Прекрасное далеко: что дадут ракеты на ядерном топливе
Чтобы исследовать Солнечную систему и космос за ее пределами быстро и
безопасно, космические корабли должны иметь ядерные двигатели. Законы,
регулирующие ядерные космические полеты, изменились, и работа над
ракетами следующего поколения уже началась.
Мечтая
о Марсе, да и не только о нем, человечество создает новые ракеты с
реактивными двигателями. Но вы можете быть удивлены, узнав, что
современные ракеты летают не намного быстрее, чем ракеты прошлого.
Есть
много причин гнаться за скоростью полетов. Первый шаг любого
космического путешествия — выход на орбиту с помощью реактивных
двигателей, у которых пока нет альтернатив. Когда же корабль попадает в
космос, все становится гораздо интереснее — ему нужно дополнительное
ускорение. Вот тут ядерные системы и вступят в игру. Если космонавты
хотят исследовать что-то более отдаленное, чем Луна и, возможно, Марс,
им нужно будет двигаться очень и очень быстро.
Есть две причины
стремиться к этому: безопасность и время. По пути на Марс люди будут
подвергаться воздействию очень высоких уровней радиации, что может
вызвать серьезные проблемы со здоровьем. Радиационная защита весит
немало, и чем дальше путь, тем массивнее она должна быть. Лучший способ
уменьшить радиационное облучение — просто быстрее добраться до места
назначения.
Но безопасность человека — не единственное
преимущество, которое дает скорость. По мере того, как мы исследуем
глубины космоса, появляется необходимость получать данные о нем как
можно быстрее. Нам уже некогда ждать по 10 лет, пока аппараты доберутся
до окраин Солнечной системы. Зонду Voyager 2 потребовалось 12 лет, чтобы
долететь до Нептуна.
Чем отличаются двигатели При сравнении двигателей необходимо учитывать три важных аспекта: - тягу — насколько быстро система может ускорить корабль; - массовую эффективность — сколько тяги система может произвести для данного количества топлива; - плотность энергии — сколько энергии может произвести данное количество топлива.
В
настоящее время наиболее распространенными двигателями являются
химические, работающие на топливе, а также электрические, использующие
солнечную энергию.
Химические двигатели обеспечивают большую
тягу, но они неэффективны, а ракетное топливо недостаточно энергоемко.
Ракета «Сатурн V», которая доставила астронавтов на Луну, производила 35
миллионов Ньютонов и в нее пришлось заправить 4,3 миллиона литров
топлива. По сути эта ракета — огромный топливный бак.
Электрические
двигательные установки генерируют тягу, питаясь от солнечных батарей.
При этом используется электрическое поле для ускорения ионов — двигатель
Холла. Подобные двигатели применяются в спутниках и могут иметь более
чем в пять раз большую массовую эффективность, чем химические. Но их
тяга никуда не годится — около трех ньютонов. Если бы вы оснастили таким
мотором автомобиль, то до 100 км/ч он разгонялся бы примерно за два с
половиной часа. Кроме того, чем этот двигатель дальше от Солнца, тем
меньше энергии он получает.
Одна из причин, из-за которых
возобновились разработки атомных двигателей, заключается в том, что они
обладают невероятной плотностью энергии. Урановое топливо, используемое в
ядерных реакторах, имеет плотность энергии в четыре миллиона раз
превосходящую плотность химического ракетного топлива. Согласитесь,
легче доставить в космос немного урана, чем миллионы литров жидкого
топлива.
Два типа ядерных двигателей Инженеры разработали
два типа ядерных систем для космических путешествий. Первый называется
ядерно-тепловым двигателем (nuclear thermal propulsion). Эти системы
очень мощные и в меру эффективные. Они имеют небольшой ядерный реактор,
подобный тем, которыми оснащаются атомные подводные лодки. В нем
нагревается водород, который впоследствии ускоряется через сопло ракеты —
так получается тяга. Инженеры NASA считают, что полет на Марс с ядерным
двигателем будет на 20-25% быстрее.
Ядерно-тепловые
двигательные установки более чем в два раза эффективнее химических
двигателей. Это означает, что они генерируют вдвое больше тяги при
одинаковом количестве ракетного топлива — до 100 000 ньютонов. Этого
достаточно, чтобы разогнать автомобиль до скорости 100 км/ч за четверть
секунды.
Вторая система называется ядерным электроракетным
двигателем (nuclear electric propulsion). В реальности его еще не
существует, но идея состоит в том, чтобы использовать мощный реактор для
выработки электроэнергии, которая затем приводила бы в действие
электрическую двигательную установку — все тот же двигатель Холла. Такая
установка была бы примерно в три раза эффективнее ядерно-тепловой.
Спустя
60 лет простоя (ядерный двигатель – разработка 1960-х годов) ракета с
ядерным двигателем может отправится в космос в течение ближайшего
десятилетия. Это откроет новую эру освоения космоса. Марс станет гораздо
ближе, а полеты к нему — дешевле. Научные же эксперименты будут
проводиться быстрее, а исследователи будут осыпать нас открытиями,
сделанными в разных уголках Солнечной системы и за ее пределами.
Материалы публикуемые на "НАШЕЙ ПЛАНЕТЕ" это интернет обзор российских и зарубежных средств массовой информации по теме сайта. Все статьи и видео представлены для ознакомления, анализа и обсуждения.
Мнение администрации сайта и Ваше мнение, может частично или полностью не совпадать с мнениями авторов публикаций. Администрация не несет ответственности за достоверность и содержание материалов,которые добавляются пользователями в ленту новостей.
Если ядерно-тепловой двигатель в два раза эффективнее химического, тогда почему было 60 лет простоя? Реальная ситуация сложнее, чем пишет автор.
Во-первых, температура выхлопного газа у ядерно-теплового двигателя не превышает 2500 градуса (точную цифру не помню, но порядок примерно такой). Если поднять температуру выше этого порога, оболочки ТВЭЛов станут разрушаться. Зато ЖРД обеспечивает температуру сгорающих газов около 3000 градусов. А чем больше температура, тем больше скорость истечения и больше тяга.
Во-вторых, объемная плотность энерговыделения у ЖРД примерно вдвое выше, чем у ЯРД. Дело в том, что в ЖРД тепловыделение идет по всему объему камеры сгорания (конечно, при условии, что топливо и окислитель хорошо перемешаны). А в ЯРД тепло выделяется только в объеме, занятом ТВЭЛами. Но между ТВЭЛами должен быть зазор, через который прокачивается водород, и в этом зазоре тепло уже не выделяется. Значит, чтобы иметь одинаковую тепловую мощность, ЯРД должен иметь примерно вдвое больший объем. Если же объем двигателя больше, тогда и ракету нужно делать шире, а это ведет к увеличению аэродинамического сопротивления со стороны земной атмосферы.
У ЯРД есть только одно преимущество перед ЖРД: использование водорода. Чем меньше молекулярная масса истекающего газа, тем больше будет скорость истечения при одинаковой температуре (скорость обратно пропорциональна квадратному корню из массы). Молекулярная масса водорода равна 2. Молекулярная масса водяного пара (считаем, чтр в ЖРД сгорает водород с кислородом, что дает водяной пар) равна 18. Отношение масс равно 9. Значит скорость на водороде растет в 3 раза. Но за счет более низкой температуры этот показатель снижается до 2х. Одако, даже жидкий водород имеет плотность намного меньше, чем керосин и кислород. И бак с жидким водородом должен иметь слишком большой объем. Снова получается слишком широкая ракета и высокое аэродинамическое сопротивление воздуха.
Кроме того, жидкий водород имеет слишком низкую температуру хранения и никакой теплоизоляцией не удается предотвратить протечки тепла из окружающей среды в бак. Даже в космосе будет присутствовать тепловой нагрев солнечным излучением. Значит, водород станет испаряться и эту часть водорода надо куда-то девать. Хорошо, если его испарится меньше, чем требуется для подачи в ЯРД. Тогда этот испарившейся водород мы запускаем в ЯРД и нам для такой операции не потребуется даже насос включать, водород сам пойдет в реактор. А если испарится больше? Тогда придется избыток сбрасывать в окружающее пространство без всякой пользы.
Есть еще один большой недостаток у всех ядерных реакторов: регулирование. Когда мы останавливаем реактор, отдельные ядерные реакции в нем все равно продолжают идти. В ходе этих реакций накапливаются изотопы, имеющие большое сечение поглошения нейтронов и потому сильно препятствующие дальнейшему запуску реактора в работу. Так как деление ядра урана носит вероятностный характер, в каждом отдельном акте деления осколки будут разными, значит и конечный изотопный состав накопившихся шлаков будет разный. А потому и процедура вывода реактора на следующий старт каждый раз носит разный характер. То есть для вывода реактора на старт должен присутствовать грамотный специалист, способный оценить сложившуюся картину и составить правильную процедуру запуска. А как это сделать, если реактор находится за орбитой Нептуна и сигнал оттуда до Земли идет несколько часов? Составить программы запуска реактора для миллиарда всевозможных комбинаций накопившихся шлаков не возможно.
Поэтому в такую технологию я все же не слишком верю. Она может несколько улучшить наши возможности по освоению космоса, но все равно широкого применения не найдет.
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи. [ Регистрация | Вход ]
