EntréeLe premier moteur nucléaire spatial au monde a été assemblé en Russie. Moteurs de fusée nucléaire
Cour à impulsions a été développé conformément au principe proposé en 1945 par le Dr S. Ulam du laboratoire de recherche de Los Alamos, selon lequel il est proposé d'utiliser une charge nucléaire comme source d'énergie (carburant) d'un lanceur de fusée spatiale très efficace.
À cette époque, comme au cours des nombreuses années qui ont suivi, les charges nucléaires et thermonucléaires étaient les sources d’énergie les plus puissantes et les plus compactes par rapport aux autres. Comme vous le savez, nous sommes actuellement sur le point de découvrir des moyens de contrôler une source d'énergie encore plus concentrée, puisque nous sommes déjà assez avancés dans le domaine du développement de la première unité utilisant de l'antimatière. Si l'on part uniquement de la quantité d'énergie disponible, alors les charges nucléaires fournissent une poussée spécifique de plus de 200 000 secondes et les charges thermonucléaires jusqu'à 400 000 secondes. Ces valeurs de poussée spécifiques sont prohibitives pour la plupart des vols au sein du système solaire. De plus, l’utilisation du combustible nucléaire sous sa forme « pure » pose de nombreux problèmes qui, même à l’heure actuelle, ne sont pas encore entièrement résolus. Ainsi, l'énergie libérée lors de l'explosion doit être transférée au fluide de travail, qui se réchauffe puis s'écoule hors du moteur, créant une poussée. Conformément aux méthodes conventionnelles pour résoudre un tel problème, une charge nucléaire est placée dans une « chambre de combustion » remplie d'un fluide de travail (par exemple de l'eau ou une autre substance liquide), qui s'évapore puis se dilate avec un degré plus ou moins grand de diabaticité dans la buse.
Un tel système, que nous appelons moteur de propulsion nucléaire pulsé interne, est très efficace, puisque tous les produits de l'explosion et toute la masse du fluide de travail sont utilisés pour créer une poussée. Un cycle de fonctionnement instable permet à un tel système de développer des pressions et des températures plus élevées dans la chambre de combustion et, par conséquent, une poussée spécifique plus élevée par rapport à un cycle de fonctionnement continu. Cependant, le fait même que des explosions se produisent à l'intérieur d'un certain volume impose des restrictions importantes sur la pression et la température dans la chambre et, par conséquent, sur la valeur atteignable de la poussée spécifique. Compte tenu de cela, malgré les nombreux avantages d'un NRE pulsé interne, un NRE pulsé externe s'est avéré plus simple et plus efficace en raison de l'utilisation de la gigantesque quantité d'énergie libérée lors des explosions nucléaires.
Dans un moteur de propulsion nucléaire à action externe, la masse totale du carburant et du fluide de travail ne participe pas à la création de la poussée du jet. Cependant, ici même avec une efficacité moindre. Plus d'énergie est utilisée, ce qui se traduit par des performances du système plus efficaces. Une centrale nucléaire pulsée externe (ci-après simplement appelée centrale nucléaire pulsée) utilise l'énergie de l'explosion d'un grand nombre de petites charges nucléaires à bord de la fusée. Ces charges nucléaires sont séquentiellement éjectées de la fusée et explosent derrière elle à une certaine distance ( dessin ci-dessous). À chaque explosion, certains des fragments de fission gazeux en expansion sous forme de plasma à haute densité et vitesse entrent en collision avec la base de la fusée - la plate-forme de poussée. L'élan du plasma est transféré à la plate-forme de poussée, qui avance avec une grande accélération. L'accélération est réduite par un dispositif d'amortissement à plusieurs g dans le compartiment avant de la fusée, qui ne dépasse pas les limites d'endurance du corps humain. Après le cycle de compression, le dispositif d'amortissement ramène la plateforme de poussée dans sa position initiale, après quoi elle est prête à recevoir l'impulsion suivante.
L'augmentation totale de la vitesse acquise par le vaisseau spatial ( dessin, emprunté au travail ), dépend du nombre d'explosions et est donc déterminé par le nombre de charges nucléaires dépensées au cours d'une manœuvre donnée. Le développement systématique d'un tel projet de propulsion nucléaire a été commencé par le Dr T. B. Taylor (Division General Atomics de General Dynamics) et s'est poursuivi avec le soutien de l'Advanced Research Projects Agency (ARPA), de l'US Air Force, de la NASA et de General Dynamics" pour neuf ans, après quoi les travaux dans ce sens ont été temporairement arrêtés pour reprendre dans le futur, puisque ce type de système de propulsion a été choisi comme l'un des deux principaux propulseurs des engins spatiaux volant dans le système solaire.
Principe de fonctionnement d'un moteur de propulsion nucléaire pulsé à action extérieure
Une première version de l'installation, développée par la NASA en 1964-1965, était comparable (en diamètre) à la fusée Saturn 5 et offrait une poussée spécifique de 2 500 secondes et une poussée effective de 350 g ; le poids « à sec » (sans carburant) du compartiment moteur principal était de 90,8 tonnes. La version initiale du moteur-fusée nucléaire pulsé utilisait les charges nucléaires mentionnées précédemment, et on supposait qu'il fonctionnerait sur des orbites terrestres basses et dans les radiations. zone de ceinture en raison du risque de contamination radioactive de l'atmosphère par les produits de désintégration libérés lors des explosions. Ensuite, la poussée spécifique des moteurs nucléaires pulsés a été augmentée à 10 000 secondes, et les capacités potentielles de ces moteurs ont permis de doubler ce chiffre à l'avenir.
Un système de propulsion nucléaire pulsé aurait déjà été développé dans les années 70, en vue de réaliser le premier vol spatial habité vers les planètes au début des années 80. Cependant, le développement de ce projet n'a pas été pleinement réalisé en raison de l'approbation du programme de création d'un moteur de propulsion nucléaire à phase solide. De plus, le développement d'un moteur-fusée nucléaire pulsé était associé à un problème politique, puisqu'il utilisait des charges nucléaires.
Erica K.A. (Krafft A. Ehricke)
Déjà à la fin de cette décennie, un vaisseau spatial à propulsion nucléaire destiné aux voyages interplanétaires pourrait être créé en Russie. Et cela changera radicalement la situation à la fois dans l’espace proche de la Terre et sur la Terre elle-même.
La centrale nucléaire (NPP) sera prête à voler en 2018. Cela a été annoncé par le directeur du Centre Keldysh, académicien Anatoly Koroteïev. « Nous devons préparer le premier échantillon (d’une centrale nucléaire de la classe mégawatt. – NDLR d’Expert Online) pour les essais en vol en 2018. Qu'elle vole ou non, c'est une autre affaire, il peut y avoir une file d'attente, mais elle doit être prête à voler", a rapporté RIA Novosti. Ce qui précède signifie que l’un des projets soviéto-russes les plus ambitieux dans le domaine de l’exploration spatiale entre dans la phase de mise en œuvre pratique immédiate.
L'essence de ce projet, dont les racines remontent au milieu du siècle dernier, est la suivante. Désormais, les vols vers l'espace proche de la Terre sont effectués sur des fusées qui se déplacent grâce à la combustion de combustible liquide ou solide dans leurs moteurs. Il s’agit essentiellement du même moteur que celui d’une voiture. Ce n'est que dans une voiture que l'essence, lorsqu'elle est brûlée, pousse les pistons dans les cylindres, transférant ainsi son énergie aux roues. Et dans un moteur-fusée, la combustion de kérosène ou d’heptyle pousse directement la fusée vers l’avant.
Au cours du dernier demi-siècle, cette technologie de fusée a été perfectionnée dans les moindres détails partout dans le monde. Mais les spécialistes des fusées eux-mêmes l'admettent. Amélioration - oui, c'est nécessaire. Essayer d'augmenter la charge utile des fusées des 23 tonnes actuelles à 100 et même 150 tonnes sur la base de moteurs à combustion « améliorés » - oui, vous devez essayer. Mais c’est une impasse d’un point de vue évolutif. " Peu importe le travail des spécialistes des moteurs de fusée du monde entier, l'effet maximum que nous obtiendrons sera calculé en fractions de pour cent. En gros, tout a été supprimé des moteurs de fusée existants, qu'il s'agisse de carburant liquide ou solide, et les tentatives visant à augmenter la poussée et l'impulsion spécifique sont tout simplement vaines. Les systèmes de propulsion nucléaire fournissent une multiplication par plusieurs. En prenant l'exemple d'un vol vers Mars, il faut désormais un an et demi à deux ans pour faire l'aller-retour, mais il sera possible de voler dans deux à quatre mois "- l'ancien chef de l'Agence spatiale fédérale russe a évalué la situation à un moment donné Anatoli Perminov.
C'est pourquoi, en 2010, le président de la Russie de l'époque, et aujourd'hui Premier ministre, Dmitri MedvedevÀ la fin de cette décennie, l'ordre a été donné de créer dans notre pays un module de transport spatial et d'énergie basé sur une centrale nucléaire de la classe mégawatt. Il est prévu d'allouer 17 milliards de roubles du budget fédéral, de Roscosmos et de Rosatom au développement de ce projet jusqu'en 2018. 7,2 milliards de ce montant ont été alloués à la société d'État Rosatom pour la création d'une centrale nucléaire (c'est ce que fait l'Institut de recherche et de conception Dollezhal en ingénierie énergétique), 4 milliards - au Centre Keldysh pour la création d'une centrale nucléaire usine de propulsion. 5,8 milliards de roubles sont alloués par RSC Energia pour créer un module de transport et d'énergie, c'est-à-dire une fusée.
Bien entendu, tout ce travail ne se fait pas en vase clos. De 1970 à 1988, l’URSS a lancé à elle seule plus de trois douzaines de satellites espions dans l’espace, équipés de centrales nucléaires de faible puissance comme Buk et Topaz. Ils ont été utilisés pour créer un système tous temps permettant de surveiller des cibles de surface dans tout l'océan mondial et de délivrer une désignation de cible avec transmission aux porteurs d'armes ou aux postes de commandement - le système naval de reconnaissance spatiale et de désignation de cibles Legend (1978).
La NASA et les entreprises américaines qui produisent des engins spatiaux et leurs véhicules de livraison n'ont pas réussi à créer un réacteur nucléaire capable de fonctionner de manière stable dans l'espace pendant cette période, bien qu'elles aient essayé à trois reprises. Par conséquent, en 1988, l'ONU a interdit l'utilisation d'engins spatiaux équipés de systèmes de propulsion nucléaire et la production de satellites de type US-A à propulsion nucléaire à bord en Union soviétique a été interrompue.
En parallèle, dans les années 60 et 70 du siècle dernier, le Centre Keldysh a mené des travaux actifs sur la création d'un moteur ionique (moteur à électroplasma), le plus approprié pour créer un système de propulsion de haute puissance fonctionnant au combustible nucléaire. Le réacteur produit de la chaleur, qui est transformée en électricité par un générateur. À l'aide de l'électricité, le gaz inerte xénon dans un tel moteur est d'abord ionisé, puis les particules chargées positivement (ions xénon positifs) sont accélérées dans un champ électrostatique jusqu'à une vitesse donnée et créent une poussée à la sortie du moteur. C'est le principe de fonctionnement du moteur ionique, dont un prototype a déjà été réalisé au Keldysh Center.
« Dans les années 90 du 20e siècle, au Centre Keldysh, nous avons repris les travaux sur les moteurs ioniques. Il faut désormais créer une nouvelle coopération pour un projet aussi puissant. Il existe déjà un prototype de moteur ionique sur lequel des solutions technologiques et de conception de base peuvent être testées. Mais il reste encore à créer des produits standards. Nous avons un délai fixé : d'ici 2018, le produit devrait être prêt pour les essais en vol, et d'ici 2015, les essais du moteur principal devraient être terminés. Suivant - tests de durée de vie et tests de l'ensemble de l'unité dans son ensemble.», a noté l'année dernière le chef du département d'électrophysique du Centre de recherche du nom de M.V. Keldysh, professeur, Faculté d'aérophysique et de recherche spatiale, MIPT Oleg Gorchkov.
Quel est l’avantage pratique de ces évolutions pour la Russie ? Cet avantage dépasse de loin les 17 milliards de roubles que l'État entend consacrer d'ici 2018 à la création d'un lanceur doté d'une centrale nucléaire d'une capacité de 1 MW. Premièrement, il s’agit d’une expansion spectaculaire des capacités de notre pays et de l’humanité en général. Un vaisseau spatial à propulsion nucléaire offre aux humains de réelles opportunités d’accomplir des choses sur d’autres planètes. Aujourd’hui, de nombreux pays disposent de tels navires. Ils ont également repris aux États-Unis en 2003, après que les Américains ont reçu deux échantillons de satellites russes dotés de centrales nucléaires.
Cependant, malgré cela, un membre de la commission spéciale de la NASA sur les vols habités Édouard Crowley par exemple, il estime qu'un navire destiné à un vol international vers Mars devrait être équipé de moteurs nucléaires russes. " L'expérience russe dans le développement de moteurs nucléaires est recherchée. Je pense que la Russie a beaucoup d'expérience dans le développement de moteurs de fusée et dans la technologie nucléaire. Elle possède également une vaste expérience dans l'adaptation humaine aux conditions spatiales, puisque les cosmonautes russes ont effectué de très longs vols. "", a déclaré Crowley aux journalistes au printemps dernier après une conférence à l'Université d'État de Moscou sur les projets américains d'exploration spatiale habitée.
Deuxièmement, de tels navires permettent d’intensifier fortement l’activité dans l’espace proche de la Terre et offrent une réelle opportunité de débuter la colonisation de la Lune (il existe déjà des projets de construction de centrales nucléaires sur le satellite terrestre). " L'utilisation de systèmes de propulsion nucléaire est envisagée pour les grands systèmes habités, plutôt que pour les petits engins spatiaux, qui peuvent voler sur d'autres types d'installations utilisant des moteurs ioniques ou l'énergie solaire éolienne. Les systèmes de propulsion nucléaire dotés de moteurs ioniques peuvent être utilisés sur un remorqueur interorbital réutilisable. Par exemple, transportez des marchandises entre des orbites basses et hautes et volez vers des astéroïdes. Vous pouvez créer un remorqueur lunaire réutilisable ou envoyer une expédition sur Mars», déclare le professeur Oleg Gorshkov. Des navires comme ceux-ci changent radicalement l’économie de l’exploration spatiale. Selon les calculs des spécialistes de RSC Energia, un lanceur à propulsion nucléaire réduit de plus de moitié le coût de lancement d'une charge utile en orbite lunaire par rapport aux moteurs de fusée à liquide.
Troisième, ce sont de nouveaux matériaux et technologies qui seront créés lors de la mise en œuvre de ce projet puis introduits dans d'autres industries - métallurgie, construction mécanique, etc. Autrement dit, il s’agit d’un de ces projets révolutionnaires qui peuvent réellement faire avancer l’économie russe et l’économie mondiale.
J'ai trouvé un article intéressant. En général, les vaisseaux spatiaux nucléaires m'ont toujours intéressé. C'est l'avenir de l'astronautique. De nombreux travaux sur ce sujet ont également été menés en URSS. L'article concerne uniquement eux.
Vers l’espace grâce à l’énergie nucléaire. Rêves et réalité.
Docteur en sciences physiques et mathématiques Yu. Ya. Stavissky
En 1950, j'ai soutenu mon diplôme d'ingénieur-physicien à l'Institut mécanique de Moscou (MMI) du ministère des Munitions. Cinq ans plus tôt, en 1945, la Faculté d'ingénierie et de physique y avait été créée, formant des spécialistes de la nouvelle industrie, dont les tâches comprenaient principalement la production d'armes nucléaires. La faculté était sans égal. Outre la physique fondamentale dans le cadre des cours universitaires (méthodes de physique mathématique, théorie de la relativité, mécanique quantique, électrodynamique, physique statistique et autres), nous avons appris une gamme complète de disciplines d'ingénierie : chimie, métallurgie, résistance des matériaux, théorie de mécanismes et de machines, etc. Créée par un physicien soviétique exceptionnel Alexandre Ilitch Leypunsky, la Faculté d'ingénierie et de physique du MMI est devenue au fil du temps l'Institut d'ingénierie et de physique de Moscou (MEPhI). Une autre faculté d'ingénierie et de physique, qui a également fusionné plus tard avec le MEPhI, a été créée à l'Institut d'ingénierie énergétique de Moscou (MPEI), mais si au MMI l'accent était mis sur la physique fondamentale, alors à l'Institut de l'énergie, c'était sur la physique thermique et électrique.
Nous avons étudié la mécanique quantique à partir du livre de Dmitry Ivanovich Blokhintsev. Imaginez ma surprise lorsque, lors d'une mission, j'ai été envoyé travailler avec lui. Moi, un expérimentateur passionné (enfant, je démontais toutes les horloges de la maison), et du coup je me retrouve avec un théoricien célèbre. J'ai été pris d'une légère panique, mais dès mon arrivée sur place - «Objet B» du ministère de l'Intérieur de l'URSS à Obninsk - j'ai immédiatement réalisé que je m'inquiétais en vain.
À cette époque, le thème principal de « l'Objet B », qui jusqu'en juin 1950 était en réalité dirigé par A.I. Leypunsky, s'est déjà formé. Ici, ils ont créé des réacteurs à reproduction élargie du combustible nucléaire - des « surgénérateurs rapides ». En tant que directeur, Blokhintsev a lancé le développement d'une nouvelle direction : la création de moteurs nucléaires pour les vols spatiaux. La maîtrise de l'espace était un rêve de longue date de Dmitri Ivanovitch ; même dans sa jeunesse, il correspondait et rencontrait K.E. Tsiolkovski. Je pense que la compréhension des gigantesques possibilités de l'énergie nucléaire, dont le pouvoir calorifique est des millions de fois supérieur à celui des meilleurs combustibles chimiques, a déterminé le chemin de vie de D.I. Blokintseva.
« On ne peut pas voir face à face »... Dans ces années-là, nous ne comprenions pas grand-chose. Ce n'est que maintenant, alors que l'occasion s'est enfin présentée de comparer les actes et les destins des scientifiques exceptionnels de l'Institut de physique et d'énergie (PEI) - l'ancien « Objet B », rebaptisé le 31 décembre 1966 - qu'il semble correct pour moi, la compréhension des idées qui les motivaient à cette époque émergeait. Avec toute la variété des activités auxquelles l'institut a dû faire face, il est possible d'identifier les domaines scientifiques prioritaires qui relevaient des intérêts de ses principaux physiciens.
Le principal intérêt de l'AIL (comme on appelait Alexandre Ilitch Leypunsky dans son dos à l'institut) est le développement d'une énergie mondiale basée sur les réacteurs surgénérateurs rapides (réacteurs nucléaires qui n'ont aucune restriction sur les ressources en combustible nucléaire). Il est difficile de surestimer l’importance de ce problème véritablement « cosmique », auquel il a consacré le dernier quart de siècle de sa vie. Leypunsky a consacré beaucoup d'efforts à la défense du pays, notamment à la création de moteurs nucléaires pour sous-marins et avions lourds.
Intérêts Blokhintsev (surnommé « D.I. ») visait à résoudre le problème de l’utilisation de l’énergie nucléaire pour les vols spatiaux. Malheureusement, à la fin des années 1950, il fut contraint d'abandonner ce travail et de diriger la création d'un centre scientifique international - l'Institut commun de recherche nucléaire de Doubna. Là, il a travaillé sur les réacteurs rapides pulsés - IBR. C'est devenu la dernière grande chose de sa vie.
Un objectif - une équipe
DI. Blokhintsev, qui enseignait à l'Université d'État de Moscou à la fin des années 1940, y remarqua puis invita le jeune physicien Igor Bondarenko, qui s'extasie littéralement sur les vaisseaux spatiaux à propulsion nucléaire, à travailler à Obninsk. Son premier superviseur scientifique fut A.I. Leypunsky et Igor ont naturellement abordé son sujet: les éleveurs rapides.
Sous D.I. Blokhintsev, un groupe de scientifiques formé autour de Bondarenko, qui se sont unis pour résoudre les problèmes de l'utilisation de l'énergie atomique dans l'espace. Outre Igor Ilitch Bondarenko, le groupe comprenait : Viktor Yakovlevich Pupko, Edwin Alexandrovich Stumbur et l'auteur de ces lignes. Le principal idéologue était Igor. Edwin a mené des études expérimentales sur des modèles au sol de réacteurs nucléaires dans des installations spatiales. J'ai principalement travaillé sur des moteurs de fusée à «faible poussée» (la poussée qu'ils contiennent est créée par une sorte d'accélérateur - la «propulsion ionique», alimentée par l'énergie d'une centrale nucléaire spatiale). Nous avons étudié les processus
circulant dans des propulseurs d'ions, sur des supports au sol.
Sur Viktor Pupko (dans le futur
il est devenu chef du département de technologie spatiale de l'IPPE), il y a eu un gros travail d'organisation. Igor Ilitch Bondarenko était un physicien exceptionnel. Il avait un sens aigu de l'expérimentation et réalisait des expériences simples, élégantes et très efficaces. Je pense qu’aucun expérimentateur, et peut-être peu de théoriciens, n’a « ressenti » la physique fondamentale. Toujours réactif, ouvert et sympathique, Igor était véritablement l'âme de l'institut. Aujourd’hui encore, l’IPPE vit de ses idées. Bondarenko a vécu une vie injustifiablement courte. En 1964, à l'âge de 38 ans, il décède tragiquement des suites d'une erreur médicale. C’était comme si Dieu, voyant tout ce que l’homme avait fait, décidait que c’était trop et commandait : « Assez ».
On ne peut s'empêcher de rappeler une autre personnalité unique - Vladimir Alexandrovitch Malykh, un technologue « de Dieu », un gaucher Leskovsky moderne. Si les « produits » des scientifiques mentionnés ci-dessus étaient principalement des idées et des estimations calculées de leur réalité, alors les œuvres de Malykh avaient toujours une production « en métal ». Son secteur technologique, qui comptait à l'époque de l'apogée de l'IPPE plus de deux mille salariés, pouvait, sans exagération, tout faire. De plus, c'est lui qui a toujours joué un rôle clé.
VIRGINIE. Malykh a commencé comme assistant de laboratoire à l'Institut de recherche en physique nucléaire de l'Université d'État de Moscou, après avoir suivi trois cours de physique ; la guerre ne lui a pas permis de terminer ses études. À la fin des années 40, il réussit à créer une technologie de production de céramiques techniques à base d'oxyde de béryllium, un matériau diélectrique unique à haute conductivité thermique. Avant Malykh, beaucoup luttaient sans succès contre ce problème. Et la pile à combustible basée sur l'acier inoxydable commercial et l'uranium naturel, développée par lui pour la première centrale nucléaire, est un miracle à cette époque et encore aujourd'hui. Ou l'élément combustible thermoionique du réacteur-générateur créé par Malykh pour alimenter les engins spatiaux - "guirlande". Jusqu’à présent, rien de mieux n’est apparu dans ce domaine. Les créations de Malykh n’étaient pas des jouets de démonstration, mais des éléments de la technologie nucléaire. Ils ont travaillé pendant des mois et des années. Vladimir Alexandrovitch est devenu docteur en sciences techniques, lauréat du prix Lénine, héros du travail socialiste. En 1964, il est décédé tragiquement des suites d'un obus militaire.
Pas à pas
S.P. Korolev et D.I. Blokhintsev nourrit depuis longtemps le rêve du vol spatial habité. Des liens de travail étroits ont été établis entre eux. Mais au début des années 1950, au plus fort de la guerre froide, aucune dépense n’était épargnée uniquement à des fins militaires. La technologie des fusées n’était considérée que comme un vecteur de charges nucléaires et on ne pensait même pas aux satellites. Pendant ce temps, Bondarenko, connaissant les dernières réalisations des spécialistes des fusées, a constamment préconisé la création d'un satellite artificiel de la Terre. Par la suite, personne ne s'en est souvenu.
L’histoire de la création de la fusée qui a transporté dans l’espace le premier cosmonaute de la planète, Youri Gagarine, est intéressante. Il est associé au nom d'Andrei Dmitrievich Sakharov. À la fin des années 1940, il développa une charge combinée fission-thermonucléaire, la « bouffée », apparemment indépendamment du « père de la bombe à hydrogène », Edward Teller, qui proposa un produit similaire appelé « réveil ». Cependant, Teller s’est vite rendu compte qu’une charge nucléaire d’une telle conception aurait une puissance « limitée », ne dépassant pas l’équivalent de ~ 500 kilotonnes. Cela ne suffit pas pour une arme « absolue », c'est pourquoi le « réveil » a été abandonné. Dans l’Union, en 1953, la pâte feuilletée RDS-6s de Sakharov a explosé.
Après des tests réussis et l’élection de Sakharov comme académicien, V.A. Malyshev l'a invité chez lui et lui a confié la tâche de déterminer les paramètres de la bombe de nouvelle génération. Andrei Dmitrievich a estimé (sans étude détaillée) le poids de la nouvelle charge beaucoup plus puissante. Le rapport de Sakharov a servi de base à une résolution du Comité central du PCUS et du Conseil des ministres de l'URSS, qui obligeait S.P. Korolev pour développer un lanceur balistique pour cette charge. C’est précisément cette fusée R-7 appelée « Vostok » qui a mis en orbite un satellite artificiel de la Terre en 1957 et un vaisseau spatial avec Youri Gagarine en 1961. Il n'était pas prévu de l'utiliser comme porteur d'une charge nucléaire lourde, car le développement des armes thermonucléaires a suivi un chemin différent.
Au stade initial du programme nucléaire spatial, l'IPPE, en collaboration avec le Bureau d'études V.N. Chelomeya développait un missile de croisière nucléaire. Cette direction ne s'est pas développée longtemps et s'est terminée par des calculs et des tests d'éléments de moteur créés dans le département de V.A. Malykha. Essentiellement, nous parlions d'un avion sans pilote volant à basse altitude, doté d'un moteur nucléaire à statoréacteur et d'une ogive nucléaire (une sorte d'analogue nucléaire du «buzzing bug» - le V-1 allemand). Le système a été lancé à l’aide de propulseurs de fusée conventionnels. Après avoir atteint une vitesse donnée, la poussée était créée par l'air atmosphérique, chauffé par une réaction en chaîne de fission d'oxyde de béryllium imprégné d'uranium enrichi.
D'une manière générale, la capacité d'une fusée à effectuer une tâche astronautique particulière est déterminée par la vitesse qu'elle acquiert après avoir épuisé la totalité de la réserve de fluide de travail (carburant et comburant). Elle est calculée à l'aide de la formule de Tsiolkovsky : V = c×lnMn/ Mk, où c est la vitesse d'échappement du fluide de travail, et Mn et Mk sont la masse initiale et finale de la fusée. Dans les fusées chimiques conventionnelles, la vitesse d'échappement est déterminée par la température dans la chambre de combustion, le type de carburant et de comburant et le poids moléculaire des produits de combustion. Par exemple, les Américains ont utilisé l’hydrogène comme carburant dans le module de descente destiné à faire atterrir les astronautes sur la Lune. Le produit de sa combustion est de l'eau, dont le poids moléculaire est relativement faible et dont le débit est 1,3 fois supérieur à celui de la combustion du kérosène. Cela suffit pour que le véhicule de descente avec les astronautes atteigne la surface de la Lune puis les ramène sur l'orbite de son satellite artificiel. Les travaux de Korolev avec l’hydrogène ont été suspendus en raison d’un accident ayant fait des victimes. Nous n'avons pas eu le temps de créer un atterrisseur lunaire pour les humains.
L’un des moyens d’augmenter considérablement le taux d’échappement consiste à créer des fusées nucléaires thermiques. Pour nous, il s'agissait de missiles nucléaires balistiques (BAR) d'une portée de plusieurs milliers de kilomètres (un projet commun de l'OKB-1 et de l'IPPE), tandis que pour les Américains, des systèmes similaires de type « Kiwi » étaient utilisés. Les moteurs ont été testés sur des sites d'essais près de Semipalatinsk et du Nevada. Le principe de leur fonctionnement est le suivant : l'hydrogène est chauffé dans un réacteur nucléaire à des températures élevées, passe à l'état atomique et s'écoule sous cette forme hors de la fusée. Dans ce cas, la vitesse d’échappement est plus de quatre fois supérieure à celle d’une fusée à hydrogène chimique. La question était de savoir à quelle température l’hydrogène pouvait être chauffé dans un réacteur à pile à combustible solide. Les calculs ont donné environ 3000°K.
Au NII-1, dont le directeur scientifique était Mstislav Vsevolodovich Keldysh (alors président de l'Académie des sciences de l'URSS), le département de V.M. Ievleva, avec la participation de l'IPPE, travaillait sur un projet tout à fait fantastique : un réacteur en phase gazeuse dans lequel se produit une réaction en chaîne dans un mélange gazeux d'uranium et d'hydrogène. L'hydrogène s'écoule d'un tel réacteur dix fois plus rapidement que celui d'un réacteur à combustible solide, tandis que l'uranium est séparé et reste dans le cœur. L’une des idées impliquait l’utilisation de la séparation centrifuge, lorsqu’un mélange de gaz chauds d’uranium et d’hydrogène est « tourbillonné » par l’hydrogène froid entrant, ce qui entraîne une séparation de l’uranium et de l’hydrogène, comme dans une centrifugeuse. Ievlev a en fait tenté de reproduire directement les processus dans la chambre de combustion d'une fusée chimique, en utilisant comme source d'énergie non pas la chaleur de combustion du carburant, mais la réaction en chaîne de fission. Cela a ouvert la voie à la pleine utilisation de la capacité énergétique des noyaux atomiques. Mais la question de la possibilité de sortir de l'hydrogène pur (sans uranium) du réacteur restait en suspens, sans parler des problèmes techniques liés au maintien de mélanges gazeux à haute température à des pressions de plusieurs centaines d'atmosphères.
Les travaux de l'IPPE sur les missiles nucléaires balistiques se sont terminés en 1969-1970 par des « essais au feu » sur le site d'essai de Semipalatinsk d'un prototype de moteur de fusée nucléaire doté d'éléments à combustible solide. Il a été créé par l'IPPE en coopération avec le Voronezh Design Bureau A.D. Konopatov, l'Institut de recherche de Moscou-1 et un certain nombre d'autres groupes technologiques. La base du moteur d'une poussée de 3,6 tonnes était le réacteur nucléaire IR-100 avec des éléments combustibles constitués d'une solution solide de carbure d'uranium et de carbure de zirconium. La température de l'hydrogène a atteint 3 000°K avec une puissance de réacteur de ~170 MW.
Fusées nucléaires à faible poussée
Jusqu’à présent, nous avons parlé de fusées dont la poussée dépasse leur poids, qui pourraient être lancées depuis la surface de la Terre. Dans de tels systèmes, l'augmentation de la vitesse d'échappement permet de réduire l'apport de fluide de travail, d'augmenter la charge utile et d'éliminer le fonctionnement en plusieurs étapes. Il existe cependant des moyens d'obtenir des vitesses d'écoulement pratiquement illimitées, par exemple l'accélération de la matière par des champs électromagnétiques. J'ai travaillé dans ce domaine en contact étroit avec Igor Bondarenko pendant près de 15 ans.
L'accélération d'une fusée équipée d'un moteur de propulsion électrique (EPE) est déterminée par le rapport entre la puissance spécifique de la centrale nucléaire spatiale (SNPP) installée sur celle-ci et la vitesse d'échappement. Dans un avenir proche, la puissance spécifique du KNPP ne dépassera apparemment pas 1 kW/kg. Dans ce cas, il est possible de créer des fusées à faible poussée, des dizaines et des centaines de fois inférieures au poids de la fusée, et avec une très faible consommation de fluide de travail. Une telle fusée ne peut être lancée que depuis l'orbite d'un satellite artificiel de la Terre et, en accélérant lentement, atteindre des vitesses élevées.
Pour les vols à l'intérieur du système solaire, il faut des fusées avec une vitesse d'échappement de 50 à 500 km/s, et pour les vols vers les étoiles, des « fusées à photons » qui dépassent notre imagination avec une vitesse d'échappement égale à la vitesse de la lumière. Afin d'effectuer un vol spatial longue distance dans un délai raisonnable, une densité de puissance inimaginable des centrales électriques est nécessaire. Il n’est même pas encore possible d’imaginer sur quels processus physiques ils pourraient être basés.
Les calculs ont montré que lors de la Grande Confrontation, lorsque la Terre et Mars sont les plus proches l'une de l'autre, il est possible de faire voler un vaisseau spatial nucléaire avec un équipage vers Mars en un an et de le remettre sur l'orbite d'un satellite artificiel de la Terre. Le poids total d'un tel navire est d'environ 5 tonnes (y compris la fourniture du fluide de travail - le césium, égal à 1,6 tonne). Elle est déterminée principalement par la masse du KNPP d'une puissance de 5 MW, et la poussée du jet est déterminée par un faisceau d'ions césium de deux mégawatts avec une énergie de 7 kiloélectronvolts*. Le navire démarre depuis l'orbite d'un satellite artificiel de la Terre, entre dans l'orbite d'un satellite de Mars et devra descendre à sa surface sur un appareil doté d'un moteur chimique à hydrogène, similaire au moteur lunaire américain.
De nombreux travaux de l'IPPE ont été consacrés à ce domaine, s'appuyant sur des solutions techniques déjà possibles aujourd'hui.
Propulsion ionique
Au cours de ces années, les moyens de créer divers systèmes de propulsion électrique pour les engins spatiaux, tels que des « canons à plasma », des accélérateurs électrostatiques de « poussière » ou de gouttelettes de liquide, ont été discutés. Cependant, aucune des idées n’avait de base physique claire. La découverte était l'ionisation de surface du césium.
Dans les années 20 du siècle dernier, le physicien américain Irving Langmuir a découvert l'ionisation de surface des métaux alcalins. Lorsqu'un atome de césium s'évapore de la surface d'un métal (dans notre cas, le tungstène), dont le travail de travail électronique est supérieur au potentiel d'ionisation du césium, dans presque 100 % des cas, il perd un électron faiblement lié et s'avère être un électron unique. ion chargé. Ainsi, l'ionisation superficielle du césium sur le tungstène est le processus physique qui permet de créer un dispositif de propulsion ionique avec une utilisation proche de 100 % du fluide de travail et avec un rendement énergétique proche de l'unité.
Notre collègue Stal Yakovlevich Lebedev a joué un rôle majeur dans la création de modèles de système de propulsion ionique de ce type. Avec sa ténacité et sa persévérance de fer, il a surmonté tous les obstacles. Il a ainsi été possible de reproduire un circuit plat de propulsion ionique à trois électrodes en métal. La première électrode est une plaque de tungstène mesurant environ 10x10 cm avec un potentiel de +7 kV, la seconde est une grille en tungstène avec un potentiel de -3 kV et la troisième est une grille en tungstène thorié avec un potentiel nul. Le « canon moléculaire » produisait un faisceau de vapeur de césium qui, à travers toutes les grilles, tombait sur la surface de la plaque de tungstène. Une plaque métallique équilibrée et calibrée, appelée balance, servait à mesurer la « force », c’est-à-dire la poussée du faisceau d’ions.
La tension accélératrice de la première grille accélère les ions césium jusqu'à 10 000 eV, la tension de décélération de la deuxième grille les ralentit jusqu'à 7 000 eV. C'est l'énergie avec laquelle les ions doivent quitter le propulseur, ce qui correspond à une vitesse d'échappement de 100 km/s. Mais un faisceau d’ions, limité par la charge d’espace, ne peut pas « aller dans l’espace ». La charge volumétrique des ions doit être compensée par des électrons pour former un plasma quasi neutre, qui se propage sans entrave dans l'espace et crée une poussée réactive. La source d'électrons pour compenser la charge volumique du faisceau d'ions est la troisième grille (cathode) chauffée par le courant. La deuxième grille « bloquante » empêche les électrons de passer de la cathode à la plaque de tungstène.
La première expérience avec le modèle de propulsion ionique a marqué le début de plus de dix ans de travail. L'un des derniers modèles, doté d'un émetteur poreux en tungstène, créé en 1965, produisait une « poussée » d'environ 20 g pour un courant de faisceau ionique de 20 A, avait un taux d'utilisation d'énergie d'environ 90 % et une utilisation de matière de 95 %.
Conversion directe de la chaleur nucléaire en électricité
Les moyens de convertir directement l’énergie de fission nucléaire en énergie électrique n’ont pas encore été trouvés. On ne peut toujours pas se passer d'un maillon intermédiaire : un moteur thermique. Comme son efficacité est toujours inférieure à un, la chaleur « perdue » doit être mise quelque part. Cela ne pose aucun problème sur terre, dans l’eau ou dans les airs. Dans l’espace, il n’y a qu’un seul moyen : le rayonnement thermique. Ainsi, KNPP ne peut pas se passer d'un « réfrigérateur-émetteur ». La densité de rayonnement est proportionnelle à la puissance quatre de la température absolue, la température du réfrigérateur rayonnant doit donc être aussi élevée que possible. Il sera alors possible de réduire la surface de la surface rayonnante et, par conséquent, la masse de la centrale. Nous avons eu l'idée d'utiliser la conversion « directe » de la chaleur nucléaire en électricité, sans turbine ni générateur, qui semblait plus fiable pour un fonctionnement à long terme à haute température.
Grâce à la littérature, nous connaissions les œuvres d'A.F. Ioffe est le fondateur de l'école soviétique de physique technique, pionnier de la recherche sur les semi-conducteurs en URSS. Peu de gens se souviennent aujourd'hui des sources actuelles qu'il a développées et qui ont été utilisées pendant la Grande Guerre patriotique. A cette époque, plus d'un détachement partisan avait des contacts avec le continent grâce aux TEG « kérosène » - générateurs thermoélectriques Ioffe. Une "couronne" constituée de TEG (il s'agissait d'un ensemble d'éléments semi-conducteurs) était placée sur une lampe à pétrole et ses fils étaient connectés à un équipement radio. Les extrémités « chaudes » des éléments étaient chauffées par la flamme d'une lampe à pétrole, les extrémités « froides » étaient refroidies à l'air. Le flux de chaleur traversant le semi-conducteur a généré une force électromotrice suffisante pour une session de communication et, entre eux, le TEG a chargé la batterie. Lorsque, dix ans après la Victoire, nous avons visité l'usine TEG de Moscou, il s'est avéré qu'elles étaient toujours en vente. De nombreux villageois possédaient alors des radios Rodina économiques équipées de lampes à chaleur directe, alimentées par une batterie. Les TAG étaient souvent utilisés à la place.
Le problème du kérosène TEG est son faible rendement (seulement environ 3,5 %) et sa faible température maximale (350°K). Mais la simplicité et la fiabilité de ces appareils ont séduit les développeurs. Ainsi, les convertisseurs semi-conducteurs développés par le groupe I.G. Gverdtsiteli de l'Institut de physique et de technologie de Soukhoumi a trouvé une application dans les installations spatiales de type Buk.
À une certaine époque, A.F. Ioffe a proposé un autre convertisseur thermoionique - une diode sous vide. Le principe de son fonctionnement est le suivant : la cathode chauffée émet des électrons, certains d'entre eux, dépassant le potentiel de l'anode, fonctionnent. Un rendement bien plus élevé (20-25 %) était attendu de cet appareil à des températures de fonctionnement supérieures à 1 000°K. De plus, contrairement à un semi-conducteur, une diode à vide ne craint pas le rayonnement neutronique et peut être combinée avec un réacteur nucléaire. Cependant, il s'est avéré qu'il était impossible de mettre en œuvre l'idée d'un convertisseur Ioffe « sous vide ». Comme dans un dispositif de propulsion ionique, dans un convertisseur à vide, vous devez vous débarrasser de la charge d'espace, mais cette fois pas des ions, mais des électrons. UN F. Ioffe avait l'intention d'utiliser des espaces micrométriques entre la cathode et l'anode dans un convertisseur à vide, ce qui est pratiquement impossible dans des conditions de températures et de déformations thermiques élevées. C’est là que le césium entre en jeu : un ion césium produit par ionisation de surface à la cathode compense la charge d’espace d’environ 500 électrons ! Essentiellement, un convertisseur de césium est un dispositif de propulsion ionique « inversée ». Les processus physiques qui s'y déroulent sont proches.
« Guirlandes » de V.A. Malykha
L'un des résultats des travaux de l'IPPE sur les convertisseurs thermoioniques a été la création de V.A. Malykh et production en série dans son département d'éléments combustibles à partir de convertisseurs thermoioniques connectés en série - « guirlandes » pour le réacteur Topaz. Ils fournissaient jusqu'à 30 V - cent fois plus que les convertisseurs monoélément créés par des "organisations concurrentes" - le groupe de Leningrad M.B. Barabash et plus tard - l'Institut de l'énergie atomique. Cela a permis de « retirer » des dizaines et des centaines de fois plus de puissance au réacteur. Cependant, la fiabilité du système, bourré de milliers d’éléments thermoioniques, suscitait des inquiétudes. Dans le même temps, les centrales à turbine à vapeur et à gaz fonctionnaient sans panne, c'est pourquoi nous avons également prêté attention à la conversion « mécanique » de la chaleur nucléaire en électricité.
Toute la difficulté résidait dans la ressource, car dans les vols spatiaux longue distance, les turbogénérateurs doivent fonctionner pendant un an, deux, voire plusieurs années. Pour réduire l'usure, les « tours » (vitesse de rotation de la turbine) doivent être rendus aussi faibles que possible. En revanche, une turbine fonctionne efficacement si la vitesse des molécules de gaz ou de vapeur est proche de la vitesse de ses pales. Par conséquent, nous avons d’abord envisagé l’utilisation de la vapeur de mercure la plus lourde. Mais nous avons été effrayés par l’intense corrosion du fer et de l’acier inoxydable, stimulée par les radiations, qui s’est produite dans un réacteur nucléaire refroidi au mercure. En deux semaines, la corrosion a « mangé » les éléments combustibles du réacteur rapide expérimental « Clémentine » du Laboratoire d'Argonne (USA, 1949) et du réacteur BR-2 de l'IPPE (URSS, Obninsk, 1956).
La vapeur de potassium s’est avérée tentante. Le réacteur contenant du potassium bouillant constituait la base de la centrale électrique que nous développions pour un vaisseau spatial à faible poussée - la vapeur de potassium faisait tourner le turbogénérateur. Cette méthode « machine » de conversion de la chaleur en électricité permettait de compter sur un rendement allant jusqu'à 40 %, alors que les véritables installations thermoioniques fournissaient un rendement d'environ 7 % seulement. Cependant, le KNPP avec conversion « machinique » de la chaleur nucléaire en électricité n’a pas été développé. L’affaire s’est terminée par la publication d’un rapport détaillé, essentiellement une « note physique » sur la conception technique d’un vaisseau spatial à faible poussée destiné à un vol en équipage vers Mars. Le projet lui-même n'a jamais été développé.
Plus tard, je pense, l’intérêt pour les vols spatiaux utilisant des moteurs de fusée nucléaires a tout simplement disparu. Après la mort de Sergueï Pavlovitch Korolev, le soutien aux travaux de l’IPPE sur la propulsion ionique et les centrales nucléaires « machines » s’est sensiblement affaibli. L'OKB-1 était dirigé par Valentin Petrovich Glushko, qui ne s'intéressait pas aux projets audacieux et prometteurs. Le bureau de conception Energia, qu'il a créé, a construit de puissantes fusées chimiques et le vaisseau spatial Bourane qui revient sur Terre.
"Buk" et "Topaz" sur les satellites de la série "Cosmos"
Les travaux visant à créer le KNPP avec conversion directe de la chaleur en électricité, qui servent désormais de source d'énergie pour de puissants satellites radio (stations radar spatiales et chaînes de télévision), se sont poursuivis jusqu'au début de la perestroïka. De 1970 à 1988, environ 30 satellites radar ont été lancés dans l'espace avec les centrales nucléaires de Buk équipées de réacteurs convertisseurs à semi-conducteurs et deux avec les centrales thermoioniques Topaz. Le Buk, en fait, était un TEG - un convertisseur Ioffe à semi-conducteur, mais au lieu d'une lampe à pétrole, il utilisait un réacteur nucléaire. Il s'agissait d'un réacteur rapide d'une puissance allant jusqu'à 100 kW. Le chargement complet d'uranium hautement enrichi était d'environ 30 kg. La chaleur du noyau était transférée par le métal liquide – un alliage eutectique de sodium et de potassium – aux batteries semi-conductrices. La puissance électrique a atteint 5 kW.
L'installation Buk, sous la direction scientifique de l'IPPE, a été développée par les spécialistes de l'OKB-670, M.M. Bondaryuk, plus tard - NPO "Red Star" (concepteur en chef - G.M. Gryaznov). Le bureau de conception Yuzhmash de Dnepropetrovsk (concepteur en chef - M.K. Yangel) a été chargé de créer un lanceur pour mettre le satellite en orbite.
La durée de fonctionnement de « Buk » est de 1 à 3 mois. Si l'installation échouait, le satellite était transféré sur une orbite à long terme à une altitude de 1 000 km. En près de 20 ans de lancements, il y a eu trois cas de chute de satellite sur Terre : deux dans l'océan et un sur terre, au Canada, à proximité du Grand Lac des Esclaves. Kosmos-954, lancé le 24 janvier 1978, y est tombé. Il a travaillé pendant 3,5 mois. Les éléments d'uranium du satellite ont complètement brûlé dans l'atmosphère. Seuls les restes d'un réflecteur en béryllium et de batteries à semi-conducteurs ont été retrouvés au sol. (Toutes ces données sont présentées dans le rapport conjoint des commissions atomiques américaine et canadienne sur l’opération Morning Light.)
La centrale nucléaire thermoionique Topaz utilisait un réacteur thermique d'une puissance allant jusqu'à 150 kW. Le chargement complet d'uranium était d'environ 12 kg, soit nettement moins que celui du Buk. La base du réacteur était constituée d'éléments combustibles - des "guirlandes", développés et fabriqués par le groupe Malykh. Ils étaient constitués d'une chaîne de thermoéléments : la cathode était un « dé à coudre » en tungstène ou en molybdène, rempli d'oxyde d'uranium, l'anode était un tube de niobium à paroi mince, refroidi par du sodium-potassium liquide. La température cathodique atteint 1650°C. La puissance électrique de l'installation atteint 10 kW.
Le premier modèle de vol, le satellite Cosmos-1818 équipé de l'installation Topaz, est entré en orbite le 2 février 1987 et a fonctionné parfaitement pendant six mois jusqu'à épuisement des réserves de césium. Le deuxième satellite, Cosmos-1876, a été lancé un an plus tard. Il a travaillé en orbite presque deux fois plus longtemps. Le principal développeur de Topaz était le MMZ Soyouz Design Bureau, dirigé par S.K. Tumansky (ancien bureau d'études du concepteur de moteurs d'avion A.A. Mikulin).
C'était à la fin des années 1950, lorsque nous travaillions sur la propulsion ionique, et qu'il travaillait sur le moteur du troisième étage d'une fusée qui volerait autour de la Lune et y atterrirait. Les souvenirs du laboratoire de Melnikov sont encore frais aujourd’hui. Il était situé à Podlipki (aujourd'hui ville de Korolev), sur le site n°3 de l'OKB-1. Un immense atelier d'une superficie d'environ 3000 m2, bordé de dizaines de bureaux avec des oscilloscopes en guirlande enregistrant sur du papier rouleau de 100 mm (c'était une époque révolue ; aujourd'hui un seul ordinateur personnel suffirait). Sur la paroi avant de l'atelier se trouve un stand où est montée la chambre de combustion du moteur-fusée « lunaire ». Les oscilloscopes comportent des milliers de fils provenant de capteurs pour la vitesse du gaz, la pression, la température et d'autres paramètres. La journée commence à 9h00 avec l'allumage du moteur. Il tourne pendant plusieurs minutes, puis immédiatement après son arrêt, une équipe de mécaniciens de première équipe le démonte, inspecte et mesure soigneusement la chambre de combustion. Dans le même temps, les bandes d'oscilloscope sont analysées et des recommandations de modifications de conception sont formulées. Deuxième équipe - les concepteurs et les ouvriers d'atelier apportent les modifications recommandées. Au cours de la troisième équipe, une nouvelle chambre de combustion et un nouveau système de diagnostic sont installés sur le stand. Le lendemain, à 9 heures précises, prochaine séance. Et ainsi de suite sans jours de congé pendant des semaines, des mois. Plus de 300 options de moteurs par an !
C'est ainsi qu'ont été créés les moteurs de fusée chimiques, qui ne devaient fonctionner que 20 à 30 minutes. Que dire des essais et des modifications des centrales nucléaires - le calcul était qu'elles devraient fonctionner pendant plus d'un an. Cela a nécessité des efforts véritablement gigantesques.
Souvent, dans les publications pédagogiques générales sur l'astronautique, ils ne font pas la différence entre un moteur de fusée nucléaire (NRE) et un système de propulsion nucléaire électrique (NURE). Cependant, ces abréviations cachent non seulement la différence dans les principes de conversion de l'énergie nucléaire en poussée de fusée, mais aussi une histoire très dramatique du développement de l'astronautique.
Le drame de l’histoire réside dans le fait que si les recherches sur la propulsion nucléaire et la propulsion nucléaire en URSS et aux États-Unis, interrompues principalement pour des raisons économiques, s’étaient poursuivies, les vols humains vers Mars seraient depuis longtemps devenus monnaie courante.
Tout a commencé avec un avion atmosphérique équipé d'un moteur nucléaire à statoréacteur
Aux États-Unis et en URSS, les concepteurs envisageaient des installations nucléaires « respirantes » capables d’aspirer l’air extérieur et de le chauffer à des températures colossales. Ce principe de génération de poussée a probablement été emprunté aux statoréacteurs, mais au lieu du carburant de fusée, l'énergie de fission des noyaux atomiques du dioxyde d'uranium 235 a été utilisée.Aux États-Unis, un tel moteur a été développé dans le cadre du projet Pluto. Les Américains ont réussi à créer deux prototypes du nouveau moteur - Tory-IIA et Tory-IIC, qui alimentaient même les réacteurs. La capacité de l'installation était censée être de 600 mégawatts.
Les moteurs développés dans le cadre du projet Pluto devaient être installés sur des missiles de croisière, créés dans les années 1950 sous la désignation SLAM (Supersonic Low Altitude Missile, missile supersonique à basse altitude).
Les États-Unis prévoyaient de construire une fusée de 26,8 mètres de long, de trois mètres de diamètre et pesant 28 tonnes. Le corps de la fusée était censé contenir une ogive nucléaire, ainsi qu'un système de propulsion nucléaire d'une longueur de 1,6 mètre et d'un diamètre de 1,5 mètre. Par rapport à d’autres tailles, l’installation semblait très compacte, ce qui explique son principe de fonctionnement à flux direct.
Les développeurs pensaient que, grâce au moteur nucléaire, la portée de vol du missile SLAM serait d'au moins 182 000 kilomètres.
En 1964, le département américain de la Défense met fin au projet. La raison officielle était qu'en vol, un missile de croisière à propulsion nucléaire pollue trop tout ce qui l'entoure. Mais en fait, la raison en était les coûts importants liés à l'entretien de ces fusées, d'autant plus qu'à cette époque, les fusées se développaient rapidement sur la base de moteurs-fusées à propergol liquide, dont l'entretien était beaucoup moins cher.
L'URSS est restée fidèle à l'idée de créer un statoréacteur pour un moteur nucléaire beaucoup plus longtemps que les États-Unis, clôturant le projet seulement en 1985. Mais les résultats se sont révélés bien plus significatifs. Ainsi, le premier et unique moteur de fusée nucléaire soviétique a été développé au bureau d'études Khimavtomatika, à Voronej. Il s'agit du RD-0410 (indice GRAU - 11B91, également connu sous le nom de « Irbit » et « IR-100 »).
Le RD-0410 utilisait un réacteur à neutrons thermiques hétérogène, le modérateur était de l'hydrure de zirconium, les réflecteurs de neutrons étaient en béryllium, le combustible nucléaire était un matériau à base d'uranium et de carbures de tungstène, avec un enrichissement d'environ 80 % en isotope 235.
La conception comprenait 37 assemblages combustibles, recouverts d'une isolation thermique qui les séparait du modérateur. La conception prévoyait que le flux d'hydrogène traversait d'abord le réflecteur et le modérateur, maintenant leur température à température ambiante, puis pénétrait dans le cœur, où il refroidissait les assemblages combustibles, chauffant jusqu'à 3 100 K. Sur le stand, le réflecteur et le modérateur étaient refroidi par un flux d'hydrogène séparé.
Le réacteur a subi une série de tests importants, mais n'a jamais été testé pendant toute sa durée de fonctionnement. Cependant, les composants extérieurs du réacteur étaient complètement épuisés.
Caractéristiques techniques du RD 0410
Poussée dans le vide : 3,59 tf (35,2 kN)
Puissance thermique du réacteur : 196 MW
Impulsion de poussée spécifique dans le vide : 910 kgf s/kg (8 927 m/s)
Nombre de démarrages : 10
Ressource de travail : 1 heure
Composants du carburant : fluide de travail - hydrogène liquide, substance auxiliaire - heptane
Poids avec radioprotection : 2 tonnes
Dimensions du moteur : hauteur 3,5 m, diamètre 1,6 m.
Des dimensions globales et un poids relativement faibles, une température élevée du combustible nucléaire (3 100 K) et un système de refroidissement efficace avec un flux d'hydrogène indiquent que le RD0410 est un prototype presque idéal de moteur de propulsion nucléaire pour les missiles de croisière modernes. Et, compte tenu des technologies modernes de production de combustible nucléaire à arrêt automatique, augmenter la ressource d'une heure à plusieurs heures est une tâche bien réelle.
Conceptions de moteurs de fusée nucléaire
Un moteur de fusée nucléaire (NRE) est un moteur à réaction dans lequel l'énergie générée lors d'une désintégration nucléaire ou d'une réaction de fusion chauffe le fluide de travail (le plus souvent de l'hydrogène ou de l'ammoniac).Il existe trois types de moteurs de propulsion nucléaire selon le type de combustible du réacteur :
- phase solide;
- phase liquide;
- phase gazeuse.
Dans les moteurs à propulsion nucléaire en phase gazeuse, le combustible (par exemple l'uranium) et le fluide de travail sont à l'état gazeux (sous forme de plasma) et sont retenus dans la zone de travail par un champ électromagnétique. Le plasma d'uranium chauffé à des dizaines de milliers de degrés transfère de la chaleur au fluide de travail (par exemple, l'hydrogène), qui, à son tour, chauffé à des températures élevées, forme un jet.
Selon le type de réaction nucléaire, on distingue un moteur-fusée radio-isotopique, un moteur-fusée thermonucléaire et un moteur nucléaire lui-même (l'énergie de la fission nucléaire est utilisée).
Une option intéressante est également un moteur de fusée nucléaire pulsé - il est proposé d'utiliser une charge nucléaire comme source d'énergie (carburant). De telles installations peuvent être de types internes et externes.
Les principaux avantages des moteurs nucléaires sont :
- impulsion spécifique élevée ;
- d'importantes réserves d'énergie ;
- compacité du système de propulsion ;
- la possibilité d'obtenir des poussées très élevées - des dizaines, des centaines et des milliers de tonnes dans le vide.
- flux de rayonnements pénétrants (rayonnement gamma, neutrons) lors de réactions nucléaires ;
- élimination des composés hautement radioactifs de l'uranium et de ses alliages ;
- sortie de gaz radioactifs avec le fluide de travail.
Système de propulsion nucléaire
Étant donné qu'il est impossible d'obtenir des informations fiables sur les centrales nucléaires à partir de publications, y compris d'articles scientifiques, il est préférable d'envisager le principe de fonctionnement de telles installations à l'aide d'exemples de documents de brevets ouverts, bien qu'ils contiennent un savoir-faire.Par exemple, l'éminent scientifique russe Anatoly Sazonovich Koroteev, auteur de l'invention brevetée, a fourni une solution technique pour la composition de l'équipement d'un YARDU moderne. Ci-dessous je présente une partie dudit document brevet textuellement et sans commentaire.
L'essence de la solution technique proposée est illustrée par le schéma présenté dans le dessin. Un système de propulsion nucléaire fonctionnant en mode propulsion-énergie contient un système de propulsion électrique (EPS) (l'exemple de schéma montre deux moteurs-fusées électriques 1 et 2 avec les systèmes d'alimentation correspondants 3 et 4), une installation de réacteur 5, une turbine 6, un compresseur 7, un générateur 8, un échangeur-récupérateur de chaleur 9, un tube vortex de Ranck-Hilsch 10, un réfrigérateur-radiateur 11. Dans ce cas, la turbine 6, le compresseur 7 et le générateur 8 sont combinés en une seule unité - un turbogénérateur-compresseur. Le propulseur nucléaire est équipé de canalisations 12 de fluide moteur et de lignes électriques 13 reliant le générateur 8 et le propulseur électrique. L'échangeur-récupérateur de chaleur 9 comporte des entrées de fluide de travail dites haute température 14 et basse température 15, ainsi que des sorties de fluide de travail haute température 16 et basse température 17.Liens:La sortie du bloc réacteur 5 est reliée à l'entrée de la turbine 6, la sortie de la turbine 6 est reliée à l'entrée haute température 14 de l'échangeur-récupérateur de chaleur 9. La sortie basse température 15 de l'échangeur-récupérateur de chaleur 9 est reliée à l'entrée du tube vortex de Ranck-Hilsch 10. Le tube vortex de Ranck-Hilsch 10 comporte deux sorties dont l'une (via le fluide de travail « chaud ») est reliée au radiateur réfrigérateur 11, et l'autre (via le fluide de travail « chaud ») est reliée au radiateur réfrigérateur 11, et l'autre ( via le fluide de travail « froid ») est reliée à l'entrée du compresseur 7. La sortie du radiateur réfrigérateur 11 est également reliée à l'entrée du compresseur 7. La sortie du compresseur 7 est reliée à l'entrée basse température 15 du échangeur-récupérateur de chaleur 9. La sortie haute température 16 de l'échangeur-récupérateur de chaleur 9 est reliée à l'entrée de l'installation réacteur 5. Ainsi, les principaux éléments de la centrale nucléaire sont interconnectés par un circuit unique du fluide de travail .
La centrale nucléaire fonctionne comme suit. Le fluide moteur chauffé dans l'installation réacteur 5 est envoyé vers la turbine 6, qui assure le fonctionnement du compresseur 7 et du générateur 8 du turbogénérateur-compresseur. Le générateur 8 génère de l'énergie électrique, qui est envoyée via les lignes électriques 13 aux moteurs électriques-fusées 1 et 2 et à leurs systèmes d'alimentation 3 et 4, assurant leur fonctionnement. Après avoir quitté la turbine 6, le fluide de travail est envoyé par l'entrée haute température 14 vers l'échangeur-récupérateur de chaleur 9, où le fluide de travail est partiellement refroidi.
Ensuite, depuis la sortie basse température 17 de l'échangeur-récupérateur de chaleur 9, le fluide de travail est dirigé dans le tube vortex Ranque-Hilsch 10, à l'intérieur duquel le flux de fluide de travail est divisé en composants « chaud » et « froid ». La partie « chaude » du fluide de travail se dirige ensuite vers le réfrigérateur-émetteur 11, où cette partie du fluide de travail est efficacement refroidie. La partie « froide » du fluide de travail va à l'entrée du compresseur 7, et après refroidissement, la partie du fluide de travail sortant du réfrigérateur rayonnant 11 y suit également.
Le compresseur 7 fournit le fluide de travail refroidi à l'échangeur-récupérateur de chaleur 9 par l'entrée basse température 15. Ce fluide de travail refroidi dans l'échangeur-récupérateur de chaleur 9 assure un refroidissement partiel du contre-courant du fluide de travail entrant dans l'échangeur-récupérateur de chaleur. 9 de la turbine 6 à travers l'entrée haute température 14. Ensuite, le fluide de travail partiellement chauffé (en raison de l'échange thermique avec le contre-courant du fluide de travail de la turbine 6) de l'échangeur-récupérateur de chaleur 9 à travers le haute température la sortie 16 entre à nouveau dans l'installation réacteur 5, le cycle se répète à nouveau.
Ainsi, un seul fluide de travail situé dans une boucle fermée assure le fonctionnement continu de la centrale nucléaire, et l'utilisation d'un tube vortex de Ranque-Hilsch dans le cadre de la centrale nucléaire conformément à la solution technique revendiquée améliore les caractéristiques de poids et de taille. de la centrale nucléaire, augmente la fiabilité de son fonctionnement, simplifie sa conception et permet d'augmenter l'efficacité des centrales nucléaires en général.
Alexandre Losev
Le développement rapide de la technologie des fusées et de l'espace au XXe siècle a été déterminé par les objectifs et intérêts militaires, stratégiques, politiques et, dans une certaine mesure, idéologiques des deux superpuissances - l'URSS et les États-Unis, et tous les programmes spatiaux de l'État étaient un la poursuite de leurs projets militaires, dont la tâche principale était la nécessité d'assurer la capacité de défense et la parité stratégique avec un ennemi potentiel. Le coût de création des équipements et les coûts d'exploitation n'étaient alors pas d'une importance fondamentale. D'énormes ressources ont été allouées à la création de lanceurs et d'engins spatiaux, et le vol de 108 minutes de Youri Gagarine en 1961 et l'émission télévisée de Neil Armstrong et Buzz Aldrin depuis la surface de la Lune en 1969 n'étaient pas seulement des triomphes scientifiques et techniques. pensaient-ils, ils étaient également considérés comme des victoires stratégiques dans les batailles de la guerre froide.
Mais après l'effondrement de l'Union soviétique et son retrait de la course au leadership mondial, ses adversaires géopolitiques, en premier lieu les États-Unis, n'ont plus eu besoin de mettre en œuvre des projets spatiaux prestigieux mais extrêmement coûteux pour prouver au monde entier la supériorité de l'économie occidentale. système et concepts idéologiques.
Dans les années 90, les principales tâches politiques des années précédentes ont perdu de leur pertinence, la confrontation des blocs a été remplacée par la mondialisation, le pragmatisme a prévalu dans le monde, de sorte que la plupart des programmes spatiaux ont été réduits ou reportés ; seule l'ISS est restée comme un héritage des projets à grande échelle de le passé. En outre, la démocratie occidentale a rendu tous les programmes gouvernementaux coûteux dépendants des cycles électoraux.
Le soutien des électeurs, nécessaire pour obtenir ou conserver le pouvoir, oblige les politiciens, les parlements et les gouvernements à pencher vers le populisme et à résoudre les problèmes à court terme, de sorte que les dépenses consacrées à l’exploration spatiale diminuent d’année en année.
La plupart des découvertes fondamentales ont été faites dans la première moitié du XXe siècle, et aujourd'hui la science et la technologie ont atteint certaines limites. De plus, la popularité des connaissances scientifiques a diminué dans le monde entier et la qualité de l'enseignement des mathématiques, de la physique et d'autres sciences naturelles les sciences se sont détériorées. C’est la raison de la stagnation, y compris dans le secteur spatial, des deux dernières décennies.
Mais il devient désormais évident que le monde approche de la fin d’un autre cycle technologique fondé sur les découvertes du siècle dernier. Par conséquent, toute puissance qui possédera des technologies fondamentalement nouvelles et prometteuses au moment du changement dans la structure technologique mondiale assurera automatiquement le leadership mondial pendant au moins les cinquante prochaines années.
Conception fondamentale d'un moteur de propulsion nucléaire avec de l'hydrogène comme fluide de travail
Ceci est réalisé à la fois aux États-Unis, qui ont fixé le cap pour la renaissance de la grandeur américaine dans tous les domaines d'activité, et en Chine, qui défie l'hégémonie américaine, et dans l'Union européenne, qui tente de toutes ses forces de maintenir son poids dans l’économie mondiale.
Il y a une politique industrielle là-bas et ils sont sérieusement engagés dans le développement de leur propre potentiel scientifique, technique et de production, et la sphère spatiale peut devenir le meilleur terrain d'essai pour tester de nouvelles technologies et pour prouver ou réfuter les hypothèses scientifiques qui peuvent en jeter les bases. pour la création d’une technologie du futur fondamentalement différente et plus avancée.
Et il est tout à fait naturel de s'attendre à ce que les États-Unis soient le premier pays où les projets d'exploration de l'espace lointain reprendront afin de créer des technologies innovantes uniques dans le domaine des armes, des transports et des matériaux de structure, ainsi que dans la biomédecine et les télécommunications.
Il est vrai que même les États-Unis ne sont pas assurés de réussir à créer des technologies révolutionnaires. Il existe un risque élevé de se retrouver dans une impasse lorsqu'il s'agit d'améliorer des moteurs de fusée vieux d'un demi-siècle à base de carburant chimique, comme le fait SpaceX d'Elon Musk, ou de créer des systèmes de survie pour les longs vols similaires à ceux déjà mis en œuvre sur le ISS.
La Russie, dont la stagnation dans le secteur spatial devient de plus en plus visible chaque année, peut-elle faire un bond dans la course au futur leadership technologique pour rester dans le club des superpuissances, et non dans la liste des pays en développement ?
Oui, bien sûr, la Russie le peut et, de plus, des progrès notables ont déjà été réalisés dans le domaine de l’énergie nucléaire et de la technologie des moteurs de fusée nucléaires, malgré le sous-financement chronique de l’industrie spatiale.
L’avenir de l’astronautique réside dans l’utilisation de l’énergie nucléaire. Pour comprendre le lien entre la technologie nucléaire et l’espace, il est nécessaire de considérer les principes de base de la propulsion à réaction.
Ainsi, les principaux types de moteurs spatiaux modernes sont créés sur les principes de l’énergie chimique. Il s'agit d'accélérateurs à combustible solide et de moteurs-fusées à liquide, dans leurs chambres de combustion, les composants du carburant (carburant et comburant) entrent dans une réaction de combustion physique et chimique exothermique, formant un jet qui éjecte des tonnes de substance de la tuyère du moteur chaque seconde. L'énergie cinétique du fluide de travail du jet est convertie en une force réactive suffisante pour propulser la fusée. L'impulsion spécifique (le rapport entre la poussée générée et la masse de carburant utilisée) de tels moteurs chimiques dépend des composants du carburant, de la pression et de la température dans la chambre de combustion, ainsi que du poids moléculaire du mélange gazeux éjecté à travers le tuyère du moteur.
Et plus la température de la substance et la pression à l'intérieur de la chambre de combustion sont élevées, et plus la masse moléculaire du gaz est faible, plus l'impulsion spécifique est élevée, et donc l'efficacité du moteur. L'impulsion spécifique est une quantité de mouvement et est généralement mesurée en mètres par seconde, tout comme la vitesse.
Dans les moteurs chimiques, l'impulsion spécifique la plus élevée est fournie par les mélanges de carburants oxygène-hydrogène et fluor-hydrogène (4 500–4 700 m/s), mais les plus populaires (et les plus pratiques à utiliser) sont devenus les moteurs de fusée fonctionnant au kérosène et à l'oxygène, par exemple. exemple les fusées Soyouz et Falcon de Musk, ainsi que des moteurs utilisant de la diméthylhydrazine asymétrique (UDMH) avec un comburant sous la forme d'un mélange de tétroxyde d'azote et d'acide nitrique (Proton soviétique et russe, Ariane française, Titan américain). Leur efficacité est 1,5 fois inférieure à celle des moteurs à hydrogène, mais une impulsion de 3 000 m/s et une puissance suffisante pour rendre économiquement rentable le lancement de tonnes de charge utile sur des orbites proches de la Terre.
Mais les vols vers d’autres planètes nécessitent des engins spatiaux beaucoup plus grands que tout ce que l’humanité a créé auparavant, y compris l’ISS modulaire. Dans ces navires, il est nécessaire d'assurer une existence autonome à long terme des équipages, ainsi qu'un certain approvisionnement en carburant et une durée de vie des moteurs principaux et des moteurs de manœuvre et de correction d'orbite, d'assurer la livraison des astronautes dans un module d'atterrissage spécial. à la surface d'une autre planète, et leur retour au navire de transport principal, puis le retour de l'expédition sur Terre.
Les connaissances techniques accumulées et l'énergie chimique des moteurs permettent de retourner sur la Lune et d'atteindre Mars. Il existe donc une forte probabilité que l'humanité visite la planète rouge au cours de la prochaine décennie.
Si l'on s'appuie uniquement sur les technologies spatiales existantes, alors la masse minimale du module habitable pour un vol habité vers Mars ou vers les satellites de Jupiter et Saturne sera d'environ 90 tonnes, soit 3 fois plus que les vaisseaux lunaires du début des années 1970. , ce qui signifie que les lanceurs pour leur lancement sur des orbites de référence pour un vol ultérieur vers Mars seront bien supérieurs au Saturn 5 (poids au lancement 2965 tonnes) du projet lunaire Apollo ou au transporteur soviétique Energia (poids au lancement 2400 tonnes). Il faudra créer un complexe interplanétaire en orbite pesant jusqu'à 500 tonnes. Un vol sur un vaisseau interplanétaire équipé de moteurs-fusées chimiques nécessitera de 8 mois à 1 an dans une seule direction, car vous devrez effectuer des manœuvres gravitationnelles, en utilisant la force gravitationnelle des planètes et une réserve colossale de carburant pour accélérer en plus le vaisseau. .
Mais grâce à l’énergie chimique des moteurs de fusée, l’humanité ne volera pas plus loin que l’orbite de Mars ou de Vénus. Nous avons besoin de différentes vitesses de vol des engins spatiaux et d'autres énergies de mouvement plus puissantes.
Conception moderne d'un moteur de fusée nucléaire Princeton Satellite Systems
Pour explorer l’espace lointain, il est nécessaire d’augmenter considérablement le rapport poussée/poids et l’efficacité du moteur-fusée, et donc d’augmenter son impulsion spécifique et sa durée de vie. Et pour ce faire, il est nécessaire de chauffer un gaz ou un fluide de travail de faible masse atomique à l'intérieur de la chambre du moteur à des températures plusieurs fois supérieures à la température de combustion chimique des mélanges de carburants traditionnels, et cela peut être fait à l'aide d'une réaction nucléaire.
Si, au lieu d'une chambre de combustion conventionnelle, un réacteur nucléaire est placé à l'intérieur d'un moteur-fusée, dans la zone active duquel est fournie une substance sous forme liquide ou gazeuse, alors celui-ci, chauffé sous haute pression jusqu'à plusieurs milliers de degrés, commencera être éjecté à travers le canal de la buse, créant une poussée du jet. L'impulsion spécifique d'un tel moteur à réaction nucléaire sera plusieurs fois supérieure à celle d'un moteur conventionnel contenant des composants chimiques, ce qui signifie que l'efficacité du moteur lui-même et du lanceur dans son ensemble augmentera plusieurs fois. Dans ce cas, un comburant pour la combustion du carburant ne sera pas nécessaire et l'hydrogène gazeux léger peut être utilisé comme substance qui crée la poussée du jet ; nous savons que plus la masse moléculaire du gaz est faible, plus l'impulsion est élevée, ce qui aura un effet considérable réduire la masse de la fusée avec une meilleure puissance du moteur.
Un moteur nucléaire sera meilleur qu'un moteur conventionnel, car dans la zone du réacteur, le gaz léger peut être chauffé à des températures supérieures à 9 000 degrés Kelvin, et un jet d'un tel gaz surchauffé fournira une impulsion spécifique beaucoup plus élevée que celle que les moteurs chimiques conventionnels peuvent fournir. . Mais c'est en théorie.
Le danger n'est même pas que lors du lancement d'un lanceur doté d'une telle installation nucléaire, une contamination radioactive de l'atmosphère et de l'espace autour de la rampe de lancement puisse se produire ; le problème principal est qu'à des températures élevées, le moteur lui-même, ainsi que le vaisseau spatial, peuvent fondre. Les concepteurs et les ingénieurs l’ont bien compris et tentent depuis plusieurs décennies de trouver des solutions adaptées.
Les moteurs de fusée nucléaire (NRE) ont déjà leur propre histoire de création et d’exploitation dans l’espace. Le premier développement de moteurs nucléaires a commencé au milieu des années 1950, c'est-à-dire avant même le vol humain dans l'espace, et presque simultanément en URSS et aux États-Unis, et l'idée même d'utiliser des réacteurs nucléaires pour chauffer le fonctionnement La substance contenue dans un moteur de fusée est née avec les premiers recteurs au milieu des années 40, soit il y a plus de 70 ans.
Dans notre pays, l'initiateur de la création de la propulsion nucléaire fut le physicien thermal Vitaly Mikhailovich Ievlev. En 1947, il présente un projet soutenu par S. P. Korolev, I. V. Kurchatov et M. V. Keldysh. Initialement, il était prévu d'utiliser de tels moteurs pour des missiles de croisière, puis de les installer sur des missiles balistiques. Le développement a été entrepris par les principaux bureaux d'études de défense de l'Union soviétique, ainsi que par les instituts de recherche NIITP, CIAM, IAE et VNIINM.
Le moteur nucléaire soviétique RD-0410 a été assemblé au milieu des années 60 au Bureau de conception d'automatisation chimique de Voronej, où ont été créés la plupart des moteurs de fusée à liquide destinés à la technologie spatiale.
L'hydrogène a été utilisé comme fluide de travail dans le RD-0410, qui, sous forme liquide, traversait une « enveloppe de refroidissement », éliminant l'excès de chaleur des parois de la buse et l'empêchant de fondre, puis pénétrait dans le cœur du réacteur, où il était chauffé. à 3000K et libéré par les buses du canal, convertissant ainsi l'énergie thermique en énergie cinétique et créant une impulsion spécifique de 9100 m/s.
Aux États-Unis, le projet de propulsion nucléaire a été lancé en 1952 et le premier moteur opérationnel a été créé en 1966 et a été baptisé NERVA (Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application). Dans les années 60 et 70, l’Union soviétique et les États-Unis ont essayé de ne pas céder l’un à l’autre.
Certes, notre RD-0410 et le NERVA américain étaient des moteurs nucléaires en phase solide (le combustible nucléaire à base de carbures d'uranium était à l'état solide dans le réacteur) et leur température de fonctionnement était comprise entre 2 300 et 3 100 K.
Pour augmenter la température du cœur sans risque d'explosion ou de fusion des parois du réacteur, il est nécessaire de créer de telles conditions de réaction nucléaire dans lesquelles le combustible (uranium) passe à l'état gazeux ou se transforme en plasma et est maintenu à l'intérieur du réacteur. par un champ magnétique puissant, sans toucher les murs. Et puis l'hydrogène entrant dans le cœur du réacteur «circule» autour de l'uranium en phase gazeuse et, se transformant en plasma, est éjecté à très grande vitesse à travers le canal de la buse.
Ce type de moteur est appelé moteur à propulsion nucléaire en phase gazeuse. Les températures du combustible à base d'uranium gazeux dans ces moteurs nucléaires peuvent varier de 10 000 à 20 000 degrés Kelvin, et l'impulsion spécifique peut atteindre 50 000 m/s, soit 11 fois supérieure à celle des moteurs de fusée chimiques les plus efficaces.
La création et l'utilisation de moteurs de propulsion nucléaire en phase gazeuse de types ouverts et fermés dans la technologie spatiale constituent la direction la plus prometteuse dans le développement de moteurs de fusée spatiale et exactement ce dont l'humanité a besoin pour explorer les planètes du système solaire et leurs satellites.
Les premières recherches sur le projet de propulsion nucléaire en phase gazeuse ont débuté en URSS en 1957 à l'Institut de recherche sur les procédés thermiques (Centre national de recherche du nom de M. V. Keldysh), et la décision de développer des centrales nucléaires spatiales basées sur des réacteurs nucléaires en phase gazeuse. a été réalisé en 1963 par l'académicien V. P. Glushko (NPO Energomash), puis approuvé par une résolution du Comité central du PCUS et du Conseil des ministres de l'URSS.
Le développement de moteurs de propulsion nucléaire en phase gazeuse a été réalisé en Union soviétique pendant deux décennies, mais n'a malheureusement jamais été achevé en raison d'un financement insuffisant et de la nécessité de recherches fondamentales supplémentaires dans le domaine de la thermodynamique du combustible nucléaire et du plasma d'hydrogène. physique des neutrons et magnétohydrodynamique.
Les scientifiques nucléaires et les ingénieurs concepteurs soviétiques ont été confrontés à un certain nombre de problèmes, tels que parvenir à la criticité et assurer la stabilité du fonctionnement d'un réacteur nucléaire en phase gazeuse, réduire la perte d'uranium fondu lors de la libération d'hydrogène chauffé à plusieurs milliers de degrés, protection thermique de la tuyère et du générateur de champ magnétique, et l'accumulation de produits de fission de l'uranium, sélection de matériaux de construction chimiquement résistants, etc.
Et lorsque le lanceur Energia a commencé à être créé pour le programme soviétique Mars-94 pour le premier vol habité vers Mars, le projet de moteur nucléaire a été reporté sine die. L’Union soviétique n’a pas eu suffisamment de temps, et surtout, de volonté politique et d’efficacité économique, pour faire atterrir ses cosmonautes sur la planète Mars en 1994. Ce serait une réalisation indéniable et une preuve de notre leadership en haute technologie au cours des prochaines décennies. Mais l’espace, comme bien d’autres choses, a été trahi par les derniers dirigeants de l’URSS. L’histoire ne peut pas être modifiée, les scientifiques et ingénieurs disparus ne peuvent pas être ramenés et les connaissances perdues ne peuvent pas être restaurées. Beaucoup de choses devront être créées à nouveau.
Mais l’énergie nucléaire spatiale ne se limite pas au seul domaine des moteurs de propulsion nucléaire en phase solide et gazeuse. L’énergie électrique peut être utilisée pour créer un flux de matière chauffée dans un moteur à réaction. Cette idée a été exprimée pour la première fois par Konstantin Eduardovich Tsiolkovsky en 1903 dans son ouvrage « Exploration des espaces du monde à l'aide d'instruments à réaction ».
Et le premier moteur de fusée électrothermique d'URSS a été créé dans les années 1930 par Valentin Petrovich Glushko, futur académicien de l'Académie des sciences de l'URSS et directeur de NPO Energia.
Les principes de fonctionnement des moteurs-fusées électriques peuvent être différents. Ils sont généralement divisés en quatre types :
- électrothermique (chauffage ou arc électrique). Dans ceux-ci, le gaz est chauffé à des températures de 1 000 à 5 000 K et éjecté de la tuyère de la même manière que dans un moteur de fusée nucléaire.
- moteurs électrostatiques (colloïdaux et ioniques), dans lesquels la substance active est d'abord ionisée, puis les ions positifs (atomes dépourvus d'électrons) sont accélérés dans un champ électrostatique et sont également éjectés à travers le canal de la buse, créant une poussée du jet. Les moteurs électrostatiques comprennent également les moteurs à plasma stationnaires.
- magnétoplasma et moteurs de fusée magnétodynamiques. Là, le plasma gazeux est accéléré en raison de la force Ampère dans les champs magnétiques et électriques se croisant perpendiculairement.
- les moteurs-fusées à impulsions, qui utilisent l'énergie des gaz résultant de l'évaporation d'un fluide de travail dans une décharge électrique.
L'avantage de ces moteurs de fusée électriques est la faible consommation de fluide de travail, l'efficacité jusqu'à 60 % et la vitesse élevée du flux de particules, ce qui peut réduire considérablement la masse de l'engin spatial, mais il existe également un inconvénient - une faible densité de poussée, et donc faible puissance, ainsi que le coût élevé du fluide de travail (gaz inertes ou vapeurs de métaux alcalins) pour créer le plasma.
Tous les types de moteurs électriques répertoriés ont été mis en œuvre dans la pratique et ont été utilisés à plusieurs reprises dans l'espace sur des engins spatiaux soviétiques et américains depuis le milieu des années 60, mais en raison de leur faible puissance, ils ont été principalement utilisés comme moteurs de correction d'orbite.
De 1968 à 1988, l’URSS a lancé toute une série de satellites Cosmos équipés d’installations nucléaires. Les types de réacteurs ont été nommés : « Buk », « Topaz » et « Yenisei ».
Le réacteur du projet Yenisei avait une puissance thermique allant jusqu'à 135 kW et une puissance électrique d'environ 5 kW. Le liquide de refroidissement était un mélange sodium-potassium. Ce projet a été clôturé en 1996.
Un véritable moteur-fusée à propulsion nécessite une source d’énergie très puissante. Et la meilleure source d’énergie pour de tels moteurs spatiaux est un réacteur nucléaire.
L'énergie nucléaire est l'une des industries de haute technologie dans laquelle notre pays occupe une position de leader. Et un moteur de fusée fondamentalement nouveau est déjà en cours de création en Russie et ce projet est sur le point d'être achevé avec succès en 2018. Des tests en vol sont prévus pour 2020.
Et si la propulsion nucléaire en phase gazeuse est un sujet pour les décennies à venir sur lequel il faudra revenir après la recherche fondamentale, alors son alternative actuelle est un système de propulsion nucléaire de classe mégawatt (NPPU), et il a déjà été créé par Rosatom et Entreprises Roscosmos depuis 2009.
NPO Krasnaya Zvezda, qui est actuellement le seul développeur et fabricant de centrales nucléaires spatiales au monde, ainsi que le Centre de recherche nommé d'après A. M. V. Keldysh, NIKIET im. N.A. Dollezhala, Institut de recherche NPO « Luch », « Institut Kurchatov », IRM, IPPE, RIAR et NPO Mashinostroeniya.
Le système de propulsion nucléaire comprend un réacteur nucléaire à neutrons rapides refroidi au gaz à haute température avec un système de turbomachine pour convertir l'énergie thermique en énergie électrique, un système d'émetteurs réfrigérateur pour évacuer l'excès de chaleur dans l'espace, un compartiment d'instrumentation, un bloc de maintien. des moteurs électriques plasma ou ioniques, et un conteneur pour accueillir la charge utile.
Dans un système de propulsion électrique, un réacteur nucléaire sert de source d'électricité pour le fonctionnement des moteurs électriques à plasma, tandis que le gaz de refroidissement du réacteur traversant le cœur pénètre dans la turbine du générateur électrique et du compresseur et retourne au réacteur dans une boucle fermée, et n'est pas projeté dans l'espace comme dans un moteur de propulsion nucléaire, ce qui rend la conception plus fiable et plus sûre, et donc adaptée aux vols spatiaux habités.
Il est prévu que la centrale nucléaire soit utilisée pour un remorqueur spatial réutilisable afin d'assurer la livraison de marchandises lors de l'exploration de la Lune ou de la création de complexes orbitaux polyvalents. L'avantage sera non seulement l'utilisation réutilisable d'éléments du système de transport (ce qu'Elon Musk tente de réaliser dans ses projets spatiaux SpaceX), mais aussi la capacité de livrer trois fois plus de marchandises que sur des fusées équipées de moteurs à réaction chimiques de puissance comparable. en réduisant la masse de lancement du système de transport. La conception particulière de l’installation la rend sûre pour les personnes et l’environnement sur Terre.
En 2014, le premier élément combustible de conception standard (élément combustible) pour ce système de propulsion nucléaire électrique a été assemblé chez JSC Mashinostroitelny Zavod à Elektrostal, et en 2016, des tests d'un simulateur de panier de cœur de réacteur ont été effectués.
Actuellement (en 2017), des travaux sont en cours sur la fabrication d'éléments structurels pour l'installation et les tests de composants et d'assemblages sur des maquettes, ainsi que sur les tests autonomes de systèmes de conversion d'énergie de turbomachines et de prototypes de groupes motopropulseurs. L'achèvement des travaux est prévu pour la fin de 2018 prochain, cependant, depuis 2015, le retard dans le calendrier a commencé à s'accumuler.
Ainsi, dès que cette installation sera créée, la Russie deviendra le premier pays au monde à posséder des technologies spatiales nucléaires, qui constitueront la base non seulement des futurs projets d'exploration du système solaire, mais également de l'énergie terrestre et extraterrestre. . Les centrales nucléaires spatiales peuvent être utilisées pour créer des systèmes de transmission à distance d'électricité vers la Terre ou vers des modules spatiaux utilisant un rayonnement électromagnétique. Et cela deviendra également une technologie avancée du futur, dans laquelle notre pays occupera une position de leader.
Sur la base des moteurs électriques à plasma en cours de développement, de puissants systèmes de propulsion seront créés pour les vols humains longue distance dans l'espace et, en premier lieu, pour l'exploration de Mars, dont l'orbite peut être atteinte en seulement 1,5 mois, et non en plus d'un an, comme lors de l'utilisation de moteurs à réaction chimiques conventionnels.
Et l’avenir commence toujours par une révolution énergétique. Et rien d'autre. L’énergie est primordiale et c’est la quantité d’énergie consommée qui affecte le progrès technique, la capacité de défense et la qualité de vie des personnes.
Moteur de fusée à plasma expérimental de la NASA
L'astrophysicien soviétique Nikolai Kardashev a proposé une échelle de développement des civilisations en 1964. Selon cette échelle, le niveau de développement technologique des civilisations dépend de la quantité d'énergie que la population de la planète utilise pour ses besoins. Ainsi, la civilisation de type I utilise toutes les ressources disponibles sur la planète ; Civilisation de type II - reçoit l'énergie de son étoile dans le système dans laquelle elle se trouve ; et une civilisation de type III utilise l'énergie disponible de sa galaxie. L’humanité n’est pas encore parvenue à atteindre une civilisation de type I à cette échelle. Nous n’utilisons que 0,16 % de la réserve énergétique potentielle totale de la planète Terre. Cela signifie que la Russie et le monde entier ont une marge de croissance et que ces technologies nucléaires ouvriront à notre pays non seulement la voie à l'espace, mais aussi à la prospérité économique future.
Et, peut-être, la seule option pour la Russie dans le domaine scientifique et technique est de réaliser maintenant une percée révolutionnaire dans les technologies nucléaires spatiales afin de surmonter d'un seul coup le retard de plusieurs années sur les dirigeants et d'être à l'origine de une nouvelle révolution technologique dans le prochain cycle de développement de la civilisation humaine. Une telle chance unique n’arrive à un pays donné qu’une fois tous les quelques siècles.
Malheureusement, la Russie, qui n'a pas prêté suffisamment d'attention aux sciences fondamentales et à la qualité de l'enseignement supérieur et secondaire au cours des 25 dernières années, risque de perdre à jamais cette chance si le programme est réduit et si une nouvelle génération de chercheurs ne remplace pas les scientifiques et les chercheurs actuels. ingénieurs. Les défis géopolitiques et technologiques auxquels la Russie sera confrontée dans 10 à 12 ans seront très graves, comparables aux menaces du milieu du XXe siècle. Afin de préserver la souveraineté et l’intégrité de la Russie à l’avenir, il est urgent de commencer à former des spécialistes capables de répondre à ces défis et de créer quelque chose de fondamentalement nouveau.
Il ne reste qu’une dizaine d’années pour transformer la Russie en un centre intellectuel et technologique mondial, et cela ne peut se faire sans un changement sérieux dans la qualité de l’éducation. Pour une percée scientifique et technologique, il est nécessaire de redonner au système éducatif (aussi bien scolaire qu'universitaire) des visions systématiques sur l'image du monde, la fondamentalité scientifique et l'intégrité idéologique.
Quant à la stagnation actuelle de l’industrie spatiale, elle n’a rien de effrayant. Les principes physiques sur lesquels reposent les technologies spatiales modernes seront demandés pendant longtemps dans le secteur des services par satellite conventionnels. Rappelons que l'humanité a utilisé la voile pendant 5,5 mille ans et que l'ère de la vapeur a duré près de 200 ans, et ce n'est qu'au XXe siècle que le monde a commencé à changer rapidement, car une autre révolution scientifique et technologique a eu lieu, qui a lancé une vague d'innovation. et un changement dans les structures technologiques, qui a finalement modifié à la fois l’économie et la politique mondiales. L’essentiel est d’être à l’origine de ces changements.