Ядерные Ракетные Двигатели, классические и перспективные концепции Опции

[Denis_Hliustin]

Каким должен быть ядерный ракетный двигатель ближайших десятилетий?
Можно ли стартовать на нём с Земли?
Возможен ли ЯРД внешнего горения, с газообразной активной зоной и скоростью истечения 100 км/сек при тяге достаточной для взлёта с Земли?



В РД-0410 применялся гетерогенный реактор на тепловых нейтронах, замедлителем служил гидрид циркония, отражатели нейтронов из бериллия, ядерное топливо — материал на основе карбидов урана и вольфрама, обогащение по изотопу U235 около 80 %. Получилось:

Тяга в пустоте — 3,59 тс (35,2 кН)
Тепловая мощность реактора — 196 МВт
Удельный импульс тяги в пустоте — 910 кгс·с/кг (8927 м/с)
Число включений — 10
Ресурс работы — 1 час
Компоненты топлива: рабочее тело — жидкий водород, вспомогательное вещество — гептан
Масса с радиационной защитой — 2 тонны
Габариты двигателя: высота 3.5 м, диаметр 1.6 м

Ресурс реактора соответствует расходованию 15 тонн водорода, тяга двигателя для взлёта с Земли с таким запасом - недостаточная. За время работы реактора образуются лишь 10 грамм осколков деления, пятитысячная часть от массы U235 в двигателе. Поэтому несмотря на конечную скорость ракеты, до 18 км/сек c таким двигателем, серийные ЯРД должны иметь более эффективное использование делящегося материала, обеспечивать выгорание уровня 10%.
Тонкие ТВЭЛы, нужные для высокой удельной мощности реактора, должны иметь высокую химическую стойкость в потоке горячего водорода.

Интересно отметить бытующее мнение о невозможности стартовать с Земли на ЯРД, основанное в частности на постулате о негерметичности ТВЭЛов ЯРД.
В первые минуты полёта осколки деления ещё не наработаны, поэтому старт из пустынной местности, с трассой разгона над океаном, потенциально возможный вариант. Это означает возможность выводить на орбиту одной тяжёлой ракетой не десятки-сотню, а тысячу тонн груза.

В связи с разработкой "марсианских" ЯРД представляет интерес обсудить идеи, которые могут быть положены в основу конструкции ЯРД.





Сообщение отредактировал Denis_Hliustin - 16.6.2013, 20:00

[armadillo]

http://kouzdra.livejournal.com/243000.html
взрыв NERVA

[Denis_Hliustin]

Рассматриваем классический ядерный ракетный двигатель для полёта к Марсу: нагревание водорода в реакторе с вольфрамовыми ТВЭЛами
Предположения:
* загрузка ЯРД 50 килограмм U235 с разумно развитой поверхностью теплосъёма;
* тепловая мощность реактора 1 ГВт;
* скорость истечения водорода 10 км/сек;
* ТВЭЛы работоспособны до выгорания 10%, т.е. сгорает порядка 5 кг урана-235;

параметры реалистичные, загрузка ВВЭР-1000 три тонны U235 на 3 ГВт(тепл) при диаметре ТВЭЛов 9,1 мм. Значит диаметры ТВЭЛов или шаров ЯРД при UO2 будет около 2 мм, при этом они ещё приемлемо долго испаряются в вакуум.

Примерные соотношения для Марсианского корабля при таких предположениях:

* тяга двигателя 10 тонн;
* расход водорода 10 кг/сек;
* стартовая масса корабля 5000 тонн, запас жидкого водорода 4550 тонн;
* масса возвращаемого модуля 450 тонн;
* суммарное время работы двигателя (разгон у Земли, торможение у Марса, разгон у Марса, торможение у Земли) 5 суток;
* характеристическая скорость ракеты 24 км/сек (по 6 км/сек в каждую сторону);
* время полёта в каждую сторону 4 месяца;
* при минимальном расстоянии 55.000.000 километров время полёта обеспечивает возможность успеть слетать туда-обратно когда Земля и Марс на одной стороне орбиты Солнца;
* начальное ускорение 0,002 g, в конце полёта 0,02g в 20 раз меньше чем необходимо для взлёта с Марса (0,4g), значит посадочный модуль должен быть на химическом ракетном топливе;
* время работы двигателя (в сумме разгона и торможения) в полёте от Земли к Марсу 4 суток из 120 суток полёта. Увеличивать его можно менее чем в 10 раз, чему соответствует мощность реактора 100 МВт. Как известно, при переходе равноускоренного разгона сразу в торможение, средняя скорость половина максимальной. Очевидна непригодность любых методов ускорения «малой тяги» (электро-реактивные и любые другие не на принципе прямого нагрева водорода пропускаемого через реактор).

Качественные выводы из приближённых численных соотношений:

* критмасса урана-235 даже на быстрых нейтронах (50 кг) не накладывает ограничений применительно к задаче пилотируемого полёта: необходимый энергозапас для полёта туда-обратно одного космонавта сопоставим с критмассой, поэтому не возникает стремления переходить на плутоний (M_krit в 3 раза меньше);

* уран-235 в ЯРД предпочтительнее чем Pu-239, т.к. изначально материал не радиоактивен;

* тот же самый ЯРД (50 кг U235, выгорание 10%) и бак водорода на 4550 тонн способны доставить с низкой околоземной орбиты на поверхность Марса до 3500 тонн груза по наиболее энергетически выгодной траектории касательного эллипса. Торможение аэродинамическое в атмосфере Марса, время в полёте Земля-Марс 7,5 месяцев. По этой траектории сейчас все аппараты летают, при этом невозможен обратный старт сразу после прилёта (Земля по другую сторону от Солнца), что приводит к длительному полёту и переоблучению экипажа при отсутствии радиационной защиты массой порядка 1000 тонн. Для доставки грузов снабжения траектория приемлемая.

* при необходимости мощность реактора ЯРД с 50 кг U235 может быть снижена до уровня 100 МВт, до удельной мощности (~1 МВт/кг U235) обычного ВВЭР-1000, в котором 3 ГВт (тепл.) снимаются с 3 тонн урана-235. При этом время набора скорости ещё оставляет участок полёта к Марсу с выключенным двигателем, чтоб не переходить в неэкономичный по энергии режим, когда половина дороги разгон половина торможение.
Задача сводится к созданию активной зоны умеренной энергонапряжённости, охлаждаемой водородом под давлением 70 – 200 атмосфер при температуре порядка плавления вольфрама 3680 Кельвинов (0,32 электрон-вольта).

* современный уровень мировой добычи природного урана 60.000 тонн в год при выделении 5 килограмм с тонны даёт 300 тонн U235 в год, на 5000 полётов. Если использовать весь плутоний LWR, темп составит 10 стартов в неделю. При рециклировании невыгоревшего U235 (или Pu239) возвратившихся ЯРД – в 10 раз больше. В аппарате с возвращаемой массой 450 тонн экипаж может достигать 10 пилотов.

* при ближайшем рассмотрении задача создания марсианского ЯРД может быть выполнена в обычном рабочем порядке. Ряд комплектующих (разделение изотопов вольфрама, создание рефрижераторов длительного хранения жидкого водорода в космосе и т.п.) получатся дорогостоящие, однако часть нужного для марсианского проекта уже есть готовое (МКС на орбите) или уже делается, в частности кислород-водородные ракеты выводящие по 200 тонн на околоземную орбиту МКС, для подъёма необходимых марсианскому ЯРД 4550 тонн жидкого водорода.

Сообщение отредактировал Denis_Hliustin - 13.2.2014, 3:00