Более двадцати пяти лет назад в Семипалатинске был произведен первый энергопуск ядерного реактора ИВГ-1,с помощью которого была начата отработка конструкции ядерного ракетного двигателя. Уже тогда предполагали,что такой двигатель понадобится во время полета человека к Марсу. Позднее трудности с финансированием науки затормозили работу, но планируемая на 2017 г. экспедиция к Марсу оживила интерес к ядерному двигателю. Ядерный двигатель представляет собой реактор, в котором вдоль тепловыделяющих элементов с ядерным топливом проходит поток газа – водорода. Он охлаждает элементы, а сам нагревается и с большой скоростью истекает из сопла, создавая тягу двигателя. При этом возникает импульс, толкающий ракету вперед. Температура газа на выходе должна быть очень высока – не менее 3000 °С, а удельная тяга – 950 с. Только при этих условиях ядерный двигатель эффективнее, чем обычный, работающий на жидком топливе.
Сейчас в области ядерных ракетных двигателей мы, несмотря на полузамороженное состояние работ, на 15-20 лет опережаем США. Работы над ядерными энергетическими (ЯЭУ) и энергодвигательными установками (ЯЭДУ) в настоящее время ориентированы на формирование опережающего научно-технического задела по созданию базовых унифицированных элементов, узлов и агрегатов ЯЭУ (ЯЭДУ).
К приоритетным направлениям исследований, которые могут показать преимущества ядерных источников энергоснабжения перед другими их вариантами, можно отнести:
развитие технологий, обеспечивающих создание ЯЭУ мощностью от десятков до сотен киловатт (с перспективой ее дальнейшего увеличения);
доведение гарантированного ресурса ЯЭУ до уровня, не меньше ожидаемого от солнечной энергетики (в том числе до 10 лет и более на ГСО);
развитие технологий, обеспечивающих создание бимодальных ядерных электродвигательных установок (работающих как в режиме ядерных ракетных двигателей на водороде, так и в электро-генерирующем режиме для питания целевой и служебной аппаратуры КА или ЭРД);
подтверждение ядерной и радиационной безопасности разработки и эксплуатации ЯЭУ (ЯЭДУ).
Как показали исследования,проведенные специализированными отечественными организациями, при мощностях 50…100 кВт предпочтение может быть отдано ядерным энергетическим установкам в силу их заметных преимуществ перед традиционными солнечными энергоустановками по массогабаритным, эксплуатационным и экономическим показателям. Причем в указанном диапазоне мощностей существенные преимущества имеют термоэмиссионные ЯЭУ второго поколения, основанные на дальнейшем развитии технологии, созданной по программе “Топаз”, важным элементом которой явились успешные летно-конструкторские испытания в 1987-1988 гг. первой в мире термоэмиссионной ЯЭУ “Топаз-1”. Именно это обстоятельство – использование ядерной энергоустановки – привносит весьма существенную специфику в практику конструирования КА, поскольку компоновочная схема последнего в большей степени становится зависимой от особенностей энергоустановки, чем от характеристик и параметров целевой аппаратуры.
Существенно, что ЯЭУ используется как в качестве источника электроснабжения бортовой аппаратуры,так и совместно с электро-ракетными двигателями для выведения КА с радиационно безопасной орбиты на рабочую. Выполненные исследования по определению областей применения различных видов энергии для обеспечения КА свидетельствуют о том, что уже с уровня 300 кВт при сроке службы КА более одного года использование ядерной энергетики представляется более предпочтительным. Результаты теоретических исследований показывают, что может быть создана ЯЭУ с термоэмиссионным преобразованием энергии мощностью 7,5 МВт и удельными массовыми характеристиками 6 кг/кВт.
ЯЭУ с турбомашинным преобразованием энергии (ТЭМП) может иметь преимущества по сравнению с термоэмиссионным и термоэлектрическим вариантами вследствие:
значительно меньшей массы реакторной установки при равной электрической мощности; более высокого КПД;
большей технологичности из-за значительно более низкой температуры рабочего тела;
принципиальной возможности отработки энергетического контура отдельно от реактора;
более высокой надежности ТЭМП из-за отсутствия ограничений по дублированию элементов вне реактора.
Поэтому представляется целесообразным рассмотреть концепцию ЯЭУ с ТЭМП. Следует также отметить большой накопленный опыт по разработке ЯРД, наличие стендовой базы и высококвалифицированных специалистов в России, а также большой научно-технический задел, созданный в США по программе “Нерва”. При выбранном уровне электрической мощности (2 МВт) конструкция реактора и радиационной защиты близка к оптимальной по удельным массам, по конфигурации и по загрузке топлива, а удельные массы агрегатов ТЭМП при этом уменьшаются до уровня 2-4 кг/кВт.
Проведенный проектно-баллистический анализ космического энерготранспортного аппарата (КЭТА) определил требуемые параметры электрической мощности, а также характеристики электроракетной двигательной установки.
Основные ограничения, принятые в расчетах:
масса установки и габариты не должны выходить за рамки возможностей ракеты-носителя “Ангара”;
радиационная доза, накапливаемая полезным грузом при пересечении радиационных поясов Земли, не должна превышать 5 х 104 рад;
радиационно безопасной считается круговая орбита высотой 600-800 км;
ресурс бортовых систем КЭТА должен составлять 1-2 года на первом этапе с доведением до 5-7 лет при последующей отработке;
число рейсов КЭТА за ресурс – до 10;
суммарная доза радиоактивного облучения,получаемая в приборном отсеке от работы реактора и воздействия радиационных поясов Земли: гамма-излучение – не более 106 рад; флюенс быстрых нейтронов – не более 1013 н/см 2 .
В РНЦ “Курчатовский институт” разработан проект ЯЭУ с турбомашинным преобразователем энергии, рассчитанной на следующие параметры:
тепловая мощность – до 10 МВт;
электрическая мощность – около 2 МВт;
система преобразования энергии – турбомашинная (цикл Брайтона);
суммарное время работы – не менее 104 ч;
число включений за ресурс – до 30;
максимальная температура рабочего тела – до 1500 К.
В результате проведенных проработок определились основные проектные характеристики ЯЭУ:
масса газоохлаждаемого реактора – 1000 кг;
топливо – UC (U,Zr)C,UNc 90 %-м обогащением по U235, оболочка топлива – Zr, W184, отражатель – Be;
масса радиационной защиты (LiH,W,B4C) – 1000 кг;
масса преобразователя энергии (турбина, компрессор и униполярный генератор) – 3500 кг;
рабочее тело – гелий-ксеноновая смесь (1-3 % Хе);
холодильники-излучатели – на тепловых трубах при средней температуре около 700 К, масса 3000 кг;
площадь холодильника-излучателя (эффективная) – около 300 м 2 ;
масса системы автоматического управления, системы электро-снабжения – 1000 кг;
масса конструкции ЯЭУ – 1500 кг;
суммарная масса ЯЭУ – 11 000 кг;
удельная масса – 5,5 кг/кВт.
Конструктивно КЭТА, в состав которого входит ЯЭУ, состоит из модуля энергоустановки с ядерным реактором и защитой; ТЭМП, размещенного в конусе радиационной защиты; холодильника-излучателя на тепловых трубах, выполненного по несущей схеме; четырех раскрывающихся плоскостей холодильников-излучателей, имеющих полуцилиндрическую форму, а также размещенной внутри холодильника-излучателя выдвижной фермы.
На выдвижной ферме располагаются:
приборный отсек с системой стыковки, приборами ориентации, навигации,связи и дополнительной двигательной установкой;
маршевая электроракетная двигательная установка (удельный импульс 4600 с); топливный бак ксенона.
Основные массовые характеристики КЭТА: ЯЭУ – 11 000 кг; ЭРДУ – 5000 кг; выдвижная ферма,топливный бак – 1000 кг; приборный отсек,система стыковки – 2000 кг; дополнительная двигательная установка, неучтенные элементы – 1000 кг; топливо (ксенон) – 8000 кг; суммарная “сухая” масса КЭТА – 20 000 кг. КЭТА может обеспечить проведение обширных исследований космоса, создание лунной базы и решение ряда других народнохо-зяйственных и оборонных задач.
В XXI в. придется решать и более энергоемкие задачи: создание космических производственных комплексов, исследование комет, астероидов и др. Для их решения необходимы более мощные ДУ. Требования, предъявляемые к мощности двигательной установки, определяются временем полета, массой полезной нагрузки, удельной массой энергоустановки (кг/кВт), удельным импульсом и КПД двигателя. Мощности, необходимые для грузового полета на Луну, 600-дневного грузового полета на Марс с полезной нагрузкой в сотни тонн,оцениваются в 1-10 МВт. Для пилотируемого полета на Марс требуются источники питания мощностью в несколько десятков МВт. Это позволяет с учетом отечественного и зарубежного опыта рассмотреть концепцию создания КЭТА с ЯЭРДУ на базе энергетической установки с электрической мощностью в несколько МВт.
Ядерная энергетическая установка электрической мощностью 2 МВт для космического энерготранспортного аппарата. Космические энерготранспортные аппараты с ядерной энергетической установкой мощностью около 2 МВт и электроракетными двигателями могут обеспечить значительный прогресс в исследовании планет Солнечной системы, создании лунной базы, проведении некоторых чисто научных высокоэнергетических экспериментов в космосе и, наконец, с их использованием может быть уменьшена в несколько раз себестоимость доставки 1 кг полезного груза на геостационарную и другие высокие орбиты.
КЭТА представляет собой космический челнок (межорбитальный буксир). Запуск КЭТА на низкую орбиту осуществляет РН “Ангара”. Совершенно очевидно, что программы исследования дальних планет, создания лунной базы, пилотируемой экспедиции к Марсу и, наконец, проекты глобальной космической телефонизации требуют решительного интенсивного увеличения транспортных возможностей космической техники, что предопределяет резкий рост энерговооруженности КА.
Ядерные электроракетные двигательные установки с электрической мощностью 2-10 МВт. Из предварительного проектно-баллистического анализа следует, что для ЯЭУ наиболее целесообразным представляется уровень электрической мощности ~3 МВт как наиболее оптимальный в соответствии со следующими критериями:
максимально возможная масса полезного груза, выводимого на геостационарную орбиту с помощью ЯЭРДУ, размещается при выведении с Земли на РН “Энергия” в контейнере ПГ;
время транспортировки груза на ГСО не превышает 100 сут (условие непревышения допустимой радиационной дозы при прохождении радиационных поясов Земли);
удельный импульс электроракетного двигателя (ЭРД) составляет 5000 с;
выбранный уровень мощности является универсальным для решения ряда других задач (транспортировка грузов к Марсу, Луне, Венере, изменение наклонения орбит больших космических объектов типа научных станций, проведение научных экспериментов и организация промышленного производства на орбите).
Среди мощных ЭРД наиболее проработанными как по полетным параметрам, так и по разработке подсистем являются магнитоплазменные и ионные электроракетные двигатели. В настоящее время исследованы возможности создания магнитоплазмодинамического (МПД) двигателя мощностью 2,5 МВт с внешним полем, работающего при разрядном токе 10 кА и напряжении 250 В. Ресурс двигателя, необходимый для большинства космических экспедиций, принят равным 10 тыс. ч, поэтому разработки направлены в основном на увеличение ресурса отдельного двигателя. Продемонстрирована возможность работы МПД-двигателей с мощностью до 40 МВт в квазистационарном режиме. Течение плазмы удовлетворительно описывается уравнениями идеальной магнитной гидродинамики.
Использование мощных МПД-двигателей в проводимых в последние десятилетия космических экспериментах не рассматривалось из-за низкого уровня бортовой энергетики существующих КА. Функционирование установки при низких уровнях мощности невыгодно по двум причинам. Во-первых, при этом снижается до недопустимо низкого значения эффективность преобразования электрической энергии в тягу. Во-вторых, высокую эффективность при низких уровнях средней мощности можно получить только в импульсном режиме работы двигательной установки. Для обеспечения импульсного режима работы необходим энерго-преобразователь со вспомогательными устройствами, масса которого довольно значительна. Поэтому маломощные двигательные установки с импульсными МПД-двигателями не могут конкурировать с другими ЭРД.
Проведенные баллистические расчеты показал и, что очень перспективно использовать МПД-двигатель в маршевой двигательной установке для межорбитальных полетов, если в составе КА имеется бортовой мегаваттный источник энергии, при котором стационарные МПД-двигатели достигают удовлетворительных двигательных характеристик. Для транспортировки большого источника энергии с низкой орбиты ИСЗ на геостационарную орбиту при помощи двигателя на химическом топливе требуется масса топлива, в 10 раз превышающая массу полезной нагрузки. При использовании МПД-двигателя масса рабочего тела уменьшается в 5-10 раз. Если учесть, что масса МПД-двигателя того же порядка, что и двигателя на химическом топливе,то выигрыш в начальной массе КА на низкой околоземной орбите оказывается значительным. Для выполнения таких задач необходима надежная конструкция установки с МПД-двигателем мощностью несколько мегаватт.
Наиболее оптимальной для КА выбранного уровня мощности является реакторная установка на быстрых нейтронах, концепция активной зоны которой базируется на использовании ураноемких высокотемпературных композиций в виде витых стержневых твэлов или свободной засыпки шариковых твэлов с осевым течением теплоносителя. Выбор реактора на быстрых нейтронах обусловлен: минимальными габаритами и массой; отсутствием замедлителя, что снимает проблему его стойкости и охлаждения; практическим отсутствием эффектов реактивности, связанных с выгоранием и зашлаковыванием; небольшим начальным запасом и отрицательным температурным эффектом реактивности.
Ядерная безопасность на всех этапах жизненного цикла КА при штатных и аварийных ситуациях обеспечивается с помощью активных и пассивных средств, включающих следующие элементы:
регулирующие барабаны в боковом отражателе;
выводимые поглощающие стержни;
резонансные поглотители, размещаемые в активной зоне; программируемое изменение геометрии реактора в аварийных ситуациях.
Радиационная защита полезного груза и системы управления – теневая, в виде усеченного конуса – определяется предельно допустимым уровнем радиации. В качестве основных компонентов защиты рассматриваются гидрид циркония, активированный бором, и гидрид лития. Выбор турбомашинного способа преобразования по термодинамическому циклу Брайтона обусловлен малой удельной массой системы преобразования – менее 10 кг/кВт, что существенно меньше ее значения для других способов преобразования (30 кг/кВт); высокой степенью технологической готовности, отработанностью основных узлов газового контура; возможностью обеспечения соответствия выходных параметров электрогенератора потребностям нагрузки; высоким КПД энергопреобразования (-30 %). Среди динамических способов преобразования энергии цикл Брайтона отличается тем, что обеспечивает простоту запуска, химическую инертность и радиационную неактивируемость рабочего тела.
В предлагаемой энергоустановке применен прямой регенеративный замкнутый цикл Брайтона, основными узлами при реализации которого являются турбокомпрессор-генератор, рекуперативный теплообменник и холодильник-излучатель (ХИ). Максимальная температура цикла составляет 1500 К, что является вполне оправданным при использовании современных конструкционных материалов на основе керамик для изготовления дисков турбин и жаропрочных сплавов для корпусных узлов и подводящих патрубков. Материалы, работающие при таких температурах, имеют, однако, повышенную хрупкость при более низких температурах, что требует отработки алгоритма запуска турбин. Конструкция рекуперативного теплообменника, состоящая из ряда штампованных листов, обеспечивает высокоинтенсивный теплообмен и тем самым позволяет создать компактный и легкий теплообменник.
КА состоит из модуля энергоустановки на основе ядерного реактора, двигательного модуля, ускорите ля и отсека полезного груза. Модуль энергоустановки включает в себя реакторную установку, теневую радиационную защиту, систему энергопреобразования (СЭП), холодильники-излучатели на основе тепловых труб и раздвижную ферму. Двигательный модуль содержит блок маршевых электроракетных двигателей, топливный бак, систему управления двигателями, систему управления космическим аппаратом, а также систему управления ЯЭУ. Холодильники-излучатели электрической ракетной двигательной установки размещены на поверхности двигательного модуля.
Ускоритель представляет собой сбрасываемую ракетную ступень, состоящую из бака окислителя (кислород),бака горючего (керосин) и двух двигателей суммарной тягой около 1 тс, размещенных на сбрасываемой ферме. Ферма закреплена на поверхности силового каркаса СЭП и сбрасывается вместе с баками и двигателями на круговой орбите высотой Нкр ~ 800 км. Отсек полезного груза имеет общий объем около 800 м3 и отделяется от К А на ГСО по плоскости стыковки с двигательным модулем.
При выведении на низкую орбиту КА размещается в контейнере полезного груза РН “Энергия”. Контейнер полезного груза раскрывается и сбрасывается после выведения РН на высоте Нкр – ~ 200 км. Затем включаются двигатели ускорителя, и при достижении КА опорной орбиты высотой Нкр ~ 600… 800 км ускорители сбрасываются. На опорной орбите по команде с Земли проводятся операции раздвижения ферм ХИ и их раскрытие. Далее проводится запуск реактора и вывод СЭП на уровень заданной мощности. После тестирования подсистем КА он переводится в положение гравитационной ориентации. Включаются маршевые ЭРДУ.
Согласно расчетам время выведения КА с указанными параметрами на ГСО составит примерно 60 сут, при этом большую часть времени КА будет находиться в радиационных поясах разной интенсивности. Если защиту управления КА и полезного груза выполнить из алюминия, обеспечив ее удельную массу до 1 г/см2, суммарная радиационная доза не превысит 2*104 рад. После выведения на орбиту полезный груз отделяется от КА, а КА при необходимости переводится на геоцентрическую орбиту.
Таким образом, проведенные исследования показывают следующее:
использование РН “Энергия” и ЯЭРДУ мощностью 3 МВт с турбомашинным преобразованием и МПД-двигателем, имеющим КПД ~ 0,7 и удельный импульс 5000 с, позволяет вывести на ГСО полезный груз массой 35 т за 60 сут;
использование ЯЭРДУ вдвое увеличивает по сравнению с ЖРД массу и объем полезного груза, выводимого на ГСО;
ядерная безопасность КА на всех этапах жизненного цикла при штатных и аварийных ситуациях может быть обеспечена с помощью активных и пассивных средств защиты;
реализуемость предлагаемой концепции электроракетного двигателя подтверждается рядом экспериментальных и расчетно-теоретических работ, выполненных в России и за рубежом.
В настоящее время Россия обладает возможностями решения такой задачи, поскольку располагает мощной РН “Энергия”, а также научно-техническим заделом по космической ядерной и двигательной установке. Наряду с ЯЭДУ, обладающими повышенной радиационной опасностью, дальнейшее развитие получат и ракетные двигатели традиционных схем.
Коммерческие средства дистанционного зондирования Земли из космоса только начинают свое развитие. Сельское хозяйство, региональное развитие, строительство, добывающая промышленность все шире используют данные ДЗЗ. Существующие космические средства ДЗЗ, такие как Spot, Landsat и т.п., не являются чисто коммерческими, несмотря на рыночные принципы распространения получаемой информации. Эти системы субсидируются государственными органами, так как на современном этапе их…
Национальный центр космических исследований КНЕС (CNES) ведет как гражданские, так и военные космические программы (во взаимодействии с МО). Создана военная система спутниковой связи Sirakus (1988 г.) на основе КА Telecom. С 1995 г. запускаются разведывательные КА Helios, созданные на базе КА Spot. Ведется разработка КА Helios-2 с участием других европейских стран. Продолжается эксплуатация КА ДЗЗ…
Впервые в истории ракетно-космической техники реализуется крупнейший международный проект – создание Международной космической станции. Ранее выполненные и реализуемые в настоящее время космические программы уступают проекту МКС по масштабу и объему задач, составу стран-участниц и организаций-соисполнителей, ответственности за решение вопросов надежности и безопасности в процессе создания и длительной эксплуатации МКС. Вопросам обеспечения надежности и безопасности уделялось…
Решение всей совокупности сложных конструкционных, схемотехнических и технологических задач при разработке, создании и эксплуатации космических средств невозможно без широкого развития и внедрения результатов космического материаловедения. При разработке космических средств требуются новые материалы, которые должны выдерживать нагрузки космических полетов (высокие температура и давление, вибрационные нагрузки на этапе выведения, низкие температуры космического пространства, глубокий вакуум, радиационное воздействие,…
Космодром – это оборудованная в инженерном отношении территория, на которой размещены функционально увязанные между собой сооружения и технические средства, обеспечивающие прием с заводов-изготовителей и хранение элементов ракетно-космической техники, подготовку средств выведения и космических аппаратов и их пуск. При использовании многоразовых средств выведения на космодроме могут быть созданы ремонтно-профилактические позиции для обеспечения послеполетного обслуживания этих средств….
Основу комплексов средств автоматизации (КСА) центров управления полетом КА и центров обработки информации, эксплуатируемых в НАКУ в 1990-х гг., составляли малопроизводительные вычислительные системы второго и третьего поколений, более 50 % которых многократно выработали установленный ресурс, устарел и морально и физически (ЭВМ серии СМ, М-222, ВК-2М45/46, “Эльбрус-1” и др.) Уровень автоматизации управления КА составлял 70-80%. Неудовлетворительное…
Космические средства выведения представляют собой сложные технические транспортные системы, предназначенные для доставки полезных нагрузок в космическое пространство на заданные орбиты. Все существующие космические средства выведения, а также средства, эксплуатация которых будет осуществляться в обозримой перспективе (25…30 лет), имеют в своей основе принцип реактивного движения. Первые сообщения о применении устройств, использующих этот принцип, появились в китайских…
Великобритания эксплуатирует военные КА связи Skynet, участвует в управлении КА связи НАТО. Великобритания считается крупнейшим в Европе (и вторым в мире) потребителем космической информации с разных КА многих стран и организаций. Результаты обработки данных (включая снимки с метео-КА и КА ДЗЗ), накопленные за ряд лет, могут использоваться в военных целях, например во время кризисных ситуаций….
Международное сотрудничество в области коммерческих космических программ в 1980-1990 гг. существенно расширилось. Вслед за организацией первых консорциумов Intelsat, Inmarsat последовало создание значительного числа всемирных и региональных систем и программ – Comsat, Landsat, Meteosat, Eutelsat, Panamsat, Asiasat, Iridium, GlobalStar и т.п. В 1998 г. начато создание Международной космической станции. Основные особенности этапа: значительное увеличение объема работ,…
Развитие средств выведения полезных грузов в космическое пространство (ракет-носителей) в нашей стране шло по нескольким направлениям. Первое направление, возникшее в 1957 г., связано с созданием ряда РН на базе межконтинентальной баллистической ракеты (МБР) Р-7. Эта МБР была разработана в знаменитом ОКБ-1 (с 1966 г. – Центральное конструкторское бюро экспериментального машиностроения (ЦКБЭМ), с 1974 г. –…
Атомная энергетическая установка - силовая установка, работающая на энергии цепной реакции деления ядра. Атомную энергетическую установку, которая в основном является модификацией паротурбинной, начали применять на судах в конце 50-х гг. XX в. К энергетической установке судна с атомным двигателем относятся реактор, парогенератор и турбинная установка, приводящая в движение судовой движитель. Реактор - это установка для получения ядерных цепных реакций, во время которых возникает энергия, преобразуемая далее в механическую. В ядерном реакторе созданы такие условия, что число расщеплений ядра за единицу времени является величиной постоянной, т. е. цепная реакция происходит постоянно.
Конструкция и принцип действия ядерного реактора.
1 - стальной корпус; 2 - замедлитель; 3 - отражатель; 4 - защита; 5 - тепловыделяющие элементы; 6 - вход теплоносителя; 7 - выход теплоносителя; 8 - регулирующие стержни.
Ядерное топливо содержит делящийся материал, как правило, уран или плутоний. При расщеплении ядер атомов, которые распадаются на так называемые фрагменты - или на свободные нейтроны высоких энергий, освобождается очень много энергии. Для уменьшения высокой энергии нейтронов служит замедлитель: графит, бериллий или вода. Для того чтобы свести к минимуму возможность потери нейтронов, устанавливают отражатель. Он состоит в основном из бериллия или графита. Во избежание слишком сильного потока нейтронов в реакторе на соответствующей глубине устанавливают регулирующие стержни из поглощающих нейтроны материалов (кадмия, бора, индия). Энергообмен в реакторе происходит с помощью теплоносителей, воды, органических жидкостей, сплавов из легкоплавких металлов и т. д. В настоящее время на судах применяют, как правило, реакторы, охлаждаемые водой под давлением.
Схема атомной энергетической установки с реактором, охлаждаемым водой под давлением.
1 - реактор; 2 - первичная биологическая защита; 3 - вторичная биологическая защита; 4 - парогенератор; 5 - нагревательный змеевик первого контура; 6 - циркуляционный насос первого контура; 7 - турбина высокого давления; 8 - турбина низкого давления; 9 - редуктор; 10 - конденсатор; 11 - насос вторичного контура; 12 - вход морской воды; 13 - выход морской воды.
Эта установка имеет два контура циркуляции. Первый контур - циркуляция воды под высоким давлением. Вода первого контура служит одновременно теплоносителем ядерного реактора и имеет давление приблизительно от 5,8 до 9,8 МПа. Она протекает через реактор и нагревается, например на судах «Отто Хан» (ФРГ) и «Мутсу» (Япония), до 278°С. При этом давление воды противодействует испарению. Горячая вода первого контура, протекая через нагревательный змеевик, отдает свое тепло парогенератору, затем она снова возвращается к реактору. К парогенератору из второго контура низкого давления подается конденсат. Нагреваемая в парогенераторе вода испаряется. Этот пар с относительно низким давлением (например, на американском судне «Саванна» оно составляет 3,14 МПа) служит для питания турбин, которые через редуктор приводят во вращение гребной винт.
Ядерный реактор изолирован от окружающей среды защитным экраном, не пропускающим вредные радиоактивные лучи. Обычно применяются двойные экраны. Первый (первичный) экран окружает реактор и изготовляется из свинцовых пластин с полиэтиленовым покрытием и из бетона. Вторичный экран окружает парогенератор и заключает внутри себя весь первый контур высокого давления. Этот экран в основном изготовляют из бетона толщиной от 500 мм («Отто Хан») до 1095 мм («Мутсу»), а также из свинцовых пластин толщиной 200 мал и полиэтилена толщиной 100 мм. Оба экрана требуют много места и имеют очень большую массу. Например, первичный экран на судне «Саванна» весит 665 т, а вторичный - 2400 т. Наличие таких экранов является большим недостатком атомных энергетических установок. Другим, еще более существенным недостатком, является, несмотря на все защитные меры, опасность заражения окружающей среды как во время нормального функционирования энергетической установки вследствие отходов использованного топлива, выпуска трюмной воды из реакторного отсека и т. д., так и во время случайных аварий судна и атомной энергетической установки.
К неоспоримым преимуществам относятся очень низкий расход топлива и практически неограниченная дальность плавания. Например, судно «Отто Хан» (ФРГ) за три года не израсходовало даже 20 кг урана, в то время как расход топлива обычной паротурбинной энергетической установкой на судне таких размеров составил 40 тыс. т. Дальность плавания японского судна «Мутсу» составляет 145 тыс. миль. Несмотря на эти преимущества, атомные энергетические установки широко применяются только на боевых кораблях. Особенно выгодно их использовать на крупных подводных лодках, которые долгое время могут находиться под водой, так как для получения тепловой энергии в реакторе воздуха не требуется. Кроме того, атомными энергетическими установками оснащаются мощные ледоколы, используемые в северных широтах земного шара.
1 - машинное отделение; 2 - контейнер с реактором; 3 - отсек вспомогательных механизмов; 4 - хранилище отработавших ТВЭЛ.
К энергетической установке судна с атомным двигателем относятся реактор, парогенератор и турбинная установка, приводящая в движение судовой движитель. Реактор - это установка для получения ядерных цепных реакций, во время которых возникает энергия, преобразуемая далее в механическую. Принцип действия ядерного реактора показан на рисунке 8.
Принцип действия ядерного реактора
Известно, что энергия, выделяемая при использовании 1 кг урана, примерно равна энергии, получаемой при сгорании 1500 тонн мазута. Сердцем ядерной установки является реактор: в нем осуществляется управляемая ядерная реакция, в результате которой образуется тепло, отводимое с помощью теплоносителя - воды. Радиоактивная вода-теплоноситель перекачивается в парогенератор, где за счет ее тепла происходит образование пара из не радиоактивной воды. Пар направляется на диски турбин, которые приводят во вращение турбогенераторы, работающие на гребные электродвигатели, а последние вращают гребные винты. Отработавший пар направляется в конденсатор, где он снова превращается в воду и нагнетается в парогенератор. Принцип действия атомной энергетической установки показан на рисунке 9.
схема атомной энергетической установки с реактором, охлаждаемым водой под давлением
Большое внимание уделяется безопасности эксплуатации ядерной установки, так как находящиеся на судне люди в какой-то мере подвержены опасности радиоактивного облучения, поэтому ядерный реактор изолирован от окружающей среды защитным экраном, не пропускающим вредные радиоактивные лучи. Обычно применяются двойные экраны. Первичный экран окружает реактор и изготовляется из свинцовых пластин с полиэтиленовым покрытием и из бетона. Вторичный экран окружает парогенератор и заключает внутри себя весь первый контур высокого давления. Этот экран в основном изготовляют из бетона толщиной от 500 мм до 1095 мм, а также из свинцовых пластин толщиной 200 мал и полиэтилена толщиной 100 мм. Оба экрана требуют много места и имеют очень большую массу. Наличие таких экранов является большим недостатком атомных энергетических установок. Расположение атомной энергетической установки на судна показано на рисунке 10. Другим, еще более существенным недостатком, является, несмотря на все защитные меры, опасность заражения окружающей среды как во время нормального функционирования энергетической установки вследствие отходов использованного топлива, выпуска трюмной воды из реакторного отсека и т. д., так и во время случайных аварий судна и атомной энергетической установки .
ядерная энергетическая установка на судне
Альтернативные энергетические установки
принцип действия двигателя Стерлинга
Еще до второй мировой войны кораблестроителями предпринимались попытки создать для подводных лодок некую альтернативу дизель-электрической энергетической установке - так называемый единый двигатель для надводного и подводного хода. По разным причинам в то время все эти попытки не вышли из стадии экспериментов, но уже в 1960-х годах к ним снова вернулись. Это было вызвано сразу несколькими причинами. Во-первых, Балтийское море объявлено безъядерной зоной, что подразумевает отсутствие у прибалтийских стран кораблей с ядерными силовыми установками. Во-вторых, по политическим мотивам такие военные корабли не могут находиться на вооружении Германия и Япония. В-третьих, строительство и эксплуатационное обслуживание атомных подводных лодок для многих стран не по карману. Наиболее продуктивно над созданием единого не ядерного двигателя работали в Швеции, Нидерландах, Великобритании и Германии.
Но вместе с тем для некоторых типов судов электродвигатель является единственно приемлемым. Это суда с частой сменой режимов нагрузки гребной установки, корабли, требующие повышенных маневровых качеств, длительное время работающие с пониженной мощностью. Такими судами являются ледоколы, буксиры, паромы, китобойные суда, драгеры и некоторые другие.
Двигатель Стерлинга представляет собой тепловой поршневой двигатель с внешним подводом теплоты, в замкнутом объеме которого циркулирует постоянное рабочее тепло (газ), нагреваемое от внешнего источника тепла и совершающее полезную работу за счет своего расширения. Принцип действия двигателя Стерлинга показан на рисунке 11.
В отличие от двигателя внутреннего сгорания двигатель Стерлинга имеет в цилиндре две переменные по объему полости - горячую и холодную. Рабочее тело сжимается в холодной полости и поступает в горячую, затем после нагрева газ движется в обратном направлении и поступает в холодную полость, где, расширяясь, производит полезную работу. Такое двустороннее движение газа обеспечивается наличием двух поршней в каждом цилиндре: поршня-вытеснителя, регулирующего перетекание газа, и рабочего поршня, совершающего полезную работу. Объем горячей полости и верхней части цилиндра регулируется поршнем-вытеснителем, а объем холодной полости, находящейся между обоими поршнями, - их совместным перемещением. Оба поршня связаны механически и совершают согласованное движение, обеспечиваемое специальным механизмом, одновременно заменяющим кривошипно-шатунный механизм.
При работе двигателя можно выделить четыре основных последовательных положения поршней, определяющих рабочий цикл двигателя: а) - рабочий поршень в крайнем нижнем положении, поршень-вытеснитель - в крайнем верхнем. При этом большая часть газа находится между ними в холодном пространстве (охлаждение); б) - поршень-вытеснитель находится в верхнем положении, а рабочий поршень движется вверх, сжимая холодный газ (сжатие); в) - поршень-вытеснитель движется вниз, приближаясь к рабочему поршню и вытесняя газ в горячую полость (нагревание); г) - горячий газ расширяется, совершая полезную работу воздействием на рабочий поршень (расширение). На пути газа устанавливается регенератор, который отбирает часть тепла при движении через него горячего газа и отдает его при его движении после охлаждения и сжатия в обратную сторону.
Наличие регенератора теоретически позволяет довести КПД двигателя Стерлинга до 70 процентов. Регулирование мощности двигателя достигается изменением количества газа. В качестве рабочего тепла применяются газы с высокими теплотехническими свойствами (водород, гелий, воздух и пр.).
Двигатели Стирлинга обладают следующими уникальными особенностями: - возможностью применения любого источника тепла (жидкого, твердого, газообразного и ядерного топлива, солнечной энергии и т. д.); - работой в большом диапазоне температур при малом перепаде давления сжатия и расширения; - регулированием мощности путем изменения количества рабочего тепла в цикле при неизменных высшей и низшей температурах газа;
Эти особенности обеспечивают двигателю Стерлинга перед другими установками следующие преимущества, как многотопливность и малая токсичность продуктов сгорания топлива; малошумность и хорошая уравновешенность; высокий КПД на режимах малых мощностей. Благодаря этим достоинствам на двигатель и обратили внимание шведские подводники, воплотив идею в реальность на современной подводной лодке типа «Gotland ». Но если по своему КПД двигатели Стирлинга соответствуют современным дизелям, то уступают им по мощности. Поэтому они могут использоваться на подводных лодках только как дополнительные двигатели к классической дизель-электрической силовой установке.
Для военки - это прекрасно, но перспективы для гражданки это открывает еще более невероятные. Голосовать!
Москва, 4 мар - ИА сайт. Военные в России завершили испытания малогабаритной ядерной энергетической установки (МЯЭУ) для крылатых ракет и автономных подводных аппаратов.
Власти РФ не 1 й раз допускают такие утечки, которые позже подтверждаются фактически.
Можно верить и нынешнему сигналу, ведь скоро выборы Президента, и успешные испытания МЯЭУ - это отличный инфоповод.
Это не просто инфоповод - это фантастика, особенно для крылатых ракет.
Это настолько невероятно, что на Западе до сих пор скептически относились к словам В. Путина.
Подтверждение завершения таких испытаний должно, вероятно, убедить всех неверующих.
В понимании обывателей, ядерная энергетическая установка - это что-то вроде атомной электростанции (АЭС).
О малогабаритной ядерной установке говорилось с 1950 гг. О малогабаритной американской ядерной установке увлекательно написано в романе А.Маклина Золотое Рандеву.
Но чтобы вот так просто в послании к ФС РФ объявить о крылатой ракете с ядерной энергетической установкой на весь мир?
Ошеломил, откровенно.
Президент РФ В. Путин 1 марта 2018 г с опозданием почти на 1 квартал зачитал послание к Федеральному Собранию России, используя самые современные средства продвижения информации в умы слушателей.
К обычной харизме В. Путина политтехнологи добавили инфографики, после чего стало ясно, что все слова кандидата в президенты попадут в цель.
Военке В. Путин посвятил времени в разы больше, чем гражданке.
Если по гражданским направлениям развития общества и экономики, в основном, в Послании были прекрасные намерения, то военная промышленность доказала свою приоритетность.
Темпы развития промышленности в царской России всегда опережали среднемировые.
После рекордного 1914 г испуг мировой элиты был настолько серьезен, что в 1917 г случилась Великая октябрьская социалистическая революция, которая на много лет отбросила нашу страну назад.
СССР позже выправился, но с тех пор лидером всей экономики всегда была военная промышленность, которая под контролем властей стремительно развивалась.
Ничего не изменилось и сейчас.
Экономика страны развивается крайне неравномерно.
Санкции Запада - это унизительный щелчок по носу властям России.
В 1914 г было невозможно представить, что кто-то может вводить такие санкции против России.
Ныне в нефтегазе санкции больно ударяют по российским компаниям, потому что в РФ нет инновационных технологий и оборудования для работы:
В Арктике;
На шельфе при глубине моря более 150 м;
По добыче трудноизвлекаемых запасов (), в тч сланцевых углеводородов.
сайт говорит о нефтегазе, потому что это наш профиль, но такая же ситуация пока и во многих других отраслях промышленности.
Но только не в военной промышленности.
И В. Путин это изящно доказал конкретными примерами, ошеломив обывателей и не только, обилием не имеющим аналогов в мире военных новинок: ракетный комплекс Сармат, подводные беспилотники, крылатая ракета с ядерной энергоустановкой, авиационный ракетный комплекс Кинжал, лазерное и гиперзвуковое оружие.
Впечатляют все новинки, но о малогабаритной ядерной энергетической установки (МЯЭУ) нужно сказать отдельно.
Успешные испытания МЯЭУ открывают невероятные перспективы для гражданских отраслей промышленности, в 1 ю очередь энергетике и транспорте.
Это совершеннейшая фантастика, как в романах Ж. Верна.
Как можно применить МЯЭУ и где:
Железнодорожный транспорт- высокоскоростные транспортные средства обычной эксплуатации, реально высокоскоростные со скоростью более 500 км/час;
Гражданский морской транспорт и военный флот - скорости будут более 60 узлов, как у глиссеров на подводных крыльях, но и о крыльях придется подумать тоже;
Автотранспорт, в 1 ю очередь, грузовики, вероятно;
Авиация - вертикальный взлет и посадка даже для грузовых самолетов.
Все это связано с малогабаритностью энергетической установки и эффективностью топлива, позволяющего сократить периодичность заправки.
Обыватели это знают, потому что это реализовано на атомных ледоколах и подводных крейсерах.
Что касается собственно МЯЭУ - то это большой секрет.
Говорится о ядерной установке, а не ядерном двигателе, поэтому можно предположить, что есть какой-то двигатель преобразующий ядерную энергию в энергию движения.
Можно только догадываться о технологии его работы, хотя, если анонсированную неограниченность воспринимать буквально, несколько предположений сделать можно:
Речь идет о крылатой ракете, поэтому в технологии работы, вероятно, активно используется воздух, количество которого неограничено;
При использовании подводного беспилотника неограниченного радиуса действия, очевидно, для формирования тяги в технологии используется также неограниченный ресурс -вода, хотя и агрессивная для материалов среда.
Можно не сомневаться, что военная промышленность при прямом управлении эффективно внедрит все новые, фантастические разработки российских умельцев, сделав Россию более защищенной от врагов.
Но есть большая вероятность того, что на гражданке Запад Россию опередит, как это бывало не раз.
Как адаптировать военные разработки в гражданских отраслях промышленности?
Именно здесь - камень преткновения.
Коррупция в РФ душит конкуренцию и активность бизнеса, поэтому в России так много талантливых разработок и так мало внедрения этих разработок.
В чем преимущества МЯЭУ?
Вчера, без всякого преувеличения, мы стали свидетелями эпохального события, открывающего новые, совершенно фантастические перспективы для военной техники и (в перспективе) - энергетики и транспорта вообще.
Но для начала хотелось бы понять, как работает ядерная энергетическая установка для ракет и подводных аппаратов, о которой говорил Путин. Что именно в ней является движителем? Откуда берётся тяга? Не за счёт же вылетающих из сопла нейтронов...
Когда узнал со слов коллеги о том, что у нас созданы ракеты с практически неограниченной дальностью полёта, обалдел. Показалось, он что-то упустил, а слово "неограниченной" было упомянуто в каком-то узком смысле.
Но информация, полученная затем из первоисточника, сомнений не вызывала. Звучала, напомню, она так:
Одно из них – создание малогабаритной сверхмощной ядерной энергетической установки, которая размещается в корпусе крылатой ракеты типа нашей новейшей ракеты Х-101 воздушного базирования или американского «Томагавка», но при этом обеспечивает в десятки раз – в десятки раз! – большую дальность полёта, которая является практически неограниченной.
В услышанное невозможно было поверить, но не верить было нельзя - это сказал ОН. Включил мозг и тут же получил ответ. Да какой!
Ну, черти! Ну, гении! Нормальному человеку такое даже в голову не придёт!
Итак, до сих пор мы знали только о ядерных силовых установках для космических ракет. В космических ракетах обязательно есть вещество, которое, будучи разогретым или разогнанным ускорителем, питаемым ядерной силовой установкой, с силой выбрасывается из сопла ракеты и обеспечивает ей тягу.
Вещество при этом расходуется и время работы двигателя ограничено.
Такие ракеты уже были и ещё будут. А вот за счёт чего движется ракета нового типа, если её дальность является "практически неограниченной"?
Ядерная энергетическая установка для ракет
Чисто теоретически, кроме тяги на веществе, имеющемся в запасе на ракете, движение ракеты возможно за счёт тяги электрических двигателей с "пропеллерами" (винтовой двигатель). Электричество при этом производит генератор, питающийся от ядерной силовой установки.
Но такую массу без большого крыла на винтовой тяге, да ещё с винтами небольшого диаметра, в воздухе не удержать - слишком мала такая тяга. А это таки ракета, а не беспилотник.
Итого, остаётся самый неожиданный и, как оказалось, самый эффективный способ обеспечения ракеты веществом для тяги - взятие его из окружающего пространства.
Т.е., как бы это удивительно ни звучало, но новая ракета работает "на воздухе"!
В том смысле, что из её сопла вырывается именно разогретый воздух и более ничего! А воздух не закончится, пока ракета находится в атмосфере. Именно поэтому эта ракета - крылатая, т.е. её полёт проходит целиком в атмосфере.
Классические технологии ракет большой дальности старались сделать полёт ракеты выше, чтобы уменьшить трение о воздух и тем самым увеличить их дальность. Мы как всегда сломали шаблон и сделали ракету не просто большой, а неограниченной дальности именно в воздушной среде.
Неограниченная дальность полёта даёт возможность таким ракетам работать в режиме ожидания. Запущенная ракета прибывает в район патрулирования и нарезает там круги, ожидая доразведки данных о цели или прибытия цели в данный район. После чего неожиданно для цели немедленно её атакует.
Ядерная энергетическая установка для подводных аппаратов
Думаю, аналогично устроена и ядерная энергетическая установка для подводных аппаратов о которых говорил Путин. С той поправкой, что вместо воздуха используется вода.
Дополнительно об этом говорит то, что эти подводные аппараты обладают низкой шумностью. Известная торпеда "Шквал", разработанная ещё в советское время, имела скорость порядка 300 км/час, но была очень шумной. По сути это была ракета, летящая в воздушном пузыре.
За малошумностью же стоит новый принцип движения. И он - тот же самый, что и в ракете, потому что универсален. Была бы только окружающая среда минимально необходимой плотности.
Этому аппарату неплохо подошло бы название "Кальмар", потому что по сути это водомётный двигатель в "ядерном исполнении" :)
Что касается скорости, она кратно превосходит скорость самых быстрых надводных кораблей. Самые быстрые корабли (именно корабли, а не катера) имеют скорость до 100-120 км/час. Следовательно, с минимальным коэффициентом 2 получаем скорость 200-250 км/час. Под водой. И не очень шумно. И с дальностью в многие тысячи километров... Страшный сон наших недругов.
Относительно ограниченная по сравнению с ракетой дальность - временное явление и объясняется тем, что морская вода высокой температуры - очень агрессивная среда и материалы камеры, условно говоря, сгорания, имеют ограниченный ресурс. Со временем же дальность этих аппаратов может быть увеличена в разы только за счёт создания новых, более устойчивых материалов.
Ядерная энергетическая установка
Несколько слов о самой ядерной энергетической установке.
1. Поражает воображение фраза Путина:
При объёме в сто раз меньше, чем у установок современных атомных подводных лодок, имеет большую мощность и в 200 раз меньшее время выхода на боевой режим, то есть на максимальную мощность.
Опять одни вопросы.
Как они этого добились? Какие конструкторские решения и технологии применены?
Мысли такие.
1. Радикальное, на два порядка, увеличение отдачи мощности на единицу массы возможно только при условии приближения режима работы ядерного реактора к взрывному. При этом реактор надёжно управляется.
2. Поскольку околовзрывной режим работы обеспечивается надёжно, скорее всего, это реактор на быстрых нейтронах. На мой взгляд, только на них возможно безопасное использование столь критического режима работы. Кстати, для них топлива на Земле - на столетия.
3. Если же со временем мы узнаем, что это таки реактор на медленных нейтронах, я тем более снимаю шляпу перед нашими ядерщиками, потому что без официального заявления в это совершенно невозможно поверить.
В любом случае, смелость и изобретательность наших ядерщиков поразительна и достойна самых громких слов восхищения! Особенно приятно, что наши ребята умеют работать в тиши. А потом как грохнут новостью по голове - хоть стой, хоть падай! :)
Как это работает
Примерная, смысловая, схема работы двигателя ракеты на основе ядерной силовой установки выглядит так.
1. Открывается, условно говоря, впускной клапан. Набегающий воздушный поток попадает через него в камеру нагрева, которая постоянно разогрета от работы реактора.
2. Впускной клапан закрывается.
3. Воздух в камере нагревается.
4. Открывается выпускной клапан и воздух с большой скоростью вырывается из сопла ракеты.
5. Выпускной клапан закрывается.
Цикл повторяется с высокой частотой. Отсюда эффект непрерывной работы.
P.S. Описанный выше механизм, повторю, - смысловой. Он дан по просьбе читателей для лучшего понимания того, как этот двигатель может вообще работать. В реальности, не исключено, реализован прямоточный двигатель. Главное в данной статье - не определение типа двигателя, а выявление вещества (набегающего воздуха), которое используется в качестве единственного рабочего тела, дающего тягу ракете.
Безопасность
Использование открытия российских учёных в гражданском секторе тесно связано с безопасностью ядерной силовой установки. Не в смысле её возможного взрыва - думаю, этот вопрос решён, - а в смысле безопасности его выхлопа.
Защита малогабаритного ядерного двигателя явно меньше, чем у большого по размерам, поэтому нейтроны наверняка будут проникать в "камеру сгорания", а точнее, камеру разогрева воздуха, тем самым с некоторой вероятностью делая радиоактивным всё, что таковым можно в воздухе сделать.
Азот и кислород имеют радиоактивные изотопы с малым временем полураспада и не опасны. Радиоактивный углерод вещь долгоживущая. Но есть и хорошие новости.
Радиоактивный углерод образуется в верхних слоях атмосферы под действием космических лучей и так, так что свалить все на ядерные двигатели не получится. Но главное, концентрация углекислого газа в сухом воздухе составляет всего 0,02÷0,04%.
Учитывая же, что процент углерода, становящийся радиоактивным, величина ещё на несколько порядков меньшая, предварительно можно считать, что выхлоп ядерных двигателей не более опасен, чем выхлоп ТЭЦ, работающей на угле.
Более точная информация появится, когда дело подойдёт к гражданскому применению этих двигателей.
Перспективы
Честно говоря, от перспектив захватывает дух. Причём я уже говорю не о военных технологиях, здесь всё ясно, а о применении новых технологий в гражданском секторе.
Где могут быть применены ядерные силовые установки? Пока навскидку, чисто теоретически, в перспективе 20-30-50 лет.
1. Флот, в том числе гражданский, транспортный. Многое придётся переводить на подводные крылья. Зато скорость можно легко увеличить вдвое/втрое, а стоимость эксплуатации с годами будет только падать.
2. Авиация, прежде всего транспортная. Хотя, если безопасность с точки зрения опасности облучения окажется минимальной, возможно применение и для гражданских перевозок.
3. Авиация с вертикальным взлётом и посадкой. С использованием резервуаров со сжатым воздухом, пополняемых во время полёта. Иначе, на малых скоростях, необходимую тягу не обеспечить.
4. Локомотивы скоростных электропоездов. С использованием промежуточного электрогенератора.
5. Грузовые автомобили на электротяге. Тоже, разумеется, с использованием промежуточного электрогенератора. Это, думаю, будет в отдалённой перспективе, когда силовые установки удастся уменьшить ещё в несколько раз. Но исключать такой возможности я бы не стал.
Это уже не говоря о наземном/мобильном использовании ядерных электроустановок. Одна беда - для работы таких малогабаритных ядерных реакторов требуются не уран/плутоний, а гораздо более дорогие радиоактивные элементы, наработка которых в ядерных же реакторах пока очень и очень дорога и требует времени. Но и эта задача может быть со временем решена.
Друзья, обозначена новая эра в сфере энергетики и транспорта. Судя по всему, Россия станет лидером этих направлений на ближайшие десятилетия.
Примите мои поздравления.
Скучно не будет!