Плюсы и минусы ядерных ракетных двигателей - 1

Тема ядерных ракетных двигателей для покорения Марса и вообще для космических полетов в пределах Солнечной системы не нова. Ей более 60 лет. Первые идеи, расчеты и теоретические модели были предложены еще в 50х годах прошлого века, а в 60е годы американцы даже построили и испытали ядерные ракетные двигатели типа NERVA и KIVI (в СССР тоже что-то было). Но потом все заглохло на десятки лет.

В настоящее время эта тема снова стала актуальной и исследования возобновились. В настоящем опусе я представлю свой взгляд на данную проблематику, исходя из собственного опыта инженера-ядерщика, хорошо знакомого также с проблемами космоса.

Прежде всего ответим на вопрос, какие типы ядерных ракетных двигателей возможны. Опуская всякую фантастику типа ядерных взрывов за кормой звездолета, отметим, что на сегодняшний день реальные перспективы имеют только два типа двигателей: ядерно-термический и ядерно-электрический. В двигателях ядерно-термического типа нагрев рабочего тела происходит непосредственно в зоне ядерной реакции: теплоноситель (чаще всего водород) прокачивается через активную зону реакции, снимает тепло с деляшегося топлива, нагревается и выбрасывается далее через сопло, формируя тяговое усилие. В такой установке ядерный реактор и ракетный двигатель совмещены в единое целое. В двигателях ядерно-электрического типа реактор и двигатель разнесены в пространстве: реактор производит электричество, которое поступает в двигатель и нагревает рабочее тело. У каждого типа есть свои плюсы и минусы и на сегодняшний день пока не ясно, за кем останется победа в этой гонке.

Двигатели ядерно-термического типа в свою очередь можно классифицировать по виду используемого топлива: 1) двигатели с твердым топливом, 2) двигатели с жидким топливом, 3) двигатели с газообразным топливом. Наиболее проработаны и даже опробованы на полигонах (те самые NERVA и KIVI) двигатели с твердым топливом. Такие установки своим внешним устройством весьма напоминают обычный ядерный реактор наших АЭС: такие же тепловыделяющие элементы с топливными таблетками, замедляющие и регулирующие стержни, каналы для прохода теплоносителя, защитные экраны. Только само топливо сильно отличается от того, что используется в АЭС. Если для реакторов земного назначения очень важную роль играет теплопроводность топлива, то для реакторов космического назначения более важным становится верхний предел используемой температуры.

Чем больше температура рабочего тела на выходе из реактора, тем больше будет скорость его истечения из сопла, тем больше будет удельный импульс и эффективность использования звездолета. То есть нужно максимально нагреть рабочее вещество. А для этого нужно, чтобы температура делящегося топлива была максимально высока. Насколько мне известно, температура горения в камере сегодняшних ЖРД составляет от 4000 до 4500 градусов. Но предел температуры топлива в ядерном двигателе составляет всего 3000 с небольшим градуса. Поднять выше не получается, так как топливо начинает трескаться и разрушаться. Таким образом, ЯРД с твердым топливом по температуре проигрывает ЖРД.

Другой недостаток ЯРД с твердым топливом по сравнению с ЖРД кроется в более низком значении удельного энерговыделения. В ЖРД энергия выделяется по всему объёму камеры сгорания (конечно, при условии хорошего смешивания топлива и окислителя). А в ЯРД энергия выделяется не по всему объему, а только со стенок каналов, в которых движется рабочее тело. В самих же каналах тепло не выделяется. В итоге удельное энерговыделение ЯРД (то есть выделение энергии на единицу объема) оказывается в 1.5, 2 или даже в 2.5 раза меньше того, что достигнуто в ЖРД. А это ведет к уменьшению мощности двигателя и силе тяги.

Можно было бы увеличить размеры ЯРД, но это не выход. Увеличение поперечных размеров двигателя сопровождается увеличением поперечных размеров самой ракеты, значит возрастает аэродинамическое сопротивление при старте с земного космодрома. А увеличение длины активной зоны реактора ведет к возрастанию утечек нейтронов из активной зоны (нейтронные утечки минимальны, когда длина активной зоны очень близка ее диаметру, именно такими стараются проектировать все ядерные реакторы).

Однако, у ЯРД по сравнению с ЖРД есть очень большой плюс, перевешивающий отмеченные только что минусы: использование максимально легкого рабочего тела. Формулы показывают, что скорость истечения рабочего тела из сопла обратно пропорциональна квадратнму корню из его молекулярной массы. Поэтому чем более легкое рабочее тело мы используем, тем более высокую скорость истечения получим при неизменной мощности реактора.

Для ЯРД нет особых проблем заменить рабочее тело. Поэтому для него обычно используют жидкий водород, имеющий молекулярную массу, равную двойке. А вот с ЖРД так просто не получится. Если в ЖРД мы испольуем самую эффективную на сегодня пару кислород+водород, то по реакции 2Н2 +О2 = 2Н2О получим на выходе раскаленные пары воды с молекулярной массой, равной 18 (химики, поправьте меня, ежели я соврал с массой). Девятикратная разница по молекулярной массе оборачивается трехкратным выигрышем по скорости истечения. И хотя этот выигрыш немного компенсируется более низкой температурой, в итоге мы все равно имеем почти двухкратный выигрыш по общему результату. Вот почему сегодня такой большой интерес вызывают ЯРД с твердым топливом.

Чтобы улучшить характеристики ЯРД, разработчики когда-то предложили перейти с твердого топлива на жидкое. Действительно, если для твердого топлива пределом является температура плавления, то для жидкого пределом будет температура кипения/испарения. А вторая температура может в разы превосходить первую. Однако сразу же возникает вопрос: а как удержать жидкое топливо внутри активной зоны и не дать ему вылететь через сопло в окружающее пространство? Заключить его в твердую оболочку не получится, потому что нет таких твердых веществ с настолько высокими температурными пределами. Поэтому предложили удерживать жидкое топливо внутри активной зоны реактора с помошью центробежных сил. Конструкция такого ЯРД с жидким топливом следующая.

Активную зону в форме цилиндра раскручивают вдоль оси вращения до очень больших скоростей и при достижении требуемой скорости впрыскивают внутрь с боковой поверхности жидкое топливо (или даже твердое порошкообразное, а потом доводят его до плавления за счет включения реакции деления). Когда температура крутящегося внутри жидкого топлива достигнет нужной отметки, в камеру опять же с боковой поверхности начинают подавать рабочее тело под давлением. Это рабочее тело отжимает раскаленное жидкое топливо от стенок камеры, не допуская их контакта и тем самым предохраняя стенки от расплавления. Затем оно барботирует через слой жидкого топлива в радиальном направлении, снимает с топлива выделяющееся тепло и, поступая уже раскаленным в центральную часть камеры, свободную от топлива, движется здесь уже в аксиальном направлении с ускорением в сторону выходного сопла. Предполагалось, что под действием центробежных сил (камера то быстро вращалась) намного более тяжелое топливо будет отжиматься от центральной зоны камеры и тем самым удерживаться от выброса наружу. На бумаге все получалось неплохо, но, как говорится «гладко было на бумаге, да забыли про овраги».

Экспериментальная проверка такого способа на полноразмерной модели показала, что топливо в камере не удерживается (только вместо деляшегося ядерного топлива использовали обычное железо, которое плавили на расстоянии использованием высокочастотного магнитного поля). Было две причины такого «неудержания», которые можно условно назвать «радиальной» и «аксиальной». Радиальная причина «неудержания» состояла в факте увеличения скорости рабочего тела по мере его просачивания через топливный слой к центру камеры. Действительно, чем меньше площадь проходного сечения при неизменном расходе, тем больше будет скорость. А по мере продвижения рабочего тела к центру камеры площадь проходного сечения быстро уменьшалась. Поэтому росла радиальная скорость просачивания, зато центробежные силы ослабевали. И в итоге топливо попадало в центральную часть камеры, откуда потом вместе с рабочим телом вылетало через сопло наружу.

Что касается аксиальной причины «неудержания» топлива, она состояла в, скажем так, неполной радиальности вектора движения рабочего тела. Пока рабочее тело просачивается через топливный слой в чисто радиальном направлении, эта составляюшая «неудержания» топлива отсутствует. Но такое возможно только в идеале. А в реальном изделии рабочее тело барботировало через слой топлива всегда немного под углом к оси. Поэтому возникала аксиальная проекция силы, под действием которой топливо смещалось в направлении сопла и, накопившись здесь, затем вылетало наружу. Насколько мне известно, способов решения этих двух причин «неудержания» топлива в двигателе так и не нашли. Поэтому данное направление закрыли.