Ядерный ракетный двигатель - ракетный двигатель, принцип действия которого основан на ядерной реакции или радиоактивном распаде, при этом выделяется энергия, нагревающая рабочее тело, которым могут служить продукты реакций либо какое-то другое вещество, например водород.
Существует несколько разновидностей ракетных двигателей, использующих вышеописанный принцип действия: ядерный, радиоизотопный, термоядерный. Используя ядерные ракетные двигатели, можно получить значения удельного импульса значительно выше тех, которые могут дать химические ракетные двигатели. Высокое значение удельного импульса объясняется большой скоростью истечения рабочего тела - порядка 8-50 км/с. Сила тяги ядерного двигателя сравнима с показателями химических двигателей, что позволит в будущем заменить все химические двигатели на ядерные.
Основным препятствием на пути полной замены является радиоактивное загрязнение окружающей среды, которое наносят ядерные ракетные двигатели.
Их разделяют на два типа - твердо-и газофазные. В первом типе двигателей делящееся вещество размещается в сборках-стержнях с развитой поверхностью. Это позволяет эффективно нагревать газообразное рабочее тело, обычно в качестве рабочего тела выступает водород. Скорость истечения ограничена максимальной температурой рабочего тела, которая, в свою очередь, напрямую зависит от максимально допустимой температуры элементов конструкции, а она не превышает 3000 К. В газофазных ядерных ракетных двигателях делящееся вещество находится в газообразном состоянии. Его удержание в рабочей зоне осуществляется посредством воздействия электромагнитного поля. Для этого типа ядерных ракетных двигателей элементы конструкции не являются сдерживающим фактором, поэтому скорость истечения рабочего тела может превышать 30 км/с. Могут быть использованы в качестве двигателей первой ступени, невзирая на утечку делящегося вещества.
В 70-х гг. XX в. в США и Советском Союзе активно испытывались ядерные ракетные двигатели с делящимся веществом в твердой фазе. В США разрабатывалась программа по созданию опытного ядерного ракетного двигателя в рамках программы NERVA.
Американцами был разработан графитовый реактор, охлаждаемый жидким водородом, который нагревался, испарялся и выбрасывался через ракетное сопло. Выбор графита был обусловлен его температурной стойкостью. По этому проекту удельный импульс полученного двигателя должен был вдвое превышать соответствующий показатель, характерный для химических двигателей, при тяге в 1100 кН. Реактор Nerva должен был работать в составе третьей ступени ракеты-носителя «Сатурн V», но в связи с закрытием лунной программы и отсутствием других задач для ракетных двигателей этого класса реактор так и не был опробован на практике.
В настоящее время в стадии теоретической разработки находится газофазный ядерный ракетный двигатель. В газофазном ядерном двигателе подразумевается использовать плутоний, медленно движущаяся газовая струя которого окружена более быстрым потоком охлаждающего водорода. На орбитальных космических станциях МИР и МКС проводились эксперименты, которые могут дать толчок к дальнейшему развитию газофазных двигателей.
На сегодняшний день можно сказать, что Россия немного «заморозила» свои исследования в области ядерных двигательных установок. Работа российских ученых больше ориентирована на разработку и совершенствование базовых узлов и агрегатов ядерных энергодвигательных установок, а также их унификацию. Приоритетным направлением дальнейших исследований в этой области является создание ядерных энергодвигательных установок, способных работать в двух режимах. Первым является режим ядерного ракетного двигателя, а вторым - режим установки генерирующей электроэнергии для питания аппаратуры, установленной на борту космического аппарата.
Сегодня, 29 августа, на военно-воздушной базе в Калифорнии, Штаты, была запущена новейшая секретная американская технология - спутник-шпион Delta IV. Объект представляет из себя самую мощную ракету за всю историю человечества. Ее высота - 71 метр, производительность двигателя - 17 миллионов лошадиных сил, а один запуск монстра обошелся США в один миллион долларов.
Источник: dailymail.co.uk
Америка всегда отличалась особым отношением к всемирный организациям и их масштабным мероприятиям. Поэтому владельцы самой мощной ракеты в мире решили ее запустить именно 29-го августа - в Международный день действий против ядерных испытаний. Забавно то, что Штаты так и не признались, какова цель разработки, постройки и запуска Delta IV.
Источник: dailymail.co.uk
Мужской онлайн-журнал MPORT помнит, что не только у Штатов есть сверх мощное оружие. В мире есть еще много стран, которые тоже могут похвастаться межконтинентальными баллистическими ракетами. Узнай, чего тебе, мирному жителю планеты Земля, стоит пуще всего бояться?
Самая мобильная - Тополь-М
Источник: waronline.com
Производитель - Россия, первый запуск был осуществлен в 1994 году. Стартовая масса - 46 с половиной тонн. Считается основой российского ядерного вооружения.
Самая защищенная - Ярс РС-24
Источник: waronline.com
Производитель - Россия, первый запуск - в 2007 году. Дальность полета - 11 тысяч километров. В отличие от Тополя-М обладает разделяющимися боевыми частями. Помимо боевых блоков, Ярс также несет комплекс средств прорыва противоракетной обороны, что значительно затрудняет противнику ее обнаружение и перехват. Такое нововведение делает РС-24 наиболее удачной боевой ракетой в условиях развертывания глобальной американской системы ПРО. А разместить ее можно даже на железнодорожном вагоне.
Самая тяжелая - Р-36М Сатана
Источник: waronline.com
Первый запуск - 1970 год, масса - 211 тонн, дальность полета - 11 200 - 16 000 километров. Ракетные комплексы, размещенные в шахтах, не могут быть чересчур легкими по определению. Сатана же просто побил рекорд всех тяжеловесов.
Самая точная - Trident II D5
Источник: waronline.com
Производитель - США, первый запуск в 1987 году. Масса - 58 тонн, дальность полета - 11 300 километров. Trident базируется на подводных лодках, и способна с максимально высокой точностью поражать защищенные шахты межконтинентальных баллистических ракет и защищенные командные пункты.
Самая скоростная - Minuteman LGM-30G
Источник: waronline.com
Производитель - США, первый запуск - 1966 год. Масса ракеты - 35 с половиной тонн. Дальность - 13 000 километров. Считается, эта ракета является одной из самых быстрых МБР в мире и может разогнаться до более 24 тысяч километров в час на терминальной фазе полета.
Самая навороченная - MX (LGM-118А) Peacekeeper
Источник: waronline.com
Производитель - США, первый запуск в 1983 году. Масса - 88,44 тонн, дальность полета - 9600 километров. Тяжелая межконтинентальная баллистическая ракета Миротворец - просто воплощение новейших технологий. Например, использования композиционных материалов. Также обладает более высокой точностью попадания, и - что особо характерно - повышенной «живучестью» ракеты в условиях ядерного воздействия.
Самая первая - Р-7
6-го августа 1945 первое ядерное оружие было использовано против японского города Хиросима. Три дня спустя город Нагасаки был подвергнут второму удару, и в настоящее время - последнему в истории человечества. Эти бомбежки попытались оправдать тем, что они прекратили войну с Японией и предотвратили дальнейшие потери миллионов жизней. В общей сложности, две бомбы убили приблизительно 240,000 человек и провозгласили начало новой, атомной эры. С 1945 года до краха Советского Союза в 1991, мир перенес холодную войну и постоянное ожидание возможного ядерного удара между Соединенными Штатами и Советским Союзом. В это время стороны построили тысячи единиц ядерного оружия, от маленьких бомб и крылатых ракет, к крупным межконтинентальным баллистическим боеголовкам (ICBM) и Морских баллистических ракет (SLBM). Великобритания, Франция и Китай добавили к этому запасу вооружения свои собственные ядерные арсеналы. Сегодня, страх перед ядерным уничтожением значительно меньше, чем в 1970-х, но несколько стран все еще обладают большим арсеналом этого разрушительного оружия.
Несмотря на соглашения, нацеленные на ограничение числа ракет, ядерные державы продолжают развивать и улучшать их запасы и способы доставки. Успехи в разработке систем противоракетной защиты заставил некоторые страны увеличивать развитие новых и более эффективных ракет. Появилась угроза новой гонки вооружений между мировыми супердержавами. Этот список содержит десять самых разрушительных ядерных ракетных систем, находящихся в настоящее время на обслуживании в мире. Точность, диапазон, число боеголовок, мощность боеголовки и подвижность - факторы, которые делают эти системы настолько разрушительными и опасными. Этот список представлен без определенного порядка, потому что эти ядерные ракеты не всегда разделяют ту же самую задачу или цель. Одна ракета может быть разработана, чтобы разрушить город, в то время как другой тип может быть разработан, чтобы разрушить вражеские ракетные бункеры. Кроме того, этот список не включает ракеты, в настоящее время испытываемые, или не официально развернутые. Таким образом, ракетные системы Agni-V в Индии и JL-2 в Китае, тестируемые шаг за шагом и готовые к эксплуатации в этом году, не включены. Иерихон III Израиля также не учтен, поскольку об этой ракете вообще мало что известно. Важно иметь в виду, читая этот список, что размер бомб Хиросимы и Нагасаки был эквивалентен 16 килотоннам (x1000) и 21 килотонне TNT соответственно.
M51, Франция
После Соединенных Штатов и России, Франция развертывает третий по величине ядерный арсенал в мире. В дополнение к ядерным бомбам и крылатым ракетам, Франция полагается на свои SLBM, как основное ядерное средство устрашения. Ракета M51 - самый современный компонент. Она поступила в эксплуатацию в 2010 и в настоящее время устанавливается на классе субмарин Triomphant. Ракета имеет диапазон приблизительно 10,000 км и способна к переносу 6 - 10 боеголовок на 100 кт. Круговое вероятное отклонение (CEP) ракеты отмечено между 150 и 200 метрами. Это значит, что у боеголовки есть 50%-я вероятность нанесения удара в пределах 150-200 метров от цели. M51 оснащена множеством систем, которые существенно усложняют попытки перехвата боеголовок.
DF-31/31A, Китай
Dong Feng 31 является дорожно-мобильной и бункерной межконтинентальной системой серии МБР, развернутой Китаем с 2006. Оригинальная модель этой ракеты несла большую боеголовку на 1 мегатонну и имела диапазон 8,000 км. Вероятное отклонение ракеты - 300 м. Улучшенный 31 А имеет три боеголовки на 150 кт и способен преодолеть расстояние в 11,000 км, с вероятным отклонением в 150 м. Дополнительный факт, что эти ракеты могут быть перемещены и запущены с мобильного ракето-носителя, что делает их еще более опасными.
Тополь-М, Россия
Известный как SS-27 по классификации НАТО, Тополь-М был введен в использование Россией в 1997 году. Межконтинентальная ракета базируется в бункерах, но несколько Тополей также мобильны. В настоящее время ракета вооружена единственной боеголовкой на 800 кт, но может быть оборудована максимум шестью боеголовками и ложными целями. С максимальной скоростью 7.3 км в секунду, относительно плоской траекторией полета и вероятным отклонением приблизительно в 200 м, Тополь-М - очень эффективная ядерная ракета, которую трудно остановить в полете. Трудность прослеживания мобильных единиц делает его более эффективной системой оружия, достойной этого списка.
РС-24 Ярс, Россия
Планы Администрации Буша развить сеть противоракетной обороны в Восточной Европе разозлили лидеров в Кремле. Несмотря на заявление, что экран для защиты от внешних ударных воздействий предназначается не против России, российские лидеры рассмотрели его, как угрозу собственной безопасности и решили разработать новую баллистическую ракету. Результатом было развитие РС-24 Ярс. Эта ракета тесно связана с Тополь-М, но доставляет четыре боеголовки на 150-300 килотонн и имеет отклонение в 50 м. Обладая многими особенностями Тополя, Ярс может также изменить направление в полете и несет ложные цели, что делает перехват системой противоракетной обороны чрезвычайно трудным.
LGM-30G Minuteman III, США
Это единственная наземная МБР, развернутая США. Впервые развернутый в 1970, LGM-30G Minuteman III должен был быть заменен на MX Peacekeeper. Та программа была отменена, и Пентагон вместо этого потратил $7 миллиардов на обновление и модернизацию существующих 450 Активных систем LGM-30G за прошлое десятилетие. Со скоростью почти 8 км/с и отклонением менее чем 200 м (точное число строго засекречено) старый Minuteman остается грозным ядерным оружием. Первоначально эта ракета доставляла три маленьких боеголовки. Сегодня же, используется единственная боеголовка в 300-475 кт.
РСМ 56 Булава, Россия
Морская баллистическая ракета РСМ 56 Булава находится на вооружении у России. С точки зрения морских ракет Советский Союз и Россия несколько отстали от Соединенных Штатов в эффективности работы и способностях. Чтобы исправить этот недочет, была создана Булава - более свежее дополнение к российскому подводному арсеналу. Ракета была разработана для новой субмарины Борей-класса. После многочисленных неудач во время фазы тестирования, Россия приняла ракету на службу в 2013. Булава в настоящее время оснащается шестью боеголовками на 150 кт, хотя в сообщениях говорится, что она может нести целых 10. Как и большинство современных баллистических ракет, РСМ 56 несет несколько ложных целей, чтобы повысить жизнеспособность перед лицом системы противоракетной обороны. Диапазон составляет приблизительно 8,000 км при полной загрузке, с примерной вероятности отклонения в 300-350 метров.
Р-29РМУ2 Лайнер, Россия
Новейшая разработка в российском вооружении, Лайнер был введен в эксплуатацию с 2014. Ракета - эффективно обновленная версия предыдущей российской БРПЛ (Синева Р-29РМУ2), разработанная, чтобы восполнить проблемы и некоторые недочеты Булавы. Лайнер имеет диапазон 11,000 км и может нести максимум двенадцать боеголовок по 100 кт каждая. Груз боеголовки может быть уменьшен и заменен ложными целями, чтобы улучшить жизнеспособность. Отклонение боеголовки держится в секрете, но, вероятно, схоже с 350 метрами Булавы.
UGM-133 Trident II, США
Текущая БРПЛ американских и британских подводных сил - Трайдент II. Ракета была введена в эксплуатацию с 1990 и была обновлена и модернизирована с тех пор. Полностью оборудованный, Трайдент может нести 14 боеголовок на борту. Позже это число уменьшили, и ракета в настоящее время доставляет 4-5 боеголовок на 475 кт. Максимальный диапазон зависит от груза боеголовок и варьируется между 7800 и 11,000 км. ВМС США потребовали вероятность отклонения не более 120 метров, чтобы ракета была принята на службу. Многочисленные отчеты и военные журналы часто заявляют, что на самом деле отклонение Трайдента превысило это требование на довольно значительный показатель.
DF-5/5A, Китай
По сравнению с другими ракетами в этом списке, китайский DF-5/5A можно считать серой рабочей лошадкой. Ракета не выделяется ни внешностью, ни сложностью, но при этом способна выполнить любую поставленную задачу. DF-5 поступила в эксплуатацию в 1981, как сообщение любым потенциальным врагам, что Китай не планирует превентивных ударов, но накажет любого, кто решится напасть на него. Эта МБР может нести огромную боеголовку на 5 мт и имеет диапазон более чем 12,000 км. У DF-5 отклонение приблизительно в 1 км, что означает, что у ракеты одна цель – уничтожать города. Размер боеголовки, отклонение и факт, что на её полную подготовку к запуску требуется всего час, все это означают, что DF-5 - карательное оружие, предназначенное для наказания любых потенциальных нападающих. Версия 5A имеет увеличенный диапазон, улучшение отклонения на 300 м и способность нести несколько боеголовок.
Р-36М2 «Воевода»
Р-36М2 «Воевода» - ракета, которую на Западе называют не иначе, как Сатана и на это есть весомые причины. Впервые развернутый в 1974, разработанный в Днепропетровске комплекс Р-36 прошел с тех пор много изменений, включая перенос боеголовки. Последняя модификация этой ракеты, Р-36M2 может нести десять боеголовок на 750 кт и имеет диапазон приблизительно 11,000 км. С максимальной скоростью почти 8 км/с и вероятным отклонением в 220 м, Сатана - оружие, которое вызвало большое беспокойство американских военных планировщиков. Беспокойства было бы гораздо больше, если бы советским планировщикам дали зеленый свет, чтобы развернуть одну версию этой ракеты, у которой должно было быть 38 боеголовок на 250 кт. Россия планирует снять с использования все эти ракеты к 2019.
В продолжение, посетите подборку самого мощного оружия в истории, где собраны не только ракеты.
Часто в общеобразовательных публикациях о космонавтике не различают разницу между ядерным ракетным двигателем (ЯРД) и ядерной ракетной электродвигательной установкой (ЯЭДУ). Однако под этими аббревиатурами скрывается не только разница в принципах преобразования ядерной энергии в силу тяги ракеты, но и весьма драматичная история развития космонавтики.
Драматизм истории состоит в том, что если бы остановленные главным образом по экономическим причинам исследования ЯДУ и ЯЭДУ как в СССР, так и в США продолжились, то полёты человека на марс давно бы уже стали обыденным делом.
Всё начиналось с атмосферных летательных аппаратов с прямоточным ядерным двигателем
Конструкторы в США и СССР рассматривали «дышащие» ядерные установки, способные втягивать забортный воздух и разогревать его до колоссальных температур. Вероятно, этот принцип образования тяги был заимствован от прямоточных воздушно-реактивных двигателей, только вместо ракетного топлива использовалась энергия деления атомных ядер диоксида урана 235.В США такой двигатель разрабатывался в рамках проекта Pluto. Американцы сумели создать два прототипа нового двигателя - Tory-IIA и Tory-IIC, на которых даже производились включения реакторов. Мощность установки должна была составить 600 мегаватт.
Двигатели, разработанные в рамках проекта Pluto, планировалось устанавливать на крылатые ракеты, которые в 1950-х годах создавались под обозначением SLAM (Supersonic Low Altitude Missile, сверхзвуковая маловысотная ракета).
В США планировали построить ракету длинной 26,8 метра, диаметром три метра, и массой в 28 тонн. В корпусе ракеты должен был располагаться ядерный боезаряд, а также ядерная двигательная установка, имеющая длину 1,6 метра и диаметр 1,5 метра. На фоне других размеров установка выглядела весьма компактной, что и объясняет её прямоточный принцип работы.
Разработчики полагали, что, благодаря ядерному двигателю, дальность полета ракеты SLAM составит, по меньшей мере, 182 тысячи километров.
В 1964 году министерство обороны США проект закрыло. Официальной причиной послужило то, что в полете крылатая ракета с ядерным двигателем слишком сильно загрязняет все вокруг. Но на самом деле причина состояла в значительных затратах на обслуживание таких ракет, тем более к тому времени бурно развивалось ракетостроение на основе жидкостных реактивных ракетных двигателей, обслуживание которых было значительно дешевле.
СССР оставалась верной идеи создания ЯРД прямоточной конструкции значительно дольше, чем США, закрыв проект только в 1985 году . Но и результаты получились значительно весомее. Так, первый и единственный советский ядерный ракетный двигатель был разработан в конструкторском бюро «Химавтоматика», Воронеж. Это РД-0410 (Индекс ГРАУ - 11Б91, известен также как «Ирбит» и «ИР-100»).
В РД-0410 был применён гетерогенный реактор на тепловых нейтронах, замедлителем служил гидрид циркония, отражатели нейтронов - из бериллия, ядерное топливо - материал на основе карбидов урана и вольфрама, с обогащением по изотопу 235 около 80 %.
Конструкция включала в себя 37 тепловыделяющих сборок, покрытых теплоизоляцией, отделявшей их от замедлителя. Проектом предусматривалось, что поток водорода вначале проходил через отражатель и замедлитель, поддерживая их температуру на уровне комнатной, а затем поступал в активную зону, где охлаждал тепловыделяющие сборки, нагреваясь при этом до 3100 К. На стенде отражатель и замедлитель охлаждались отдельным потоком водорода.
Реактор прошёл значительную серию испытаний, но ни разу не испытывался на полную длительность работы. Однако, вне реакторные узлы были отработаны полностью.
Технические характеристики РД 0410
Тяга в пустоте: 3,59 тс (35,2 кН)
Тепловая мощность реактора: 196 МВт
Удельный импульс тяги в пустоте: 910 кгс·с/кг (8927 м/с)
Число включений: 10
Ресурс работы: 1 час
Компоненты топлива: рабочее тело - жидкий водород, вспомогательное вещество - гептан
Масса с радиационной защитой: 2 тонны
Габариты двигателя: высота 3,5 м, диаметр 1,6 м.
Относительно небольшие габаритные размеры и вес, высокая температура ядерного топлива (3100 K) при эффективной системе охлаждения потоком водорода свидетельствует от том, что РД0410 является почти идеальным прототипом ЯРД для современных крылатых ракет. А, учитывая современные технологии получения самоостанавливающегося ядерного топлива, увеличение ресурса с часа до нескольких часов является вполне реальной задачей.
Конструкции ядерных ракетных двигателей
Ядерный ракетный двигатель (ЯРД) - реактивный двигатель, в котором энергия, возникающая при ядерной реакции распада или синтеза, нагревает рабочее тело (чаще всего, водород или аммиак).Существует три типа ЯРД по виду топлива для реактора:
- твердофазный;
- жидкофазный;
- газофазный.
В газофазных ЯРД топливо (например, уран) и рабочее тело находится в газообразном состоянии (в виде плазмы) и удерживается в рабочей зоне электромагнитным полем. Нагретая до десятков тысяч градусов урановая плазма передает тепло рабочему телу (например, водороду), которое, в свою очередь, будучи нагретым до высоких температур и образует реактивную струю.
По типу ядерной реакции различают радиоизотопный ракетный двигатель, термоядерный ракетный двигатель и собственно ядерный двигатель (используется энергия деления ядер).
Интересным вариантом также является импульсный ЯРД - в качестве источника энергии (горючего) предлагается использовать ядерный заряд. Такие установки могут быть внутреннего и внешнего типов.
Основными преимуществами ЯРД являются:
- высокий удельный импульс;
- значительный энергозапас;
- компактность двигательной установки;
- возможность получения очень большой тяги - десятки, сотни и тысячи тонн в вакууме.
- потоки проникающей радиации (гамма-излучение, нейтроны) при ядерных реакциях;
- вынос высокорадиоактивных соединений урана и его сплавов;
- истечение радиоактивных газов с рабочим телом.
Ядерная энергодвигательная установка
Учитывая, что какую-либо достоверную информацию о ЯЭДУ по публикациям, в том числе и из научных статей, получить невозможно, принцип работы таких установок лучше всего рассматривать на примерах открытых патентных материалов, хотя и содержащих ноу-хау.Так, например, выдающимся российским учёным Коротеевым Анатолием Сазоновичем, автором изобретения по патенту , приведено техническое решение по составу оборудования для современной ЯРДУ. Далее привожу часть указанного патентного документа дословно и без комментариев.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется схемой, представленной на чертеже. ЯЭДУ, функционирующая в двигательно-энергетическом режиме, содержит электроракетную двигательную установку (ЭРДУ) (на схеме для примера представлено два электроракетных двигателя 1 и 2 с соответствующими системами подачи 3 и 4), реакторную установку 5, турбину 6, компрессор 7, генератор 8, теплообменник-рекуператор 9, вихревую трубку Ранка-Хильша 10, холодильник-излучатель 11. При этом турбина 6, компрессор 7 и генератор 8 объединены в единый агрегат - турбогенератор-компрессор. ЯЭДУ оснащена трубопроводами 12 рабочего тела и электрическими линиями 13, соединяющими генератор 8 и ЭРДУ. Теплообменник-рекуператор 9 имеет так называемые высокотемпературный 14 и низкотемпературный 15 входы рабочего тела, а также высокотемпературный 16 и низкотемпературный 17 выходы рабочего тела.Ссылки:Выход реакторной установки 5 соединен со входом турбины 6, выход турбины 6 соединен с высокотемпературным входом 14 теплообменника-рекуператора 9. Низкотемпературный выход 15 теплообменника-рекуператора 9 соединен со входом в вихревую трубку Ранка-Хильша 10. Вихревая трубка Ранка-Хильша 10 имеет два выхода, один из которых (по «горячему» рабочему телу) соединен с холодильником-излучателем 11, а другой (по «холодному» рабочему телу) соединен со входом компрессора 7. Выход холодильника-излучателя 11 также соединен со входом в компрессор 7. Выход компрессора 7 соединен с низкотемпературным 15 входом в теплообменник-рекуператор 9. Высокотемпературный выход 16 теплообменника-рекуператора 9 соединен со входом в реакторную установку 5. Таким образом, основные элементы ЯЭДУ связаны между собой единым контуром рабочего тела.
ЯЭДУ работает следующим образом. Нагретое в реакторной установке 5 рабочее тело направляется на турбину 6, которая обеспечивает работу компрессора 7 и генератора 8 турбогенератора-компрессора. Генератор 8 производит генерацию электрической энергии, которая по электрическим линиям 13 направляется к электроракетным двигателям 1 и 2 и их системам подачи 3 и 4, обеспечивая их работу. После выхода из турбины 6 рабочее тело направляется через высокотемпературный вход 14 в теплообменник-рекуператор 9, где осуществляется частичное охлаждение рабочего тела.
Затем, из низкотемпературного выхода 17 теплообменника-рекуператора 9 рабочее тело направляется в вихревую трубку Ранка-Хильша 10, внутри которой происходит разделение потока рабочего тела на «горячую» и «холодную» составляющие. «Горячая» часть рабочего тела далее следует в холодильник-излучатель 11, где происходит эффективное охлаждение этой части рабочего тела. «Холодная» часть рабочего тела следует на вход в компрессор 7, туда же следует после охлаждения часть рабочего тела, выходящая из холодильника-излучателя 11.
Компрессор 7 производит подачу охлажденного рабочего тела в теплообменник-рекуператор 9 через низкотемпературный вход 15. Это охлажденное рабочее тело в теплообменнике-рекуператоре 9 обеспечивает частичное охлаждение встречного потока рабочего тела, поступающего в теплообменник-рекуператор 9 из турбины 6 через высокотемпературный вход 14. Далее, частично подогретое рабочее тело (за счет теплообмена с встречным потоком рабочего тела из турбины 6) из теплообменника-рекуператора 9 через высокотемпературный выход 16 вновь поступает к реакторной установке 5, цикл вновь повторяется.
Таким образом, находящееся в замкнутом контуре единое рабочее тело обеспечивает непрерывную работу ЯЭДУ, причем использование в составе ЯЭДУ вихревой трубки Ранка-Хильша в соответствии с заявляемым техническим решением обеспечивает улучшение массогабаритных характеристик ЯЭДУ, повышает надежность ее работы, упрощает ее конструктивную схему и дает возможность повысить эффективность ЯЭДУ в целом.
2018 год запомнится неприятной вещью: мир снова заговорил об атомном оружии и военных ядерных технологиях. Люди опять начинают задумываться, сколько времени летит до нас баллистическая ракета, куда бежать в случае тревоги, как устроены и где расположены бомбоубежища, какие поражающие факторы есть у атомных и термоядерных зарядов, есть ли у нас что-то, чем можно ответить и, в конце концов, можно ли всего этого избежать. «Популярная механика» попытается ответить на некоторые из этих невеселых вопросов.
Ядерный след
Проблема досягаемости территории США для СССР, окруженного со всех сторон американскими базами, возникла сразу после окончания Второй мировой войны. Американские и английские стратегические бомбардировщики с ядерным оружием размещались вокруг не для мифической защиты от международных террористов, а конкретно для нападения на Советский Союз. Достичь же территории США с советских аэродромов классические советские бомбардировщики не могли: для этого требовалась дальность не менее 16 000 км. Для поражения же удаленных целей на территории США и свободного выбора трассы полета для обхода районов ПВО требовалась дальность в 25 000 км. Обеспечить ее на сверхзвуковом режиме могли только самолеты с ядерными силовыми установками.
Турбореактивный. Атомный
Сегодня подобные проекты кажутся невероятными, а в начале 1950-х задача была не сложнее, чем размещение реакторов на подводных лодках: и то и другое давало практически неограниченный радиус действия. Самолеты было поручено конструировать КБ Туполева и Мясищева, а «специальные двигатели» — КБ Архипа Люльки.
368 целей для ядерных зарядов, чтобы убить четверть населения Китая (источник: The New York Times)
Турбореактивный двигатель с атомным реактором (ТРДА) по конструкции очень сильно напоминает обычный турбореактивный двигатель (ТРД). Только если в ТРД тяга создается расширяющимися при сгорании керосина горячими газами, то в ТРДА воздух нагревается, проходя через реактор. Активная зона авиационного атомного реактора на тепловых нейтронах набиралась из керамических тепловыделяющих элементов, в которых имелись продольные шестигранные каналы для прохода нагреваемого воздуха. Расчетная тяга разрабатываемого двигателя должна была составить 22,5 т. Рассматривалось два варианта компоновки ТРДА — «коромысло», при котором вал компрессора располагался вне реактора, и «соосный», где вал проходил по оси реактора. В первом случае вал работал в щадящем режиме, во втором требовались специальные высокопрочные материалы. Но соосный вариант обеспечивал меньшие размеры двигателя. Поэтому одновременно прорабатывались варианты с обеими двигательными установками.
Главным недостатком таких двигателей так называемой открытой схемы, когда атмосферный воздух проходил напрямую через реактор, было сильное радиационное заражение отработанного воздуха, что, например, исключало возможность применения обычной кабины экипажа. Он должен был располагаться в герметичной многослойной 60-тонной (!) свинцовой капсуле и управлять машиной посредством телевизионных и радиолокационных экранов. Расчетная масса такого самолета должна была превысить 250 т. Появилась логичная идея сделать бомбардировщик в беспилотном варианте — в виде своеобразной гигантской крылатой ракеты. Однако в ВВС не поддержали проект: в 1950-х годах автоматические системы управления не могли обеспечить маневренность для преодоления системы ПВО США.
124 цели для ядерных зарядов, чтобы убить четверть населения США (источник: The New York Times)
Космический буксир
За прошедшие 70 лет мало что изменилось: мы даже еще плотнее окружены американскими базами, досягаемость территории США все еще является проблемой, разве что мы научились делать прекрасные системы автономного управления — посадка «Бурана» тому подтверждение. И как в пятидесятые, никакой альтернативы для длительного межконтинентального полета в атмосфере, кроме ядерного двигателя, нет. А тема эта не просто секретная, а суперсекретная. Тем не менее что-то мы знаем, а о чем-то можно догадаться.
Последние открытые данные поступали из незавершенного проекта ядерной энергодвигательной установки для «космического буксира». Занимался космическим реактором Институт имени Келдыша, в котором до недавнего времени довольно охотно делились информацией об этом проекте. Но несколько лет назад все общение с журналистами на эту тему представители института прекратили — прямой признак, что работы, которые раньше велись для «мирного космоса», переросли в немирные. Но кое-что удалось узнать ранее.
Например, что в реакторе для ядерного реактивного двигателя (ЯРД) использовалось уникальное топливо, состоявшее из карбидов — соединений урана, вольфрама и ниобия с углеродом. Это позволило далеко опередить по допустимым температурам классический оксид урана, который плавится примерно при 2500 градусах. Такое топливо неплохо работало в водородной среде, в которую, правда, приходилось добавлять гептан для подавления химических реакций карбидов с водородом. Но в окислительной среде, какой является раскаленный до пары тысяч градусов воздух (а наша ядерная крылатая ракета летит в атмосфере), карбиды работать не смогут: углерод будет окисляться кислородом, а оставшиеся металлы расплавятся и улетят с потоком теплоносителя. Подольское НПО «Луч», производившее эти ТВЭЛы, научилось покрывать топливные стерж-ни металлическим ниобием, что расширило список различных сред, в которых это топливо устойчиво, но при тех температурах, которые нужны в ЯРД, ниобий реагирует с кислородом, образуя оксид, и тоже не может защитить топливо. Может быть, сплав тантала с гафнием мог бы быть достаточно стойким в этих условиях, но гафний сильно поглощает нейтроны, что затрудняет конструирование реактора.
Следовательно, напрямую ЯРД в двигатель для полета в атмосфере не конвертируется. Хотя многие идеи заимствовать можно, и они являются общими для разных малогабаритных и космических реакторов. Например, органы управления реактором в виде поворотных барабанов, врезанных в боковой отражатель нейтронов из бериллия. Примерно такая схема применялась и в советских космических ядерных энергетических установках «Бук» и «Топаз», и в некоторых американских реакторах, тоже предназначенных для использования вне Земли. А топливо, скорее всего, придется применять оксидное, как в большинстве реакторов по всему миру. Во всяком случае, пока завеса секретности не опустилась на «космический буксир», келдышевцы планировали использовать в этой ЯЭДУ именно оксидное топливо.
Быстрые и медленные нейтроны
Но почему-то неспециалисты дружно решили, что основой двигателя крылатой ракеты должен стать реактор на быстрых нейтронах. Объяснение простое: ради компактности устройства в нем нужно применять ядерное топливо высокого обогащения, а тогда замедлитель оказывается не нужен, ведь он увеличивает сечение деления у урана-235, мало влияя на сечение захвата ураном-238. Кроме того, медленные нейтроны имеют ту же температуру, что и замедлитель, а значит, их энергия растет вместе с температурой в реакторе, уменьшая их преимущества. Действительно, «Бук» — самый массовый космический реактор — работал на быстрых нейтронах, а его наследник «Топаз» — на промежуточных. Однако реактор на тепловых нейтронах может быть не менее компактным: замедлитель из гидрида циркония позволяет создать реактор с диаметром активной зоны меньше полуметра, что и было реализовано в советском ЯРД. А для снижения температуры замедлитель должен охлаждаться отдельным потоком теплоносителя, тогда можно реализовать все преимущества медленных нейтронов. Кроме того, в реакторе на тепловых нейтронах можно использовать весьма экзотический изотоп — америций-242м. Несмотря на то что сейчас производство этого изотопа не налажено, организовать его гораздо проще, чем производство полумифического калифорния — в отработанном ядерном топливе америций-241 накапливается сам собой, и его можно выделять достаточно простыми химическими реакциями (и его выделяют, так как он используется, например, в некоторых детекторах дыма). Если из оксида америция-241 спрессовать таблетки и загрузить их в реактор на быстрых нейтронах, тот же БН-800, то можно быстро накопить достаточное количество америция-242м. Буква в конце названия означает, что это ядерный изомер, находящийся в возбужденном состоянии. Дело в том, что у обычного америция-242, чьи ядра находятся в наинизшем энергетическом состоянии, период полураспада всего 16 ч, а у ядра 242м — целых 140 лет. А зачем он нужен? С замедлителем из гидрида циркония он имеет критическую массу меньше 50 г! Соответственно, реактор на нем будет иметь диаметр (без отражателя) порядка 10 см. Такой реактор, правда, с водяным замедлителем, предлагалось использовать в медицине, для нейтронно-захватной терапии. А вот чего точно не будет в реакторе для крылатой ракеты, так это торцевых отражателей нейтронов. Для них просто не остается места: с одной стороны должен быть воздухозаборник, с другой — сопло.
Реконструкция
Несмотря на секретность, примерный внешний облик двигателя представить можно. Впрочем, он не изменился с 60-х годов прошлого века, когда случилась первая волна разработки ядерных самолетов — все схемы были ясны уже тогда. Они разделяются на два принципиально различных класса — с прямым нагревом воздуха в реакторе и с косвенным, когда между воздухом и реактором есть промежуточный теплоноситель и теплообменник. Вторая схема гораздо чище, так как продукты деления не попадают в воздух, но для одноразовых беспилотных аппаратов годится и первая.
Ядерный турбореактивный двигатель
Во время первых экспериментов с ядерными самолетами NB-36 и Ту-95ЛЛ воздушный винт еще не сдал своих позиций, но сейчас был бы явным анахронизмом, ограничивающим скорость дозвуковым уровнем. Уже через пять лет все проектируемые атомолеты стали чисто реактивными. На видео в президентском послании была показана ракета наземного базирования, стартующая с помощью обычного твердотопливного ракетного двигателя, что логично: даже если наш ядерный двигатель не выбрасывает осколки деления прямо в воздух, то гамма-радиацию от работающего реактора полностью заэкранировать невозможно, слишком тяжелой получится защита. Значит, реактор надо запускать на большой высоте — хотя бы в паре километров. Тогда воздух сам будет поглощать радиацию. А если летательный аппарат уже на высоте и разогнан до сверхзвуковой скорости, правильнее строить маршевую ступень с прямоточным двигателем. Примерно так работала сконструированная под руководством С. А. Лавочкина крылатая ракета «Буря», конкурировавшая когда-то с Р-7 за право зваться защитницей наших рубежей. Тогда крылатая ракета проиграла: ПВО совершенствовалось на глазах, а ПРО существовало только на бумаге, да и в реализуемости перехвата баллистической ракеты тогда сомневались многие. Сейчас ситуация изменилась: ПВО и ПРО превратились в единый комплекс средств обнаружения и перехвата, и обмануть его можно лишь одним способом — маневрированием. Для баллистических ракет это тоже возможный способ, но очень энергозатратный, ведь ракета все свое топливо сжигает сразу после старта, и маневрирование в атмосфере возможно лишь за счет уменьшения дальности.
Ядерный прямоточный воздушно-реактивный двигатель
Вот тут-то ядерный двигатель и получил второй шанс. Конечно, у реактора есть ресурс, и, чем жестче требования к реактору, тем этот ресурс меньше. Но даже у «Бука» ресурс превышал несколько месяцев непрерывной работы, а крылатой ракете нужна максимум пара суток, чтобы обогнуть земной шар по максимально удаленному от пусковых установок противоракет маршруту. Ну и, поскольку это явно оружие Судного дня, экономические требования отступают на второй план по сравнению даже с «космическим буксиром». А значит, топливные стержни покрывать можно хоть иридием, хоть золотом.
А был ли мальчик?
И все же возможно ли это? Ведь нам пообещали, что габариты ракеты с атомным реактором не превысят габаритов обычной крылатой ракеты большой дальности — Х-101 или того же «Калибра». Несложно посчитать, что одно это условие убивает на корню возможность использования теплообменников. Хотя теплообменник «газ — газ» на такие тепловые потоки, в принципе, реализуем, что показывает проект космического самолета с использованием атмосферного кислорода SABRE, в диаметр 533 мм он не впишется никак. Значит, нагрев может быть только непосредственный, получается, и выхлоп будет сильно радиоактивный. Следовательно, вероятность того, что никаких турбин и компрессоров в этом двигателе не будет, близка к единице. А прямоточный двигатель навязывает скорость полета в диапазоне 3−3,5 М. Примерно как у самого быстрого самолета SR-71A или крылатой ракеты «Буря». Но если «Буря» шла к цели на высоте 15−18 км и перед целью делала «горку» на 35 км, выполняя противозенитный маневр, то нынешняя ракета, видимо, также будет идти к цели на высоте около 20 км, чтобы не заразить радиацией собственную территорию (ведь даже после обмена ударами придется как-то восстанавливать обычную жизнь), но перед целью, вероятно, должна будет снизиться и прорывать ПВО на предельно малой высоте, огибая рельеф. Поскольку летчиков на ней не будет, это можно делать с ускорениями до 20 g или больше.
Резюме тут очень простое. Если эта ракета действительно существует и опубликованные о ней данные соответствуют действительности, то, несмотря на высшую степень секретности, мы можем о ней сказать довольно много:
- она точно использует твердотопливную разгонную ступень и запускает реактор на большой высоте и скорости;
- она точно применяет многие технологии, созданные для космических реакторов и ядерных ракетных двигателей, включая использование регулирующих органов, вынесенных за пределы активной зоны, бериллиевый отражатель, возможно, замедлитель из гидрида циркония, возможно, карбидное ядерное топливо, покрытое чем-то для защиты от окисления;
- ее маршевая ступень, скорее всего, использует прямоточный двигатель с непосредственным нагревом, что исключает ее применение кроме как в самом крайнем случае совместно с системой «Периметр» (так называлась советская система, которую американцы окрестили «Мертвой рукой»);
- скорость ее полета на большей части траектории должна быть около 3 М, а дальность — примерно два раза «вокруг шарика»;
- вряд ли их можно сделать достаточно много, чтобы заменить баллистические ракеты на обычном химическом топливе.
