Ядерные ракетные двигатели

Современные технологии позволяют человечеству летать в открытый космос. Еще не многим более полувека назад, полёты человека за пределы атмосферы Земли были мечтой конструкторов и лётчиков испытателей. Сейчас человечество уверенно достигает орбиты земли, а космические станции и аппараты рассеяны по всей солнечной системе.

На текущий момент доставка грузов и пассажиров в космос на околоземную орбиту и далее осуществляется посредством термохимических реактивных двигателей с невысоким КПД, относительно низкой тягой и большим соотношением топлива к полезной нагрузке. По этой причины полёты в космос пока дороги и не отличаются большой дальностью.

Уже сейчас учёные работают над новыми типами ракетных двигателей, среди которых видное место занимают ядерные силовые установки. В отличие от термохимических двигателей, ядерные, работают на делении или синтезе ядер для создания реактивной тяги, либо для выработки энергии, посредством которой создаётся реактивная тяга.

Ядерные двигатели по принципу работы делятся на два основных класса:

·     ядерный двигатель деления ядра;

·     ядерный двигатель синтеза ядра.

Первый тип, деление ядра – процесс расщепления атомного ядра на два (реже три) ядра с близкими массами, называемых осколками деления. В результате деления могут возникать и другие продукты реакции: лёгкие ядра (в основном альфа-частицы), нейтроны и гамма-кванты. Деление тяжёлых ядер – экзотермический процесс, в результате которого высвобождается большое количество энергии в виде кинетической энергии продуктов реакции, а также излучения. Деление ядер служит источником энергии в ядерных реакторах и ядерном оружии. Экзотермические процессы, происходящие при делении ядер, лежат в основе ядерных силовых установок в т.ч. и для ракет. Тепловая энергия распада тяжёлого ядра является основным источником энергии при управляемом процессе.

К преимуществам ядерной установки деления относится:

·     относительная простота создания ядерной реакции;

·     возможность надёжного контроля процесса и в случае необходимости его полной остановки;

·     возможность работы реактора на разных видах топлива;

·     возможность утилизации радиоактивны отходов в специальных реактора на быстрых нейтронах.

К недостаткам ядерной установки деления можно отнести:

·     повышенное радиационное излучение в т.ч. и «жёсткое», опасное для живых организмов;

·     ограниченные запасы ядерного топлива;

·     необходимость в дорогостоящей утилизации радиоактивных отходов работы реактора.

Второй тип, термоядерные двигатели, основанные на управляемом термоядерном синтезе тяжёлых атомных ядер из более лёгких с целью получения энергии, который, в отличие от взрывного термоядерного синтеза (используемого в термоядерных взрывных устройствах), носит управляемый характер. Управляемый термоядерный синтез отличается от традиционной ядерной энергетики тем, что в последней используется реакция распада, в ходе которой из тяжёлых ядер получаются более лёгкие ядра. В основных ядерных реакциях, которые планируется использовать в целях осуществления управляемого термоядерного синтеза, будут применяться дейтерий (2H) и тритий (3H), а в более отдалённой перспективе гелий-3 (3He) и бор-11 (11B).

К преимуществам термоядерной установки синтеза относится:

·     более высокие энергетические показатели выработки по сравнению с ядерными реакторами;

·     практические неограниченные запасы топлива в космосе и солнечной системе;

·     меньшее радиационное излучение по сравнению с ядерными силовыми установками.

К недостаткам термоядерной установки синтеза можно отнести:

·     сложность создания и поддержки термоядерной реакции синтеза;

·     отсутствие минимально необходимых запасов топлива на Земле;

·     отсутствие на текущий момент рабочих прототипов с управляемым термоядерным синтезом.

Не смотря на все сложности с созданием и обслуживанием термоядерных установок, они более предпочтительны, чем ядерные установки деления ядра, как ракетный двигатель.

Подразделяют следующие виды ядерных силовых установок для ракет:

·     ядерно-реактивные ракетные двигатели;

·     импульсно-взрывные;

·     электро-ядерные реактивные двигатели.

Ядерно-реактивный двигатель (ЯРД) использует принцип обычных термохимических ракетных двигателей. Его принцип работы заключается в создании реактивной струи из продуктов ядерной или термоядерной реакции, а также нагреваемых газов, выходящих из реактора. Типичный проект ядерного двигателя представлен на Рис. 1.

Рисунок 1. Ядерный ракетный двигатель прямого действия

Такой двигатель прост в конструкции и эксплуатации, создаёт высокую тягу (по сравнению с термохимическими) за счёт выброса раскалённого водорода и продуктов распада, но при этом он не использует весь потенциал двигателя, не обладая высоким КПД. По израсходованию нагреваемого вещества, например водорода, его надо заправлять снова. Открытый реактор не позволяет полноценно его обслуживать в космических условиях также использовать на земле вблизи населённых пунктов. Существуют различные конструкции ЯРД: твердофазные, жидкофазные и газофазные, что соответствует агрегатному состоянию в активной зоне реактора [2].

Импульсный ядерный двигатель - тип двигателя, в котором движение силовой установки происходит путём детонации, а не за счёт реактивной струи. Двигатель является импульсным, так как после прохождения детонационной волны, требуется обновление повторная выгрузка ядерного заряда [1].

Принцип движения основан на подрыве ядерного или термоядерного заряда в открытом космосе вблизи корабля, который отталкивается от взрывной волны, за счёт отталкивания продуктов взрыва от корабля. Как правило, это демпфер, который обеспечивает эффективное отталкивание и защиту корпуса ракеты. Серийно не производились, но несколько тестовых двигателей демонстрировались на низкоскоростных самолётах в 2008 году [1]. Типичный проект такого двигателя представлен на Рис. 2.

Рисунок 2. Импульсно-взрывной ядерный ракетный двигатель

Данный тип двигателя отличается придельной простотой конструкции и управления. Отпадает необходимость в ядерном реакторе, а запас топлива равен количеству ядерных зарядов. Предпочтительнее использовать в качестве топлива термоядерные заряды ввиду их более высокого могущества по сравнению с ядерными. К недостаткам относится невозможность использования двигателя в условиях планетарной гравитации и повышенный износ демпфера, а также крайне низкий КПД [3].

Электро-ядерные ракетные двигатели – это обширный класс ракетных двигателей, использующие в качестве промежуточного или основного звена электрическую энергию, получаемую от ядерного или термоядерного реактора. Делятся на 3 основных вида:

Таблица 1.

Классификация электрических ракетных двигателей

В основу таких двигателей заложен разгон рабочего тела с применением электроэнергии от ядерного или термоядерного реактора. Отличаются высоким КПД, большим запасом хода, возможностью использования в атмосфере планеты, простотой эксплуатации и высокими скоростями. Данный тип ядерных ракетных двигателей наиболее вероятный для будущего использования при межпланетных и межзвёздных перелётах.