Rakietowy silnik jądrowy RD0410. Odważny rozwój bez perspektyw
W przeszłości wiodące kraje poszukiwały zasadniczo nowych rozwiązań w dziedzinie silników dla technologii rakietowej i kosmicznej. Najbardziej śmiałe propozycje dotyczyły stworzenia tzw. nuklearne silniki rakietowe, których podstawą był reaktor z materiałem rozszczepialnym. W naszym kraju prace w tym kierunku przyniosły realne rezultaty w postaci eksperymentalnego silnika RD0410. Jednak produkt ten nie znalazł swojego miejsca w obiecujących projektach i nie wpłynął na rozwój astronautyki krajowej i światowej.
Propozycje i projekty
Już w latach pięćdziesiątych, na kilka lat przed wystrzeleniem pierwszego satelity i załogowego statku kosmicznego, zidentyfikowano perspektywy rozwoju silników rakietowych wykorzystujących paliwo chemiczne. To ostatnie umożliwiło uzyskanie bardzo wysokich parametrów, jednak wzrost parametrów nie mógł być nieograniczony. W przyszłości silniki musiały „uderzyć w sufit” swoich możliwości. W związku z tym potrzebne były zasadniczo nowe rozwiązania dla dalszego rozwoju systemów rakietowych i kosmicznych.
Zbudowany, ale nie testowany YARD typu RD0410
W 1955 r. Akademik M.V. Keldysh podjął inicjatywę stworzenia silnika rakietowego specjalnej konstrukcji, w którym źródłem energii byłby reaktor jądrowy. Opracowanie tego pomysłu powierzono Instytutowi Badawczemu-1 Ministerstwa. lotnictwo przemysł; Kierownikiem pracy został V.M. Ievlev. W możliwie najkrótszym czasie eksperci przepracowali główne kwestie i zaproponowali dwie opcje obiecującego nuklearnego układu napędowego o najlepszych właściwościach.
Pierwsza opcja silnika, oznaczona jako „Schemat A”, przewidywała zastosowanie reaktora w fazie stałej i stałych powierzchni wymiany ciepła. Drugi wariant, „Schemat B”, przewidywał zastosowanie reaktora ze strefą aktywną w fazie gazowej – materiał rozszczepialny musiał znajdować się w stanie plazmowym, a energia cieplna przekazywana była do płynu roboczego poprzez promieniowanie. Eksperci porównali oba schematy i uznali opcję „A” za bardziej skuteczną. Następnie to on był najaktywniej pracował, a nawet osiągnął pełne testy.
Równolegle z poszukiwaniem optymalnych projektów silników o napędzie jądrowym badano problematykę stworzenia bazy naukowej, produkcyjnej i badawczej. Tak więc w 1957 r. V.M. Ievlev zaproponował nową koncepcję testowania i rozwoju. Wszystkie główne elementy projektu należało przetestować na różnych stanowiskach i dopiero potem można było je złożyć w jedną konstrukcję. W przypadku „Schematu A” podejście to zakładało utworzenie pełnowymiarowych reaktorów do testów.
W 1958 r. ukazała się szczegółowa uchwała Rady Ministrów, która określiła kierunek dalszych prac. M.V. został wyznaczony jako odpowiedzialny za rozwój silników o napędzie atomowym. Keldysh, I.V. Kurczatow i S.P. Korolow. W NII-1 utworzono specjalny wydział, na którego czele stał V.M. Ievleva, który musiał zmierzyć się z nowym kierunkiem. W prace zaangażowanych było także kilkadziesiąt organizacji naukowych i projektowych. Zaplanowano udział Ministerstwa Obrony Narodowej. Ustalono harmonogram prac i inne niuanse rozbudowanego programu.
Następnie wszyscy uczestnicy projektu aktywnie współdziałali w ten czy inny sposób. Ponadto w latach sześćdziesiątych dwukrotnie odbyły się konferencje poświęcone wyłącznie tematyce napędu jądrowego i zagadnieniom z nią związanym.
Baza testowa
W ramach programu rozwoju silników jądrowych zaproponowano zastosowanie nowego podejścia do testowania i testowania niezbędnych jednostek. Jednocześnie eksperci stanęli przed poważnym problemem. Testowanie niektórych produktów musiało odbywać się w reaktorze jądrowym, ale przeprowadzenie takich działań było niezwykle trudne lub wręcz niemożliwe. Testy mogły być utrudnione ze względu na trudności ekonomiczne, organizacyjne lub środowiskowe.
Schemat montażu paliwa dla IR-100
W związku z tym opracowano nowe metody testowania produktów bez użycia reaktorów jądrowych. Kontrole takie podzielono na trzy etapy. Pierwsza polegała na badaniu procesów zachodzących w reaktorze za pomocą modeli. Następnie reaktor lub elementy silnika musiały zostać poddane mechanicznym i hydraulicznym testom „na zimno”. Dopiero potem należy przetestować komponenty w warunkach wysokiej temperatury. Po oddzielnym przetestowaniu na stanowiskach wszystkich elementów jądrowego silnika napędowego można było przystąpić do montażu pełnoprawnego eksperymentalnego reaktora lub silnika.
Aby przeprowadzić trzyetapowe testowanie jednostek, kilka przedsiębiorstw opracowało i zbudowało różne stanowiska. Szczególnie interesująca jest technologia badań w wysokiej temperaturze. W trakcie jego rozwoju konieczne było stworzenie nowych technologii ogrzewania gazów. W latach 1959-1972 w NII-1 opracowano szereg plazmatronów dużej mocy, które zapewniały ogrzewanie gazów do temperatury 3000°K i umożliwiały przeprowadzanie testów wysokotemperaturowych.
Specjalnie do testowania „Schematu B” trzeba było opracować jeszcze bardziej złożone urządzenia. Do takich zadań potrzebny był plazmatron o ciśnieniu wyjściowym setek atmosfer i temperaturze 10-15 tysięcy stopni K. Pod koniec lat sześćdziesiątych pojawiła się technologia ogrzewania gazu oparta na jego oddziaływaniu z wiązkami elektronów, co umożliwiło możliwe uzyskanie wymaganych właściwości.
Uchwała Rady Ministrów przewidywała budowę nowego obiektu na poligonie w Semipałatyńsku. Tam konieczna była budowa stanowiska badawczego i reaktora doświadczalnego do dalszych badań zespołów paliwowych i innych elementów jądrowego silnika napędowego. Wszystkie główne konstrukcje zostały zbudowane do 1961 roku i wtedy nastąpiło pierwsze uruchomienie reaktora. Następnie sprzęt badawczy był kilkukrotnie udoskonalany i udoskonalany. Dla reaktora i personelu przeznaczono kilka podziemnych bunkrów z niezbędną ochroną.
W rzeczywistości projekt obiecującego silnika o napędzie jądrowym był jednym z najodważniejszych przedsięwzięć swoich czasów i dlatego doprowadził do opracowania i zbudowania masy unikalnych urządzeń i przyrządów testowych. Wszystkie te stanowiska pozwoliły nam przeprowadzić wiele eksperymentów i zebrać dużą ilość różnego rodzaju danych, nadających się do opracowania różnorodnych projektów.
„Schemat A”
Pod koniec lat pięćdziesiątych opcję silnika typu „A” uznano za najbardziej udaną i obiecującą. Koncepcja ta proponowała budowę nuklearnego silnika napędowego opartego na reaktorze z wymiennikami ciepła odpowiedzialnymi za ogrzewanie gazowego płynu roboczego. Wypuszczenie tego ostatniego przez dyszę miało wytworzyć wymagany ciąg. Pomimo prostoty koncepcji, realizacja takich pomysłów wiązała się z szeregiem trudności.
Model zespołu paliwowego dla reaktora IR-100
Przede wszystkim pojawił się problem doboru materiałów do budowy rdzenia. Konstrukcja reaktora musiała wytrzymać duże obciążenia termiczne i zachować wymaganą wytrzymałość. Ponadto musiał przepuszczać neutrony termiczne, ale nie tracić wydajności z powodu promieniowania jonizującego. Spodziewano się także nierównomiernego wydzielania ciepła w rdzeniu, co postawiło nowe wymagania w stosunku do jego konstrukcji.
Aby znaleźć rozwiązania i przetestować projekt, w NII-1 zorganizowano specjalny warsztat, którego zadaniem było wykonanie modelowych zespołów paliwowych i innych podstawowych komponentów. Na tym etapie prac badano różne metale i stopy, a także inne materiały. Wolfram, molibden, grafit, węgliki wysokotemperaturowe itp. można wykorzystać do produkcji zespołów paliwowych. Prowadzono także poszukiwania powłok ochronnych, które zapobiegną zniszczeniu konstrukcji.
W trakcie eksperymentów znaleziono optymalne materiały do produkcji poszczególnych elementów jądrowego układu napędowego. Ponadto udało się potwierdzić zasadniczą możliwość uzyskania określonego impulsu rzędu 850-900 s. Dało to obiecującemu silnikowi najwyższe osiągi i znaczną przewagę nad chemicznymi układami paliwowymi.
Rdzeń reaktora był cylindrem o długości około 1 mi średnicy 50 mm. Jednocześnie planowano stworzyć 26 wariantów zespołów paliwowych o określonych cechach. Na podstawie wyników kolejnych testów wybrano te najskuteczniejsze i najskuteczniejsze. Stwierdzona konstrukcja zespołu paliwowego przewidywała zastosowanie dwóch kompozycji paliwowych. Pierwszą była mieszanina uranu-235 (90%) z niobem lub węglikiem cyrkonu. Mieszankę tę uformowano w postaci czterobelkowego skręconego pręta o długości 100 mm i średnicy 2,2 mm. Druga kompozycja składała się z uranu i grafitu; wykonano go w formie sześciokątnych pryzmatów o długości 100-200 mm z kanałem wewnętrznym o średnicy 1 mm, które posiadały okładzinę. Pręty i pryzmaty umieszczono w szczelnej, żaroodpornej metalowej obudowie.
Testowanie zespołów i elementów na poligonie w Semipałatyńsku rozpoczęło się w 1962 roku. W ciągu dwóch lat pracy odbyło się 41 uruchomień reaktorów. Przede wszystkim udało nam się znaleźć najskuteczniejszą opcję dla zawartości rdzenia. Potwierdzono również wszystkie główne rozwiązania i cechy. W szczególności wszystkie elementy reaktora poradziły sobie z obciążeniami termicznymi i radiacyjnymi. Tym samym stwierdzono, że opracowany reaktor jest w stanie sprostać swojemu głównemu zadaniu – ogrzaniu gazowego wodoru do temperatury 3000-3100°K przy zadanym natężeniu przepływu. Wszystko to umożliwiło rozpoczęcie opracowywania pełnoprawnego nuklearnego silnika rakietowego.
11B91 na „Bajkale”
Na początku lat sześćdziesiątych rozpoczęto prace nad stworzeniem pełnoprawnego nuklearnego silnika napędowego w oparciu o istniejące produkty i rozwiązania. Przede wszystkim NII-1 badał możliwość stworzenia całej rodziny silników rakietowych o różnych parametrach, nadających się do zastosowania w różnych projektach rakietowych. Z tej rodziny jako pierwszy postanowiono zaprojektować i zbudować silnik o niskim ciągu - 36 kN. Taki produkt mógłby później zostać wykorzystany w obiecującym górnym stopniu, odpowiednim do wysyłania statków kosmicznych na inne ciała niebieskie.
Reaktor IRGIT w trakcie montażu
W 1966 roku NII-1 i Biuro Projektowe Automatyki Chemicznej rozpoczęły wspólne prace nad kształtowaniem wyglądu i konstrukcji przyszłego silnika o napędzie nuklearnym. Wkrótce silnik otrzymał indeksy 11B91 i RD0410. Jego głównym elementem był reaktor o nazwie IR-100. Później reaktorowi nadano nazwę IRGIT („Reaktor badawczy do badań grupowych TVEL”). Początkowo planowano stworzyć dwa różne silniki jądrowe. Pierwszy był produktem eksperymentalnym do testów na poligonie, a drugi modelem lotu. Jednak w 1970 roku oba projekty połączono w celu przeprowadzenia testów terenowych. Następnie KBHA stała się wiodącym twórcą nowego systemu.
Wykorzystując ustalenia z badań wstępnych w dziedzinie napędu jądrowego, a także wykorzystując istniejącą bazę testową, można było szybko określić kształt przyszłego 11B91 i rozpocząć pełnoprawny projekt techniczny.
Jednocześnie utworzono kompleks stanowisk badawczych Bajkał w celu przeprowadzenia przyszłych testów na poligonie. Proponowano przetestowanie nowego silnika w konstrukcji podziemnej z pełnym zestawem zabezpieczeń. Przewidziano środki do zbierania i osadzania gazowego płynu roboczego. Aby uniknąć emisji promieniowania, gaz należało przechowywać w zbiornikach i dopiero potem mógł zostać uwolniony do atmosfery. Ze względu na szczególną złożoność prac budowa kompleksu Bajkał trwała około 15 lat. Jego ostatnie obiekty zostały ukończone po rozpoczęciu testów na pierwszych.
W 1977 roku na terenie kompleksu Bajkał uruchomiono drugie stanowisko dla zakładów pilotażowych, wyposażone w urządzenia do podawania płynu roboczego w postaci wodoru. 17 września zakończyła się fizyczna premiera produktu 11B91. W dniu 27 marca 1978 roku nastąpiło uruchomienie zasilania. W dniach 3 lipca i 11 sierpnia przeprowadzono dwie próby ogniowe przy pełnej pracy produktu jako nuklearnego układu napędowego. W testach tych reaktor stopniowo osiągał moc 24, 33 i 42 MW. Wodór ogrzano do 2630°K. Na początku lat osiemdziesiątych odbyły się testy dwóch kolejnych prototypów. Wykazywały moc do 62-63 MW i podgrzewały gaz do 2500°K.
Projekt RD0410
Na przełomie lat siedemdziesiątych i osiemdziesiątych mówiono o stworzeniu pełnoprawnego nuklearnego silnika napędowego, w pełni nadającego się do montażu na rakietach lub górnych stopniach. Powstał ostateczny projekt takiego produktu, a testy w ośrodku testowym w Semipałatyńsku potwierdziły wszystkie główne cechy konstrukcyjne.
Gotowy silnik RD0410 wyraźnie różnił się od istniejących produktów. Wyróżniał się składem jednostek, układem, a nawet wyglądem, ze względu na odmienną zasadę działania. W rzeczywistości RD0410 został podzielony na kilka głównych bloków: reaktor, środki dostarczające płyn roboczy oraz wymiennik ciepła i dysza. Reaktor kompaktowy zajmował centralne miejsce, a obok niego umieszczono resztę urządzeń. Jądrowy silnik napędowy potrzebował także osobnego zbiornika na ciekły wodór.
Całkowita wysokość produktu RD0410 / 11B91 osiągnęła 3,5 m, maksymalna średnica wynosiła 1,6 m. Masa łącznie z ochroną przed promieniowaniem wynosiła 2 t. Obliczony ciąg silnika w próżni osiągnął 35,2 kN lub 3,59 tf. Impuls właściwy w próżni wynosi 910 kgf·s/kg lub 8927 m/s. Silnik można było włączyć 10 razy. Zasób - 1 godzina Dzięki pewnym modyfikacjom możliwe było w przyszłości zwiększenie charakterystyk do wymaganego poziomu.
Wiadomo, że podgrzany płyn roboczy takiego nuklearnego silnika rakietowego miał ograniczoną radioaktywność. Jednak po testach został on obroniony, a teren, na którym znajdowało się stoisko, musiał zostać zamknięty na jeden dzień. Stosowanie takiego silnika w atmosferze ziemskiej uznano za niebezpieczne. Jednocześnie mógłby być stosowany jako część górnych stopni rozpoczynających pracę poza atmosferą. Po zużyciu takie bloki należy wysłać na orbitę utylizacyjną.
Już w latach sześćdziesiątych pojawił się pomysł stworzenia elektrowni opartej na nuklearnym silniku napędowym. Ogrzany płyn roboczy mógłby być dostarczany do turbiny połączonej z generatorem. Takie elektrownie były interesujące dla dalszego rozwoju astronautyki, ponieważ pozwoliły pozbyć się istniejących problemów i ograniczeń w zakresie wytwarzania energii elektrycznej dla urządzeń pokładowych.
W latach osiemdziesiątych pomysł elektrowni osiągnął fazę projektową. Trwały prace nad projektem takiego produktu w oparciu o silnik RD0410. Do doświadczeń w tym temacie wykorzystano jeden z reaktorów doświadczalnych IR-100/IRGIT, podczas którego zapewniał on pracę generatora o mocy 200 kW.
Nowe środowisko
Główne prace teoretyczne i praktyczne na temat radzieckiego silnika rakietowego o napędzie atomowym z rdzeniem w fazie stałej zakończono w połowie lat osiemdziesiątych. Przemysł mógłby rozpocząć prace nad górnym stopniem lub inną technologią rakietową i kosmiczną dla istniejącego silnika RD0410. Jednak takich prac nie udało się rozpocząć na czas, a wkrótce ich rozpoczęcie stało się niemożliwe.
W tym czasie przemysł kosmiczny nie miał już wystarczających zasobów, aby terminowo wdrożyć wszystkie plany i pomysły. Ponadto wkrótce rozpoczęła się niesławna pierestrojka, kładąc kres wielu propozycjom i zmianom. Reputacja technologii nuklearnej została poważnie nadszarpnięta przez awarię w Czarnobylu. Wreszcie okres ten nie był pozbawiony problemów politycznych. W 1988 roku wstrzymano wszelkie prace nad motywem YARD 11B91 / RD0410.
Według różnych źródeł, przynajmniej do początku XXI wieku, na poligonie Semipałatyńsk nadal pozostawały niektóre obiekty kompleksu Bajkał. Co więcej, na jednym z tzw reaktor doświadczalny był nadal zajęty. KBHA udało się wyprodukować pełnoprawny silnik RD0410, nadający się do montażu na przyszłym górnym etapie. Technologia jego wykorzystania pozostaje jednak w planach.
Po RD0410
Odkrycia w dziedzinie napędu jądrowego znalazły zastosowanie w nowym projekcie. W 1992 roku kilka rosyjskich przedsiębiorstw wspólnie opracowało silnik dwusystemowy z rdzeniem w fazie stałej i płynem roboczym w postaci wodoru. W trybie silnika rakietowego taki produkt powinien wytworzyć ciąg 70 kN z impulsem właściwym 920 s, a tryb energetyczny zapewnia 25 kW mocy elektrycznej. Taki nuklearny silnik napędowy zaproponowano do wykorzystania w projektach międzyplanetarnych statków kosmicznych.
Niestety w tamtym czasie sytuacja nie sprzyjała tworzeniu nowych, śmiałych technologii rakietowych i kosmicznych, dlatego druga wersja nuklearnego silnika rakietowego pozostała na papierze. O ile nam wiadomo, krajowe przedsiębiorstwa w dalszym ciągu wykazują pewne zainteresowanie tematyką napędu jądrowego, jednak realizacja takich projektów nie wydaje się jeszcze możliwa ani celowa. Należy jednak zauważyć, że w ramach poprzednich projektów radzieccy i rosyjscy naukowcy i inżynierowie byli w stanie zgromadzić znaczną ilość informacji i zdobyć istotne doświadczenie. Oznacza to, że gdy w naszym kraju pojawi się potrzeba i odpowiedni porządek, będzie można stworzyć nowy nuklearny układ napędowy, podobny do testowanego w przeszłości.
Według materiałów:
http://kbkha.ru/
https://popmech.ru/
http://cosmoworld.ru/
http://tehnoomsk.ru/
Akimov V.N., Koroteev A.S., Gafarov A.A. i inne.Centrum Badawcze imienia M.V. Keldysha. 1933-2003: 70 lat w czołówce technologii rakietowych i kosmicznych. – M: „Inżynieria mechaniczna”, 2003.
Propozycje i projekty
Już w latach pięćdziesiątych, na kilka lat przed wystrzeleniem pierwszego satelity i załogowego statku kosmicznego, zidentyfikowano perspektywy rozwoju silników rakietowych wykorzystujących paliwo chemiczne. To ostatnie umożliwiło uzyskanie bardzo wysokich parametrów, jednak wzrost parametrów nie mógł być nieograniczony. W przyszłości silniki musiały „uderzyć w sufit” swoich możliwości. W związku z tym potrzebne były zasadniczo nowe rozwiązania dla dalszego rozwoju systemów rakietowych i kosmicznych.
Zbudowany, ale nie testowany YARD typu RD0410
W 1955 r. Akademik M.V. Keldysh podjął inicjatywę stworzenia silnika rakietowego specjalnej konstrukcji, w którym źródłem energii byłby reaktor jądrowy. Opracowanie tego pomysłu powierzono Instytutowi Badawczemu-1 Ministerstwa. lotnictwo przemysł; Kierownikiem pracy został V.M. Ievlev. W możliwie najkrótszym czasie eksperci przepracowali główne kwestie i zaproponowali dwie opcje obiecującego nuklearnego układu napędowego o najlepszych właściwościach.
Pierwsza opcja silnika, oznaczona jako „Schemat A”, przewidywała zastosowanie reaktora w fazie stałej i stałych powierzchni wymiany ciepła. Drugi wariant, „Schemat B”, przewidywał zastosowanie reaktora ze strefą aktywną w fazie gazowej – materiał rozszczepialny musiał znajdować się w stanie plazmowym, a energia cieplna przekazywana była do płynu roboczego poprzez promieniowanie. Eksperci porównali oba schematy i uznali opcję „A” za bardziej skuteczną. Następnie to on był najaktywniej pracował, a nawet osiągnął pełne testy.
Równolegle z poszukiwaniem optymalnych projektów silników o napędzie jądrowym badano problematykę stworzenia bazy naukowej, produkcyjnej i badawczej. Tak więc w 1957 r. V.M. Ievlev zaproponował nową koncepcję testowania i rozwoju. Wszystkie główne elementy projektu należało przetestować na różnych stanowiskach i dopiero potem można było je złożyć w jedną konstrukcję. W przypadku „Schematu A” podejście to zakładało utworzenie pełnowymiarowych reaktorów do testów.
W 1958 r. ukazała się szczegółowa uchwała Rady Ministrów, która określiła kierunek dalszych prac. M.V. został wyznaczony jako odpowiedzialny za rozwój silników o napędzie atomowym. Keldysh, I.V. Kurczatow i S.P. Korolow. W NII-1 utworzono specjalny wydział, na którego czele stał V.M. Ievleva, który musiał zmierzyć się z nowym kierunkiem. W prace zaangażowanych było także kilkadziesiąt organizacji naukowych i projektowych. Zaplanowano udział Ministerstwa Obrony Narodowej. Ustalono harmonogram prac i inne niuanse rozbudowanego programu.
Następnie wszyscy uczestnicy projektu aktywnie współdziałali w ten czy inny sposób. Ponadto w latach sześćdziesiątych dwukrotnie odbyły się konferencje poświęcone wyłącznie tematyce napędu jądrowego i zagadnieniom z nią związanym.
Baza testowa
W ramach programu rozwoju silników jądrowych zaproponowano zastosowanie nowego podejścia do testowania i testowania niezbędnych jednostek. Jednocześnie eksperci stanęli przed poważnym problemem. Testowanie niektórych produktów musiało odbywać się w reaktorze jądrowym, ale przeprowadzenie takich działań było niezwykle trudne lub wręcz niemożliwe. Testy mogły być utrudnione ze względu na trudności ekonomiczne, organizacyjne lub środowiskowe.
Schemat montażu paliwa dla IR-100
W związku z tym opracowano nowe metody testowania produktów bez użycia reaktorów jądrowych. Kontrole takie podzielono na trzy etapy. Pierwsza polegała na badaniu procesów zachodzących w reaktorze za pomocą modeli. Następnie reaktor lub elementy silnika musiały zostać poddane mechanicznym i hydraulicznym testom „na zimno”. Dopiero potem należy przetestować komponenty w warunkach wysokiej temperatury. Po oddzielnym przetestowaniu na stanowiskach wszystkich elementów jądrowego silnika napędowego można było przystąpić do montażu pełnoprawnego eksperymentalnego reaktora lub silnika.
Aby przeprowadzić trzyetapowe testowanie jednostek, kilka przedsiębiorstw opracowało i zbudowało różne stanowiska. Szczególnie interesująca jest technologia badań w wysokiej temperaturze. W trakcie jego rozwoju konieczne było stworzenie nowych technologii ogrzewania gazów. W latach 1959-1972 w NII-1 opracowano szereg plazmatronów dużej mocy, które zapewniały ogrzewanie gazów do temperatury 3000°K i umożliwiały przeprowadzanie testów wysokotemperaturowych.
Specjalnie do testowania „Schematu B” trzeba było opracować jeszcze bardziej złożone urządzenia. Do takich zadań potrzebny był plazmatron o ciśnieniu wyjściowym setek atmosfer i temperaturze 10-15 tysięcy stopni K. Pod koniec lat sześćdziesiątych pojawiła się technologia ogrzewania gazu oparta na jego oddziaływaniu z wiązkami elektronów, co umożliwiło możliwe uzyskanie wymaganych właściwości.
Uchwała Rady Ministrów przewidywała budowę nowego obiektu na poligonie w Semipałatyńsku. Tam konieczna była budowa stanowiska badawczego i reaktora doświadczalnego do dalszych badań zespołów paliwowych i innych elementów jądrowego silnika napędowego. Wszystkie główne konstrukcje zostały zbudowane do 1961 roku i wtedy nastąpiło pierwsze uruchomienie reaktora. Następnie sprzęt badawczy był kilkukrotnie udoskonalany i udoskonalany. Dla reaktora i personelu przeznaczono kilka podziemnych bunkrów z niezbędną ochroną.
W rzeczywistości projekt obiecującego silnika o napędzie jądrowym był jednym z najodważniejszych przedsięwzięć swoich czasów i dlatego doprowadził do opracowania i zbudowania masy unikalnych urządzeń i przyrządów testowych. Wszystkie te stanowiska pozwoliły nam przeprowadzić wiele eksperymentów i zebrać dużą ilość różnego rodzaju danych, nadających się do opracowania różnorodnych projektów.
„Schemat A”
Pod koniec lat pięćdziesiątych opcję silnika typu „A” uznano za najbardziej udaną i obiecującą. Koncepcja ta proponowała budowę nuklearnego silnika napędowego opartego na reaktorze z wymiennikami ciepła odpowiedzialnymi za ogrzewanie gazowego płynu roboczego. Wypuszczenie tego ostatniego przez dyszę miało wytworzyć wymagany ciąg. Pomimo prostoty koncepcji, realizacja takich pomysłów wiązała się z szeregiem trudności.
Model zespołu paliwowego dla reaktora IR-100
Przede wszystkim pojawił się problem doboru materiałów do budowy rdzenia. Konstrukcja reaktora musiała wytrzymać duże obciążenia termiczne i zachować wymaganą wytrzymałość. Ponadto musiał przepuszczać neutrony termiczne, ale nie tracić wydajności z powodu promieniowania jonizującego. Spodziewano się także nierównomiernego wydzielania ciepła w rdzeniu, co postawiło nowe wymagania w stosunku do jego konstrukcji.
Aby znaleźć rozwiązania i przetestować projekt, w NII-1 zorganizowano specjalny warsztat, którego zadaniem było wykonanie modelowych zespołów paliwowych i innych podstawowych komponentów. Na tym etapie prac badano różne metale i stopy, a także inne materiały. Wolfram, molibden, grafit, węgliki wysokotemperaturowe itp. można wykorzystać do produkcji zespołów paliwowych. Prowadzono także poszukiwania powłok ochronnych, które zapobiegną zniszczeniu konstrukcji.
W trakcie eksperymentów znaleziono optymalne materiały do produkcji poszczególnych elementów jądrowego układu napędowego. Ponadto udało się potwierdzić zasadniczą możliwość uzyskania określonego impulsu rzędu 850-900 s. Dało to obiecującemu silnikowi najwyższe osiągi i znaczną przewagę nad chemicznymi układami paliwowymi.
Rdzeń reaktora był cylindrem o długości około 1 mi średnicy 50 mm. Jednocześnie planowano stworzyć 26 wariantów zespołów paliwowych o określonych cechach. Na podstawie wyników kolejnych testów wybrano te najskuteczniejsze i najskuteczniejsze. Stwierdzona konstrukcja zespołu paliwowego przewidywała zastosowanie dwóch kompozycji paliwowych. Pierwszą była mieszanina uranu-235 (90%) z niobem lub węglikiem cyrkonu. Mieszankę tę uformowano w postaci czterobelkowego skręconego pręta o długości 100 mm i średnicy 2,2 mm. Druga kompozycja składała się z uranu i grafitu; wykonano go w formie sześciokątnych pryzmatów o długości 100-200 mm z kanałem wewnętrznym o średnicy 1 mm, które posiadały okładzinę. Pręty i pryzmaty umieszczono w szczelnej, żaroodpornej metalowej obudowie.
Testowanie zespołów i elementów na poligonie w Semipałatyńsku rozpoczęło się w 1962 roku. W ciągu dwóch lat pracy odbyło się 41 uruchomień reaktorów. Przede wszystkim udało nam się znaleźć najskuteczniejszą opcję dla zawartości rdzenia. Potwierdzono również wszystkie główne rozwiązania i cechy. W szczególności wszystkie elementy reaktora poradziły sobie z obciążeniami termicznymi i radiacyjnymi. Tym samym stwierdzono, że opracowany reaktor jest w stanie sprostać swojemu głównemu zadaniu – ogrzaniu gazowego wodoru do temperatury 3000-3100°K przy zadanym natężeniu przepływu. Wszystko to umożliwiło rozpoczęcie opracowywania pełnoprawnego nuklearnego silnika rakietowego.
11B91 na „Bajkale”
Na początku lat sześćdziesiątych rozpoczęto prace nad stworzeniem pełnoprawnego nuklearnego silnika napędowego w oparciu o istniejące produkty i rozwiązania. Przede wszystkim NII-1 badał możliwość stworzenia całej rodziny silników rakietowych o różnych parametrach, nadających się do zastosowania w różnych projektach rakietowych. Z tej rodziny jako pierwszy postanowiono zaprojektować i zbudować silnik o niskim ciągu - 36 kN. Taki produkt mógłby później zostać wykorzystany w obiecującym górnym stopniu, odpowiednim do wysyłania statków kosmicznych na inne ciała niebieskie.
Reaktor IRGIT w trakcie montażu
W 1966 roku NII-1 i Biuro Projektowe Automatyki Chemicznej rozpoczęły wspólne prace nad kształtowaniem wyglądu i konstrukcji przyszłego silnika o napędzie nuklearnym. Wkrótce silnik otrzymał indeksy 11B91 i RD0410. Jego głównym elementem był reaktor o nazwie IR-100. Później reaktorowi nadano nazwę IRGIT („Reaktor badawczy do badań grupowych TVEL”). Początkowo planowano stworzyć dwa różne silniki jądrowe. Pierwszy był produktem eksperymentalnym do testów na poligonie, a drugi modelem lotu. Jednak w 1970 roku oba projekty połączono w celu przeprowadzenia testów terenowych. Następnie KBHA stała się wiodącym twórcą nowego systemu.
Wykorzystując ustalenia z badań wstępnych w dziedzinie napędu jądrowego, a także wykorzystując istniejącą bazę testową, można było szybko określić kształt przyszłego 11B91 i rozpocząć pełnoprawny projekt techniczny.
Jednocześnie utworzono kompleks stanowisk badawczych Bajkał w celu przeprowadzenia przyszłych testów na poligonie. Proponowano przetestowanie nowego silnika w konstrukcji podziemnej z pełnym zestawem zabezpieczeń. Przewidziano środki do zbierania i osadzania gazowego płynu roboczego. Aby uniknąć emisji promieniowania, gaz należało przechowywać w zbiornikach i dopiero potem mógł zostać uwolniony do atmosfery. Ze względu na szczególną złożoność prac budowa kompleksu Bajkał trwała około 15 lat. Jego ostatnie obiekty zostały ukończone po rozpoczęciu testów na pierwszych.
W 1977 roku na terenie kompleksu Bajkał uruchomiono drugie stanowisko dla zakładów pilotażowych, wyposażone w urządzenia do podawania płynu roboczego w postaci wodoru. 17 września zakończyła się fizyczna premiera produktu 11B91. W dniu 27 marca 1978 roku nastąpiło uruchomienie zasilania. W dniach 3 lipca i 11 sierpnia przeprowadzono dwie próby ogniowe przy pełnej pracy produktu jako nuklearnego układu napędowego. W testach tych reaktor stopniowo osiągał moc 24, 33 i 42 MW. Wodór ogrzano do 2630°K. Na początku lat osiemdziesiątych odbyły się testy dwóch kolejnych prototypów. Wykazywały moc do 62-63 MW i podgrzewały gaz do 2500°K.
Projekt RD0410
Na przełomie lat siedemdziesiątych i osiemdziesiątych mówiono o stworzeniu pełnoprawnego nuklearnego silnika napędowego, w pełni nadającego się do montażu na rakietach lub górnych stopniach. Powstał ostateczny projekt takiego produktu, a testy w ośrodku testowym w Semipałatyńsku potwierdziły wszystkie główne cechy konstrukcyjne.
Gotowy silnik RD0410 wyraźnie różnił się od istniejących produktów. Wyróżniał się składem jednostek, układem, a nawet wyglądem, ze względu na odmienną zasadę działania. W rzeczywistości RD0410 został podzielony na kilka głównych bloków: reaktor, środki dostarczające płyn roboczy oraz wymiennik ciepła i dysza. Reaktor kompaktowy zajmował centralne miejsce, a obok niego umieszczono resztę urządzeń. Jądrowy silnik napędowy potrzebował także osobnego zbiornika na ciekły wodór.
Całkowita wysokość produktu RD0410 / 11B91 osiągnęła 3,5 m, maksymalna średnica wynosiła 1,6 m. Masa łącznie z ochroną przed promieniowaniem wynosiła 2 t. Obliczony ciąg silnika w próżni osiągnął 35,2 kN lub 3,59 tf. Impuls właściwy w próżni wynosi 910 kgf·s/kg lub 8927 m/s. Silnik można było włączyć 10 razy. Zasób - 1 godzina Dzięki pewnym modyfikacjom możliwe było w przyszłości zwiększenie charakterystyk do wymaganego poziomu.
Wiadomo, że podgrzany płyn roboczy takiego nuklearnego silnika rakietowego miał ograniczoną radioaktywność. Jednak po testach został on obroniony, a teren, na którym znajdowało się stoisko, musiał zostać zamknięty na jeden dzień. Stosowanie takiego silnika w atmosferze ziemskiej uznano za niebezpieczne. Jednocześnie mógłby być stosowany jako część górnych stopni rozpoczynających pracę poza atmosferą. Po zużyciu takie bloki należy wysłać na orbitę utylizacyjną.
Już w latach sześćdziesiątych pojawił się pomysł stworzenia elektrowni opartej na nuklearnym silniku napędowym. Ogrzany płyn roboczy mógłby być dostarczany do turbiny połączonej z generatorem. Takie elektrownie były interesujące dla dalszego rozwoju astronautyki, ponieważ pozwoliły pozbyć się istniejących problemów i ograniczeń w zakresie wytwarzania energii elektrycznej dla urządzeń pokładowych.
W latach osiemdziesiątych pomysł elektrowni osiągnął fazę projektową. Trwały prace nad projektem takiego produktu w oparciu o silnik RD0410. Do doświadczeń w tym temacie wykorzystano jeden z reaktorów doświadczalnych IR-100/IRGIT, podczas którego zapewniał on pracę generatora o mocy 200 kW.
Nowe środowisko
Główne prace teoretyczne i praktyczne na temat radzieckiego silnika rakietowego o napędzie atomowym z rdzeniem w fazie stałej zakończono w połowie lat osiemdziesiątych. Przemysł mógłby rozpocząć prace nad górnym stopniem lub inną technologią rakietową i kosmiczną dla istniejącego silnika RD0410. Jednak takich prac nie udało się rozpocząć na czas, a wkrótce ich rozpoczęcie stało się niemożliwe.
W tym czasie przemysł kosmiczny nie miał już wystarczających zasobów, aby terminowo wdrożyć wszystkie plany i pomysły. Ponadto wkrótce rozpoczęła się niesławna pierestrojka, kładąc kres wielu propozycjom i zmianom. Reputacja technologii nuklearnej została poważnie nadszarpnięta przez awarię w Czarnobylu. Wreszcie okres ten nie był pozbawiony problemów politycznych. W 1988 roku wstrzymano wszelkie prace nad motywem YARD 11B91 / RD0410.
Według różnych źródeł, przynajmniej do początku XXI wieku, na poligonie Semipałatyńsk nadal pozostawały niektóre obiekty kompleksu Bajkał. Co więcej, na jednym z tzw reaktor doświadczalny był nadal zajęty. KBHA udało się wyprodukować pełnoprawny silnik RD0410, nadający się do montażu na przyszłym górnym etapie. Technologia jego wykorzystania pozostaje jednak w planach.
Po RD0410
Odkrycia w dziedzinie napędu jądrowego znalazły zastosowanie w nowym projekcie. W 1992 roku kilka rosyjskich przedsiębiorstw wspólnie opracowało silnik dwusystemowy z rdzeniem w fazie stałej i płynem roboczym w postaci wodoru. W trybie silnika rakietowego taki produkt powinien wytworzyć ciąg 70 kN z impulsem właściwym 920 s, a tryb energetyczny zapewnia 25 kW mocy elektrycznej. Taki nuklearny silnik napędowy zaproponowano do wykorzystania w projektach międzyplanetarnych statków kosmicznych.
Niestety w tamtym czasie sytuacja nie sprzyjała tworzeniu nowych, śmiałych technologii rakietowych i kosmicznych, dlatego druga wersja nuklearnego silnika rakietowego pozostała na papierze. O ile nam wiadomo, krajowe przedsiębiorstwa w dalszym ciągu wykazują pewne zainteresowanie tematyką napędu jądrowego, jednak realizacja takich projektów nie wydaje się jeszcze możliwa ani celowa. Należy jednak zauważyć, że w ramach poprzednich projektów radzieccy i rosyjscy naukowcy i inżynierowie byli w stanie zgromadzić znaczną ilość informacji i zdobyć istotne doświadczenie. Oznacza to, że gdy w naszym kraju pojawi się potrzeba i odpowiedni porządek, będzie można stworzyć nowy nuklearny układ napędowy, podobny do testowanego w przeszłości.
Według materiałów:
http://kbkha.ru/
https://popmech.ru/
http://cosmoworld.ru/
http://tehnoomsk.ru/
Akimov V.N., Koroteev A.S., Gafarov A.A. i inne.Centrum Badawcze imienia M.V. Keldysha. 1933-2003: 70 lat w czołówce technologii rakietowych i kosmicznych. – M: „Inżynieria mechaniczna”, 2003.
- Ryabov Kirill
- Centrum badawcze nazwane na cześć M. V. Keldysha, KB Khimavtomatiki / kbkha.ru
informacja