جزئیات فنی: موشک هسته ای. موتور موشک هسته ای پالس

مراقب باشید حروف زیاد است.

مدل پروازی یک فضاپیما با سیستم رانش هسته ای (NPP) قرار است تا سال 2025 در روسیه ایجاد شود. کار مربوطه در پیش نویس برنامه فضایی فدرال برای 2016-2025 (FKP-25) گنجانده شده است که توسط Roscosmos برای تصویب به وزارتخانه ها ارسال شده است.

هنگام برنامه ریزی سفرهای بین سیاره ای در مقیاس بزرگ، سیستم های انرژی هسته ای به عنوان منابع اصلی انرژی در فضا در نظر گرفته می شوند. در آینده، نیروگاه هسته ای که در حال حاضر توسط شرکت های روس اتم ایجاد می شود، قادر خواهد بود مگاوات برق را در فضا تامین کند.

تمامی کارها برای ایجاد نیروگاه هسته ای طبق مهلت های پیش بینی شده پیش می رود. آندری ایوانوف، مدیر پروژه بخش ارتباطات شرکت دولتی Rosatom می گوید: می توانیم با درجه بالایی از اطمینان بگوییم که کار به موقع انجام می شود، که توسط برنامه هدف پیش بینی شده است.

اخیراً، این پروژه دو مرحله مهم را به پایان رسانده است: طراحی منحصر به فرد عنصر سوخت ایجاد شده است که از عملکرد در شرایط دماهای بالا، گرادیان های دما زیاد و تشعشع با دوز بالا اطمینان حاصل می کند. آزمایشات فن آوری کشتی راکتور واحد نیروی فضایی آینده نیز با موفقیت به پایان رسیده است. به عنوان بخشی از این آزمایش ها، محفظه تحت فشار بیش از حد قرار گرفت و اندازه گیری های سه بعدی در فلز پایه، جوش محیطی و نواحی انتقال مخروطی انجام شد.

اصول کارکرد، اصول جراحی، اصول عملکرد. تاریخچه خلقت.

هیچ مشکل اساسی با راکتور هسته ای برای کاربردهای فضایی وجود ندارد. در بازه زمانی 1962 تا 1993، کشور ما تجربه زیادی در تولید تاسیسات مشابه انباشته کرد. کار مشابهی در ایالات متحده آمریکا انجام شد. از اوایل دهه 1960، انواع مختلفی از موتورهای محرکه الکتریکی در جهان توسعه یافته است: یون، پلاسمای ثابت، موتور لایه آند، موتور پلاسمای پالسی، مگنتوپلاسما، مگنتوپلاسمودینامیک.

کار بر روی ایجاد موتورهای هسته ای برای فضاپیماها در قرن گذشته به طور فعال در اتحاد جماهیر شوروی و ایالات متحده آمریکا انجام شد: آمریکایی ها این پروژه را در سال 1994 بستند، اتحاد جماهیر شوروی - در سال 1988. بسته شدن کار تا حد زیادی توسط فاجعه چرنوبیل تسهیل شد که بر افکار عمومی در مورد استفاده از انرژی هسته ای تأثیر منفی گذاشت. علاوه بر این، آزمایش‌های تاسیسات هسته‌ای در فضا همیشه طبق برنامه پیش نرفت: در سال 1978، ماهواره شوروی Kosmos-954 وارد جو شد و متلاشی شد و هزاران قطعه رادیواکتیو را در مساحت 100 هزار متر مربع پراکنده کرد. کیلومتر در شمال غربی کانادا. اتحاد جماهیر شوروی بیش از 10 میلیون دلار به کانادا غرامت پرداخت کرد.

در می 1988، دو سازمان - فدراسیون دانشمندان آمریکایی و کمیته دانشمندان اتحاد جماهیر شوروی برای صلح علیه تهدید هسته ای - پیشنهاد مشترکی مبنی بر ممنوعیت استفاده از انرژی هسته ای در فضا ارائه کردند. این پیشنهاد هیچ پیامد رسمی دریافت نکرد، اما از آن زمان تاکنون هیچ کشوری فضاپیمایی با نیروگاه های هسته ای را به فضا پرتاب نکرده است.

مزایای بزرگ پروژه ویژگی های عملیاتی عملا مهم است - عمر طولانی (10 سال کارکرد)، فاصله تعمیرات اساسی قابل توجه و زمان کار طولانی در یک سوئیچ.

در سال 2010، پیشنهادات فنی برای پروژه تدوین شد. طراحی از امسال آغاز شد.

نیروگاه هسته ای شامل سه دستگاه اصلی است: 1) تاسیسات راکتور با سیال در حال کار و دستگاه های کمکی (مبدل حرارتی-بازیابی و توربوژنراتور-کمپرسور). 2) سیستم نیروی محرکه موشک الکتریکی؛ 3) یخچال فریزر.

راکتور.

از نقطه نظر فیزیکی، این یک راکتور نوترونی سریع خنک شده با گاز فشرده است.
سوخت مورد استفاده ترکیبی (دی اکسید یا کربنیترید) اورانیوم است، اما از آنجایی که طراحی باید بسیار فشرده باشد، اورانیوم در ایزوتوپ 235 نسبت به میله های سوخت در نیروگاه های هسته ای معمولی (غیر نظامی) غنی سازی بالاتری دارد، شاید بالای 20%. و پوسته آنها یک آلیاژ تک کریستالی از فلزات نسوز بر پایه مولیبدن است.

این سوخت باید در دمای بسیار بالا کار کند. بنابراین، لازم بود موادی را انتخاب کنیم که می تواند حاوی عوامل منفی مرتبط با دما باشد، و در عین حال به سوخت اجازه می دهد تا عملکرد اصلی خود را انجام دهد - برای گرم کردن گاز خنک کننده، که برای تولید برق استفاده می شود.

یخچال.

خنک کردن گاز در حین کار یک تاسیسات هسته ای کاملا ضروری است. چگونه گرما را در فضای بیرونی تخلیه کنیم؟ تنها امکان خنک شدن توسط تشعشع است. سطح گرم شده در فضای خالی سرد می شود و امواج الکترومغناطیسی را در محدوده وسیعی از جمله نور مرئی ساطع می کند. منحصر به فرد این پروژه استفاده از یک خنک کننده ویژه - مخلوط هلیوم و زنون است. نصب راندمان بالا را تضمین می کند.

موتور.

اصل کار موتور یونی به شرح زیر است. در محفظه تخلیه گاز، یک پلاسمای کمیاب با استفاده از آندها و یک بلوک کاتدی واقع در یک میدان مغناطیسی ایجاد می‌شود. از آن، یون های مایع کار (زنون یا ماده دیگر) توسط الکترود انتشار "کشیده" می شوند و در شکاف بین آن و الکترود شتاب دهنده شتاب می گیرند.

برای اجرای این طرح، 17 میلیارد روبل بین سال های 2010 تا 2018 وعده داده شد. از این بودجه، 7.245 میلیارد روبل برای شرکت دولتی Rosatom در نظر گرفته شد تا خود راکتور را ایجاد کند. 3.955 میلیارد دیگر - FSUE "Keldysh Center" برای ایجاد نیروگاه هسته ای. 5.8 میلیارد روبل دیگر به RSC Energia می رسد، جایی که در همان چارچوب زمانی، ظاهر کار کل ماژول حمل و نقل و انرژی باید شکل بگیرد.

طبق برنامه ریزی ها، تا پایان سال 2017، یک سیستم نیروی محرکه هسته ای برای تکمیل ماژول حمل و نقل و انرژی (ماژول انتقال بین سیاره ای) آماده می شود. تا پایان سال 2018، نیروگاه هسته ای برای آزمایش های پروازی آماده می شود. این پروژه از بودجه فدرال تامین می شود.

بر کسی پوشیده نیست که کار بر روی ایجاد موتورهای موشکی هسته ای در ایالات متحده آمریکا و اتحاد جماهیر شوروی در دهه 60 قرن گذشته آغاز شد. تا کجا پیش رفته اند؟ و در این مسیر با چه مشکلاتی مواجه شدید؟

آناتولی کوروتیف: در واقع، کار بر روی استفاده از انرژی هسته ای در فضا آغاز شد و به طور فعال در اینجا و در ایالات متحده آمریکا در دهه 1960-1970 انجام شد.

در ابتدا، وظیفه ایجاد موتورهای موشکی بود که به جای انرژی شیمیایی احتراق سوخت و اکسید کننده، از گرمایش هیدروژن تا دمای حدود 3000 درجه استفاده کنند. اما معلوم شد که چنین مسیر مستقیمی هنوز بی اثر است. ما برای مدت کوتاهی نیروی رانش بالایی دریافت می کنیم، اما در عین حال یک جت ساطع می کنیم که در صورت عملکرد غیرعادی راکتور ممکن است به آلودگی رادیواکتیو تبدیل شود.

مقداری تجربه انباشته شد، اما نه ما و نه آمریکایی ها نتوانستیم موتورهای قابل اعتماد ایجاد کنیم. آنها کار کردند، اما نه زیاد، زیرا گرم کردن هیدروژن تا 3000 درجه در یک راکتور هسته ای یک کار جدی است. علاوه بر این، از آنجایی که جت های رادیواکتیو در جو منتشر شد، مشکلات زیست محیطی در آزمایش های زمینی چنین موتورهایی به وجود آمد. دیگر بر کسی پوشیده نیست که چنین کاری در سایت آزمایشی Semipalatinsk، که به ویژه برای آزمایش های هسته ای آماده شده بود، که در قزاقستان باقی مانده بود، انجام شد.

یعنی دو پارامتر مهم هستند - درجه حرارت شدید و انتشار تشعشع؟

آناتولی کوروتیف: به طور کلی، بله. به این دلایل و برخی دلایل دیگر، کار در کشور ما و در ایالات متحده متوقف یا متوقف شد - این را می توان به روش های مختلفی ارزیابی کرد. و برای ما غیرمنطقی به نظر می رسید که آنها را به گونه ای، می توانم بگویم، سر به سر، برای ساخت یک موتور هسته ای با تمام کاستی های ذکر شده، از سر بگیریم. ما یک رویکرد کاملا متفاوت را پیشنهاد کردیم. تفاوت آن با خودروی قدیمی به همان شکلی است که یک خودروی هیبریدی با یک خودروی معمولی متفاوت است. در خودروهای معمولی موتور چرخ ها را می چرخاند اما در خودروهای هیبریدی برق از موتور تولید می شود و این الکتریسیته چرخ ها را می چرخاند. یعنی نوعی نیروگاه میانی در حال ایجاد است.

بنابراین ما طرحی را پیشنهاد کردیم که در آن راکتور فضایی جت خارج شده از خود را گرم نمی کند، بلکه برق تولید می کند. گاز داغ از راکتور توربین را می چرخاند، توربین ژنراتور الکتریکی و کمپرسور را می چرخاند که سیال کار را در یک حلقه بسته به گردش در می آورد. ژنراتور برای موتور پلاسما الکتریسیته تولید می کند که نیروی رانش خاصی 20 برابر بیشتر از آنالوگ های شیمیایی دارد.

طرح حیله گر در اصل، این یک نیروگاه کوچک هسته ای در فضا است. و مزایای آن نسبت به موتور هسته ای رمجت چیست؟

آناتولی کوروتیف: نکته اصلی این است که جت خارج شده از موتور جدید رادیواکتیو نخواهد بود، زیرا یک مایع کاری کاملاً متفاوت از راکتور عبور می کند که در یک مدار بسته قرار دارد.

علاوه بر این، با این طرح، ما نیازی به گرم کردن هیدروژن به مقادیر بازدارنده نداریم: یک سیال فعال بی اثر در راکتور در گردش است که تا 1500 درجه گرم می شود. ما واقعاً کارها را برای خودمان آسان می کنیم. و در نتیجه، رانش ویژه را نه دو برابر، بلکه 20 برابر نسبت به موتورهای شیمیایی افزایش خواهیم داد.

نکته دیگری نیز مهم است: نیازی به آزمایش های پیچیده کامل نیست، که به زیرساخت سایت آزمایش Semipalatinsk سابق، به ویژه پایگاه نیمکت آزمایشی که در شهر Kurchatov باقی مانده است، نیاز دارد.

در مورد ما، تمام آزمایشات لازم را می توان در خاک روسیه انجام داد، بدون اینکه به مذاکرات طولانی بین المللی در مورد استفاده از انرژی هسته ای در خارج از مرزهای کشور کشیده شود.

آیا در حال حاضر کار مشابهی در کشورهای دیگر در حال انجام است؟

آناتولی کوروتیف: من با معاون ناسا جلسه ای داشتم، در مورد مسائل مربوط به بازگشت به کار انرژی هسته ای در فضا بحث کردیم و او گفت که آمریکایی ها علاقه زیادی به این موضوع نشان می دهند.

این کاملا ممکن است که چین ممکن است با اقدامات فعال از سوی خود پاسخ دهد، بنابراین ما باید سریع کار کنیم. و نه فقط به خاطر اینکه نیم قدم از کسی جلوتر باشیم.

ما اول از همه باید سریع کار کنیم تا در همکاری های بین المللی در حال ظهور ظاهری شایسته داشته باشیم و عملاً در حال شکل گیری است.

من بعید نمی دانم که در آینده نزدیک یک برنامه بین المللی برای یک نیروگاه فضایی هسته ای، مشابه برنامه همجوشی حرارتی کنترل شده ای که در حال حاضر اجرا می شود، آغاز شود.

موتورهای موشک مایع این امکان را برای انسان‌ها فراهم کرده‌اند که به فضا - به مدارهای نزدیک به زمین - بروند. اما سرعت جریان جت در موتور موشک پیشران مایع از 4.5 کیلومتر بر ثانیه تجاوز نمی کند و برای پرواز به سیارات دیگر ده ها کیلومتر در ثانیه نیاز است. یک راه حل ممکن استفاده از انرژی واکنش های هسته ای است.

ایجاد عملی موتورهای موشکی هسته ای (NRE) فقط توسط اتحاد جماهیر شوروی و ایالات متحده انجام شد. در سال 1955، ایالات متحده اجرای برنامه Rover را برای توسعه موتور موشک هسته ای برای فضاپیماها آغاز کرد. سه سال بعد، در سال 1958، ناسا در این پروژه مشارکت کرد، که وظیفه خاصی را برای کشتی های دارای موتورهای پیشران هسته ای تعیین کرد - پرواز به ماه و مریخ. از آن زمان به بعد، برنامه NERVA نامیده شد که مخفف "موتور هسته ای برای نصب بر روی موشک" است.

در اواسط دهه 70، در چارچوب این برنامه، برنامه ریزی شده بود که یک موتور موشک هسته ای با رانش حدود 30 تن طراحی شود (برای مقایسه، رانش معمولی موتورهای موشک مایع آن زمان تقریباً 700 تن بود)، اما با سرعت خروج گاز 8.1 کیلومتر بر ثانیه. با این حال، در سال 1973 این برنامه به دلیل تغییر در منافع ایالات متحده به سمت شاتل فضایی بسته شد.

در اتحاد جماهیر شوروی، طراحی اولین موتورهای هسته ای در نیمه دوم دهه 50 انجام شد. در همان زمان، طراحان شوروی به جای ایجاد یک مدل در مقیاس کامل، شروع به ساخت قطعات جداگانه از سیستم رانش هسته ای کردند. و سپس این پیشرفت‌ها در تعامل با یک راکتور گرافیتی پالسی (IGR) آزمایش شدند.

در دهه 70-80 قرن گذشته، دفتر طراحی Salyut، دفتر طراحی Khimavtomatiki و Luch NPO پروژه های موتورهای پیشران هسته ای فضایی RD-0411 و RD-0410 را به ترتیب با رانش 40 و 3.6 تن ایجاد کردند. در طول فرآیند طراحی، یک راکتور، یک موتور سرد و یک نمونه اولیه نیمکت برای آزمایش ساخته شد.

در ژوئیه 1961، آندری ساخاروف، آکادمیک شوروی، پروژه انفجار هسته ای را در نشستی با دانشمندان برجسته هسته ای در کرملین اعلام کرد. این انفجار دارای موتورهای موشک مایع معمولی برای برخاستن بود، اما در فضا قرار بود بارهای کوچک هسته ای را منفجر کند. محصولات شکافت تولید شده در طول انفجار، حرکت خود را به کشتی منتقل کرده و باعث پرواز آن می شود. با این حال، در 5 آگوست 1963، معاهده ای برای ممنوعیت آزمایش های تسلیحات هسته ای در جو، فضا و زیر آب در مسکو امضا شد. این دلیلی برای بسته شدن برنامه انفجار هسته ای بود.

این امکان وجود دارد که توسعه موتورهای هسته ای جلوتر از زمان خود باشد. با این حال، آنها خیلی زودرس نبودند. از این گذشته، آمادگی برای پرواز سرنشین دار به سیارات دیگر چندین دهه طول می کشد و سیستم های رانش برای آن باید از قبل آماده شوند.

طراحی موتور موشک هسته ای

موتور موشک هسته‌ای (NRE) یک موتور جت است که در آن انرژی تولید شده در طی یک واکنش هسته‌ای یا گداخت، سیال کار (اغلب هیدروژن یا آمونیاک) را گرم می‌کند.

بسته به نوع سوخت راکتور، سه نوع موتور پیشران هسته ای وجود دارد:

• فاز جامد؛
• فاز مایع؛
• فاز گاز

کامل ترین آن است فاز جامدگزینه موتور شکل نموداری از ساده ترین موتور هسته ای با راکتور سوخت هسته ای جامد را نشان می دهد. سیال کار در یک مخزن خارجی قرار دارد. با استفاده از پمپ به محفظه موتور عرضه می شود. در محفظه، سیال کار با استفاده از نازل پاشیده می شود و با سوخت هسته ای مولد سوخت تماس پیدا می کند. هنگامی که گرم می شود، منبسط می شود و از طریق نازل با سرعت زیادی از محفظه خارج می شود.

فاز مایع- سوخت هسته ای در هسته راکتور چنین موتوری به شکل مایع است. پارامترهای کشش چنین موتورهایی به دلیل دمای بالاتر راکتور بیشتر از موتورهای فاز جامد است.

که در فاز گازسوخت NRE (مثلاً اورانیوم) و سیال عامل در حالت گازی (به شکل پلاسما) هستند و توسط یک میدان الکترومغناطیسی در ناحیه کار نگه داشته می شوند. پلاسمای اورانیوم که تا ده ها هزار درجه گرم شده است، گرما را به سیال کار (مثلاً هیدروژن) منتقل می کند، که به نوبه خود، حرارت دادن به دمای بالا یک جریان جت را تشکیل می دهد.

بر اساس نوع واکنش هسته ای، بین موتور موشک رادیوایزوتوپ، موتور موشک گرما هسته ای و خود موتور هسته ای (انرژی شکافت هسته ای استفاده می شود) تفاوت قائل می شود.

یک گزینه جالب همچنین یک موتور موشک هسته ای پالسی است - استفاده از شارژ هسته ای به عنوان منبع انرژی (سوخت) پیشنهاد شده است. چنین تاسیساتی می تواند از انواع داخلی و خارجی باشد.

مزایای اصلی موتورهای هسته ای عبارتند از:

• تکانه خاص بالا؛
• ذخایر قابل توجه انرژی؛
• فشردگی سیستم محرکه؛
• امکان به دست آوردن رانش بسیار بالا - ده ها، صدها و هزاران تن در خلاء.

نقطه ضعف اصلی خطر تشعشع زیاد سیستم پیشرانه است:

• شار پرتوهای نافذ (تابش گاما، نوترون) در طول واکنش های هسته ای.
• حذف ترکیبات بسیار پرتوزا اورانیوم و آلیاژهای آن؛
• خروج گازهای رادیواکتیو با سیال کار.

بنابراین، راه اندازی یک موتور هسته ای برای پرتاب از سطح زمین به دلیل خطر آلودگی رادیواکتیو غیرقابل قبول است.

مقاله جالبی پیدا کردم. به طور کلی، سفینه های فضایی هسته ای همیشه برای من جالب بوده اند. این آینده فضانوردی است. کار گسترده ای در مورد این موضوع نیز در اتحاد جماهیر شوروی انجام شد. مقاله فقط در مورد آنها است.

به فضا در انرژی هسته ای. رویاها و واقعیت.

دکترای علوم فیزیک و ریاضی Yu. Ya. Stavissky

در سال 1950، من از دیپلم خود به عنوان مهندس فیزیک در موسسه مکانیک مسکو (MMI) وزارت مهمات دفاع کردم. پنج سال قبل از آن، در سال 1945، دانشکده مهندسی و فیزیک در آنجا تشکیل شد که متخصصانی را برای صنعت جدید تربیت می کرد که وظایف آنها عمدتاً شامل تولید سلاح های هسته ای بود. هیئت علمی در رتبه دوم قرار داشت. همراه با فیزیک بنیادی در محدوده دروس دانشگاهی (روش های فیزیک ریاضی، نظریه نسبیت، مکانیک کوانتومی، الکترودینامیک، فیزیک آماری و غیره)، طیف کاملی از رشته های مهندسی: شیمی، متالورژی، مقاومت مواد، تئوری به ما آموزش داده شد. مکانیزم ها و ماشین ها و غیره. دانشکده مهندسی و فیزیک MMI که توسط یک فیزیکدان برجسته شوروی الکساندر ایلیچ لیپانسکی ایجاد شد، در طول زمان به موسسه مهندسی و فیزیک مسکو (MEPhI) تبدیل شد. دانشکده مهندسی و فیزیک دیگری که بعداً با MEPhI ادغام شد، در مؤسسه مهندسی برق مسکو (MPEI) تشکیل شد، اما اگر در MMI تأکید اصلی بر فیزیک بنیادی بود، در مؤسسه انرژی بر روی فیزیک حرارتی و الکتریکی بود.

ما مکانیک کوانتومی را از کتاب دیمیتری ایوانوویچ بلوخینتسف مطالعه کردیم. تعجب من را تصور کنید وقتی که به محض مأموریت، من را برای کار با او فرستادند. من، یک آزمایشگر مشتاق (در کودکی، تمام ساعت های خانه را از هم جدا می کردم) و ناگهان خودم را با یک نظریه پرداز معروف می بینم. من با وحشت جزئی گرفتار شدم ، اما پس از رسیدن به محل - "شیء B" وزارت امور داخلی اتحاد جماهیر شوروی در Obninsk - بلافاصله متوجه شدم که بیهوده نگران هستم.

در این زمان، موضوع اصلی "شیء B"، که تا ژوئن 1950 در واقع توسط A.I. لیپونسکی، قبلا شکل گرفته است. در اینجا آنها راکتورهایی با بازتولید گسترده سوخت هسته ای ایجاد کردند - "پرورش دهندگان سریع". بلوخینتسف به عنوان کارگردان، توسعه یک جهت جدید را آغاز کرد - ایجاد موتورهای هسته ای برای پروازهای فضایی. تسلط بر فضا رویای دیرینه دیمیتری ایوانوویچ بود؛ حتی در جوانی او با K.E. مکاتبه و ملاقات کرد. تسیولکوفسکی. من فکر می کنم که درک امکانات غول پیکر انرژی هسته ای، که ارزش حرارتی آن میلیون ها بار بیشتر از بهترین سوخت های شیمیایی است، مسیر زندگی D.I را تعیین کرد. بلوخینتسوا.
"شما نمی توانید چهره به چهره ببینید" ... در آن سال ها ما چیز زیادی نمی فهمیدیم. به نظر می رسد تنها اکنون، زمانی که سرانجام فرصت مقایسه اعمال و سرنوشت دانشمندان برجسته مؤسسه فیزیک و انرژی (PEI) - "شیء B سابق" که در 31 دسامبر 1966 تغییر نام داده شد - درست است. برای من، درک ایده هایی که آنها را در آن زمان برانگیخت. با همه فعالیت‌های متنوعی که مؤسسه با آن سروکار داشت، می‌توان حوزه‌های علمی اولویت‌دار را که در حوزه علایق فیزیکدانان برجسته آن بود، شناسایی کرد.

علاقه اصلی AIL (همانطور که الکساندر ایلیچ لیپونسکی پشت سر او در موسسه نامیده می شد) توسعه انرژی جهانی مبتنی بر راکتورهای تولید کننده سریع (رآکتورهای هسته ای که هیچ محدودیتی در منابع سوخت هسته ای ندارند) است. دشوار است که اهمیت این مشکل واقعاً "کیهانی" را که او ربع قرن آخر زندگی خود را وقف آن کرد، دست بالا گرفت. لیپونسکی انرژی زیادی را صرف دفاع از کشور کرد، به ویژه در ساخت موتورهای هسته ای برای زیردریایی ها و هواپیماهای سنگین.

علایق D.I. بلوخینتسف (او نام مستعار "D.I" را گرفت) با هدف حل مشکل استفاده از انرژی هسته ای برای پروازهای فضایی بود. متأسفانه، در پایان دهه 1950، او مجبور شد این کار را ترک کند و ایجاد یک مرکز علمی بین المللی - موسسه مشترک تحقیقات هسته ای در دوبنا - را رهبری کند. در آنجا او روی راکتورهای سریع پالسی - IBR کار کرد. این آخرین اتفاق بزرگ زندگی او شد.

یک گل - یک تیم

DI. بلوخینتسف که در اواخر دهه 1940 در دانشگاه دولتی مسکو تدریس می کرد، متوجه آنجا شد و سپس فیزیکدان جوان ایگور بوندارنکو را که به معنای واقعی کلمه در مورد سفینه های فضایی با انرژی هسته ای غوغا می کرد دعوت کرد تا در اوبنینسک کار کند. اولین سرپرست علمی او A.I. لیپونسکی و ایگور به طور طبیعی به موضوع او پرداختند - پرورش دهندگان سریع.

تحت D.I. بلوخینتسف، گروهی از دانشمندان پیرامون بوندارنکو تشکیل شدند که برای حل مشکلات استفاده از انرژی اتمی در فضا متحد شدند. علاوه بر ایگور ایلیچ بوندارنکو، این گروه شامل: ویکتور یاکولوویچ پوپکو، ادوین الکساندرویچ استومبور و نویسنده این سطور بود. ایدئولوگ اصلی ایگور بود. ادوین مطالعات تجربی مدل های زمینی راکتورهای هسته ای در تاسیسات فضایی را انجام داد. من عمدتاً روی موتورهای موشکی "راش کم" کار می کردم (تراست در آنها توسط نوعی شتاب دهنده ایجاد می شود - "پیش رانش یونی" که با انرژی از یک نیروگاه هسته ای فضایی تغذیه می شود). ما فرآیندها را بررسی کردیم
جریان در پیشرانه های یونی، روی پایه های زمینی.

در مورد ویکتور پوپکو (در آینده
او رئیس بخش فناوری فضایی IPPE شد) کارهای سازمانی زیادی وجود داشت. ایگور ایلیچ بوندارنکو یک فیزیکدان برجسته بود. او حس آزمایش‌گری شدیدی داشت و آزمایش‌های ساده، ظریف و بسیار مؤثری انجام می‌داد. من فکر می کنم که هیچ تجربی گرا، و شاید تعداد کمی از نظریه پردازان، فیزیک بنیادی را «احساس» نکردند. ایگور که همیشه پاسخگو، باز و دوستانه بود، واقعا روح موسسه بود. تا به امروز، IPPE با ایده های او زندگی می کند. بوندارنکو به طور غیرقابل توجیه کوتاهی زندگی کرد. در سال 1964 در سن 38 سالگی بر اثر خطای پزشکی درگذشت. گویی خداوند با دیدن کارهایی که انسان انجام داده، به این نتیجه رسید که این کار زیاد است و دستور داد: بس است.

نمی توان شخصیت منحصر به فرد دیگری را به یاد آورد - ولادیمیر الکساندرویچ مالیخ، یک فن شناس "از جانب خدا"، یک لسکوفسکی چپ مدرن. اگر «محصولات» دانشمندان فوق الذکر عمدتاً ایده ها و برآوردهای محاسبه شده از واقعیت آنها بود، پس آثار ملیخ همیشه خروجی «در فلز» داشت. بخش فناوری آن، که در زمان شکوفایی IPPE بیش از دو هزار کارمند داشت، بدون اغراق می‌توانست کاری انجام دهد. علاوه بر این، او خود همیشه نقش کلیدی را بازی می کرد.

V.A. مالیخ به عنوان دستیار آزمایشگاه در مؤسسه تحقیقاتی فیزیک هسته ای دانشگاه دولتی مسکو، با گذراندن سه دوره فیزیک، شروع به کار کرد؛ جنگ به او اجازه نداد تحصیلات خود را تکمیل کند. در پایان دهه 1940، او موفق به ایجاد فناوری برای تولید سرامیک های فنی بر اساس اکسید بریلیوم، یک ماده دی الکتریک منحصر به فرد با رسانایی حرارتی بالا شد. قبل از ملیخ، بسیاری با این مشکل دست و پنجه نرم می کردند. و پیل سوختی مبتنی بر فولاد ضد زنگ تجاری و اورانیوم طبیعی که توسط او برای اولین نیروگاه هسته‌ای ساخته شد، در آن زمان و حتی امروز یک معجزه است. یا عنصر سوخت ترمیونیک ژنراتور راکتور-الکتریک ایجاد شده توسط مالیخ برای نیرو دادن به فضاپیما - "تشکیل". تا به حال هیچ چیز بهتری در این زمینه ظاهر نشده است. ساخته های ملیخ اسباب بازی های نمایشی نبود، بلکه عناصری از فناوری هسته ای بود. آنها ماه ها و سال ها کار کردند. ولادیمیر الکساندرویچ دکترای علوم فنی، برنده جایزه لنین، قهرمان کار سوسیالیستی شد. در سال 1964، او به طرز غم انگیزی بر اثر شوک گلوله نظامی درگذشت.

گام به گام

S.P. کورولف و D.I. بلوخینتسف مدتهاست رویای پرواز فضایی سرنشین دار را پرورش داده است. روابط کاری نزدیک بین آنها برقرار شد. اما در اوایل دهه 1950، در اوج جنگ سرد، از هیچ هزینه ای صرفا برای مقاصد نظامی دریغ نمی شد. فناوری موشک تنها به عنوان حامل بارهای هسته ای در نظر گرفته می شد و حتی به ماهواره ها هم فکر نمی شد. در همین حال، بوندارنکو با اطلاع از آخرین دستاوردهای دانشمندان موشکی، به طور مداوم از ایجاد یک ماهواره مصنوعی زمین دفاع کرد. پس از آن، هیچ کس این را به یاد نمی آورد.

تاریخچه ایجاد موشکی که اولین فضانورد سیاره، یوری گاگارین را به فضا برد، جالب است. این با نام آندری دیمیتریویچ ساخاروف مرتبط است. در اواخر دهه 1940، او یک بار ترکیبی شکافت-گرمای هسته‌ای به نام «پف»، ظاهراً مستقل از «پدر بمب هیدروژنی»، ادوارد تلر، که محصول مشابهی به نام «ساعت زنگ دار» را پیشنهاد کرد، ایجاد کرد. با این حال، تلر به زودی متوجه شد که یک بار هسته‌ای با چنین طرحی قدرت «محدود» خواهد داشت، نه بیش از 500 کیلو تن معادل. این برای یک سلاح "مطلق" کافی نیست، بنابراین "ساعت زنگ دار" رها شد. در اتحادیه، در سال 1953، خمیر پفک RDS-6s ساخاروف منفجر شد.

پس از آزمایش های موفقیت آمیز و انتخاب ساخاروف به عنوان یک آکادمیک، رئیس وقت وزارت ماشین سازی متوسط ​​V.A. مالیشف او را به محل خود دعوت کرد و وظیفه تعیین پارامترهای بمب نسل بعدی را برای او تعیین کرد. آندری دمیتریویچ (بدون مطالعه دقیق) وزن شارژ جدید و بسیار قدرتمندتر را تخمین زد. گزارش ساخاروف اساس قطعنامه کمیته مرکزی CPSU و شورای وزیران اتحاد جماهیر شوروی را تشکیل داد که S.P. کورولف برای این کار یک وسیله پرتاب بالستیک توسعه می دهد. دقیقاً همین موشک R-7 به نام «ووستوک» بود که در سال 1957 یک ماهواره زمین مصنوعی و در سال 1961 یک فضاپیم با یوری گاگارین به مدار زمین فرستاد. هیچ برنامه ای برای استفاده از آن به عنوان حامل بار سنگین هسته ای وجود نداشت، زیرا توسعه سلاح های هسته ای مسیر متفاوتی را طی کرد.

در مرحله اولیه برنامه هسته ای فضایی، IPPE به همراه دفتر طراحی V.N. چلومیا در حال توسعه یک موشک کروز هسته ای بود. این جهت برای مدت طولانی توسعه نیافت و با محاسبات و آزمایش عناصر موتور ایجاد شده در بخش V.A به پایان رسید. ملیخا. در اصل ، ما در مورد یک هواپیمای بدون سرنشین کم پرواز با موتور هسته ای رم جت و کلاهک هسته ای صحبت می کردیم (نوعی آنالوگ هسته ای "اشکال وزوز" - آلمانی V-1). این سیستم با استفاده از تقویت کننده های موشکی معمولی راه اندازی شد. پس از رسیدن به سرعت معین، رانش توسط هوای اتمسفر ایجاد شد که توسط یک واکنش زنجیره ای شکافت اکسید بریلیم آغشته به اورانیوم غنی شده گرم شد.

به طور کلی، توانایی یک موشک برای انجام یک کار فضانوردی خاص با سرعتی که پس از مصرف کل مایع کار (سوخت و اکسید کننده) به دست می آورد، تعیین می شود. با استفاده از فرمول Tsiolkovsky محاسبه می شود: V = c×lnMn / Mk، که در آن c سرعت خروجی سیال کار است، و Mn و Mk جرم اولیه و نهایی موشک هستند. در موشک های شیمیایی معمولی، سرعت خروجی اگزوز با دمای محفظه احتراق، نوع سوخت و اکسید کننده و وزن مولکولی محصولات احتراق تعیین می شود. به عنوان مثال، آمریکایی ها از هیدروژن به عنوان سوخت در ماژول فرود برای فرود فضانوردان بر روی ماه استفاده کردند. محصول احتراق آن آب است که وزن مولکولی آن نسبتاً کم است و سرعت جریان آن 1.3 برابر بیشتر از هنگام سوزاندن نفت سفید است. این کافی است تا وسیله نقلیه فرود با فضانوردان به سطح ماه برسد و سپس آنها را به مدار ماهواره مصنوعی خود بازگرداند. کار کورولف با سوخت هیدروژنی به دلیل تصادف با تلفات انسانی به حالت تعلیق درآمد. ما وقت نداشتیم یک فرودگر ماه برای انسان بسازیم.

یکی از راه های افزایش قابل توجه میزان اگزوز، ساخت موشک های حرارتی هسته ای است. اینها برای ما موشک های هسته ای بالستیک (BAR) با برد چند هزار کیلومتری (پروژه مشترک OKB-1 و IPPE) بودند، در حالی که برای آمریکایی ها از سیستم های مشابه از نوع "کیوی" استفاده می شد. این موتورها در سایت های آزمایشی در نزدیکی Semipalatinsk و نوادا آزمایش شدند. اصل عملکرد آنها به شرح زیر است: هیدروژن در یک راکتور هسته ای تا دمای بالا گرم می شود، به حالت اتمی می رود و به این شکل از موشک خارج می شود. در این حالت سرعت اگزوز در مقایسه با موشک هیدروژنی شیمیایی بیش از چهار برابر افزایش می یابد. سوال این بود که بفهمیم هیدروژن تا چه دمایی می تواند در راکتوری با سلول های سوخت جامد گرم شود. محاسبات حدود 3000 درجه کلوین را نشان داد.

در NII-1 که مدیر علمی آن مستیسلاو وسوولودویچ کلدیش (رئیس وقت آکادمی علوم اتحاد جماهیر شوروی) بود، بخش V.M. ایولوا با مشارکت IPPE روی یک طرح کاملاً خارق العاده کار می کرد - یک راکتور فاز گاز که در آن یک واکنش زنجیره ای در مخلوط گازی اورانیوم و هیدروژن رخ می دهد. هیدروژن از چنین رآکتوری ده برابر سریعتر از یک راکتور سوخت جامد خارج می شود، در حالی که اورانیوم جدا شده و در هسته باقی می ماند. یکی از ایده ها شامل استفاده از جداسازی گریز از مرکز بود، زمانی که یک مخلوط گاز داغ از اورانیوم و هیدروژن توسط هیدروژن سرد ورودی "چرخش" می شود، در نتیجه اورانیوم و هیدروژن مانند یک سانتریفیوژ از هم جدا می شوند. ایولف در واقع سعی کرد مستقیماً فرآیندهای موجود در محفظه احتراق یک موشک شیمیایی را بازتولید کند و از گرمای احتراق سوخت، بلکه از واکنش زنجیره ای شکافت به عنوان منبع انرژی استفاده کند. این امر راه را برای استفاده کامل از ظرفیت انرژی هسته های اتمی باز کرد. اما مسئله امکان خروج هیدروژن خالص (بدون اورانیوم) از رآکتور حل نشده باقی ماند، بدون در نظر گرفتن مشکلات فنی مربوط به حفظ مخلوط گازهای با دمای بالا در فشارهای صدها اتمسفر.

کار IPPE بر روی موشک های هسته ای بالستیک در سال های 1969-1970 با "آزمایش های آتش" در سایت آزمایشی Semipalatinsk نمونه اولیه موتور موشک هسته ای با عناصر سوخت جامد به پایان رسید. این توسط IPPE با همکاری دفتر طراحی Voronezh A.D ایجاد شد. Konopatov، موسسه تحقیقاتی مسکو-1 و تعدادی دیگر از گروه های فناورانه. اساس موتور با رانش 3.6 تن راکتور هسته ای IR-100 با عناصر سوختی ساخته شده از محلول جامد کاربید اورانیوم و کاربید زیرکونیوم بود. دمای هیدروژن با قدرت راکتور ~ 170 مگاوات به 3000 درجه کلوین رسید.

موشک های هسته ای کم رانش

تاکنون در مورد موشک هایی با نیروی رانش بیشتر از وزن آنها صحبت کرده ایم که می توانند از سطح زمین پرتاب شوند. در چنین سیستم هایی، افزایش سرعت خروجی اگزوز باعث کاهش عرضه سیال کار، افزایش بار و حذف عملیات چند مرحله ای می شود. با این حال، راه‌هایی برای دستیابی به سرعت‌های خروجی نامحدود وجود دارد، برای مثال، شتاب ماده توسط میدان‌های الکترومغناطیسی. من تقریباً 15 سال در این زمینه در ارتباط نزدیک با ایگور بوندارنکو کار کردم.

شتاب یک موشک با موتور محرکه الکتریکی (EPE) با نسبت قدرت ویژه نیروگاه هسته ای فضایی (SNPP) نصب شده روی آنها به سرعت اگزوز تعیین می شود. در آینده قابل پیش بینی، قدرت ویژه KNPP ظاهراً از 1 کیلووات بر کیلوگرم تجاوز نخواهد کرد. در این صورت می توان موشک هایی با رانش کم، ده ها و صدها برابر وزن موشک و با مصرف بسیار کم سیال عامل ایجاد کرد. چنین موشکی فقط می تواند از مدار ماهواره زمین مصنوعی پرتاب شود و با شتاب آهسته به سرعت بالایی برسد.

برای پروازهای درون منظومه شمسی، موشک هایی با سرعت خروجی اگزوز 50-500 کیلومتر بر ثانیه و برای پرواز به سمت ستارگان، "موشک های فوتون" که فراتر از تصور ما هستند با سرعت اگزوز برابر با سرعت نور مورد نیاز است. برای انجام یک پرواز فضایی طولانی مدت در هر زمان معقولی، چگالی توان غیرقابل تصور نیروگاه ها مورد نیاز است. هنوز نمی توان حتی تصور کرد که آنها بر اساس چه فرآیندهای فیزیکی هستند.

محاسبات نشان داده است که در طول رویارویی بزرگ، زمانی که زمین و مریخ به یکدیگر نزدیک هستند، می توان یک فضاپیمای هسته ای را با خدمه به مریخ طی یک سال پرواز کرد و آن را به مدار ماهواره مصنوعی زمین بازگرداند. وزن کل چنین کشتی حدود 5 تن است (با احتساب عرضه سیال کار - سزیم، معادل 1.6 تن). عمدتاً توسط جرم KNPP با توان 5 مگاوات تعیین می شود و رانش جت توسط یک پرتو دو مگاواتی از یون های سزیم با انرژی 7 کیلوالکترون ولت * تعیین می شود. این کشتی از مدار یک ماهواره مصنوعی زمین پرتاب می شود، وارد مدار یک ماهواره مریخ می شود و باید با دستگاهی با موتور شیمیایی هیدروژنی، شبیه به قمری آمریکایی، به سطح آن فرود آید.

مجموعه بزرگی از کارهای IPPE بر اساس راه‌حل‌های فنی که امروزه امکان‌پذیر است، به این منطقه اختصاص یافت.

پیشرانه یونی

در آن سال‌ها، راه‌های ایجاد سیستم‌های پیشران الکتریکی مختلف برای فضاپیماها، مانند «تفنگ‌های پلاسما»، شتاب‌دهنده‌های الکترواستاتیک «غبار» یا قطرات مایع مورد بحث قرار گرفت. با این حال، هیچ یک از ایده ها مبنای فیزیکی مشخصی نداشتند. این کشف یونیزاسیون سطحی سزیم بود.

در دهه 20 قرن گذشته، فیزیکدان آمریکایی ایروینگ لانگمویر، یونیزاسیون سطحی فلزات قلیایی را کشف کرد. هنگامی که یک اتم سزیم از سطح یک فلز (در مورد ما، تنگستن)، که عملکرد الکترونی آن بیشتر از پتانسیل یونیزاسیون سزیم است، تبخیر می‌شود، تقریباً در 100٪ موارد، یک الکترون ضعیف را از دست می‌دهد و معلوم می‌شود که یک الکترون منفرد است. یون باردار بنابراین، یونیزاسیون سطحی سزیم روی تنگستن، فرآیند فیزیکی است که امکان ایجاد یک دستگاه پیشران یونی با تقریباً 100٪ استفاده از سیال کار و با بازده انرژی نزدیک به یکپارچگی را ممکن می‌سازد.

همکار ما Stal Yakovlevich Lebedev نقش عمده ای در ایجاد مدل هایی از یک سیستم رانش یونی از این نوع ایفا کرد. او با سرسختی و پشتکار آهنین خود همه موانع را پشت سر گذاشت. در نتیجه، امکان بازتولید یک مدار پیشرانه یونی سه الکترودی تخت در فلز وجود داشت. الکترود اول یک صفحه تنگستن به ابعاد تقریبی 10×10 سانتی متر با پتانسیل 7+ کیلو ولت، دومی یک شبکه تنگستن با پتانسیل 3- کیلو ولت و سومی یک شبکه تنگستن با پتانسیل صفر است. «تفنگ مولکولی» پرتویی از بخار سزیم تولید کرد که از طریق تمام شبکه‌ها روی سطح صفحه تنگستن فرود آمد. یک صفحه فلزی متعادل و مدرج، به اصطلاح تعادل، برای اندازه‌گیری «نیرو» یعنی نیروی رانش پرتو یونی به کار می‌رفت.

ولتاژ شتاب دهنده به شبکه اول یون های سزیم را تا 10000 eV شتاب می دهد، ولتاژ کاهش سرعت به شبکه دوم آنها را تا 7000 eV کاهش می دهد. این انرژی است که با آن یون ها باید از رانشگر خارج شوند که مطابق با سرعت خروجی اگزوز 100 کیلومتر بر ثانیه است. اما پرتوی از یون‌ها که توسط بار فضایی محدود شده‌اند، نمی‌توانند به فضای بیرونی بروند. بار حجمی یون ها باید توسط الکترون ها جبران شود تا پلاسمای شبه خنثی تشکیل شود که بدون مانع در فضا پخش می شود و رانش واکنشی ایجاد می کند. منبع الکترون ها برای جبران بار حجمی پرتو یونی، شبکه سوم (کاتد) است که توسط جریان گرم می شود. شبکه دوم، "مسدود کننده" از رسیدن الکترون ها از کاتد به صفحه تنگستن جلوگیری می کند.

اولین تجربه با مدل پیشرانه یونی آغاز بیش از ده سال کار بود. یکی از جدیدترین مدل‌ها، با ساطع‌کننده تنگستن متخلخل، که در سال 1965 ساخته شد، در یک جریان پرتو یونی 20 آمپر، نیروی رانشی در حدود 20 گرم ایجاد کرد، دارای نرخ استفاده از انرژی حدود 90٪ و استفاده از ماده 95٪ بود.

تبدیل مستقیم حرارت هسته ای به برق

هنوز راه هایی برای تبدیل مستقیم انرژی شکافت هسته ای به انرژی الکتریکی پیدا نشده است. ما هنوز نمی توانیم بدون یک پیوند میانی - یک موتور حرارتی کار کنیم. از آنجایی که راندمان آن همیشه کمتر از یک است، گرمای "ضایعات" باید در جایی قرار داده شود. هیچ مشکلی در این مورد در خشکی، آب یا هوا وجود ندارد. در فضا، تنها یک راه وجود دارد - تابش حرارتی. بنابراین، KNPP نمی تواند بدون "فریزر-امیتر" کار کند. چگالی تابش متناسب با توان چهارم دمای مطلق است، بنابراین دمای یخچال تابشی باید تا حد امکان بالا باشد. سپس می توان مساحت سطح تابش و بر این اساس، جرم نیروگاه را کاهش داد. ما به ایده استفاده از تبدیل "مستقیم" گرمای هسته ای به برق، بدون توربین یا ژنراتور رسیدیم که برای عملکرد طولانی مدت در دماهای بالا قابل اعتمادتر به نظر می رسید.

از ادبیاتی که در مورد آثار A.F. آیوف - بنیانگذار مدرسه فیزیک فنی اتحاد جماهیر شوروی، پیشگام در تحقیق نیمه هادی ها در اتحاد جماهیر شوروی. اکنون تعداد کمی از مردم منابع فعلی را که او توسعه داده است، که در طول جنگ بزرگ میهنی مورد استفاده قرار می گرفت، به خاطر می آورند. در آن زمان، بیش از یک یگان پارتیزان به لطف TEG های "نفت سفید" - ژنراتورهای ترموالکتریک آیوف با سرزمین اصلی تماس داشتند. یک "تاج" ساخته شده از TEG (مجموعه ای از عناصر نیمه هادی بود) روی یک لامپ نفت سفید قرار گرفت و سیم های آن به تجهیزات رادیویی متصل شد. انتهای "گرم" عناصر توسط شعله لامپ نفت سفید گرم می شود، انتهای "سرد" در هوا خنک می شود. جریان گرما که از نیمه هادی عبور می کرد، نیروی محرکه الکتریکی ایجاد می کرد که برای یک جلسه ارتباطی کافی بود و در فواصل بین آنها TEG باتری را شارژ می کرد. وقتی ده سال پس از پیروزی، از کارخانه TEG مسکو بازدید کردیم، معلوم شد که آنها هنوز فروخته می شوند. در آن زمان بسیاری از روستاییان رادیوهای اقتصادی رودینا با لامپ های گرمای مستقیم داشتند که با باتری تغذیه می شد. به جای آن اغلب از برچسب ها استفاده می شد.

مشکل نفت سفید TEG راندمان پایین آن (فقط حدود 3.5٪) و حداکثر دمای پایین (350 درجه کلوین) است. اما سادگی و قابلیت اطمینان این دستگاه ها توسعه دهندگان را به خود جذب کرد. بنابراین مبدل های نیمه هادی که توسط گروه I.G. گوردتسیتلی در موسسه فیزیک و فناوری سوخومی، در تاسیسات فضایی از نوع بوک کاربرد پیدا کرد.

زمانی A.F. آیوف مبدل ترمیونیک دیگری را پیشنهاد کرد - یک دیود در خلاء. اصل عملکرد آن به شرح زیر است: کاتد گرم شده الکترون ها را ساطع می کند، برخی از آنها با غلبه بر پتانسیل آند، کار را انجام می دهند. راندمان بسیار بالاتر (20-25٪) از این دستگاه در دمای بالای 1000 درجه کلوین انتظار می رفت. علاوه بر این، برخلاف نیمه هادی ها، دیود خلاء از تشعشعات نوترونی نمی ترسد و می توان آن را با یک راکتور هسته ای ترکیب کرد. با این حال، معلوم شد که اجرای ایده مبدل Ioffe "خلاء" غیرممکن است. همانطور که در یک دستگاه رانش یونی، در مبدل خلاء باید از شر بار فضایی خلاص شوید، اما این بار نه یون ها، بلکه الکترون ها. A.F. Ioffe قصد داشت از شکاف های میکرونی بین کاتد و آند در مبدل خلاء استفاده کند که در شرایط دماهای بالا و تغییر شکل های حرارتی عملاً غیرممکن است. اینجاست که سزیم به کار می آید: یک یون سزیم که با یونیزاسیون سطحی در کاتد تولید می شود، بار فضایی حدود 500 الکترون را جبران می کند! در اصل، یک مبدل سزیم یک دستگاه رانش یونی "معکوس" است. فرآیندهای فیزیکی در آنها نزدیک است.

"Garlands" اثر V.A. ملیخا

یکی از نتایج کار IPPE بر روی مبدل های ترمیونی ایجاد V.A. ملیخ و تولید سریال در بخش عناصر سوختی وی از مبدل های حرارتی متصل به سری - "گلدسته" برای راکتور توپاز. آنها تا 30 ولت - صد برابر بیشتر از مبدل های تک عنصری ایجاد شده توسط "سازمان های رقیب" - گروه لنینگراد M.B. باراباش و بعدها - موسسه انرژی اتمی. این امر امکان "حذف" ده ها و صدها برابر انرژی بیشتر از راکتور را فراهم کرد. با این حال، قابلیت اطمینان سیستم، مملو از هزاران عنصر ترمیونیک، نگرانی‌هایی را ایجاد کرد. در همان زمان، نیروگاه های بخار و توربین گاز بدون خرابی کار می کردند، بنابراین ما به تبدیل "ماشین" گرمای هسته ای به برق نیز توجه کردیم.

تمام مشکل در این منبع نهفته است، زیرا در پروازهای فضایی طولانی مدت، توربوژنراتورها باید برای یک سال، دو یا حتی چندین سال کار کنند. برای کاهش سایش، "انقلاب" (سرعت چرخش توربین) باید تا حد امکان پایین باشد. از سوی دیگر، یک توربین در صورتی کارآمد عمل می کند که سرعت مولکول های گاز یا بخار نزدیک به سرعت پره های آن باشد. بنابراین، ابتدا استفاده از سنگین ترین - بخار جیوه را در نظر گرفتیم. اما ما از خوردگی شدید آهن و فولاد ضد زنگ ناشی از تشعشع که در یک راکتور هسته‌ای خنک‌شده با جیوه رخ داد، ترسیدیم. در دو هفته، خوردگی عناصر سوخت راکتور سریع تجربی "کلمنتین" در آزمایشگاه آرگون (ایالات متحده آمریکا، 1949) و راکتور BR-2 در IPPE (اتحادیه شوروی، اوبنینسک، 1956) را "خورد" کرد.

بخار پتاسیم وسوسه انگیز بود. راکتوری که پتاسیم در آن می جوشد، اساس نیروگاهی را تشکیل می دهد که ما برای یک فضاپیمای کم رانش توسعه می دادیم - بخار پتاسیم توربوژنراتور را می چرخاند. این روش "ماشین" برای تبدیل گرما به الکتریسیته امکان حساب کردن راندمان تا 40٪ را فراهم می کند در حالی که تاسیسات ترمیونیک واقعی بازدهی تنها حدود 7٪ را ارائه می دهند. با این حال، KNPP با تبدیل "ماشین" گرمای هسته ای به برق توسعه نیافته است. این موضوع با انتشار یک گزارش مفصل به پایان رسید، که اساسا یک "یادداشت فیزیکی" برای طراحی فنی یک فضاپیمای کم رانش برای پرواز خدمه به مریخ بود. خود این پروژه هرگز توسعه نیافته است.

فکر می کنم بعداً علاقه به پروازهای فضایی با استفاده از موتورهای موشک هسته ای به سادگی ناپدید شد. پس از مرگ سرگئی پاولوویچ کورولف، پشتیبانی از کار IPPE در نیروی محرکه یونی و نیروگاه های هسته ای "ماشین" به طور قابل توجهی ضعیف شد. OKB-1 توسط والنتین پتروویچ گلوشکو، که هیچ علاقه ای به پروژه های جسورانه و امیدوار کننده نداشت، رهبری می شد. دفتر طراحی Energia، که او ایجاد کرد، موشک های شیمیایی قدرتمندی ساخت و فضاپیمای بوران در حال بازگشت به زمین بود.

«بوک» و «توپاز» در ماهواره های سریال «کیهان».

کار بر روی ایجاد KNPP با تبدیل مستقیم گرما به الکتریسیته، اکنون به عنوان منابع نیرو برای ماهواره های رادیویی قدرتمند (ایستگاه های رادار فضایی و پخش کننده های تلویزیونی)، تا شروع پرسترویکا ادامه یافت. از سال 1970 تا 1988، حدود 30 ماهواره راداری با نیروگاه های هسته ای Buk با راکتورهای مبدل نیمه هادی و دو ماهواره با نیروگاه های حرارتی توپاز به فضا پرتاب شدند. Buk در واقع یک TEG بود - یک مبدل Ioffe نیمه هادی، اما به جای یک لامپ نفت سفید از یک راکتور هسته ای استفاده می کرد. این یک راکتور سریع با قدرت تا 100 کیلو وات بود. بار کامل اورانیوم بسیار غنی شده حدود 30 کیلوگرم بود. گرما از هسته توسط فلز مایع - آلیاژ یوتکتیک سدیم و پتاسیم - به باتری های نیمه هادی منتقل شد. قدرت برق به 5 کیلو وات رسید.

نصب Buk، تحت هدایت علمی IPPE، توسط متخصصان OKB-670 M.M. بونداریوک، بعدا - NPO "ستاره سرخ" (طراح اصلی - G.M. Gryaznov). دفتر طراحی Dnepropetrovsk Yuzhmash (طراح اصلی - M.K. Yangel) وظیفه ایجاد یک وسیله پرتاب برای پرتاب ماهواره به مدار را داشت.

زمان کارکرد "بوک" 1-3 ماه است. در صورت عدم موفقیت در نصب، ماهواره به مداری طولانی مدت در ارتفاع 1000 کیلومتری منتقل می شود. طی تقریباً 20 سال پرتاب، سه مورد از سقوط یک ماهواره به زمین وجود داشت: دو مورد در اقیانوس و یکی در خشکی، در کانادا، در مجاورت دریاچه اسلیو بزرگ. Kosmos-954 که در 24 ژانویه 1978 پرتاب شد، در آنجا سقوط کرد. او 3.5 ماه کار کرد. عناصر اورانیوم این ماهواره به طور کامل در جو سوختند. فقط بقایای یک بازتابنده بریلیوم و باتری های نیمه هادی روی زمین یافت شد. (همه این داده ها در گزارش مشترک کمیسیون اتمی ایالات متحده و کانادا در مورد عملیات نور صبح ارائه شده است.)

نیروگاه هسته ای ترمیونی توپاز از یک راکتور حرارتی با قدرت تا 150 کیلووات استفاده می کرد. بار کامل اورانیوم حدود 12 کیلوگرم بود - به طور قابل توجهی کمتر از اورانیوم بوک. اساس راکتور عناصر سوخت - "گلدسته" بود که توسط گروه مالیخ توسعه و تولید شد. آنها از زنجیره ای از عناصر گرما تشکیل شده بودند: کاتد یک "انگشت" ساخته شده از تنگستن یا مولیبدن بود که با اکسید اورانیوم پر شده بود، آند یک لوله با دیواره نازک از نیوبیم بود که توسط سدیم-پتاسیم مایع خنک می شد. دمای کاتد به 1650 درجه سانتیگراد رسید. توان الکتریکی نصب به 10 کیلو وات رسید.

اولین مدل پرواز، ماهواره Cosmos-1818 با نصب توپاز، در 2 فوریه 1987 وارد مدار شد و به مدت شش ماه بدون نقص عمل کرد تا اینکه ذخایر سزیم تمام شد. دومین ماهواره، Cosmos-1876، یک سال بعد به فضا پرتاب شد. او تقریباً دو برابر بیشتر در مدار کار می کرد. توسعه دهنده اصلی توپاز دفتر طراحی MMZ Soyuz به ریاست S.K. تومانسکی (دفتر طراحی سابق طراح موتور هواپیما A.A. Mikulin).

این در اواخر دهه 1950 بود، زمانی که ما روی نیروی محرکه یونی کار می‌کردیم، و او روی موتور مرحله سوم موشکی کار می‌کرد که به دور ماه پرواز می‌کرد و روی آن فرود می‌آمد. خاطرات آزمایشگاه ملنیکوف تا به امروز هنوز تازه است. در پودلیپکی (شهر کورولف کنونی)، در سایت شماره 3 OKB-1 قرار داشت. یک کارگاه بزرگ با مساحتی در حدود 3000 مترمربع، با ده‌ها میز با اسیلوسکوپ‌های زنجیره‌ای دیزی که روی کاغذ رول 100 میلی‌متری ضبط می‌کردند (این دوره گذشته بود، امروز یک رایانه شخصی کافی است). در دیوار جلوی کارگاه یک پایه وجود دارد که در آن محفظه احتراق موتور موشک "قمری" نصب شده است. اسیلوسکوپ ها دارای هزاران سیم از حسگرها برای سرعت گاز، فشار، دما و سایر پارامترها هستند. روز از ساعت 9:00 با روشن شدن موتور شروع می شود. چند دقیقه کار می کند، سپس بلافاصله پس از توقف، تیمی از مکانیک های شیفت اول آن را جدا می کنند، محفظه احتراق را به دقت بررسی و اندازه گیری می کنند. همزمان نوارهای اسیلوسکوپ آنالیز شده و توصیه هایی برای تغییرات طراحی ارائه می شود. شیفت دوم - طراحان و کارگران کارگاه تغییرات توصیه شده را انجام می دهند. در شیفت سوم، یک محفظه احتراق جدید و سیستم عیب یابی در جایگاه نصب می شود. یک روز بعد، دقیقاً ساعت 9 صبح، جلسه بعدی. و به همین ترتیب بدون روزهای تعطیل برای هفته ها، ماه ها. بیش از 300 گزینه موتور در سال!

اینگونه بود که موتورهای موشک شیمیایی ایجاد شدند که فقط باید 20-30 دقیقه کار می کردند. در مورد آزمایش و اصلاح نیروگاه های هسته ای چه می توانیم بگوییم - محاسبه این بود که آنها باید بیش از یک سال کار کنند. این نیاز به تلاش های واقعاً عظیم داشت.

موتور موشک هسته ای موتور موشکی است که اصل عملکرد آن بر اساس یک واکنش هسته ای یا واپاشی رادیواکتیو است که انرژی آزاد می کند که سیال کار را گرم می کند که می تواند محصولات واکنش یا مواد دیگری مانند هیدروژن باشد. انواع مختلفی از موتورهای موشکی وجود دارد که از اصل عملکرد شرح داده شده در بالا استفاده می کنند: هسته ای، رادیوایزوتوپ، ترموهسته ای. با استفاده از موتورهای موشک هسته‌ای، می‌توان مقادیر ضربه‌ای خاص را به‌طور قابل‌توجهی بالاتر از آنهایی که با موتورهای موشک شیمیایی به دست آورد، به دست آورد. ارزش بالای ضربه خاص با سرعت بالای خروج سیال کار - حدود 8-50 کیلومتر در ثانیه - توضیح داده می شود. نیروی رانش یک موتور هسته ای قابل مقایسه با موتورهای شیمیایی است که در آینده امکان جایگزینی تمام موتورهای شیمیایی با موتورهای هسته ای را فراهم می کند.

مانع اصلی برای جایگزینی کامل، آلودگی رادیواکتیو ناشی از موتورهای موشک هسته ای است.

آنها به دو نوع تقسیم می شوند - فاز جامد و گاز. در موتورهای نوع اول، مواد شکافت پذیر در مجموعه های میله ای با سطح توسعه یافته قرار می گیرند. این امکان گرم کردن موثر یک سیال گازی را فراهم می کند، معمولاً هیدروژن به عنوان یک سیال عامل عمل می کند. سرعت اگزوز توسط حداکثر دمای سیال کار محدود می شود که به نوبه خود مستقیماً به حداکثر دمای مجاز عناصر ساختاری بستگی دارد و از 3000 K تجاوز نمی کند. در موتورهای موشک هسته ای فاز گاز، ماده شکافت پذیر در حالت گازی است. حفظ آن در منطقه کار از طریق تأثیر یک میدان الکترومغناطیسی انجام می شود. برای این نوع موتورهای موشک هسته ای، عناصر ساختاری یک عامل محدود کننده نیستند، بنابراین سرعت خروجی سیال کار می تواند از 30 کیلومتر بر ثانیه تجاوز کند. آنها را می توان به عنوان موتورهای مرحله اول، با وجود نشت مواد شکافت پذیر، استفاده کرد.

در دهه 70 قرن XX در ایالات متحده آمریکا و اتحاد جماهیر شوروی، موتورهای موشک هسته ای با مواد شکافت پذیر در فاز جامد به طور فعال آزمایش شدند. در ایالات متحده، برنامه ای برای ایجاد یک موتور موشک هسته ای آزمایشی به عنوان بخشی از برنامه NERVA در حال توسعه بود.

آمریکایی‌ها یک راکتور گرافیتی را ساختند که با هیدروژن مایع خنک می‌شد، که گرم می‌شد، تبخیر می‌شد و از طریق یک نازل موشک به بیرون پرتاب می‌شد. انتخاب گرافیت به دلیل مقاومت دمایی آن بود. بر اساس این پروژه، ضربه خاص موتور حاصل باید دو برابر بیشتر از رقم مربوط به مشخصه موتورهای شیمیایی با رانش 1100 کیلونیوتن باشد. راکتور Nerva قرار بود به عنوان بخشی از مرحله سوم پرتابگر Saturn V کار کند، اما به دلیل بسته شدن برنامه قمری و عدم وجود وظایف دیگر برای موتورهای موشکی این کلاس، راکتور هرگز در عمل آزمایش نشد.

یک موتور موشک هسته ای فاز گاز در حال حاضر در مرحله توسعه نظری است. یک موتور هسته‌ای فاز گاز شامل استفاده از پلوتونیوم است که جریان گاز آهسته آن توسط جریان سریع‌تری از هیدروژن خنک‌کننده احاطه شده است. آزمایش‌هایی در ایستگاه‌های فضایی مداری MIR و ISS انجام شد که می‌تواند انگیزه‌ای برای توسعه بیشتر موتورهای فاز گازی باشد.

امروز می توان گفت که روسیه تحقیقات خود را در زمینه سیستم های پیشران هسته ای کمی "تجمع" کرده است. کار دانشمندان روسی بیشتر بر توسعه و بهبود اجزای اساسی و مجموعه های نیروگاه های هسته ای و همچنین یکپارچه سازی آنها متمرکز است. اولویت برای تحقیقات بیشتر در این زمینه، ایجاد سیستم‌های نیروی محرکه هسته‌ای با قابلیت کار در دو حالت است. اولی حالت موتور موشک هسته ای و دومی حالت نصب تولید برق برای تامین انرژی تجهیزات نصب شده روی فضاپیما است.