Ядерный ракетный двигатель на гомогенном растворе солей ядерного топлива

Ядерный ракетный двигатель на гомогенном растворе солей ядерного топлива

Ядерный ракетный двигатель на гомогенном растворе солей ядерного топлива (англ. nuclear salt water rocket ) — тип конструкции ЯРД, предложенный в 1991 г. американским инженером Робертом Зубриным (Robert Zubrin).

Содержание

• 1 Устройство двигателя
• 2 Преимущества и недостатки конструкции
• 3 Источники
• 4 См. также

Устройство двигателя [ править ]

В большинстве схем с ЯРД ядерное топливо обеспечивает нагрев рабочего тела, пропускаемого через реактор той или иной конструкции: смешивание их считается нежелательным. В предложенной Зубриным концепции ядерное топливо, по сути, одновременно играет и роль рабочего тела, выбрасываемого из сопла двигателя. Таким топливом служит водный раствор тетрабромида урана, обогащенного до 20 % по изотопу U-235. Концентрация этой соли в водном растворе может достигать 30 %. Для такого раствора (в случае одной ёмкости хранения) критическая масса составит несколько десятков килограммов. Для предотвращения начала цепной реакции в емкостях последние должны быть выполнены из материалов, поглощающих нейтроны, соответствующей геометрии- например, в виде тонких труб из карбида бора. Устройство собственно двигателя выглядит следующим образом. Топливо из емкостей хранения подаётся в реакционную камеру в таком количестве и с такой скоростью, чтобы цепная реакция (начавшись в камере), достигала своего максимума вблизи окончания корпуса двигателя (соответственно, корабля). В сущности, непосредственно за соплом двигателя создаётся область постоянного «ядерного горения» или «медленного ядерного взрыва». Высокая температура в зоне реакции испаряет воду рабочего тела и создаёт тягу выхлопом высокотемпературного газа.

Преимущества и недостатки конструкции [ править ]

Данный тип ЯРД имеет ряд преимуществ по сравнению с реакторными ЯРД. В последних нагрев рабочего тела (а соответственно, и удельный импульс) ограничен факторами температурной и механической прочности элементов реактора. Соответственно, лишь небольшая часть энергии, производимой ядерным топливом в активной зоне передаётся рабочему телу.

В ЯРД Зубрина коэффициент использования энергии ядерного распада значительно выше — поскольку ядерное топливо и рабочее тело объединены. При реакции они полностью выбрасываются из корабля. А принцип выноса зоны реакции из корпуса двигателя позволяет снять ограничение температурных режимов реактора, и достигать значительно больших температур и давлений. Так, по некоторым расчетам, при эффективности выгорания ядерного топлива 0.8,скорость истечения рабочего тела для такого ЯРД составит 66,000 м/с, удельный импульс 6,730 секунд, мощность двигателя — 427 ГВт, тяга 12,7 меганьютон, тяговооруженность = 40, масса двигателя 33 метрических тонны.

Уникальной характеристикой ЯРД Зубрина является также сочетание высокого значения удельного импульса и большой общей тяги (развиваемое ускорение может составить несколько g). Помимо ядерно-импульсного «взрыволёта» типа Орион, никакая другая схема ракетного двигателя, известная на настоящее время, не обладает такой характеристикой.

К недостаткам конструкции можно отнести расточительный расход ядерного топлива, высокие требования к конструкционным материалам сопла, высокорадиоактивный факел двигателя и сложность управления реактором.

Абитуриент 2021: Ракетный двигатель – сердце ракеты

В большей степени, именно от двигателя зависит успех или неудача конкретной миссии. Ракетный двигатель – технически сложный агрегат, для проектирования которого требуется большое количество знаний, а получить эти знания можно на кафедре двигателей летательных аппаратов Аэрокосмического факультета Политехнического института.

На кафедре реализуются образовательные программы специалитета 24.05.02 Проектирование авиационных и ракетных двигателей (специализация «Проектирование жидкостных ракетных двигателей») и 17.05.01 Боеприпасы и взрыватели (специализация «Технология производства, снаряжения и испытаний боеприпасов»)

В 2021 году по этим направлениям выделено 48 бюджетных мест. Для поступления необходимо сдать математику профильную (ЕГЭ), русский язык (ЕГЭ), информатику (ЕГЭ) или физику (ЕГЭ). Для поступления в магистратуру необходимо сдать экзамен магистра.

Студенты, имеющие высокие баллы ЕГЭ и высокие результаты сессии, могут получить дополнительные профессиональные навыки, посещая мастер-классы, факультативы, узкоспециализированные семинары работодателей. При этом создается индивидуальная траектория обучения, формируются дополнительные компетенции, которые развивают умения решать нестандартные задачи с помощью междисциплинарного подхода.

Об обучении по специальности 24.05.02 «Проектирование авиационных и ракетных двигателей» поделился выпускник кафедры Евгений Сафонов, теперь декан факультета машиностроения ФГБОУ ВО «Московский политехнический университет»:

«Каждый из нас в детстве, вглядываясь в ночное небо и наблюдая мириады звезд, ощущал бесконечность пространства и скрытые тайны. Именно в детстве мы больше всего открыты миру и космосу и больше всего задаем вопросов: “А как попасть на Луну? А далеко звезды и солнце?”. Именно захватывающий дух приключений, бескрайности и таинственности вел меня в жизни при выборе будущей профессии и специальности, которая обязательно должна была быть связана с покорением космоса. Я однозначно решил стать инженером-конструктором двигателей летательных аппаратов, потому что это единственное, что позволяет сделать ближе звезды и преодолеть пространство. Двигатель – это самое сложное устройство летательного аппарата и в нем сосредоточены самые передовые технологии конструирования и изготовления. От надежности двигателя зависит успех всей космической экспедиции. Двигатель – это сердце летательного аппарата, в котором преобразуются физические среды в огромные потоки энергии газов, где температуры достигают значений, превышающих температур плавления металлов. Именно такие уникальные знания я приобрел, обучаясь на кафедре «Двигатели летательных аппаратов». Благодаря моим преподавателям и наставникам, я научился системно решать сложные комплексные технические задачи, сочетающие в себе теплофизику, гидрогазодинамику и управление. Умение неординарно мыслить – это самое главное качество выпускника Аэрокосмического факультета, которое развили во мне мои преподаватели. Они заложили в меня постоянную тягу к новым знаниям и сформировали навыки настоящего инженера, способного решать практически любые задачи в современном авиакосмическом, атомном и транспортном машиностроении».

Кафедра тесно сотрудничаем с другими вузами, такими как ФГБОУ ВО МГТУ им. Н. Э. Баумана (г. Москва), ФГБОУ ВО ИжГТУ им. М. Т. Калашникова (г. Ижевск).

Студенты кафедры активно участвуют в конференциях, фестивалях, форумах, проводимых вузами страны. Только в 2020 году студенты выступили на конференциях: «Калашниковские чтения», ИжГТУ (г. Ижевск), «Молодежь. Техника. Космос», БГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова (г. Санкт-Петербург), «Прикладная математика и информатика: современные исследования в области естественных и технических наук» (г. Тольятти), «Гагаринские чтения» (г. Москва).

Студенты кафедры востребованы на предприятиях: ПАО «РКК «Энергия» имени С.П. Королёва» (г. Королев); ФГУП ОКБ «Факел» (г. Калининград); АО ГосМКБ «Радуга» им. А.Я. Березняка» (г. Дубна); АО «НПО Энергомаш им. В.П. Глушко» (г. Химки); АО «ГРЦ Макеева» (г. Миасс); АО «НИИМаш» (г. Н. Салда); АО «Опытное конструкторское бюро «НОВАТОР» (г. Екатеринбург); РФЯЦ–ВНИИТФ (г. Снежинск); ОАО Авиакомпания «Уральские авиалинии», ООО «СТАНКОМАШ; АО «Завод «СИГНАЛ.

Путь к звездам лежит через правильный выбор будущей специальности, которая обязательно должна быть связана с разработкой и производством летательных аппаратов и двигателей к ним.

Как работают ракетные двигатели?

Освоение космоса — самое удивительное из мероприятий, когда-либо проводимых человечеством. И большую часть удивления составляет сложность. Освоение космоса осложняется массой проблем, которые нужно решить и преодолеть. Например, безвоздушное пространство, проблема с температурой, проблема повторного входа в атмосферу, орбитальная механика, микрометеориты и космический мусор, космическая и солнечная радиация, логистика в условиях невесомости и другое. Но самая сложная проблема — это просто оторвать космический корабль от земли. Здесь не обойтись без ракетного двигателя, поэтому в этой статье мы рассмотрим именно это изобретение человечества.

С одной стороны, ракетные двигатели настолько просто устроены, что за небольшую копейку вы сможете построить ракету самостоятельно. С другой стороны, ракетные двигатели (и их топливные системы) настолько сложны, что доставкой людей на орбиту, по сути, занимаются только три страны мира.

Когда люди задумываются о двигателе или моторе, они думают о вращении. К примеру, бензиновый двигатель автомобиля производит энергию вращения, чтобы двигать колеса. Электродвигатель производит энергию вращения для движения вентилятора или диска. Паровой двигатель делает то же самое, чтобы вращать паровую турбину.

Ракетные двигатели принципиально отличаются. Ракетные двигатели — это реактивные двигатели. Основной принцип движения ракетного двигателя — это знаменитый принцип Ньютона, «на каждое действие есть равное противодействие». Ракетный двигатель выбрасывает массу в одном направлении, а благодаря принципу Ньютона движется в противоположном направлении.

Понятие «выбрасывания массы и движения по принципу Ньютона» может быть сложно понять с первого раза, потому что ничего не разобрать. Ракетные двигатели, кажется, работают с огнем, шумом и давлением, а не «толкают вещи». Давайте рассмотрим несколько примеров, чтобы получить более полную картину реальности.

Если вы когда-нибудь стреляли из оружия, желательно из дробовика 12-го калибра, то вы знаете, что такое отдача. Когда вы стреляете из оружия, оно отдает вам в плечо, достаточно ощутимо. Этот толчок и есть реакция. Дробовик выпуливает около 30 грамм металла в одном направлении со скоростью больше 1000 км/ч, и ваше плечо чувствует отдачу. Если бы вы стояли на скейтборде или были в роликах, то выстрел из дробовика сработал бы как реактивный двигатель, и вы покатились бы в противоположном направлении.

Если вы когда-либо наблюдали за работой пожарного шлага, вы наверняка заметили, что его достаточно сложно удержать (иногда пожарные вдвоем и втроем его держат). Шланг работает как ракетный двигатель. Он выбрасывает воду в одном направлении, а пожарные используют свою силу, чтобы противостоять реакции. Если они упустят рукав, он будет метаться повсюду. Если бы пожарные стоял на скейтбордах, пожарный рукав разогнал бы их до приличной скорости.

Когда вы надуваете воздушный шарик и выпускаете его, он летает по всей комнате, испуская воздух, — так работает ракетный двигатель. В данном случае вы выпускаете молекулы воздуха из шара. Многие считают, что молекулы воздуха ничего не весят, но это не так. Когда вы выпускаете их из шарика, шарик летит в противоположном направлении.

Еще один сценарий, который поможет объяснить действие и противодействие, — это космический бейсбол. Представьте, что вы вышли в скафандре в космос недалеко от своего космического судна, и у вас в руке бейсбольный мяч. Если вы его бросите, ваше тело среагирует в противоположном направлении от мяча. Допустим, он весит 450 гр, а ваше тело вместе со скафандром весит 45 кг. Вы бросаете бейсбольный мяч весом почти в полкило со скоростью 34 км/ч. Таким образом, вы ускоряете полукилограммовый мяч своей рукой так, что он набирает скорость 34 км/ч. Ваше тело реагирует в противоположном направлении, но весит в 100 раз больше мяча. Таким образом, оно принимает одну сотую ускорения мяча, или 0,34 км/ч.

Если вы хотите создать большую тягу от своего бейсбольного мяча, у вас есть два варианта: увеличить его массу или увеличить ускорение. Вы можете бросить мячик потяжелее или бросать мячи один за другим, либо бросить мяч быстрее. Но на этом все.

Ракетный двигатель, как правило, выбрасывает массу в форме газа под высоким давлением. Двигатель выбрасывает массу газа в одном направлении, чтобы получить реактивное движение в противоположном направлении. Масса идет от веса топлива, которое сгорает в двигателе ракеты. Процесс горения ускоряет массы топлива так, что они выходят из сопла ракеты на высокой скорости. Тот факт, что топливо превращается из твердого тела или жидкости в процессе сгорания, никак не меняет его массу. Если вы сожжете килограмм ракетного топлива, вы получите килограмм выхлопа в виде горячих газов на высокой скорости. Процесс сжигания ускоряет массу.

«Сила» ракетного двигателя называется тягой. Тяга измеряется в ньютонах в метрической системе и «фунтах тяги» в США (4,45 ньютона тяги эквивалентны одному фунту тяги). Фунт тяги — это количество тяги, необходимое для удержания 1-фунтового объекта (0,454 кг) неподвижным относительно силы тяжести Земли. Ускорение земной гравитации составляет 9,8 м/с².

Одной из забавных проблем ракет является то, что топливный вес, как правило, в 36 раз больше полезной нагрузки. Потому что помимо того, что двигателю нужно поднимать вес, этот же вес и способствует собственному подъему. Чтобы вывести крошечного человека в космос, нужна огромная ракета и много-много топлива.

Обычная скорость для химических ракет составляет от 8000 до 16 000 км/ч. Топливо горит около двух минут и вырабатывает 3,3 миллиона фунтов тяги на старте. Три основных двигателя космического шаттла, например, сжигают топливо в течение восьми минут и вырабатывают около 375 000 фунтов тяги каждый в процессе горения.

Далее мы рассмотрим топливные смеси твердотопливных ракет.

Твердотопливные ракеты: топливная смесь

Ракетные двигатели на твердом топливе — это первые двигатели, созданные человеком. Они были изобретены сотни лет назад в Китае и используются до сих пор. О красных бликах ракет поется в национальном гимне (написанном в начале 1800-х) — имеются в виду небольшие боевые ракеты на твердом топливе, используемые для доставки бомб или зажигательных устройств. Как видите, такие ракеты существуют уже давненько.

Идея, которая лежит в основе ракеты на твердом топливе, довольно проста. Вам нужно создать нечто, что будет быстро гореть, но не взрываться. Как вы знаете, порох не подходит. Оружейный порох на 75 % состоит из нитрата (селитры), 15 % угля и 10 % серы. В ракетном двигателе взрывы не нужны — нужно, чтобы топливо горело. Можно изменить смесь до 72 % нитрата, 24 % угля и 4 % серы. Вместо пороха вы получите ракетное топливо. Эта смесь будет быстро гореть, но не взорвется, если правильно ее загрузить. Вот типичная схема:

Твердотопливные ракеты: конфигурации

Читая описание для современных твердотопливных ракет, часто можно найти вот такое:

«Ракетное топливо состоит из перхлората аммония (окислитель, 69,6 % по весу), алюминия (топливо, 16 %), оксида железа (катализатор, 0,4 %), полимера (связующей смеси, удерживающей топливо вместе, 12,04 %) и эпоксидный отверждающий агент (1,96 %). Перфорация выполнена в форме 11-конечной звезды в переднем сегменте двигателя и в форме дважды усеченного конуса в каждом из остальных сегментов, включая конечный. Такая конфигурация обеспечивает высокую тягу при розжиге, а затем уменьшает тягу примерно на треть спустя 50 секунд после старта, предотвращая перенапряжение аппарата во время максимального динамического давления». — NASA

Здесь объясняется не только состав топлива, но и форма канала, пробуренного в центре топлива. «Перфорация в виде 11-конечной звезды» может выглядеть вот так:

Твердотопливные двигатели обладают тремя важными преимуществами:

• простота
• низкая стоимость
• безопасность

Но есть и два недостатка:

• тягу невозможно контролировать
• после зажигания двигатель нельзя отключить или запустить повторно

Недостатки означают, что твердотопливные ракеты полезны для непродолжительных задач (ракеты) или систем ускорения. Если вам понадобится управлять двигателем, вам придется обратиться к системе жидкого топлива.

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»).

Будущее ракетных двигателей

Мы привыкли видеть химические ракетные двигатели, которые сжигают топливо для производства тяги. Но есть масса других способов для получения тяги. Любая система, которая способна толкать массу. Если вы хотите ускорить бейсбольный мячик до невероятной скорости, вам нужен жизнеспособный ракетный двигатель. Единственная проблема при таком подходе — это выхлоп, который будет тянуться через пространство. Именно эта небольшая проблема приводит к тому, что ракетные инженеры предпочитают газы горящим продуктам.

Многие ракетные двигатели крайне малы. К примеру, двигатели ориентации на спутниках вообще не создают большую тягу. Иногда на спутниках практически не используется топливо — газообразный азот под давлением выбрасывается из резервуара через сопло.

Новые конструкции должны найти способ ускорить ионы или атомные частицы до высокой скорости, чтобы сделать тягу более эффективной. А пока будем пытаться делать электромагнитные двигатели и ждать, что там еще выкинет Элон Маск со своим SpaceX.

Атомный ракетный двигатель принцип работы

Продается самоходный плашкоут «Славянка»

Итоговый обзор новостей от 28 августа 2021 года

17:46 27.08.2021 1545 0

ДЭПЛ «Магадан» завершила госиспытания

17:26 27.08.2021 434 1

На камбузе атомного ледокола «Сибирь» испекли первый хлеб

16:49 27.08.2021 42 0

Зеленский выступил за усиление присутствия сил НАТО в регионе Черного моря

16:37 27.08.2021 92 0

Силы поисково-спасательного обеспечения Северного флота вышли в море для проведения учения

16:01 27.08.2021 232 0

31 августа на борту ледокола «Красин» состоится акция «Благовест в честь Братства северных конвоев»

15:48 27.08.2021 145 0

ZALA Aero может вывести на внешний рынок перспективный морской ударный беспилотник

15:02 27.08.2021 103 0

Каспийская флотилия готова к открытию военно-технического форума «Армия-2021» в Астрахани и Каспийске

14:05 27.08.2021 49 0

Изменение климата требует срочного завершения строительства омского гидроузла

13:41 27.08.2021 120 0

В Кронштадте состоялся динамический показ возможностей кораблей Балтийского флота

13:18 27.08.2021 233 0

Совместные исследования Северного флота и РГО в Арктике продолжатся

«Неустрашимый» вернётся в строй

12:26 27.08.2021 114 0

80-летие прихода союзного конвоя «Дервиш» в Архангельске отметят военно-морским парадом

12:06 27.08.2021 97 0

Авиационная система ухода от столкновения будет приспособлена для кораблей

11:58 27.08.2021 88 0

Суда Северного речного пароходства доставят генгрузы в Тикси

11:13 27.08.2021 52 0

«Ямалкоммунэнерго» доставила для котельных и электростанций 34 тыс. тонн дизтоплива

10:54 27.08.2021 88 0

Росморпорт проведет аукцион на ремонт разъездного теплохода «Восток»

ПСЗ «Янтарь» заложит арктический спасатель ледового класса — гендиректор

10:17 27.08.2021 114 0

Судоремонтный завод Приморья начнёт изготавливать оборудование для нефтегазовых проектов

Вакансии

«Онежский судостроительно-судоремонтный завод» приглашает на ярмарку вакансий

На 10 СРЗ требуется старший строитель кораблей

В Центре судоремонта «Дальзавод» открыта вакансия «Заточник»

Корабел.ру приглашает на работу менеджера по продажам

09:21 25.08.2021 95 0

На «Выборгский судостроительный завод» требуется электросварщик

Фрегат «Адмирал Головко» выйдет на ходовые испытания в середине 2022 года, ледокол «Сибирь» сдадут в этом году, «Неустрашимый» вернется в строй, на «Зеленодольском заводе им. А.М. Горького» спустили на воду два судна проекта BLV03, на «Адмиралтейских верфях» заложили две подводные лодки для Тихоокеанского флота России, два новых корвета заложены на Амурском судостроительном заводе, судно тылового обеспечения «Всеволод Бобров» передали ВМФ — эти и другие события и новости судостроения и судоходства в обзоре новостей недели Корабел.ру

Продолжаем рассказывать о том, как в морской промышленности современные специалисты пришли к тому, что соцсети — важный инструмент для поддержания репутации, информирования партнеров и даже система для поиска кадров.

Грузоподъемные краны – неотъемлемая часть практически любого современного судна. Технологичные передвижные конструкции позволяют осуществлять целый ряд операций на самых разных типах судов – от рыбопромысловых до научно-исследовательских. Производством и поставкой такого оборудования занимается «Всеволожский Крановый Завод», находящийся на территории Ленинградской области.

Блоги

0 28.08.2021

Фрегат «Адмирал Головко» выйдет на ходовые испытания в середине 2022 года, ледокол «Сибирь» сдадут в этом году, «Неустрашимый» вернется в строй, на «Зеленодольском заводе им. А.М. Горького» спустили на воду два судна проекта BLV03, на «Адмиралтейских верфях» заложили две подводные лодки для Тихоокеанского флота России, два новых корвета заложены на Амурском судостроительном заводе, судно тылового обеспечения «Всеволод Бобров» передали ВМФ — эти и другие события и новости судостроения и судоходства в обзоре новостей недели Корабел.ру

0 27.08.2021

В кооперации с глобальными игроками судоходного рынка — MSC, MAERSK, Oceanfleet, North P&I и другими участниками отрасли Балтийский и международный морской совет разработал оговорку об обращении с AIS. Оговорка разработана в развитие консультативного заключения управления по контролю за иностранными активами США(OFAC), которым судоходной отрасли рекомендовано разработать договорные положения, обеспечивающие недопустимость отключения АИС.

Все о современных средствах навигации

Кто боится искусственного интеллекта?

Цикл материалов о современных средствах навигации и картографии от специалистов «Е-Дата»

Обзор прессы от 27 августа 2021 года: новейшие тральщики станут носителями подводных роботов

Обзор свежей прессы «корабельной» тематики

Бережливое производство в судостроении

Организация потока ремонтно-восстановительных работ стапельных тележек

О том, как в судостроении внедряются принципы бережливого производства, рассказывают заводы ОСК

Рахманов: «Красное Сормово» — жемчужина в ожерелье ОСК». На заводе запустили строительство очередной серии сухогрузов

Материалы корреспондентов портала

Глава ОСК — об импортозамещении, сдаче «Петра Великого» и проблемах с ледоколами

В вахтенном журнале фиксируются основные тезисы российского судостроения и судоходства