Космические двигатели будущего
Шрифт:
Даже смесь из 10 %-ного атомарного водорода и 90 %-ного молекулярного водорода позволит получить скорость истечения около 5 км/с при температуре всего 1200 К. За более чем 20 лет работы над этой проблемой удалось добиться концентрации свободных радикалов, не превышающей десятые доли процента. Тем не менее те преимущества, которые может дать применение свободных радикалов, стимулируют дальнейшие исследования.
Ядерные тепловые двигатели. Наиболее перспективным направлением улучшения характеристик тепловых ракетных двигателей представляется использование энергии ядерных реакций. Как уже указывалось, ядерные реакции целесообразно применять лишь в схемах с разделенными источниками энергии и отбрасываемой массой. Ядерное горючее здесь выступает в качестве источника тепла, которое передается рабочему телу.
В простейшем ядерном ракетном двигателе, как и в реакторах атомных электростанций, активная зона состоит из тепловыделяющих элементов, которые представляют собой соединения урана или плутония, заключенные в оболочку. В результате ядерного распада горючего они нагреваются. Жидкое рабочее тело с помощью насосов подается в активную зону, где оно, отбирая тепло от активной зоны, испаряется, температура его повышается, а в реактивном сопле происходит увеличение его скорости.
Наивысшая температура рабочего тела ограничена температурой плавления тепловыделяющих элементов, а с учетом необходимого температурного перепада (для теплопередачи) и химической стойкости материалов не может превышать 2000 К. Так как в химических двигателях температура рабочего тела составляет 3000–3500 К, то единственным способом увеличения скорости истечения в ядерных двигателях с твердой активной зоной по сравнению с химическими является снижение молекулярного веса рабочего тела. Минимальным молекулярным весом обладает водород (2 г/моль), для него возможно получение скорости истечения 8–9,5 км/с. Это верхний предел для ядерных тепловых ракетных двигателей с твердой активной зоной. Близкие к этим значениям характеристики были получены в США на экспериментальном ядерном двигателе «Нерва».
Для дальнейшего повышения температуры рабочего тела в ядерных двигателях необходим переход к реакторам, в которых делящееся вещество находится в газообразной фазе. Однако при разработке этих газофазных ядерных реакторов возникает ряд проблем. Для самоподдерживающейся ядерной реакции необходимо, чтобы в реакции участвовала масса ядерного горючего, не меньшая критической. Поскольку плотность ядерного горючего в газообразной фазе при высокой температуре мала, для достижения критической массы нужны высокие давления и большие объемы активной зоны. [4]
4
Возможны промежуточные решения, когда основная масса урана находится в твердом состоянии, а лишь небольшая его часть — в газообразной фазе. Но тогда трудно получить высокую температуру рабочего тела, так как большая часть энергии будет выделяться при относительно низкой температуре.
Вторая трудноразрешимая проблема разработки газофазных реакторов — это вынос непрореагировавшего ядерного горючего вместе с рабочим телом, что сильно снижает энергетические характеристики ракеты.
В зависимости от того, перемешивается ли рабочее тело с ядерным горючим или отделено от него, различают схемы соответственно гомогенных и гетерогенных двигателей. Принципиальным недостатком гомогенных схем, который ставит под сомнение их целесообразность, является большой вынос урана вместе с рабочим телом — около 100 кг на 1 т рабочего тела.
В гетерогенных схемах можно существенно снизить вынос ядерного горючего или даже свести его к нулю. В объеме реактора с помощью соленоидов создается сильное магнитное поле, нарастающее к краям. Конфигурация поля при этом образует так называемую магнитную «бутылку». Магнитная «бутылка» обладает тем свойством, что вещество в состоянии плазмы может удерживаться в ней достаточно долго без наличия каких-либо твердых стенок. В результате ядерных реакций уран переходит в состояние плазмы и магнитное поле удерживает его от смешения с рабочим телом (водородом). Последнее обтекает магнитную «бутылку» с ядерным горючим, отнимая от нее тепло. Для того чтобы не происходило перемешивания, должно соблюдаться условие ламинарного обтекания. В этом случае эффективный теплообмен между активной зоной и рабочим телом возможен лишь излучением. Так как водород прозрачен для излучения урановой плазмы, в него добавляют литий в количестве 1–2 %, который, ионизуясь, сильно поглощает излучение. В такой схеме ожидается получение скорости истечения 20–30 км/с при выносе урана менее 2 % относительно расхода рабочего тела.
Исследуются также схемы газофазных двигателей, в которых вообще отсутствует вынос делящегося вещества. Схема тепловыделяющего элемента такого двигателя приведена на рис. 4. Двигатель представляет собой капсулу с двойными стенками, выполненную из прозрачного тугоплавкого материала (например, лейкосапфира). Внутри капсулы помещают делящееся вещество, которое в рабочих условиях находится в газовой фазе. Между стенками для их охлаждения прокачивается водород. Поскольку и стенки и водород прозрачны для излучения, выделяющаяся ядерная энергия в виде излучения выходит наружу, где нагревает тот же водород, но уже с добавками лития. Из таких тепловыделяющих элементов набирают активную зону реактора.
Реализация этой схемы тормозится отсутствием подходящих материалов для прозрачных стенок, стойких в контакте с газообразным ураном в условиях высоких температур и больших радиационных потоков.
При удержании плазмы в магнитной «бутылке» возможна реализация термоядерного двигателя, использующего реакцию синтеза ядер. Однако более перспективными способами использования термоядерного синтеза считаются импульсные схемы, которые будут рассмотрены несколько позже.
Рис. 4. Ячейка активной зоны гетерогенного газового ЯРД: 1 — сапфировые стенки, 2 — урановая плазма, 3 — рабочее тело
Электрические реактивные двигатели. Электрический реактивный двигатель представляет собой устройство для преобразования электрической энергии, вырабатываемой на борту ракеты, в кинетическую энергию отбрасываемой массы. Самый простой способ преобразования осуществляется в так называемых электротермических двигателях, когда рабочее тело нагревается электрическим током и затем ускоряется в реактивном сопле, как в обычных тепловых двигателях.
Хотя при электрическом нагреве могут быть получены очень высокие температуры, более предпочтительными являются двигатели с электромагнитным ускорением рабочего тела. В таких двигателях в кинетическую энергию преобразуется энергия электромагнитного поля и, следовательно, в них кет термодинамических ограничений на величину скорости истечения и на КПД преобразования энергии.
По тем электромагнитным силам, которые используются для ускорения рабочего тела, различают ионные, плазменные и высокочастотные двигатели. В ионных двигателях ускорение происходит за счет взаимодействия электрического поля с ионами или заряженными макрочастицами рабочего тела. В плазменных двигателях используется взаимодействие тока с магнитным полем. И наконец, в высокочастотном двигателе ускорение осуществляется полем бегущей электромагнитной волны. В электрических двигателях относительно несложно получить сколь угодно большие скорости истечения, вплоть до скоростей, близких к скорости света (например, если использовать в качестве двигателя ускорители элементарных частиц).
Из-за отсутствия легких накопителей электрической энергии (аккумуляторов) использование принципа электромагнитного ускорения имеет смысл лишь в сочетании с преобразованием ядерной энергии в электрическую. В настоящее время не известны сколь-нибудь эффективные прямые способы такого преобразования, и поэтому использование автономных электрических двигателей всегда рассматривается в сочетании с бортовой атомной электростанцией, работающей по тепловому циклу.
Принципиальная схема космической энергоустановки включает в себя, как и любая наземная электростанция, источник тепла (в данном случае ядерный реактор), тепловую машину (преобразующую подведенное тепло в электроэнергию) и холодильник (устройство, отводящее отработанное тепло). Самым существенным отличием космических энергоустановок от их наземных аналогов является способ отвода тепла. В космическом пространстве сброс тепла возможен только излучением.