XII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

ЯДЕРНЫЙ РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Малыхин Г.А. 1

---

1ФГКОУ «Московское суворовское военное училище Министерства обороны РФ»

Гурьянов А.Н. 1

---

1ФГКОУ «Московское суворовское военное училище Министерства обороны РФ»

Работа в формате PDF

5.7 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение.

В перспективе истории человечество только начинает делать первые шаги в космос. Достаточно скромные и неуверенные. Но уже к концу нынешнего столетия этот подход может кардинально поменяться.

Первое, что потребуется для развития космической отрасли — это размещение орбитальных производственных станций. Ракетостроение обеспечивает нас надежным способом доставки людей и грузов на орбиту. После разбивки небольшого аванпоста следующий шаг потребует индустриализации.

Подобно технологической революции на Земле, в космосе нам необходимо пройти весь производственный цикл. К счастью, для этого потребуется лишь адаптировать инструменты и системы для работы в необычных условиях, то есть данный отрезок пути начинается с запуска орбитальной фабрики. Где дроны под управлением искусственного интеллекта станут собирать космические грузовики, горнодобывающие и перерабатывающие машины, космические корабли дальней разведки и т.д. И это исследование представляет собой попытку выявить возможное направление реализации описанного сценария.

Цель нашего исследования: разработка концепции применения ядерного ракетного двигателя.

Задачи данного исследования:

- ознакомиться с принципом полета ракет;

- ознакомиться с классификацией ракетных двигателей;

- разобрать достоинства и недостатки разных типов ядерных ракетных двигателей;

- проработать концепцию использования пустотного ядерного ракетного двигателя.

В процессе работы, мы выяснили, что на сегодняшний день из разработанных и испытанных ракетных двигателей наиболее перспективными являются ядерные ракетные двигатели. Но в силу их низкой экологичности необходимо пересмотреть направления и способы их применения.

1 Космический ядерный ракетный двигатель.

1.1. Сравнительный анализ ракетных двигателей.

С целью обоснования нашего интереса к ядерным ракетным двигателям, мы проанализируем эффективность их использования. Удельный импульс ракетного двигателя - один из основных показателей его эффективности, это отношение создаваемого им импульса к расходу затраченного топлива. Увеличивая удельный импульс, мы увеличиваем массу полезной нагрузки при том же количестве топлива. При недостаточном удельном импульсе ракета будет неэффективна.

Из формулы Циолковского (Циолковский Константин Эдуардович) скорость Vкосмического аппарата (КА) зависит от удельного импульса –I.

{\displaystyle V=I\cdot \ln \left({\frac {M_{1}}{M_{2}}}\right),}

На сегодняшний день РД получили следующую классификацию:

- ядерные импульсные;

- фотонные;

- тепловые;

- электрические.

Большинство из этих двигателей из-за отсутствия технических и технологических возможностей остались в теоритических разработках. Реализацию в действующих образцах, опытных или практических, получили химические, ядерные и электрические ракетные двигатели (приложение 1).

Оценим их эффективность по предложенному выше параметру, а именно удельному импульсу (приложение 2). Итак, мы видим, что ХРД обладают удельным импульсом примерно от 2000 до 5000 м/c, ЯРД обладают удельным импульсом в пределах от 8000 до 100000 м/с. Значение удельного импульса ЭРД лежит в диапазоне от 16000 до 50000 м/с. Учитывая что ХРД имеют низкий удельный импульс, ЭРД имеют несмотря на высокий удельный импульс малую тягу, а из ЯРД относительно безопасным и наиболее простым в производстве является ТфЯРД, то свой выбор мы остановили именно на этой конструкции ЯРД.

На современном этапе развития космонавтики благодаря усилиям учёных и конструкторов различных стран, в том числе СССР (а ныне России) существует сложившаяся конструкционная схема Тф прямоточного ЯРД, который укрупнённо состоит из резервуара с топливом, сопла (как любой РД) и собственно прямоточного ядерного реактора (приложение 3).

Далее мы рассмотрим есть-ли в теории возможность создать твердофазный ядерный ракетный двигатель с высоким удельным импульсом

1.2. Выбор материалов и компонентов для космического ядерного ракетного двигателя

Прежде чем начать подбор потенциально необходимых для изготовления материалов и компонентов, мы рассмотрим, что влияет на удельный импульс и как его увеличить?

Анализируя представленную формулу нахождения удельного импульса, мы можем сделать следующие выводы о зависимости удельного импульса от:

- температуры газа на выходе из активной зоны ядерного реактора. Чем горячее - тем лучше.

- молекулярной массы газа (рабочего тела) в активной зоне. Чем меньше - тем лучше.

- давления газа в активной зоне ядерного реактора. Чем выше - тем лучше.

- давления газа на выходе из сопла. Чем ниже - тем лучше. Зависит от окружающей среды. В атмосфере удельный импульс всегда меньше, чем в вакууме.

Температуру газа на выходе из активной зоны ядерного реактора можно увеличить подбором топливной композиции с наивысшей температурой плавления. Проведя анализ известных топливных композиций для ядерных реакторов (приложение 4), мы остановили свой выбор на диоксиде урана (UO₂) – температура плавления данной топливной композиции составляет 2875^оС. Для обеспечения работы выбранной нами топливной композиции необходимо подобрать соответствующий материал (приложение 5). Этими материалами будут карбид тантала гафния Ta₄HfC₅ и карбид циркония ZrC. Температура плавления этих материалов составляет 3990 ^оС и 3530 ^оС соответственно. Рабочее тело для нашего ядерного ракетного двигателя мы будем подбирать из следующих соображений:

- наименее агрессивное (облегчение хранения и транспортировки);

- обладающее наибольшей теплоемкостью (как следствие большей внутренней энергией и возможностью совершения большей работы);

- имеющее наименьшую температуру кристаллизации.

Космический вакуум – это пустое пространство, но все-таки кое-какие частицы там все же имеются в наличии (к примеру, фотоны, несущие свет). Безусловно, плотность микрочастиц в вакууме неизмеримо ниже, чем на Земле, но движение все-таки есть. Кроме того, что космические тела испускают фотоны, несущие тепло, в космосе присутствует реликтовое излучение (образованное на ранних этапах существования Вселенной). На то, какая температура в открытом космосе, влияют планеты и их спутники, метеориты и кометы, астероиды и туманности, космическая пыль и мусор. Вследствие чего, температура в космосе по факту не равна абсолютному нулю – предельно низкой температуре (–273º по Цельсию, 0º по Кельвину), а в среднем на 2,7º выше, т.е. по Цельсию – минус 270,425º, по Кельвину – плюс 2,725º.

Принимая во внимания изложенные нами условия в качестве рабочего тела мы выберем – водород Н_2.

Итак, для изготовления ЯРД мы будем использовать такие материалы как соединения циркония, в качестве топлива возьмём диоксид урана, в качестве рабочего тела - водород, для изготовления конструктивных элементов ЯРД - карбид тантала гафния и карбид циркония. Реактор конструктивно будет выполнен твердофазным и прямоточным.

Всё время в течении которого человечество осуществляет запуск космических ракет основной проблемой является то, что основная масса ракетного топлива тратится на преодоление притяжения Земли, и использование ЯРД могло бы частично решить эту проблему, но в решение этого вопроса вмешивается ЭБ ЯЭУ, которая закреплена в ныне действующем документе «Принципы, касающиеся использования ядерных источников энергии в космическом пространстве», принятого ГА ООН в 1992 году. А, следовательно, пилотируемые межпланетные полёты с наземным стартом невозможны.

Решение проблемы мы видим в модульно-блочной компоновке КА со сборкой на околоземной орбите.

2. Модульно-блочная компоновка космического корабля.

Идея модульно-блочной компоновки космического корабля состоит в том, чтобы готовые отдельные модули и блоки доставлялись на околоземную орбиту, где в дальнейшем и собирались. При этом каждый отдельный космический корабль собирался из блоков и модулей, необходимых для решения конкретных задач.

Мы считаем, что в общем виде для комплектования космического корабля возможно использование следующих блоков и модулей (приложение 7):

- жилой (командный) модуль;

- энергетический модуль;

- блок маневровых двигателей;

- грузовой модуль;

- двигательный модуль;

- топливный модуль.

2.1. Назначение модулей и блоков космического корабля.

Жилой (командный) модуль предназначен для управления кораблем, автономного проживания членов экипажа, проведения технического обслуживания корабля и т.д. При увеличении численности экипажа космического корабля возможно разделение данного блока на два раздельных – командный и жилой. В дальнейшем возможно добавление обслуживающего модуля, с целью более четкого разграничения назначения модулей.

Энергетический модуль предназначен для обеспечения потребителей электроэнергией. Энергетический модуль оснащается аккумуляторными батареями, моноблочными ядерными энергетическими установками и как вариант аварийного энергообеспечения – солнечными батареями. Ядерные энергетические установки в энергетическом модуле устанавливаются как заменяемые блоки.

Блок маневровых двигателей предназначен для корректирования траектории полёта (маневрирования) КА. В качестве маневровых двигателей предлагается применить или жидкостные химические ракетные двигатели, или электрические ракетные двигатели.

Грузовой модуль предназначен для перевозки и хранения груза. Грузовой модуль выполнен в виде контейнера с открывающимися створками. При необходимости вместо грузового модуля возможна установка любого другого модуля в зависимости от текущих задач, возлагаемых на экспедицию.

Топливный модуль – предназначен для хранения запаса рабочего тела для ядерного ракетного двигателя космического корабля. Топливный модуль состоит из основного и дополнительных топливных баков. Количество дополнительных топливных баков формируется в зависимости от необходимого времени работы основного ракетного двигателя. Также топливный модуль оснащается блоком подогрева рабочего тела, который осуществляет первоначальный разогрев поступающего в двигатель рабочего тела до газообразного состояния. В дальнейшем эта процедура проводиться за счет тепловой энергии основного двигателя.

Двигательный модуль – предназначен для осуществления движения космического корабля по заданной траектории. Двигательный модуль состоит из основного и вспомогательных маршевых двигателей, в качестве которых как уже говорилось ранее выступают ядерные прямоточные твердофазные ракетные двигатели. Вспомогательные маршевые двигатели могут при необходимости выступать как дополнительные маневровые двигатели. Количество вспомогательных маршевых двигателей зависит от возложенных на космический корабль задач.

При проектировании и создании модулей и блоков космического корабля необходимо учитывать возможности существующих на сегодняшний день ракет-носителей. Данный вопрос мы рассматривали по представленным на сайте Госкорпорации «Роскосмос» материалам.

2.2. Средства доставки модулей на орбиту земли

Ангара. Новейший российский космический ракетный комплекс «Ангара» включает в свой состав семейство экологически чистых ракет-носителей различных классов, позволяющих выводить до 37,5 тонн полезного груза (модификация «Ангара-А5В») на низкую околоземную орбиту.

 Стартовые комплексы

* - НОО – низкая опорная орбита; ГПО – геопереходная орбита; ГСО – геостационарная орбита; ССО – солнечно-синхронная орбита

Лётные испытания КРК «Ангара»

«Орел»/«Федерация».

Корабль «Орёл» ранее был известен под именем «Федерация». Одной из главных целей программы является доставка российских космонавтов к Луне. Аппарат проектируется с применением самых современных технологий и передовых материалов. Сообщается, что многие приборы и блоки корабля «Орёл» уже находятся на испытаниях. Для «Орла» выбрана концепция монообъёма: экипаж на протяжении всего автономного полёта будет находиться внутри одного жилого отсека. Причём особо подчёркивается, что по сравнению с нынешними «Союзами» полезный объём на каждого из четырёх членов экипажа корабля увеличился в два раза.

Первый испытательный запуск нового аппарата запланирован на 2023 год. В 2025-м «Орёл», как ожидается, отправится в космос в пилотируемом режиме с космонавтами на борту.

3. Орбитальная сборочная платформа.

Согласно нашего постулата, орбитальная сборочная платформа предназначается для комплектования доставленных на околоземную орбиту модулей и блоков космического корабля в собственно корабль, в соответствии с заданными параметрами, а также для хранения запаса комплектующих. Мы предполагаем, что данная платформа должна состоять из жилого модуля, агрегатного модуля, энергетических блоков и собственно платформы для размещения и монтажа компонентов будущего космического корабля (приложение 8). Жилой модуль орбитальной платформы предназначен для размещения дежурной смены инженеров сборщиков. Агрегатный модуль включает в себя системы и механизмы жизнеобеспечения, а так же аппаратуру управления маневровыми двигателями платформы, для осуществления коррекции орбиты. Энергетические модули, которыми оснащается орбитальн6ая платформа аналогичны корабельным. Учитывая, что по своей сути орбитальная сборочная платформа является универсальной, то в зависимости от необходимости на ней возможно размещение блоков соответствующего назначения.

Заключение.

В данной работе мы постарались исследовать возможности и перспективы применения ядерных ракетных двигателей в ракетостроении. В результате проведенных исследований мы выяснили, что в условиях атмосферного старта использование ракетных двигателей подобного типа абсолютно недопустимо и запрещено на уровне международного законодательства. Однако, по своим характеристикам ядерный ракетный двигатель выглядит весьма перспективным. Следовательно, использование данного двигателя в космическом пространстве не будет ничем ограничено. Ввиду этого мы предложили перейти на модульно-блочный вариант строительства (сборки) космических аппаратов на околоземной орбите. Данное предложение, по нашему видению, имеет очень хорошие, но из-за ограниченности возможностей доставки грузов на околоземную орбиту, весьма отдаленные перспективы. Отсюда напрашивается вывод, что использование ядерного ракетного двигателя – это перспектива будущего.

Список использованной литературы.

Журнал «Атомная стратегия» № 30, июнь 2007 г.

Окунев, Вячеслав Основы прикладной ядерной физики и введение в физику ядерных реакторов / Вячеслав Окунев. - Москва: Высшая школа, 2018.

 Емельянов, В. М. Введение в релятивистскую ядерную физику / В.М. Емельянов, С.Л. Тимошенко, М.Н. Стриханов. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2017

Цандер, Ф. А. Проблемы межпланетных полетов / Ф. А. Цандер; [АН СССР, Комис. по разраб. науч. наследия Ф. А. Цандера, Ин-т истории естествознания]. – М. : Наука, 1988.

Бобков В.Н., Васильев В.В., Демченко Э.К. и др. Космические аппараты / Под общ. ред. К. П. Феоктистова. М.: Воениздат, 1983.

Бережной, А.А. Солнечная система / А.А. Бережной. - М.: ФМЛ, 2017.

https://www.roscosmos.ru/1396/;

http://www.iki.rssi.ru/hend/DICTIONARY.htm;

http://spaceracexx.narod.ru/index2c.html;

https://3dnews.ru/1023194/roskosmos-rasskazal-o-hode-rabot-nad-pilotiruemim-korablyom-oryol;

https://www.roscosmos.ru/112/;

Приложения.

Приложение 1

Классификации ракетных двигателей

Приложение 2

Сравнение ракетных двигателей

Приложение 3

Устройство твердо-фазного ядерного ракетного двигателя

Приложение 4

Характеристики ядерного топлива

Приложение 5

Характеристики тугоплавких материалов

№ п/п	Название материала	Обозначение	Температура плавления,oC
1	Карбид тантала гафния	Ta4HfC5	3990
2	Карбид циркония	ZrC	3530
3	Вольфрам	W	3422
4	Рений	Re	3186
5	Тантал	Ta	3017
6	Оксид магния	MgO	2850
7	Карбид вольфрама	WC	2780
8	Молибден	Mo	2623
9	Оксид бериллия	BeO	2580
10	Нитрид циркония	ZrN	2280
11	Оксид алюминия	Al2O3	2050

Приложение 6

Характеристики рабочего тела для ЯРД

№ п/п	Вещество	Агрегатное состояние	Удельная теплоемкость, кДж/(кг·K)	Темп. криста-лизации, К
1	Водород	газ	14,304	14,01
2	Аммиак	газ	4,359—5,475	195,4
3	Гелий	газ	5,193	0.95
4	Азот	газ	1,040	63,29
5	Кислород (O2)	газ	0,918	54,8
6	Воздух (100 % влажность)	газ	1,030
7	Воздух (сухой, 300 К, 27 °C)	газ	1,007

Приложение 7

Модули и блоки космического аппарата

Жилой (командный) модуль

Энергетический модуль

Блок маневровых двигателей

Грузовой модуль

Топливный модуль

Главный топливный блок

Вспомогательный топливный блок

Двигательный модуль

Главный маршевый ядерный двигатель

Вспомогательный маршевый ядерный двигатель

Компоновка корабля

Приложение 8

Орбитальная сборочная платформа

Словарь.

Вакуум (от лат. vacuum - пустота)

В классической физике критерием существования в каком-либо объеме вакуума принимается следующее условие: длина свободного пробега молекулы, т.е. без столкновений с другими молекулами, должна быть больше, чем линейные размеры рассматриваемого объема. Однако понятие вакуум имеет три значения - различных для техники, космических исследований и физики.

В технике вакуумом называется состояние газа при его давлении ниже стандартного атмосферного давления, равного 101 325 Паскалей. Приняты следующие степени - градации технического вакуума:

На высоте 50 тысяч километров над поверхностью Земли давление составляет около 1*10 ^-19 паскалей, т.е. концентрация молекул равна примерно четырем штукам в 1 см³. Такая концентрация уже близка к состоянию космического вакуума. В околоземном межпланетном пространстве концентрация атомов порядка нескольких штук в 1 см³. В основном они являются компонентами солнечного ветра и поэтому ионизированы. В межзвездном пространстве, вне газовых облаков, концентрация атомов раз в десять меньше. Внутри газовых облаков она примерно такая же, как в межпланетном пространстве. Таким образом, да еще с учетом существования космической пыли, космический вакуум - это отнюдь не пустота.

Искусственные спутники Земли

Космические аппараты, запущенные на орбиту вокруг Земли, называются искусственными спутниками Земли - ИСЗ. В зависимости от установленной на спутниках аппаратуры они решают разнообразные задачи: позволяют производить научные измерения, обеспечивают ретрансляцию информации и навигацию земных транспортных средств, производят мониторинг Земли для различных нужд и т.д.

Космическая платформа

Космической платформой называется часть космического аппарата, на которую возложена функция обеспечения необходимых условий работы в космическом пространстве полезной нагрузки - целевой аппаратуры: для научных исследований, дистанционного зондирования Земли, обеспечения радиосвязи и т.п.

Модульная технология создания космической платформы позволяет с небольшими затратами и в короткие сроки адаптировать возможности платформы к применению в составе космических аппаратов разного типа с разной целевой аппаратурой. 
   

Космические аппараты

Любые технические устройства, предназначенные для функционирования в космическом пространстве, называются космическими аппаратами. Они разделяются на два больших класса: пилотируемые, которые называются космическими кораблями и станциями, и непилотируемые - автоматические космические аппараты. 

Космическое право

  Космическое право (международное космическое право) – это «совокупность специальных норм современного общего международного права, регулирующих отношения государств между собой, с международными межправительственными организациями, взаимоотношения таких организаций в связи с осуществлением всеми ими космической деятельности, а также устанавливающих международно-правовой режим такой деятельности в пределах космического пространства, Луны и других небесных тел».

Ракета-носитель

Ракетой-носителем называется многоступенчатая ракета, предназначенная для выведения в космическое пространство полезных нагрузок: космических аппаратов, технических устройств, предметов, веществ, материалов. Обычно она имеет от двух до пяти ступеней. 

Солнечная система

  В нее входят не только Солнце и девять больших планет, но и малые планеты, кометы, метеороиды. Все они движутся вокруг Солнца по орбитам, плоскости которых очень мало наклонены к плоскости земной орбиты, называемой плоскостью эклиптики. В плоскости эклиптики сосредоточены основные массы пыли, газа и плазмы солнечного ветра, пронизанные магнитными полями (см. Поле физическое, электромагнитное). На долю Солнца приходится 99,866% всей массы Солнечной системы, на долю девяти больших планет - 0,1337%. Остальная масса - 0,0003% - приходится на кометы и метеороиды, спутники больших планет, астероиды, пыль и газ с плазмой. Выше объекты перечислены в порядке убывания доли в общей массе. При этом диаметр Солнца - 1,5 млн. км - составляет 0,0001 долю от диаметра внутренней части Солнечной системы, ограниченной орбитой самой дальней ее планеты - Плутона. Полный же диаметр Солнечной системы в плоскости эклиптики, ограниченный облаком Оорта, состоящим из кометных ядер, в 1-4 тысячи раз больше диаметра орбиты Плутона. 

В перпендикулярном к эклиптике направлении границей Солнечной системы является гелиопауза. Здесь происходит уравнивание влияний солнечного ветра и межзвездного газа, обтекающего движущуюся вокруг центра Галактики Солнечную систему. В этом направлении расстояние до ее границы всего в 2,5-5 раз больше, чем диаметр орбиты Плутона. 

Солнечная система, даже внутренняя ее часть, имеет плотность 1*10 ^-12 г/см³, что составляет одну триллионную от плотности воды, и ее с полным основанием можно считать “видимой пустотой”. Однако следует отметить, что плотность Вселенной составляет 3*10 ^-31 г/см³ , т.е. в три миллиона триллионов раз меньше, правда, без учета некоторой неизвестной, возможно, значительной, добавки скрытой массы. См. Вселенной, критическая плотность.

Энергия (от греч. energia - действие, деятельность)

Энергией называется одна из двух форм существования материи.

Энергия эквивалентна величине запаса работы, как физического понятия, содержащейся в той или иной материальной системе.

Энергия может проявляться во многих видах. Среди них: механическая, электромагнитная, гравитационная, ядерная, тепловая и т.д. Одни виды энергии могут превращаться в другие, но при этом общее ее количество не изменяется - соблюдается закон сохранения энергии. Этот закон выполняется во всех процессах, протекающих во Вселенной, и позволяет рассматривать их в едином комплексе.

При любых преобразованиях энергии некоторая ее часть расходуется на нагревание вещества, т.е. тепловая - внутренняя - энергия системы, т.е. вещества тел, участвующих во взаимодействии, увеличивается. Энергия любого вида может переходить в тепловую - внутреннюю -энергию без остатка, но внутренняя энергия не может переходить в энергию других своих видов целиком. Она путем теплообмена расходуется на нагревание всего окружающего, в том числе, находящегося вне системы вещества, т.к. в реальных условиях ни одна система, в которой производится работа, не может оказаться полностью изолирована от окружающей среды. Любые преобразования энергии из одного вида в другой обязательно увеличивают долю тепловой энергии.

Согласно знаменитому соотношению Эйнштейна, вещество является огромным резервуаром энергии. Однако возможность его естественной или искусственной активизации в сколько-нибудь заметных масштабах отсутствует. Такое событие могло бы быть реализовано только в процессе аннигиляции, но этому препятствует дефицит антивещества, вызванный барионной асимметрией, возникшей на ранней стадии Большого взрыва.

Формула Циолковского 

определяет скорость, которую развивает летательный аппарат под воздействием тяги ракетного двигателя, неизменной по направлению, при отсутствии всех других сил. Эта скорость называется характеристической скоростью:

{\displaystyle V=I\cdot \ln \left({\frac {M_{1}}{M_{2}}}\right),}

где V{\displaystyle V} — конечная скорость летательного аппарата, которая для случая маневра в космосе при орбитальных манёврах и межпланетных перелетах часто обозначается ΔV, также именуется характеристической скоростью;

I{\displaystyle I} — удельный импульс ракетного двигателя (отношение тяги двигателя к секундному расходу массы топлива);

M1{\displaystyle M_{1}}— начальная масса летательного аппарата (полезная нагрузка + конструкция аппарата + топливо);

{\displaystyle M_{2}} M2— конечная масса летательного аппарата (полезная нагрузка + конструкция аппарата).