еще не скоро, не раньше конца 2018 года. А во-вторых, концепция «возьмем больше сегментов с топливом, чтобы тяга была еще больше» является экстенсивным путем развития, при желании, можно поставить еще больше сегментов и получить еще большую тягу, предел тут пока не достигнут, и незаметно, чтобы этот путь вел к техническому совершенству.

Второе место по тяге держит отечественный жидкостной двигатель РД-171М — 793 тонны.

Четыре камеры сгорания — это один двигатель. И человек для масштаба

Казалось бы — вот он, наш герой. Но, если это лучший двигатель, где его успех? Ладно, ракета «Энергия» погибла под обломками развалившегося Советского Союза, а «Зенит» прикончила политика отношений России и Украины. Но почему США покупают у нас не этот замечательный двигатель, а вдвое меньший РД-180? Почему РД-180, начинавшийся как «половинка» РД-170, сейчас выдает больше, чем половину тяги РД-170 — целых 416 тонн? Странно. Непонятно.

Третье и четвертое места по тяге занимают двигатели с ракет, которые больше не летают. Твердотопливному UA1207 (714 тонн), стоявшему на Титане IV, и звезде лунной программы двигателю F-1 (679 тонн) почему-то не помогли дожить до сегодняшнего дня выдающиеся показатели по мощности. Может быть, какой-нибудь другой параметр важнее?

Эффективнее

Какой показатель определяет эффективность двигателя? Если ракетный двигатель сжигает топливо, чтобы разгонять ракету, то, чем эффективнее он это делает, тем меньше топлива нам нужно потратить для того, чтобы долететь до орбиты/Луны/Марса/Альфы Центавра. В баллистике для оценки такой эффективности есть специальный параметр — удельный импульс.

Удельный импульс показывает, сколько секунд двигатель может развивать тягу в 1 Ньютон на одном килограмме топлива

Рекордсмены по тяге оказываются, в лучшем случае, в середине списка, если отсортировать его по удельному импульсу, а F-1 с твердотопливными ускорителями оказываются глубоко в хвосте. Казалось бы, вот она, важнейшая характеристика. Но посмотрим на лидеров списка. С показателем 9620 секунд на первом месте располагается малоизвестный электрореактивный двигатель HiPEP

Это не пожар в микроволновке, а настоящий ракетный двигатель. Правда, микроволновка ему все-таки приходится очень отдаленным родственником.

Двигатель HiPEP разрабатывался для закрытого проекта зонда для исследования лун Юпитера, и работы по нему были остановлены в 2005 году. На испытаниях прототип двигателя, как говорит официальный отчет NASA, развил удельный импульс 9620 секунд, потребляя 40 кВт энергии.

Второе и третье места занимают еще не летавшие электрореактивные двигатели VASIMR (5000 секунд) и NEXT (4100 секунд), показавшие свои характеристики на испытательных стендах. А летавшие в космос двигатели (например, серия отечественных двигателей СПД от ОКБ «Факел») имеют показатели до 3000 секунд.

Двигатели серии СПД. Кто сказал «классные колонки с подсветкой»?

Почему же эти двигатели еще не вытеснили все остальные? Ответ прост, если мы посмотрим на другие их параметры. Тяга электрореактивных двигателей измеряется, увы, в граммах, а в атмосфере они вообще не могут работать. Поэтому собрать на таких двигателях сверхэффективную ракету-носитель не получится. А в космосе они требуют киловатты энергии, что не всякие спутники могут себе позволить. Поэтому электрореактивные двигатели используются, в основном, только на межпланетных станциях и геостационарных коммуникационных спутниках.

Ну, хорошо, скажет читатель, отбросим электрореактивные двигатели. Кто будет рекордсменом по удельному импульсу среди химических двигателей?

С показателем 462 секунды в лидерах среди химических двигателей окажутся отечественный КВД1 и американский RL-10. И если КВД1 летал всего шесть раз в составе индийской ракеты GSLV, то RL-10 — успешный и уважаемый двигатель для верхних ступеней и разгонных блоков, прекрасно работающий уже много лет. В теории, можно собрать ракету-носитель целиком из таких двигателей, но тяга одного двигателя в 11 тонн означает, что на первую и вторую ступень их придется ставить десятками, и желающих так делать нет.

Можно ли совместить большую тягу и высокий удельный импульс? Химические двигатели уперлись в законы нашего мира (ну не горит водород с кислородом с удельным импульсом больше

460, физика запрещает). Были проекты атомных двигателей (раз, два), но дальше проектов это пока не ушло. Но, в целом, если человечество сможет скрестить высокую тягу с высоким удельным импульсом, это сделает космос доступней. Есть ли еще показатели, по которым можно оценить двигатель?

Напряженней

Ракетный двигатель выбрасывает массу (продукты сгорания или рабочее тело), создавая тягу. Чем больше давление давление в камере сгорания, тем больше тяга и, главным образом в атмосфере, удельный импульс. Двигатель с более высоким давлением в камере сгорания будет эффективнее двигателя с низким давлением на том же топливе. И если мы отсортируем список двигателей по давлению в камере сгорания, то пьедестал будет оккупирован Россией/СССР — в нашей конструкторской школе всячески старались делать эффективные двигатели с высокими параметрами. Первые три места занимает семейство кислородно-керосиновых двигателей на базе РД-170: РД-191 (259 атм), РД-180 (258 атм), РД-171М (246 атм).

Камера сгорания РД-180 в музее. Обратите внимание на количество шпилек, удерживающих крышку камеры сгорания, и расстояние между ними. Хорошо видно, как тяжело удержать стремящиеся сорвать крышку 258 атмосфер давления

Четвертое место у советского РД-0120 (216 атм), который держит первенство среди водородно-кислородных двигателей и летал два раза на РН «Энергия». Пятое место тоже у нашего двигателя — РД-264 на топливной паре несимметричный диметилгидразин/азотный тетраоксид на РН «Днепр» работает с давлением в 207 атм. И только на шестом месте будет американский двигатель Спейс Шаттла RS-25 с двумястами тремя атмосферами.

Надежней

Каким бы ни был многообещающим по характеристикам двигатель, если он взрывается через раз, пользы от него немного. Сравнительно недавно, например, компания Orbital была вынуждена отказаться от использования хранившихся десятилетиями двигателей НК-33 с очень высокими характеристиками, потому что авария на испытательном стенде и феерический по красоте ночной взрыв двигателя на РН Antares поставили под сомнение целесообразность использования этих двигателей дальше. Теперь Antares будут пересаживать на российский же РД-181.

Большая фотография по ссылке

Верно и обратное — двигатель, который не отличается выдающимися значениями тяги или удельного импульса, но надежен, будет популярен. Чем длиннее история использования двигателя, тем больше статистика, и тем больше багов в нем успели отловить на уже случившихся авариях. Двигатели РД-107/108, стоящие на «Союзе», ведут свою родословную от тех самых двигателей, которые запускали первый спутник и Гагарина, и, несмотря на модернизации, имеют достаточно невысокие на сегодняшний день параметры. Но высочайшая надежность во многом окупает это.

Доступней

Двигатель, который ты не можешь построить или купить, не имеет для тебя никакой ценности. Этот параметр не выразить в числах, но он не становится от этого менее важным. Частные компании часто не могут купить готовые двигатели задорого, и вынуждены делать свои, пусть и попроще. Несмотря на то, что те не блещут характеристиками, это лучшие двигатели для их разработчиков. Например, давление в камере сгорания двигателя Merlin-1D компании SpaceX составляет всего 95 атмосфер, рубеж, который инженеры СССР перешли в 1960-х, а США — в 1980-х. Но Маск может делать эти двигатели на своих производственных мощностях и получать по себестоимости в нужных количествах, десятками в год, и это круто.

Двигатель Merlin-1D. Выхлоп из газогенератора как на «Атласах» шестьдесят лет назад, зато доступно

Раз уж зашла речь о спейсэксовских «Мерлинах», нельзя не упомянуть характеристику, которую всячески форсили пиарщики и фанаты SpaceX — тяговооруженность. Тяговооруженность (она же удельная тяга или TWR) — это отношение тяги двигателя к его весу. По этому параметру двигатели Merlin с большим отрывом впереди, у них он выше 150. На сайте SpaceX пишут, что это делает двигатель «самым эффективным из всех когда-либо построенных», и эта информация разносится пиарщиками и фанатами по другим ресурсам. В английской Википедии даже шла тихая война, когда этот параметр запихивался, куда только можно, что привело к тому, что в таблице сравнения двигателей этот столбец вообще убрали. Увы, в таком заявлении гораздо больше пиара, нежели правды. В чистом виде тяговооруженность двигателя можно получить только на стенде, а при старте настоящей ракеты двигатели будут составлять меньше процента от ее массы, и разница в массе двигателей ни на что не повлияет. Несмотря на то, что двигатель с высоким TWR будет более технологичным, чем с низким, это скорее мера технической простоты и ненапряженности двигателя. Например, по параметру тяговооруженности двигатель F-1 (94) превосходит РД-180 (78), но по удельному импульсу и давлению в камере сгорания F-1 будет заметно уступать. И возносить тяговооруженность на пьедестал как самую важную для ракетного двигателя характеристику, по меньшей мере наивно.

Этот параметр во многом связан с доступностью. Если вы делаете двигатель сами, то себестоимость вполне можно подсчитать. Если же покупаете, то этот параметр будет указан явно. К сожалению, по этому параметру не построить красивую таблицу, потому что себестоимость известна только производителям, а стоимость продажи двигателя тоже публикуется далеко не всегда. Также на цену влияет время, если в 2009 году РД-180 оценивался в $9 млн, то сейчас его оценивают в $11-15 млн.

Вывод

Самый лучший ракетный двигатель — это такой двигатель, который вы можете произвести/купить, при этом он будет обладать тягой в требуемом вам диапазоне (не слишком большой или маленькой) и будет эффективным настолько(удельный импульс, давление в камере сгорания), что его цена не станет неподъемной для вас.

Скучно? Зато ближе всего к истине.

И, в заключение, небольшой хит-парад двигателей, которые лично я считаю лучшими:

Семейство РД-170/180/190. Если вы из России или можете купить российские двигатели и вам нужны мощные двигатели на первую ступень, то отличным вариантом будет семейство РД-170/180/190. Эффективные, с высокими характеристиками и отличной статистикой надежности, эти двигатели находятся на острие технологического прогресса.

Be-3 и RocketMotorTwo. Двигатели частных компаний, занимающихся суборбитальным туризмом, будут в космосе всего несколько минут, но это не мешает восхищаться красотой использованных технических решений. Водородный двигатель BE-3, перезапускаемый и дросселируемый в широком диапазоне, с тягой до 50 тонн и оригинальной схемой с открытым фазовым переходом, разработанный сравнительно небольшой командой — это круто. Что же касается RocketMotorTwo, то при всем скептицизме по отношению к Брэнсону и SpaceShipTwo, я не могу не восхищаться красотой и простотой схемы гибридного двигателя с твердым топливом и газообразным окислителем.

F-1 и J-2 В 1960-х это были самые мощные двигатели в своих классах. Да и нельзя не любить двигатели, подарившие нам такую красоту:

РД-107/108. Парадоксально? Невысокие параметры? Всего 90 тонн тяги? 60 атмосфер в камере? Привод турбонасоса от перекиси водорода, что устарело лет на 70? Это все неважно, если двигатель имеет высочайшую надежность, а по стоимости приближается к «большому глупому носителю». Да, конечно, когда-нибудь и его время пройдет, но эти двигатели будут жить еще лет десять минимум, и, похоже, поставят рекорд по долголетию. Не получится найти более успешный двигатель с более славной историей.

Использованные источники

• Материал во многом базируется на вот этой сводной таблице из английской вики, там стараются на каждую цифру дать ссылку и держать материал актуальным.
• Полная картинка КДПВ с копирайтами, которые пришлось отрезать при кадрировании — тут.

Двигатель внутреннего сгорания

Система впрыска

Система впрыска обеспечивает введение окислителя и восстановителя в камеру. Два типа инъекций — это одиночные или многоточечные инъекции, а три подгруппы — одновременные, сгруппированные или последовательные инъекции.

Последовательный впрыск в многоточечной системе последовательного впрыска порядок впрыска определяется порядком зажигания. Впрыск обычно осуществляется во время или незадолго до открытия впускного клапана . Эта процедура обеспечивает равномерное распределение бензина по каждому из цилиндров. Одновременный впрыск в многоточечных системах с одновременным впрыском микрокомпьютер открывает все форсунки одновременно независимо от положения впускного клапана или фазы рабочего цикла двигателя. В распыленном топливе остается в положении «на удержании» до тех пор, пока не будет всасываться в камеру сгорания при открытии впускного клапана. Открытием форсунок можно управлять один раз для каждых двух оборотов двигателя или для каждого оборота, когда условия диктуют обогащение смеси.

Стратегии, принятые производителями, могут варьироваться, и, например, впрыск может выполняться одновременно, если напряжение батареи слишком низкое или если микрокомпьютер обнаруживает аномалию. В других случаях впрыск осуществляется одновременно, когда потребность в топливе больше.

Нано- и микро- вместо макро-

Для нанесения покрытий на опытные образцы в ИФПМ разработали и изготовили пилотный образец уникального вакуумного импульсного ионно-магнетронного комплекса, который не имеет зарубежных аналогов.

Исследования показали, что при воздействии плазменных потоков наиболее высокой термоциклической стойкостью обладает многоуровневое покрытие, которое состоит из нескольких функциональных слоев: прилегающего к металлической подложке нижнего пограничного слоя; внешнего слоя, контактирующего с плазмой, а также связующих промежуточных слоев.

Поверхность металлической подложки должна отвечать нескольким требованиям. Во-первых, она обязана обеспечивать хорошее сцепление с пограничным керамическим слоем. Во-вторых, в поверхностном слое подложки должно образовываться «шахматное» распределение растягивающих и сжимающих деформаций, которое при нанесении покрытия будет управлять формированием его структуры. При этом необходимо добиться максимально однородного распределения мелких концентраторов напряжений на границе «подложка – покрытие», чтобы свести на нет вероятность образования крупных концентраторов.

Последнее требование крайне важно – в условиях циклических термических нагрузок это качественно изменит характер процесса растрескивания покрытия. В керамическом слое над каждым концентратором напряжения будет образовываться «паутина» мелких кольцевых нано- и микротрещин, а не крупные магистральные трещины, нарушающие целостность покрытия. Благодаря механизму «множественного нано- и микрорастрескивания, а также эффекту их залечивания и оплавления, покрытие будет намного дольше сохранять свои эксплуатационные характеристики.

В качестве эффективного инструмента подготовки металлической подложки был выбран поток тяжелых ионов. При таком «ионном легировании» происходит наноструктурирование поверхности подложки на глубину, сравнимую с толщиной самого покрытия. Следствием станет сближение значений коэффициентов линейного термического расширения подложки и покрытия, что снижает вероятность деформации последнего при термоциклировании.

Жидкотопливные ракеты

В 1926 году Роберт Годдард испытал первый двигатель на основе жидкого топлива. Его двигатель использовал бензин и жидкий кислород. Также он пытался решить и решил ряд фундаментальных проблем в конструкции ракетного двигателя, включая механизмы накачки, стратегии охлаждения и рулевые механизмы. Именно эти проблемы делают ракеты с жидким топливом такими сложными.

Основная идея проста. В большинстве жидкотопливных ракетных двигателях топливо и окислитель (например, бензин и жидкий кислород) закачиваются в камеру сгорания. Там они сгорают, чтобы создать поток горячих газов с высокой скоростью и давлением. Эти газы проходят через сопло, которое еще больше их ускоряет (от 8000 до 16 000 км/ч, как правило), а после выходят. Ниже вы найдете простую схему.

• Жидкий водород и жидкий кислород (основные двигатели космических шаттлов).
• Бензин и жидкий кислород (первые ракеты Годдарда).
• Керосин и жидкий кислород (использовались на первой ступени «Сатурна-5» в программе «Аполлон»).
• Спирт и жидкий кислород (использовались в немецких ракетах V2).
• Четырехокись азота/монометилгидразин (использовались в двигателях «Кассини»).

Рекордсмен космоса

Разработка двигателей РД-107 и РД-108 проходила в 1954–1957 годах под руководством выдающегося конструктора Валентина Глушко. Двигатели предназначались для первой в мире межконтинентальной баллистической ракеты Р-7, модификация которой в 1957 году доставила в космос первый искусственный спутник Земли. В 1961 году двигатели обеспечили первый полет человека в космос. На протяжении более 60 лет российские ракеты «Союз» поднимаются в небо с помощью двигателей РД-107/108 и их модификаций. Серийное производство двигателей налажено на самарском заводе «ОДК-Кузнецов», входящем в Объединенную двигателестроительную корпорацию Ростеха.

Программа РД-107/108 продолжает развиваться, создаются новые модификации – всего разработано 18 вариантов для различных программ. Сегодня модификациями двигательных установок РД-107А/РД-108А оснащаются I и II ступени всех ракет-носителей среднего класса типа «Союз». Все пилотируемые и до 80% грузовых космических кораблей в России взлетают благодаря этим двигателям.

РД-107/108 уже поставил свой космический рекорд по долголетию. Конечно, когда-нибудь и его время пройдет, но сегодня запас для совершенствования двигателя еще не исчерпан.

Ядерный ракетный двигатель строят для полетов на Марс. Чем он опасен?

NASA разработает ядерный двигатель для быстрого полета на Марс. Ракеты с ядерными двигателями будут более мощными и вдвое более эффективными, чем с химическими, которые используются сегодня. Рассказываем подробнее о разработке, как быстро она будет передвигаться и чем опасна.

Читайте «Хайтек» в

Что такое ядерный ракетный двигатель?

Ядерный ракетный двигатель (ЯРД) — разновидность ракетного двигателя, которая использует энергию деления или синтеза ядер для создания реактивной тяги.

Традиционный ЯРД в целом представляет собой конструкцию из нагревательной камеры с ядерным реактором как источником тепла, системы подачи рабочего тела и сопла. Рабочее тело (как правило — водород) подается из бака в активную зону реактора, где, проходя через нагретые реакцией ядерного распада каналы, разогревается до высоких температур и затем выбрасывается через сопло, создавая реактивную тягу.

Существуют различные конструкции ЯРД: твердофазный, жидкофазный и газофазный — соответствующие агрегатному состоянию ядерного топлива в активной зоне реактора — твердое, расплав или высокотемпературный газ (либо даже плазма).

Твердофазный ядерный ракетный двигатель

В твердофазных ЯРД (ТфЯРД) делящееся вещество, как и в обычных ядерных реакторах, размещено в сборках-стержнях (ТВЭЛах) сложной формы с развитой поверхностью, что позволяет эффективно нагревать газообразное рабочее тело (обычно — водород, реже — аммиак), одновременно являющееся теплоносителем, охлаждающим элементы конструкции и сами сборки.

Температура нагрева ограничена температурой плавления элементов конструкции (не более 3000 К). Удельный импульс твердофазного ЯРД, по современным оценкам, составит 850–900 с, что более чем вдвое превышает показатели наиболее совершенных химических ракетных двигателей.

Наземные демонстраторы технологий ТфЯРД в ХХ веке были созданы и успешно испытаны на стендах (программа NERVA в США, РД-0410 в СССР).

Газофазный ядерный ракетный двигатель

Газофазный ядерный реактивный двигатель (ГЯРД) — концептуальный тип реактивного двигателя, в котором реактивная сила создаётся за счёт выброса теплоносителя (рабочего тела) из ядерного реактора, топливо в котором находится в газообразной форме или в виде плазмы. Считается, что в подобных двигателях удельный импульс составит 30–50 тыс. м/с.

Перенос тепла от топлива к теплоносителю достигается в основном за счет излучения, большей частью в ультрафиолетовой области спектра (при температурах топлива около 25 000 °C).

Ядерный импульсный двигатель

Атомные заряды мощностью примерно в килотонну на этапе взлета должны взрываться со скоростью один заряд в секунду. Ударная волна — расширяющееся плазменное облако — должна была приниматься «толкателем» — мощным металлическим диском с теплозащитным покрытием и потом, отразившись от него, создать реактивную тягу.

Импульс, принятый плитой толкателя, через элементы конструкции должен передаваться кораблю. Затем, когда высота и скорость вырастут, частоту взрывов можно будет уменьшить. При взлете корабль должен лететь строго вертикально, чтобы минимизировать площадь радиоактивного загрязнения атмосферы.

В США космические разработки с использованием импульсных ядерных ракетных двигателей осуществлялись с 1958 по 1965 год в рамках проекта «Орион» компанией «Дженерал Атомикс» по заказу ВВС США.

По проекту «Орион» проводились не только расчеты, но и натурные испытания. Летные испытания моделей летательного аппарата с импульсным приводом (для взрывов использовалась обычная химическая взрывчатка).

Были получены положительные результаты о принципиальной возможности управляемого полёта аппарата с импульсным двигателем. Также для исследования прочности тяговой плиты проведены испытания на атолле Эниветок.

Во время ядерных испытаний на этом атолле покрытые графитом стальные сферы были размещены в 9 м от эпицентра взрыва. Сферы после взрыва найдены неповрежденными, тонкий слой графита испарился (аблировал) с их поверхностей.

В СССР аналогичный проект разрабатывался в 1950–1970-х годах. Устройство содержало дополнительные химические реактивные двигатели, выводящие его на 30–40 км от поверхности Земли. Затем предполагалось включать основной ядерно-импульсный двигатель.

Основной проблемой была прочность экрана-толкателя, который не выдерживал огромных тепловых нагрузок от близких ядерных взрывов. Вместе с тем были предложены несколько технических решений, позволяющих разработать конструкцию плиты-толкателя с достаточным ресурсом. Проект не был завершен. Реальных испытаний импульсного ЯРД с подрывом ядерных устройств не проводилось.

Ядерная электродвигательная установка

Ядерная электродвигательная установка (ЯЭДУ) используется для выработки электроэнергии, которая, в свою очередь, используется для работы электрического ракетного двигателя.

Подобная программа в США (проект NERVA) была свернута в 1971 году, но в 2020 году американцы вновь вернулись к данной теме, заказав разработку ядерного теплового двигателя (Nuclear Thermal Propulsion, NTP) компании Gryphon Technologies для военных космических рейдеров на атомных двигателях для патрулирования окололунного и околоземного пространства, также с 2015 года идут работы по проекту Kilopower.

С 2010 года в России начались работы над проектом ядерной электродвигательной установки мегаваттного класса для космических транспортных систем (космический буксир «Нуклон»). На 2021 год ведется отработка макета; к 2025 году планируется создать опытные образцы данной ядерной энергоустановки; заявлена плановая дата летных испытаний космического тягача с ЯЭДУ — 2030 год.

Мощность

По оценкам А. В. Багрова, М. А. Смирнова и С. А. Смирнова, ядерный ракетный двигатель может добраться до Плутона за 2 месяца и вернуться обратно за 4 месяца с затратой 75 тонн топлива, до Альфы Центавра за 12 лет, а до Эпсилона Эридана за 24,8 года.

Ядерный двигатель опасен?

Основным недостатком является высокая радиационная опасность двигательной установки:

• потоки проникающей радиации (гамма-излучение, нейтроны) при ядерных реакциях;
• вынос высокорадиоактивных соединений урана и его сплавов;
• истечение радиоактивных газов с рабочим телом.

Использование открытия российских ученых в гражданском секторе тесно связано с безопасностью ядерной силовой установки. Нужно было обеспечить безопасность его выхлопа.

Защита малогабаритного ядерного двигателя меньше, чем у большего по размерам, поэтому нейтроны будут проникать в «камеру сгорания», тем самым с некоторой вероятностью делая радиоактивным все вокруг.

Азот и кислород имеют радиоактивные изотопы с малым временем полураспада и не опасны. Радиоактивный углерод вещь долгоживущая. Но есть и хорошие новости.

Радиоактивный углерод образуется в верхних слоях атмосферы под действием космических лучей. Но главное, концентрация углекислого газа в сухом воздухе составляет всего 0,02÷0,04%.

Учитывая же, что процент углерода, становящийся радиоактивным, величина еще на несколько порядков меньшая, предварительно можно считать, что выхлоп ядерных двигателей не более опасен, чем выхлоп ТЭЦ, работающей на угле.

Собираются ли использовать ядерный двигатель для новейших полетов в космос?

Да, в начале февраля стало известно, что NASA проведет тестирование новейшего ядерного двигателя для полетов на Марс. Ожидается, что с его помощью можно будет добраться до Красной планеты всего лишь за три месяца.

В последние годы ученые и инженеры NASA и других космических агентств мира активно обсуждают планы по постройке постоянных обитаемых баз на поверхности Луны и Марса.

• В чем его преимущества?

Главным ключом к обеспечению их автономности и удешевлению постройки специалисты NASA считают технологии трехмерной печати, позволяющие использовать воду и местные ресурсы — почву, горные породы и газы из атмосферы — для постройки зданий базы прямо на месте.

Подобные принтеры, как показывают опыты на борту МКС и на Земле, позволяют напечатать почти все необходимое для жизни колонистов на Марсе, за исключением одного, самой главного компонента базы — источника питания, чья мощность была бы достаточной для обеспечения работы самого 3D-принтера, а также питания и обогрева всей базы.

В рамках подготовки NASA к высадке на Марс в 2035 г. американская компания Ultra Safe Nuclear Technologies (USNT) из Сиэтла предложила свое решение — ядерный тепловой двигатель (NTP)

• Каким будет ядерный двигатель?

USNT предлагает классическое решение — ядерный двигатель с использованием сжиженного водорода в качестве рабочего тела: ядерный реактор вырабатывает тепло из уранового топлива, эта энергия нагревает жидкий водород, проходящий по теплоносителям, который расширяется в газ и выбрасывается через сопло двигателя, создавая тягу.

Одна из основных проблем при создании такого типа двигателей — найти урановое топливо, которое может выдерживать резкие колебания температуры внутри двигателя. В USNT утверждают, что решили эту проблему, разработав топливо, которое может работать при температурах до 2 400 градусов Цельсия.

Топливная сборка содержит карбид кремния: этот материал, используемый в слое триструктурально-изотропного покрытия, образует газонепроницаемую преграду, препятствующую утечке радиоактивных продуктов из ядерного реактора, защищая космонавтов.

Кроме того, для защиты экипажа и на случай непредвиденных ситуаций ядерный двигатель не будет использоваться во время старта с Земли — он начнет работу уже на орбите, чтобы минимизировать возможные повреждения в случае аварии или нештатной работы.

Ядерный двигатель: готовность № 1

Ядерный двигатель будет испытан на околоземной орбите уже в 2025 году. По результатам испытаний, технология ядерного ракетного двигателя (ЯРД) будет применена как в «мирном космосе», так и в военных разработках. Агентство США по перспективным оборонным исследовательским проектам (DARPA) выбрало три крупные космические компании для первой фазы крупного проекта по испытанию ядерного двигателя на низкой околоземной орбите к 2025 году.

Разработка и первые испытания ядерного ракетного двигателя

Данная технология не нова. Первые варианты были названы ядерными тепловыми ракетными двигателями (ЯТР). Они были разработаны в середине 1950-х годов еще до образования НАСА. Фактически, концепция ядерного двигателя для космических путешествий создавалась почти одновременно с Манхэттенским проектом по созданию атомной бомбы.

Британские ученые также работали над теорией атомных ракетных двигателей. В 1948 году, Британией был опубликован ряд работ, с выводом о том, что ядерные ракеты будут единственным способом проводить исследования в глубоком космосе.

Американский ядерный ракетный двигатель NERVA был разработан и сертифицирован к применению, однако в 1973 году его бесшумно поставили на полку. Американская программа NTR была закрыта (по крайней мере, официально) в 1973 году. К этому моменту был разработан полностью готовый и сертифицированный двигатель, названный NERVA (ядерный двигатель для применения в ракетных установках).

Советский Союз, со своей стороны, продолжил работу над ядерными двигателями. В 2010-2011 гг. в технических журналах сообщалось, что Россия фактически близка к завершению разработки рабочей конструкции ядерного двигателя и инвестируют значительные средства в проект ракеты на Марс, которая должна была быть готова в 2018 г. Однако этим планам также не суждено было свершиться.

Ядерный ракетный двигатель: принцип работы

На первый взгляд, эти двигатели выглядят слишком сложными. Однако, как и в случае с таким большим количеством технологий, основной принцип довольно прост. Ракеты всех типов работают за счет ускорения газообразного или жидкого вещества в одном направлении, заставляя двигатель двигаться в другом направлении. Это достигается с помощью сопла — для ускорения газового потока, генерируемого двигателем. Как правило, чем выше температура отработавших газов, тем больше скорость, при которой они выходят из сопла; чем больше скорость, тем больше тяга двигателя.

На схеме ниже, жидкий водород прокачивается вокруг очень горячей активной зоны реактора, которая нагревает его до экстремальных температур, а затем выбрасывается из сопла со скоростью до 10 км в секунду, приводя в движение двигатель и прикрепленный к нему корпус ракеты.

Ракетно-ядерные двигатели работают, имея в своей активной зоне небольшой ядерный реактор, который при активации генерирует чрезвычайно высокую температуру. Затем жидкости или газы различных типов проходят через активную зону и нагреваются почти до той же температуры — 20 000 градусов С, выходя из сопла со скоростью до 10 000 м/с.

Реальный показатель производительности называется «Specific Impulse»: обычный ракетный химический двигатель имеет импульс около 500 сек, а ядерная версия — 6 000 сек. Проще говоря, это означает, что ядерный ракетный двигатель может толкать космический корабль со скоростью, в шесть раз превышающей скорость существующих двигателей, сокращая, например, путь на Марс до приемлемых 80 дней или менее.

Опасность технологии ядерного ракетного двигателя

Если эти двигатели настолько эффективны, почему они не используются сегодня? Ну, проблемы — это смесь технологических сложностей, стоимости и опасностей, присущих выходу из строя двигателя.

Конструкции этих систем настолько сложны, что для их правильной работы требуется огромный объем технического анализа. Современные вычислительные системы все еще испытывают сильные нагрузки и нагревания, а высокие температуры все еще являются технической проблемой с точки зрения производительности материалов. Все это приводит к высоким затратам на разработку — намного большим, чем доказанные и «серийно производимые» обычные ракетные двигатели, доступные сегодня.

Опасность поломки двигателя всегда была очень велика. Взрыв атомного ракетного двигателя, это все равно что Чернобыльский воздушный взрыв, за исключением того, что в некоторых случаях площадь, пораженная радиоактивным материалом, может быть значительно больше. Даже без взрыва поломка двигателя может привести к образованию смертоносного облака или падению радиоактивных частиц на землю с ужасными последствиями для людей и экосистем, где бы они ни приземлялись.

Казалось бы сборка ракеты с подобной установкой прямо в космосе решает большинство рисков. На фото ниже изображен ядерный ракетный двигатель, собираемый в космосе перед дальним космическим полетом.

Это поможет снизить риск огромного выброса радиоактивных материалов на уровне земли в случае отказа системы. Однако последствия выброса такого облака высоко над Землей по-прежнему вызывают большую озабоченность, поскольку мы не до конца понимаем, как и когда оно может вернуться на поверхность планеты.

Даже без учёта загрязнения окружающей среды, двигатель будет представлять собой высокорадиоактивный кусок металла, с минимальным экранированием для членов экипажа. Кроме того, рассмотрим вопрос о стыковке с космической станцией или что-то в этом роде: как защитить близлежащие сооружения и персонал от радиации? Как избавиться от отработанного ядра двигателя, кроме как «загоняя» отходы в космос?

Существует опасность того, что постепенно накопится массивное облако радиоактивных материалов, вращающееся вокруг Земли. В конечном счете оно упадет обратно на поверхность. Хотя некоторые из элементов имели бы короткий период полураспада, большая часть материала действительно была бы очень долгоживущей. Это может создать классический сценарий Судного дня. Планету, в какой-то момент станет непригодной для обитания.

Российская разработка ядерного двигателя и авария на полигоне «Нионокса» под Северодвинском

Согласно источникам, Россия пытается реализовать ряд проектов с использованием очень маленьких ядерных двигателей для ракет и даже торпед. Полученные в результате высокие скорости и увеличенная дальность действия ракет делают их очень подвижным и опасным оружием, способным обойти все существующие системы противоракетной обороны.

Торпеда или беспилотная подводная лодка также обладали бы скоростью и выносливостью, которые представляли бы весьма серьезную угрозу для всех действующих военно-морских оборонительных систем.

Однако некоторые факты указывают на весьма негативный опыт испытаний подобных систем. В марте 2018 года Путин объявил, что ракета 9М730 «Буревестник» (название НАТО «Скайфолл») является одним из шести новых стратегических оружий, разрабатываемых Россией.

9 августа, «российское агентство по атомной энергии «Росатом» подтвердило, что выброс радиации на полигон для испытаний ракеты «Нионокса» под Северодвинском был связан с аварией при испытании «изотопного источника питания жидкостного ракетного двигателя», в результате которой погибли восемь человек, в том числе пятеро ученых». (Источник: Википедия).

Рассказы об уровнях радиации разнятся, в некоторых официальных сообщениях говорится, что они оставались довольно высокими в течение нескольких часов. Уровни, опасности, связанные с ветром, еще не раскрыты в полной мере, поскольку крупный пожар и взрыв почти наверняка привели бы к тому, что большое облако такого материала было бы рассеяно в атмосфере.

Есть некоторые сообщения о том, что местных жителей попросили покинуть свои дома до проведения испытаний, но официальное агентство печати опровергло их. Тем не менее, очевидно, что взрыв заставил военных либо приостановить, либо отменить дальнейшие испытания, хотя это вполне может быть заявлением, направленным на успокоение как местных, так и международных опасений.

Россия утверждает, что ее работа над ядерными ракетными двигателями является самой передовой в мире. Однако запланированные Америкой на 2025 год испытания могут оспорить это утверждение.

США уверены в готовности ядерного ракетного двигателя к испытаниям 2025 года

Агентство по перспективным оборонным исследовательским проектам (DARPA) выбрало три крупные космические компании для первой фазы более крупного проекта по испытанию ядерного двигателя над низкой околоземной орбитой к 2025 году.

США заявили, что уверены в готовности ядерного ракетного двигателя к испытаниям до 2025 года. Три компании — General Atomics, Blue Origin и Lockheed Martin получили контракты на первую фазу программы DRACO (Демонстрационная ракета для маневренных операций). В то время как DARPA не раскрыла стоимость контракта в своем объявлении, СМИ Space News сообщили, что General Atomics получила $22 миллиона, Lockheed Martin — $2,9 миллиона и Blue Origin — $2,5 миллиона.

«Команды были отобраны в связи с их способностью разрабатывать и развертывать современные системы для реакторов, двигателей и космических аппаратов», говорится в заявлении DARPA. Агентство, в частности, подчеркнуло необходимость «быстрого маневра» для военных систем.

Первый этап программы включает в себя два направления, длительностью в 18 месяцев, каждое из которых проходит разными путями. Направление «А» включает в себя предварительный проект ядерного теплового энергетического реактора, а также двигательной подсистемы. На этапе «В» будет создана «концепция эксплуатационной системы космического аппарата» для решения будущих задач, включая демонстрационную систему.

Прежняя администрация НАСА также проявила интерес к потенциалу ядерных двигателей, особенно к сокращению времени, затрачиваемого при полёте на Марс, примерно до трех — четырех месяцев по сравнению с двигателями на химическом топливе. Агентство заявило, что надеется доставить астронавтов на Красную планету в 2030-х годах.

«Это абсолютно переломный момент для того, чего пытается достичь НАСА», — заявил бывший администратор НАСА Джим Брайденстин во время заседания Национального космического совета. «Это дает нам возможность по-настоящему защитить жизнь, когда мы говорим о дозе радиации, когда мы путешествуем между Землей и Марсом», — добавил он.