Страница:
Очевидно, в этом случае источником энергии должен служить атомный реактор или «котел» — подобный используемым на атомных электростанциях или на подводных лодках. В таком котле атомная энергия преобразуется в тепловую и сообщается какому-либо веществу, которое используется для охлаждения котла. Это вещество, нагретое в котле до высокой температуры, и может служить непосредственно «отбросной» массой ракетного двигателя, вытекая из него наружу и таким образом создавая реактивную тягу.
Один из таких проектов описан в сборнике «Новое в военной технике», выпущенном в 1958 году.
Его авторы представляли ракету в виде комбинированного атомно-химического пятиступенчатого носителя, где первой стартовой ступенью являлась химическая ракета из семи жидкостных двигателей, работающих на кислороде и водороде.
Баки с топливом первой ступени служили защитной экранировкой второй ступени, где находился реактор атомной ракеты. Третья ступень и последующие после атомной также были на химическом топливе. Их запасы топлива обеспечивали защиту экипажа, находящегося в головной части составной ракеты. По мнению конструкторов, включенный атомный двигатель на значительной высоте уже не представлял опасности, а отделившаяся вторая ступень с реактором по истечении некоторого времени, замедлив свое движение, должна была попасть в более плотные слои атмосферы и сгореть.
Согласно расчетам уран-графитовый реактор атомной ступени обеспечивал бы скорость истечения газов не ниже 10000 м/с. В качестве рабочего вещества использовался аммиак.
При этом конечная скорость последней ступени должна достигать 20 450 м/с. Вес шарообразной кабины с экипажем (то есть полезная нагрузка) — не менее 1,4 тонны.
Другой проект ракеты с уран-графитовым ЯРД разрабатывался в рамках американской программы «Ровер» («Rover»), инициированной в середине 50-х годов.
Первый реактор для ракеты «Ровер» получил название «Киви» по имени безобидной новозеландской птицы, отличающейся тем, что она не способна летать; выбор названия объясняется назначением реактора — он предназначался не для полета, а лишь для наземных стендовых испытаний. Активная зона реактора представляет собой связки тепловыделяющих элементов из графита, в котором диспергированы частицы делящегося ядерного горючего — карбида урана с покрытием из пиролитического графита. В тепловыделяющих элементах предусмотрены каналы для течения рабочего вещества, которым служит жидкий водород. Чтобы устранить коррозионное действие водорода на графит, эти каналы имеют покрытие из карбида ниобия.
Первая серия из трех реакторов «Киви-А» была предназначена для испытаний на газообразном водороде, начатых в 1959 году. Расчетная тепловая мощность для этих реакторов 100 МВт. Затем, начиная с 1962 года, начались испытания второй серии реакторов — «Киви-Б» тепловой мощностью 1100 МВт, предназначенных уже для работы на жидком водороде (всего испытывалось семь модификаций реактора «Киви»). Эти эксперименты выявили многочисленные дефекты реакторов, подвергавшихся поэтому различным конструктивным доработкам, и были закончены в августе 1964 года испытанием реактора «В-4Е-301». В ходе этого испытания двигатель работал на мощности в 900 МВт более восьми минут, развивав тягу порядка 22700 килограммов при скорости истечения 7500 м/сек. Затем в самом начале 1965 года реактор был разрушен в ходе специального испытания «Киви-ТНТ», при котором его довели до взрыва вследствие разгона реактора с целью выяснения особенностей такого катастрофического режима. Если нормально переход реактора с нулевой мощности на полную требует десятков секунд (что, кстати, совершенно недостижимо для стационарных реакторов), то при этом испытании длительность такого перехода определялась лишь инерцией регулирующих стержней; она составляла тысячные доли секунды. Примерно через 44 миллисекунды после перевода стержней в положение полной мощности реактор был разрушен действием сил, эквивалентных взрыву 50–60 килограммов тринитротолуола.
Еще в ходе работ по программе «Ровер», в 1961 году началась разработка ядерного ракетного двигателя «НЕРВА» («NERVA»), предназначенного уже для летных испытаний.
В том же году были начаты работы и по ракете, предназначенной для испытаний двигателя «НЕРВА» и получившей название «Рифт» («Rift»). Однако впоследствии работы по этой ракете, которую предполагалось использовать в качестве верхней ступени космической ракеты-носителя «Сатурн-5» (Проект «Apollo-Х»), были прекращены.
Первые этапы работы по двигателю «НЕРВА» базировались на реакторе, изготовленном в нескольких модификациях фирмой «Вестингауз», получившем обозначение «NRX» и про сути представлявшем собой реактор «Киви-Б», но специально модифицированном для этих работ. Испытания реакторов начались в 1964 году, и в них была достигнута мощность в 1000 МВт, тяга примерно в 22,5 тонны и скорость истечения более 7000 м/с. В ходе испытаний, продолжавшихся в 1965 году, один из реакторов работал на полной мощности 1100 МВт в течение примерно 16,5 минуты; скорость истечения составила 7500 м/с.
В 1966 году впервые было произведено испытание всего двигателя с реактором на полной мощности; в первой серии этих испытаний двигатель работал в течение 110 минут, из которых 28 минут на полной мощности; тепловая мощность реактора достигала 1100 МВт, максимальная температура водорода на выходе из реактора — примерно 2000 °C, тяга двигателя — 20 тонн.
В 1963 году Лос-Аламосская лаборатория начала разработку новых усовершенствованных твердофазных графитовых реакторов для двигателя «НЕРВА» по программе «Феб» («Feb»).
Первый из этих реакторов «Феб-1» имеет примерно такие же размеры, как и «Киви-Б» (диаметр 81,3 сантиметра, длину 1,395 метра), однако рассчитан на примерно вдвое большую мощность. На базе этого реактора планировалось создать двигатель «НЕРВА-1».
Более поздняя модификация «Феб-2» мощностью порядка 4000–5000 МВт была предназначена для использования на летном варианте двигателя «НЕРВА-2». Этот двигатель с тягой в диапазоне 90-110 тонн должен был иметь исходное значение скорости истечения 8250 м/с (с последующим увеличением до 9000 м/с). Высота двигателя равна примерно 12 метрам, наружный диаметр (по корпусу реактора) — 1,8 метра.
Расход водорода для двигателя с реактором «Феб-1» составляет 32–34 кг/с, с «Феб-2» — 136 кг/с. Вес двигателя «НЕРВА-2» составлял примерно 13,6 тонны.
В феврале 1967 года были проведены стендовые испытания реактора «Феб-1», а реактора «Феб-2» — в июне 1968 года.
Последний работал более часа, причем 12 минут — на тепловой мощности 4200 МВт.
Однако из-за финансовые трудностей на первом же этапе конструкторы отказались от схемы с использованием двигателя «НЕРВА-2» и переключились на проектирование двигателя «НЕРВА-1» повышенной мощности. Такой двигатель длиной 9 метров должен был иметь тягу 34 тонны и скорость истечения 8250 м/с с длительностью работы до 50 минут. Испытание реактора «N RX-A6», подготовленного для этой программы, было проведено 15 декабря 1967 года.
В июне 1969 года состоялись первые горячие испытания экспериментального двигателя «NERVA ХЕ-1» на тяге 22,7 тонны.
Кстати сказать, во время испытания реактора «Феб-2» он был окружен защитным экраном толщиной около 1,8 метра, а также другим экраном, в котором между стенками высотой 4,6 метра из алюминиевого сплава текла смесь борной кислоты и буры, хорошо поглощающая нейтронное и гаммаизлучение. Несмотря на эту внушительную биологическую защиту, управление реактором производилось дистанционно — с пункта управления, отнесенного на расстояние примерно 3,2 километра.
Хотя реактор типа «Феб» в принципе аналогичен по устройству графитовым ядерным реакторам атомных электростанций и подлодок, требование максимального уменьшения веса и размеров при одновременном резком повышении мощности, а также особенности применения реактора в ядерном ракетном двигателе радикально меняют конструкцию реактора. Эти различия связаны с конструкцией активной зоны, системой подачи рабочего вещества-охладителя, конструкцией отражателя нейтронов, системой регулирования мощности. В частности, например, регулирование мощности реактора, которое необходимо в очень широком диапазоне, осуществляется с помощью регулирующих стержней из вещества, хорошо поглощающего нейтроны, например сплава с большим содержанием бора, как это делается и в обычных реакторах, но вместо обычного погружения стержней в реактор для замедления цепной реакции и соответствующего уменьшения мощности в реакторе «Феб» вращающиеся бериллиевые стержни поворачиваются так, что часть их поверхности с нанесенным нейтронопоглощающим веществом (бороалюминиевый сплав) обращается внутрь активной зоны. Таких стержней предусмотрено 12, их поворот осуществляется с помощью пневматического привода, управляемого электросигналами автоматической системы управления и регулирования; эта же система обеспечивает возможность остановки и повторного запуска реактора, которые, кстати сказать, должны выполняться гораздо быстрее, чем в обычных стационарных реакторах: если обычные реакторы включаются в течение нескольких дней, а то и недель, то ракетный — в считанные секунды.
Американские конструкторы, работавшие по программе «Ровер», предполагали создать на базе ядерного ракетного двигателя «НЕРВА-2» своеобразную стандартную ядерную ступень, с помощью которой можно было бы строить самые различные ракетно-космические системы. При установке стандартной ядерной вместо обычной третьей ступени космической ракеты-носителя «Сатурн-5» (Проект «Аро11о-Х») в случае полета космонавтов с высадкой на Луне полезный груз может быть увеличен на 65-100 %, а к Марсу может быть выведен полезный груз в 26 тонн.
Для пилотируемого полета на Марс, практически неосуществимого с помощью современных химических ракет, предполагалось использовать пять стандартных ядерных ступеней: связку из трех таких ступеней — в качестве первой ступени трехступенчатой ракеты-носителя, и по одной такой же ступени — для второй и третьей ступеней. Сборка подобной ядерной ракеты должна была производиться на околоземной орбите. Сам полет к Марсу мог состояться уже в 1985 году.
Другой проект межпланетного космического корабля для пилотируемого полета на Марс с использованием «стандартных» ядерных ступеней «НЕРВА-2» представлял собой трехступенчатую ракету, которая в отличие от первой не нуждалась в повторном запуске какого-либо из установленных на ней ядерных ракетных двигателей: когда двигатели отрабатывали свое, их должны были отделить от корабля.
Все эти амбициозные планы остались на бумаге. После того как Америка выиграла «лунную гонку», интерес к перспективным исследованиям в области пилотируемой космонавтики стал быстро угасать. Таких денег, которые в свое время были выделены на программу «Аполлон», в казне Соединенных Штатов больше не нашлось, к тому же следовало решать текущие задачи по освоению околоземного пространства, и к началу 70-х годов программа по созданию ЯРД типа «НЕРВА» была закрыта.
Советские ядерные двигатели
Электротермические двигатели
Один из таких проектов описан в сборнике «Новое в военной технике», выпущенном в 1958 году.
Его авторы представляли ракету в виде комбинированного атомно-химического пятиступенчатого носителя, где первой стартовой ступенью являлась химическая ракета из семи жидкостных двигателей, работающих на кислороде и водороде.
Баки с топливом первой ступени служили защитной экранировкой второй ступени, где находился реактор атомной ракеты. Третья ступень и последующие после атомной также были на химическом топливе. Их запасы топлива обеспечивали защиту экипажа, находящегося в головной части составной ракеты. По мнению конструкторов, включенный атомный двигатель на значительной высоте уже не представлял опасности, а отделившаяся вторая ступень с реактором по истечении некоторого времени, замедлив свое движение, должна была попасть в более плотные слои атмосферы и сгореть.
Согласно расчетам уран-графитовый реактор атомной ступени обеспечивал бы скорость истечения газов не ниже 10000 м/с. В качестве рабочего вещества использовался аммиак.
При этом конечная скорость последней ступени должна достигать 20 450 м/с. Вес шарообразной кабины с экипажем (то есть полезная нагрузка) — не менее 1,4 тонны.
Другой проект ракеты с уран-графитовым ЯРД разрабатывался в рамках американской программы «Ровер» («Rover»), инициированной в середине 50-х годов.
Первый реактор для ракеты «Ровер» получил название «Киви» по имени безобидной новозеландской птицы, отличающейся тем, что она не способна летать; выбор названия объясняется назначением реактора — он предназначался не для полета, а лишь для наземных стендовых испытаний. Активная зона реактора представляет собой связки тепловыделяющих элементов из графита, в котором диспергированы частицы делящегося ядерного горючего — карбида урана с покрытием из пиролитического графита. В тепловыделяющих элементах предусмотрены каналы для течения рабочего вещества, которым служит жидкий водород. Чтобы устранить коррозионное действие водорода на графит, эти каналы имеют покрытие из карбида ниобия.
Первая серия из трех реакторов «Киви-А» была предназначена для испытаний на газообразном водороде, начатых в 1959 году. Расчетная тепловая мощность для этих реакторов 100 МВт. Затем, начиная с 1962 года, начались испытания второй серии реакторов — «Киви-Б» тепловой мощностью 1100 МВт, предназначенных уже для работы на жидком водороде (всего испытывалось семь модификаций реактора «Киви»). Эти эксперименты выявили многочисленные дефекты реакторов, подвергавшихся поэтому различным конструктивным доработкам, и были закончены в августе 1964 года испытанием реактора «В-4Е-301». В ходе этого испытания двигатель работал на мощности в 900 МВт более восьми минут, развивав тягу порядка 22700 килограммов при скорости истечения 7500 м/сек. Затем в самом начале 1965 года реактор был разрушен в ходе специального испытания «Киви-ТНТ», при котором его довели до взрыва вследствие разгона реактора с целью выяснения особенностей такого катастрофического режима. Если нормально переход реактора с нулевой мощности на полную требует десятков секунд (что, кстати, совершенно недостижимо для стационарных реакторов), то при этом испытании длительность такого перехода определялась лишь инерцией регулирующих стержней; она составляла тысячные доли секунды. Примерно через 44 миллисекунды после перевода стержней в положение полной мощности реактор был разрушен действием сил, эквивалентных взрыву 50–60 килограммов тринитротолуола.
Еще в ходе работ по программе «Ровер», в 1961 году началась разработка ядерного ракетного двигателя «НЕРВА» («NERVA»), предназначенного уже для летных испытаний.
В том же году были начаты работы и по ракете, предназначенной для испытаний двигателя «НЕРВА» и получившей название «Рифт» («Rift»). Однако впоследствии работы по этой ракете, которую предполагалось использовать в качестве верхней ступени космической ракеты-носителя «Сатурн-5» (Проект «Apollo-Х»), были прекращены.
Первые этапы работы по двигателю «НЕРВА» базировались на реакторе, изготовленном в нескольких модификациях фирмой «Вестингауз», получившем обозначение «NRX» и про сути представлявшем собой реактор «Киви-Б», но специально модифицированном для этих работ. Испытания реакторов начались в 1964 году, и в них была достигнута мощность в 1000 МВт, тяга примерно в 22,5 тонны и скорость истечения более 7000 м/с. В ходе испытаний, продолжавшихся в 1965 году, один из реакторов работал на полной мощности 1100 МВт в течение примерно 16,5 минуты; скорость истечения составила 7500 м/с.
В 1966 году впервые было произведено испытание всего двигателя с реактором на полной мощности; в первой серии этих испытаний двигатель работал в течение 110 минут, из которых 28 минут на полной мощности; тепловая мощность реактора достигала 1100 МВт, максимальная температура водорода на выходе из реактора — примерно 2000 °C, тяга двигателя — 20 тонн.
В 1963 году Лос-Аламосская лаборатория начала разработку новых усовершенствованных твердофазных графитовых реакторов для двигателя «НЕРВА» по программе «Феб» («Feb»).
Первый из этих реакторов «Феб-1» имеет примерно такие же размеры, как и «Киви-Б» (диаметр 81,3 сантиметра, длину 1,395 метра), однако рассчитан на примерно вдвое большую мощность. На базе этого реактора планировалось создать двигатель «НЕРВА-1».
Более поздняя модификация «Феб-2» мощностью порядка 4000–5000 МВт была предназначена для использования на летном варианте двигателя «НЕРВА-2». Этот двигатель с тягой в диапазоне 90-110 тонн должен был иметь исходное значение скорости истечения 8250 м/с (с последующим увеличением до 9000 м/с). Высота двигателя равна примерно 12 метрам, наружный диаметр (по корпусу реактора) — 1,8 метра.
Расход водорода для двигателя с реактором «Феб-1» составляет 32–34 кг/с, с «Феб-2» — 136 кг/с. Вес двигателя «НЕРВА-2» составлял примерно 13,6 тонны.
В феврале 1967 года были проведены стендовые испытания реактора «Феб-1», а реактора «Феб-2» — в июне 1968 года.
Последний работал более часа, причем 12 минут — на тепловой мощности 4200 МВт.
Однако из-за финансовые трудностей на первом же этапе конструкторы отказались от схемы с использованием двигателя «НЕРВА-2» и переключились на проектирование двигателя «НЕРВА-1» повышенной мощности. Такой двигатель длиной 9 метров должен был иметь тягу 34 тонны и скорость истечения 8250 м/с с длительностью работы до 50 минут. Испытание реактора «N RX-A6», подготовленного для этой программы, было проведено 15 декабря 1967 года.
В июне 1969 года состоялись первые горячие испытания экспериментального двигателя «NERVA ХЕ-1» на тяге 22,7 тонны.
Кстати сказать, во время испытания реактора «Феб-2» он был окружен защитным экраном толщиной около 1,8 метра, а также другим экраном, в котором между стенками высотой 4,6 метра из алюминиевого сплава текла смесь борной кислоты и буры, хорошо поглощающая нейтронное и гаммаизлучение. Несмотря на эту внушительную биологическую защиту, управление реактором производилось дистанционно — с пункта управления, отнесенного на расстояние примерно 3,2 километра.
Хотя реактор типа «Феб» в принципе аналогичен по устройству графитовым ядерным реакторам атомных электростанций и подлодок, требование максимального уменьшения веса и размеров при одновременном резком повышении мощности, а также особенности применения реактора в ядерном ракетном двигателе радикально меняют конструкцию реактора. Эти различия связаны с конструкцией активной зоны, системой подачи рабочего вещества-охладителя, конструкцией отражателя нейтронов, системой регулирования мощности. В частности, например, регулирование мощности реактора, которое необходимо в очень широком диапазоне, осуществляется с помощью регулирующих стержней из вещества, хорошо поглощающего нейтроны, например сплава с большим содержанием бора, как это делается и в обычных реакторах, но вместо обычного погружения стержней в реактор для замедления цепной реакции и соответствующего уменьшения мощности в реакторе «Феб» вращающиеся бериллиевые стержни поворачиваются так, что часть их поверхности с нанесенным нейтронопоглощающим веществом (бороалюминиевый сплав) обращается внутрь активной зоны. Таких стержней предусмотрено 12, их поворот осуществляется с помощью пневматического привода, управляемого электросигналами автоматической системы управления и регулирования; эта же система обеспечивает возможность остановки и повторного запуска реактора, которые, кстати сказать, должны выполняться гораздо быстрее, чем в обычных стационарных реакторах: если обычные реакторы включаются в течение нескольких дней, а то и недель, то ракетный — в считанные секунды.
Американские конструкторы, работавшие по программе «Ровер», предполагали создать на базе ядерного ракетного двигателя «НЕРВА-2» своеобразную стандартную ядерную ступень, с помощью которой можно было бы строить самые различные ракетно-космические системы. При установке стандартной ядерной вместо обычной третьей ступени космической ракеты-носителя «Сатурн-5» (Проект «Аро11о-Х») в случае полета космонавтов с высадкой на Луне полезный груз может быть увеличен на 65-100 %, а к Марсу может быть выведен полезный груз в 26 тонн.
Для пилотируемого полета на Марс, практически неосуществимого с помощью современных химических ракет, предполагалось использовать пять стандартных ядерных ступеней: связку из трех таких ступеней — в качестве первой ступени трехступенчатой ракеты-носителя, и по одной такой же ступени — для второй и третьей ступеней. Сборка подобной ядерной ракеты должна была производиться на околоземной орбите. Сам полет к Марсу мог состояться уже в 1985 году.
Другой проект межпланетного космического корабля для пилотируемого полета на Марс с использованием «стандартных» ядерных ступеней «НЕРВА-2» представлял собой трехступенчатую ракету, которая в отличие от первой не нуждалась в повторном запуске какого-либо из установленных на ней ядерных ракетных двигателей: когда двигатели отрабатывали свое, их должны были отделить от корабля.
Все эти амбициозные планы остались на бумаге. После того как Америка выиграла «лунную гонку», интерес к перспективным исследованиям в области пилотируемой космонавтики стал быстро угасать. Таких денег, которые в свое время были выделены на программу «Аполлон», в казне Соединенных Штатов больше не нашлось, к тому же следовало решать текущие задачи по освоению околоземного пространства, и к началу 70-х годов программа по созданию ЯРД типа «НЕРВА» была закрыта.
Советские ядерные двигатели
В Советском Союзе работы над ядерными ракетными двигателями начались в середине 50-х годов. В НИИ-1 (научный руководитель — Мстислав Келдыш) инициатором и руководителем работ по ЯРД был Виталий Иевлев. В 1957 году он сделал по этой теме сообщение Игорю Курчатову, Анатолию Александрову и Александру Лейпунскому. Это были люди действия, имевшие возможность принимать решения, не ожидая указаний сверху. По их инициативе на Семипалатинском ядерном полигоне в небывало короткий срок был сооружен уникальный графитовый реактор. Первые успехи подтолкнули к следующим шагам по созданию ЯРД.
Исследовательские работы по этой теме были начаты в Институте атомной энергии у Курчатова, в ОКБ-456 у Глушко, в НИИ-1 у Келдыша и в ОКБ-670 у Бондарюка. 30 июня 1958 года появилось первое постановление ЦК КПСС и Совета Министров о разработке тяжелой ракеты, использующей ЯРД. Этим же постановлением предусматривалась разработка тяжелых ракет с использованием ЖРД на криогенных высокоэнергетических компонентах — кислороде и водороде. В подготовке постановления активно участвовали Курчатов, Королев, Келдыш и Глушко.
В ОКБ-1 Королев поручил исследовать возможность создания ракеты с использованием ЯРД Василию Мишину, Сергею Крюкову и Михаилу Мельникову. В течение 1959 года проводились расчеты, прикидки и компоновки различных вариантов тяжелых ракет-носителей с кислородно-водородным ЖРД на первой ступени и с ЯРД на второй ступени.
Постановление от 30 июня 1958 года узаконило уже ведшиеся работы. Эскизный проект ракеты на основе использования ЯРД был в ОКБ-1 разработан и утвержден Королевым 30 декабря 1959 года.
Проект предусматривал использование в качестве первой ступени ракеты шести блоков первой ступени ракеты «Р-7».
Вторая ступень — центральный блок был по существу ядерным реактором. В ядерном реакторе рабочее тело подогревалось до температуры свыше 3000 К. В качестве рабочего тела ОКБ-456 предлагало использовать аммиак, а ОКБ-670 — смесь аммиака со спиртом. Сам двигатель представлял собой четыре сопла, через которые и вылетали струи раскаленных ядерной реакцией газов.
В эскизном проекте были обстоятельно рассмотрены несколько вариантов ракет с ЯРД. Самой впечатляющей была «суперракета» длиной 64 метра, диаметром 9 метров, со стартовой массой 2000 тонн и массой полезного груза до 150 тонн на орбите ИСЗ. На первой ступени этой «суперракеты» предлагалось установить такое число ЖРД, чтобы получить общую стартовую тягу в 3000 тонн. Глушко предлагал для этого разработать ЖРД на токсичных высококипящих компонентах, но Королев и Мишин этот вариант категорически отвергли, и в проекте предусматривались только кислородно-керосиновые ЖРД Николая Кузнецова. У него пока в начальной стадии разработки находился двигатель «НК-9» для первой ступени глобальной ракеты «ГР-1» — тягой до 60 тонн. Таких двигателей для первой ступени ракеты с ЯРД требовалось 50 (!). Одно это делало проект ядерной «суперракеты» малореальным.
Эскизным проектом для начала предлагалась комбинированная ракета со стартовой массой 850–880 тонн, выводящая на орбиту высотой 300 километров полезный груз 35–40 тонн. Первая ступень ракеты принималась аналогичной блочной конструкции ракеты «Р-7» и набиралась из шести блоков с ЖРД. Центральный блок был ядерно-химической ракетой.
Своим чередом шли и работы над ЯРД. Уже самый первый анализ показал, что среди множества возможных схем космических ядерных энергодвигательных установок наибольшие перспективы имеют три: с твердофазным ядерным реактором, с газофазным ядерным реактором, электроядерные ракетные ЭДУ. Схемы отличались принципиально; по каждой из них наметили несколько вариантов для развертывания теоретических и экспериментальных работ.
Принципы работы ЯРД не вызывали сомнений. Однако конструктивное выполнение (и характеристики) его во многом зависели от «сердца» двигателя — ядерного реактора и определялись прежде всего его «начинкой» — активной зоной.
Поддержанный постановлениями правительства, НИИ-1 строил электродуговые стенды, неизменно поражавшие воображение, — десятки баллонов от 6 до 8 метров высотой, громадные горизонтальные камеры мощностью свыше 80 кВт, броневые стекла в боксах. Участников совещаний вдохновляли красочные плакаты со схемами полетов к Луне, Марсу и звездам. Предполагалось, что в процессе создания и испытаний ЯРД будут решены вопросы конструкторского, технологического, физического плана.
Летом 1959 года сотрудники НИИ-1 Виталий Иевлев и Юрий Трескин доложили о постановке эксперимента на реакторе «ИГР», первый запуск которого состоялся в 1961 году. 1 июля 1965 году был рассмотрен эскизный проект реактора «ИР-20-100» для будущего ядерного двигателя «РД-0410». Кульминацией стал выпуск техпроекта тепловыделяющих сборок «ИР-100» (1967 год), состоящих из 100 стержней.
«Ракетная» часть «РД-0410» была разработана в воронежском Конструкторском бюро химической автоматики (КБХА), «реакторная» (нейтронный реактор и вопросы радиационной безопасности) — Институтом физики и энергии (Обнинск) и Курчатовским институтом атомной энергии.
Согласно принятой концепции жидкие водород и присадкагексан подавались с помощью турбонасосного агрегата в гетерогенный реактор на тепловых нейтронах с тепловыделяющей сборкой, окруженной замедлителем из гидрида циркония. Их оболочки охлаждались водородом. Отражатель имел приводы для поворота поглотительных элементов (цилиндров из карбида бора).
За пять лет, с 1966 по 1971 год, были созданы основы технологии реакторов-двигателей, а еще через несколько лет была введена в действие мощная экспериментальная база под названием «экспедиция № 10» (впоследствии — опытная экспедиция НПО «Луч» на Семипалатинском ядерном полигоне).
Особые трудности встретились при испытаниях. Обычные стенды для запуска полномасштабного ЯРД использовать было невозможно из-за радиации.
Испытания реактора решили проводить на атомном полигоне в Семипалатинске, а «ракетной части» — в НИИхиммаш (Загорск, ныне — Сергиев Посад).
Для изучения внутрикамерных процессов было выполнено более 250 испытаний на 30 «холодных двигателях» (без реактора). В качестве модельного нагревательного элемента использовалась камера сгорания кислородно-водородного ЖРД конструкции Исаева.
Максимальное время наработки составило 13000 секунд при объявленном ресурсе в 3600 секунд.
В процессе испытаний удались максимальная тяга в 3528 килограммов и скорость истечения — 9000 м/с.
Для испытаний реактора на Семипалатинском полигоне были построены две специальные шахты с подземными служебными помещениями. Одна из шахт соединялась с подземным резервуаром для сжатого газообразного водорода.
От использования жидкого водорода отказались из финансовых соображений.
Перед экспериментальным запуском реактор опускался в шахту с помощью установленного на поверхности козлового крана. После запуска реактора водород поступал снизу в «котел», раскалялся до 3000 °К и огненной струей вырывался из шахты наружу. Несмотря на незначительную радиоактивность истекающих газов, в течение суток находиться снаружи в радиусе полутора километров от места испытаний не разрешалось. К самой же шахте нельзя было подходить в течение месяца. Полуторакилометровый подземный тоннель вел из безопасной зоны сначала к одному бункеру, а из него — к другому, находящемуся возле шахт.
По этим своеобразным «коридорам» и передвигались специалисты.
Результаты экспериментов, проведенных с реактором в 1978–1981 годах, подтвердили правильность конструктивных решений. В принципе ЯРД был создан. Оставалось соединить две части и провести комплексные испытания.
Однако двигатель остался невостребованным. Экспедицию на Луну и Марс отменили, а использовать «РД-0410» на околоземных орбитах было накладно, да и просто опасно.
Исследовательские работы по этой теме были начаты в Институте атомной энергии у Курчатова, в ОКБ-456 у Глушко, в НИИ-1 у Келдыша и в ОКБ-670 у Бондарюка. 30 июня 1958 года появилось первое постановление ЦК КПСС и Совета Министров о разработке тяжелой ракеты, использующей ЯРД. Этим же постановлением предусматривалась разработка тяжелых ракет с использованием ЖРД на криогенных высокоэнергетических компонентах — кислороде и водороде. В подготовке постановления активно участвовали Курчатов, Королев, Келдыш и Глушко.
В ОКБ-1 Королев поручил исследовать возможность создания ракеты с использованием ЯРД Василию Мишину, Сергею Крюкову и Михаилу Мельникову. В течение 1959 года проводились расчеты, прикидки и компоновки различных вариантов тяжелых ракет-носителей с кислородно-водородным ЖРД на первой ступени и с ЯРД на второй ступени.
Постановление от 30 июня 1958 года узаконило уже ведшиеся работы. Эскизный проект ракеты на основе использования ЯРД был в ОКБ-1 разработан и утвержден Королевым 30 декабря 1959 года.
Проект предусматривал использование в качестве первой ступени ракеты шести блоков первой ступени ракеты «Р-7».
Вторая ступень — центральный блок был по существу ядерным реактором. В ядерном реакторе рабочее тело подогревалось до температуры свыше 3000 К. В качестве рабочего тела ОКБ-456 предлагало использовать аммиак, а ОКБ-670 — смесь аммиака со спиртом. Сам двигатель представлял собой четыре сопла, через которые и вылетали струи раскаленных ядерной реакцией газов.
В эскизном проекте были обстоятельно рассмотрены несколько вариантов ракет с ЯРД. Самой впечатляющей была «суперракета» длиной 64 метра, диаметром 9 метров, со стартовой массой 2000 тонн и массой полезного груза до 150 тонн на орбите ИСЗ. На первой ступени этой «суперракеты» предлагалось установить такое число ЖРД, чтобы получить общую стартовую тягу в 3000 тонн. Глушко предлагал для этого разработать ЖРД на токсичных высококипящих компонентах, но Королев и Мишин этот вариант категорически отвергли, и в проекте предусматривались только кислородно-керосиновые ЖРД Николая Кузнецова. У него пока в начальной стадии разработки находился двигатель «НК-9» для первой ступени глобальной ракеты «ГР-1» — тягой до 60 тонн. Таких двигателей для первой ступени ракеты с ЯРД требовалось 50 (!). Одно это делало проект ядерной «суперракеты» малореальным.
Эскизным проектом для начала предлагалась комбинированная ракета со стартовой массой 850–880 тонн, выводящая на орбиту высотой 300 километров полезный груз 35–40 тонн. Первая ступень ракеты принималась аналогичной блочной конструкции ракеты «Р-7» и набиралась из шести блоков с ЖРД. Центральный блок был ядерно-химической ракетой.
Своим чередом шли и работы над ЯРД. Уже самый первый анализ показал, что среди множества возможных схем космических ядерных энергодвигательных установок наибольшие перспективы имеют три: с твердофазным ядерным реактором, с газофазным ядерным реактором, электроядерные ракетные ЭДУ. Схемы отличались принципиально; по каждой из них наметили несколько вариантов для развертывания теоретических и экспериментальных работ.
Принципы работы ЯРД не вызывали сомнений. Однако конструктивное выполнение (и характеристики) его во многом зависели от «сердца» двигателя — ядерного реактора и определялись прежде всего его «начинкой» — активной зоной.
Поддержанный постановлениями правительства, НИИ-1 строил электродуговые стенды, неизменно поражавшие воображение, — десятки баллонов от 6 до 8 метров высотой, громадные горизонтальные камеры мощностью свыше 80 кВт, броневые стекла в боксах. Участников совещаний вдохновляли красочные плакаты со схемами полетов к Луне, Марсу и звездам. Предполагалось, что в процессе создания и испытаний ЯРД будут решены вопросы конструкторского, технологического, физического плана.
Летом 1959 года сотрудники НИИ-1 Виталий Иевлев и Юрий Трескин доложили о постановке эксперимента на реакторе «ИГР», первый запуск которого состоялся в 1961 году. 1 июля 1965 году был рассмотрен эскизный проект реактора «ИР-20-100» для будущего ядерного двигателя «РД-0410». Кульминацией стал выпуск техпроекта тепловыделяющих сборок «ИР-100» (1967 год), состоящих из 100 стержней.
«Ракетная» часть «РД-0410» была разработана в воронежском Конструкторском бюро химической автоматики (КБХА), «реакторная» (нейтронный реактор и вопросы радиационной безопасности) — Институтом физики и энергии (Обнинск) и Курчатовским институтом атомной энергии.
Согласно принятой концепции жидкие водород и присадкагексан подавались с помощью турбонасосного агрегата в гетерогенный реактор на тепловых нейтронах с тепловыделяющей сборкой, окруженной замедлителем из гидрида циркония. Их оболочки охлаждались водородом. Отражатель имел приводы для поворота поглотительных элементов (цилиндров из карбида бора).
Особые трудности встретились при испытаниях. Обычные стенды для запуска полномасштабного ЯРД использовать было невозможно из-за радиации.
Испытания реактора решили проводить на атомном полигоне в Семипалатинске, а «ракетной части» — в НИИхиммаш (Загорск, ныне — Сергиев Посад).
Для изучения внутрикамерных процессов было выполнено более 250 испытаний на 30 «холодных двигателях» (без реактора). В качестве модельного нагревательного элемента использовалась камера сгорания кислородно-водородного ЖРД конструкции Исаева.
Максимальное время наработки составило 13000 секунд при объявленном ресурсе в 3600 секунд.
В процессе испытаний удались максимальная тяга в 3528 килограммов и скорость истечения — 9000 м/с.
Для испытаний реактора на Семипалатинском полигоне были построены две специальные шахты с подземными служебными помещениями. Одна из шахт соединялась с подземным резервуаром для сжатого газообразного водорода.
От использования жидкого водорода отказались из финансовых соображений.
Перед экспериментальным запуском реактор опускался в шахту с помощью установленного на поверхности козлового крана. После запуска реактора водород поступал снизу в «котел», раскалялся до 3000 °К и огненной струей вырывался из шахты наружу. Несмотря на незначительную радиоактивность истекающих газов, в течение суток находиться снаружи в радиусе полутора километров от места испытаний не разрешалось. К самой же шахте нельзя было подходить в течение месяца. Полуторакилометровый подземный тоннель вел из безопасной зоны сначала к одному бункеру, а из него — к другому, находящемуся возле шахт.
По этим своеобразным «коридорам» и передвигались специалисты.
Результаты экспериментов, проведенных с реактором в 1978–1981 годах, подтвердили правильность конструктивных решений. В принципе ЯРД был создан. Оставалось соединить две части и провести комплексные испытания.
Однако двигатель остался невостребованным. Экспедицию на Луну и Марс отменили, а использовать «РД-0410» на околоземных орбитах было накладно, да и просто опасно.
Электротермические двигатели
Нам уже известно, что одним из способов увеличения эффективности двигателей для космических кораблей является повышение температуры (а значит и скорости) истекающих газов. Но эту температуру можно поднимать не только с помощью химической реакции горения или посредством утилизации энергии радиоактивного распада — другим мощным источником тепла может служить электричество.
Идея электротермического ракетного двигателя обсуждается уже довольно давно. Еще в 1928 году, на самой заре развития реактивной техники, в нашей стране был выдвинут изобретательский проект такого двигателя. По этому проекту через тонкие металлические проволочки или струйки электропроводящей жидкости, находящиеся в камере сгорания, должны пропускаться с заданной частотой кратковременные мощные импульсы электрического тока. Начиная с мая 1929 года, в специально созданной группе электрических и жидкостных ракетных двигателей Газодинамической лаборатории (ГДЛ) в Ленинграде велись теоретические и экспериментальные исследования электротепловых двигателей, использующих явление «электрического взрыва». Работами руководил хорошо нам знакомый Валентин Петрович Глушко.
Через четыре года опыты продолжались уже с камерой, снабженной соплом. В результате разрядов тока происходил взрыв проводников с разогреванием образующихся газов до весьма высокой температуры — порядка 1 миллиона градусов, вследствие чего раскаленные продукты взрыва вытекали через сопло с огромной скоростью. После целой серии опытов сотрудники ГДЛ установили, что идеальным рабочим веществом для таких двигателей являются насыщенные водородом металлы: например, железо или палладий. При высокой температуре взрыва водород выделяется с поглощением части энергии; при охлаждении же продуктов он, воссоединяясь, выделяет поглощенную энергию, что ведет к общему увеличению к. п. д.
Однако развитие ракетных двигателей пошло, как известно, по другому направлению, и если электрические методы нагрева и получили некоторое применение в космической технике, то лишь для различных вспомогательных нужд: например, в электрозапальных устройствах, служащих для воспламенения топлива при запуске двигателя.
Интерес к электротермическим двигателям вновь проявился лишь в начале 70-х годов, когда стали очевидны принципиальные ограничения термохимических двигателей в отношении тяги.
В первую очередь вспомнили о схеме ГДЛ. Опыты с подобными двигателями проводились как у нас, так и в за рубежом.
В качестве рабочего вещества применялись проволочки диаметром в 1 миллиметр и длиной примерно 6,5 миллиметра из алюминия, железа, меди, золота, серебра, вольфрама и ряда других металлов. Внезапный разряд батареи конденсаторов, заряженных до напряжения 10–20 киловольт, через эти проволочки вызывал мгновенное возникновение в них тока силой в несколько тысяч ампер, что приводило к взрывному испарению материала проволочек. Как показали измерения, при этом развивалась температура выше 100 000 °C, а скорость истечения превышала 10 000 м/с с возможностью ее увеличения до 50 000 м/с!
Но если «электрический взрыв» представляет собой довольно экзотический метод нагрева, то хорошо известны другие способы, с помощью которых электрический ток используется в технике и быту для нагрева различных веществ.
Пожалуй, наиболее прост и известен метод конвективного нагрева жидкостей и газов с помощью электрических элементов сопротивления; ведь именно этот так называемый омический нагрев служит в бесчисленных электронагревателях самой различной мощности, начиная с обыкновенного утюга. Нагревательным элементом здесь служит металлическая трубка, проволока или пластина; их электрическое (омическое) сопротивление приводит к тому, что при течении тока они нагреваются — электрическая энергия переходит в тепловую. А затем получаемое тепло сообщается омывающему элемент газу или жидкости.
Создать электротермический двигатель на основе этого физического явления просто: достаточно в камере такого двигателя разместить электрический нагревательный элемент.
Правда, нагрев рабочего вещества будет ограничен допустимой температурой нагревательного элемента примерно так же, как в твердофазном ядерном реакторе, но зато двигатель будет сравнительно простым, небольшим и легким. За рубежом такие двигатели исследуются, они получили там название «резистоджет», что в переводе с английского звучит примерно как «ракетный двигатель на сопротивлении».
Нагревательный элемент «резистоджета» изготовляется из жароупорного металла (обычно из вольфрама, рения или их сплавов) и может нагреваться до 2650–2750°К. При удачной конструкции двигателя температура рабочего вещества лишь немногим меньше этой. Выгоднее всего, конечно, применять в качестве рабочего вещества водород, но используются также аммиак и другие вещества В случае водорода скорость истечения может достигать 10 000-11 000 м/с.
Один из двигателей типа «резистоджет» с многотрубчатым вольфрамовым теплообменником был разработан американской фирмой «Марквардт» («Marquardt») для использования в системах ориентации и стабилизации космических летательных аппаратов, в частности обитаемой орбитальной лаборатории «MORL», конструкцию которой мы обсуждали в главе 17. Электрическая мощность этого двигателя равна 3 кВт, концентрические трубки вольфрамового теплообменника имеют толщину всего ОД миллиметра. В ходе 25-часовых испытаний двигателя была получена скорость истечения 8400 м/с при к. п. д. 79 % и тяге двигателя 66,5 грамма. По другому предложению фирмы, на этой же орбитальной лаборатории могут быть установлены 1624 двигателя «резистоджет» тягой по 4,5 грамма, рабочим веществом для которых должны служить отходы жизнедеятельности космонавтов!
Фирма «Авко» («Avco») также разрабатывала двигатель «резистоджет» аналогичного назначения для системы стабилизации на орбите синхронного искусственного спутника Земли «ATS» весом около 450 килограммов. Двигатель мощностью всего примерно 7,5 Вт имеет диаметр 102 миллиметра, длину 280 миллиметров и вес 3,2 килограмма, он работает на аммиаке; его две независимо работающие тяговые камеры (движителя) диаметром 32 миллиметра развивают очень малую тягу 50 миллиграммов и 5 миллиграммов, они управляются клапанами, электрически связанными с электронным командным блоком.
Идея электротермического ракетного двигателя обсуждается уже довольно давно. Еще в 1928 году, на самой заре развития реактивной техники, в нашей стране был выдвинут изобретательский проект такого двигателя. По этому проекту через тонкие металлические проволочки или струйки электропроводящей жидкости, находящиеся в камере сгорания, должны пропускаться с заданной частотой кратковременные мощные импульсы электрического тока. Начиная с мая 1929 года, в специально созданной группе электрических и жидкостных ракетных двигателей Газодинамической лаборатории (ГДЛ) в Ленинграде велись теоретические и экспериментальные исследования электротепловых двигателей, использующих явление «электрического взрыва». Работами руководил хорошо нам знакомый Валентин Петрович Глушко.
Через четыре года опыты продолжались уже с камерой, снабженной соплом. В результате разрядов тока происходил взрыв проводников с разогреванием образующихся газов до весьма высокой температуры — порядка 1 миллиона градусов, вследствие чего раскаленные продукты взрыва вытекали через сопло с огромной скоростью. После целой серии опытов сотрудники ГДЛ установили, что идеальным рабочим веществом для таких двигателей являются насыщенные водородом металлы: например, железо или палладий. При высокой температуре взрыва водород выделяется с поглощением части энергии; при охлаждении же продуктов он, воссоединяясь, выделяет поглощенную энергию, что ведет к общему увеличению к. п. д.
Однако развитие ракетных двигателей пошло, как известно, по другому направлению, и если электрические методы нагрева и получили некоторое применение в космической технике, то лишь для различных вспомогательных нужд: например, в электрозапальных устройствах, служащих для воспламенения топлива при запуске двигателя.
Интерес к электротермическим двигателям вновь проявился лишь в начале 70-х годов, когда стали очевидны принципиальные ограничения термохимических двигателей в отношении тяги.
В первую очередь вспомнили о схеме ГДЛ. Опыты с подобными двигателями проводились как у нас, так и в за рубежом.
В качестве рабочего вещества применялись проволочки диаметром в 1 миллиметр и длиной примерно 6,5 миллиметра из алюминия, железа, меди, золота, серебра, вольфрама и ряда других металлов. Внезапный разряд батареи конденсаторов, заряженных до напряжения 10–20 киловольт, через эти проволочки вызывал мгновенное возникновение в них тока силой в несколько тысяч ампер, что приводило к взрывному испарению материала проволочек. Как показали измерения, при этом развивалась температура выше 100 000 °C, а скорость истечения превышала 10 000 м/с с возможностью ее увеличения до 50 000 м/с!
Но если «электрический взрыв» представляет собой довольно экзотический метод нагрева, то хорошо известны другие способы, с помощью которых электрический ток используется в технике и быту для нагрева различных веществ.
Пожалуй, наиболее прост и известен метод конвективного нагрева жидкостей и газов с помощью электрических элементов сопротивления; ведь именно этот так называемый омический нагрев служит в бесчисленных электронагревателях самой различной мощности, начиная с обыкновенного утюга. Нагревательным элементом здесь служит металлическая трубка, проволока или пластина; их электрическое (омическое) сопротивление приводит к тому, что при течении тока они нагреваются — электрическая энергия переходит в тепловую. А затем получаемое тепло сообщается омывающему элемент газу или жидкости.
Создать электротермический двигатель на основе этого физического явления просто: достаточно в камере такого двигателя разместить электрический нагревательный элемент.
Правда, нагрев рабочего вещества будет ограничен допустимой температурой нагревательного элемента примерно так же, как в твердофазном ядерном реакторе, но зато двигатель будет сравнительно простым, небольшим и легким. За рубежом такие двигатели исследуются, они получили там название «резистоджет», что в переводе с английского звучит примерно как «ракетный двигатель на сопротивлении».
Нагревательный элемент «резистоджета» изготовляется из жароупорного металла (обычно из вольфрама, рения или их сплавов) и может нагреваться до 2650–2750°К. При удачной конструкции двигателя температура рабочего вещества лишь немногим меньше этой. Выгоднее всего, конечно, применять в качестве рабочего вещества водород, но используются также аммиак и другие вещества В случае водорода скорость истечения может достигать 10 000-11 000 м/с.
Один из двигателей типа «резистоджет» с многотрубчатым вольфрамовым теплообменником был разработан американской фирмой «Марквардт» («Marquardt») для использования в системах ориентации и стабилизации космических летательных аппаратов, в частности обитаемой орбитальной лаборатории «MORL», конструкцию которой мы обсуждали в главе 17. Электрическая мощность этого двигателя равна 3 кВт, концентрические трубки вольфрамового теплообменника имеют толщину всего ОД миллиметра. В ходе 25-часовых испытаний двигателя была получена скорость истечения 8400 м/с при к. п. д. 79 % и тяге двигателя 66,5 грамма. По другому предложению фирмы, на этой же орбитальной лаборатории могут быть установлены 1624 двигателя «резистоджет» тягой по 4,5 грамма, рабочим веществом для которых должны служить отходы жизнедеятельности космонавтов!
Фирма «Авко» («Avco») также разрабатывала двигатель «резистоджет» аналогичного назначения для системы стабилизации на орбите синхронного искусственного спутника Земли «ATS» весом около 450 килограммов. Двигатель мощностью всего примерно 7,5 Вт имеет диаметр 102 миллиметра, длину 280 миллиметров и вес 3,2 килограмма, он работает на аммиаке; его две независимо работающие тяговые камеры (движителя) диаметром 32 миллиметра развивают очень малую тягу 50 миллиграммов и 5 миллиграммов, они управляются клапанами, электрически связанными с электронным командным блоком.