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]

и скоростью истечения 100 км/сек при тяге достаточной для взлёта с Земли?

тут был деятель про безопасную аэс, это к нему в палату.

на конечную скорость ракеты, до 18 км/сек c таким двигателем

какую-такую ракету? какая-такая скорость без начальных условий и полезной нагрузки?

У ракетных двигателей есть параметр УИ и отношения тяги к собственной массе. Лучше оставиться с ними. Марс тоже непонятно к чему и отчего.

В общем, от поста крайний негатив. Для уровня московского богомольца текст. Температуру водорода при скорости истечения 100км/с сами посчитаем? и потребная температура ТВЭЛов для такой температуры водорода.


ракеты-носитель на ЯРД не будет, даже если удасться создать двигатель достаточной тяги (что фантазии). Причина в возможности аварии и падении аппарата на Землю.
Как высокоорбитальный разгонник может быть полезен. Желательно многоразовый.

Для 100км/с рассматривались варианты ЯРД с газообразной активной зоной и расходом урана или что там будет горючим в рабочее тело. Твердотопливные ЯРД с такой скоростью истечения никто предлагать не пытался - возможно тогда рассчитывали на другой уровень слушателей.

Но смысла в затратах на разработку таких вещей нет, при наличии уже работающих ионников.

И да, я предполагаю, что ветка сведется к пропаганде транспорта навоза на другие планеты.

[Denis_Hliustin]

какую-такую ракету? какая-такая скорость без начальных условий и полезной нагрузки?

Цифра по скорости однозначно связана с имеющимися в задаче данными. Там указан ресурс двигателя 1 час (3600 секунд), из F=U*(dm/dt) находим секундный расход 4 кг/сек. Запас водорода 15 тонн и при лёгких баках, поскольку масса двигателя 2 тонны, без полезной нагрузки максимальная скорость V = U*ln(17/2) = 19 км/сек.

У ракетных двигателей есть параметр УИ и отношения тяги к собственной массе. Лучше оставиться с ними. Марс тоже непонятно к чему и отчего.

Удельный импульс измеряется в секундах, точнее в (кг*сек/кг). Численно его надо домножить на "g" /на десятку/, получится скорость истечения в метрах в секунду.

Теперь относительно Марса. Одноступенчатая ракета на ЯРД конкурирует с многоступенчатой на химических топливах. В этом сравнении ЯРД легче всего выигрывают в марсианском пилотируемом полёте: приемлемы малые ускорения, нужны высокие конечные скорости и многотонный груз.
Есть и ещё один аспект.
Период обращения Марса вокруг Солнца 687 суток, Земли 365 суток, разница угловых скоростей 0.46 угловых градуса в сутки.
На химических топливах используется самая энергетически экономная трасса. При эквивалентной скорости старта 11.35 км/сек лететь до Марса 8 месяцев, высокое облучение экипажа в лёгком корабле. Сразу после прилёта стартовать обратно на Землю невозможно: в исходной точке Земли уже не будет, она по другую сторону от Солнца. Расстояние не 55 миллионов километров, как при "Великом противостоянии Марса", а до 370 миллионов км /сумма больших полуосей орбит/.

Если же ЯРД разгонит космический корабль до 20 км/сек, время полёта 1 месяц в каждую сторону. Открывается возможность слетать туда-обратно за три - пять месяцев, в том числе два месяца на дорогу и один-три месяца пребывание на Марсе. При обратном старте Земля ещё будет находиться на нужной стороне орбиты, доза радиации набранная экипажем в полёте такой длительности уменьшится до приемлемого уровня даже в лёгком космическом аппарате без эффективной радиационной защиты.

Температуру водорода при скорости истечения 100км/с сами посчитаем? и потребная температура ТВЭЛов для такой температуры водорода.
Для 100км/с рассматривались варианты ЯРД с газообразной активной зоной и расходом урана или что там будет горючим в рабочее тело. Твердотопливные ЯРД с такой скоростью истечения никто предлагать не пытался - возможно тогда рассчитывали на другой уровень слушателей.

В названии темы отражены перспективные концепции. В том числе с газообразной (плазменной) активной зоной.
Автор известной публикации на эту тему - наш бывший соотечественник (вероятно не в первом поколении):
Robert Zubrin «Nuclear Salt Water Rockets: High Thrust at 10,000 sec ISP», Journal of the British Interplanetary Society 44, 371—376 (1991)

принцип выноса зоны реакции из корпуса двигателя позволяет снять ограничение температурных режимов реактора, и достигать значительно больших температур и давлений. Так, по некоторым расчетам, при эффективности выгорания ядерного топлива 0.8, скорость истечения рабочего тела для такого ЯРД составит 66000 м/с, удельный импульс 6730 секунд, мощность двигателя — 427 ГВт, тяга 12,7 меганьютон, тяговооруженность = 40, масса двигателя 33 тонны.
Уникальной характеристикой ЯРД Зубрина является также сочетание высокого значения удельного импульса и большой общей тяги (развиваемое ускорение может составить несколько g). Никакая другая схема ракетного двигателя, известная на настоящее время, не обладает такой характеристикой.
К недостаткам конструкции можно отнести расточительный расход ядерного топлива, высокие требования к конструкционным материалам сопла, высокорадиоактивный факел двигателя и сложность управления реактором.

Советские разработки газофазных ЯРД освещены здесь:

http://engine.aviaport.ru/issues/05/page41.html




Сообщение отредактировал Denis_Hliustin - 16.6.2013, 22:30

[VBVB]

Автор известной публикации на эту тему - наш бывший соотечественник (вероятно не в первом поколении):
Robert Zubrin «Nuclear Salt Water Rockets: High Thrust at 10,000 sec ISP», Journal of the British Interplanetary Society 44, 371—376 (1991)

принцип выноса зоны реакции из корпуса двигателя позволяет снять ограничение температурных режимов реактора, и достигать значительно больших температур и давлений. Так, по некоторым расчетам, при эффективности выгорания ядерного топлива 0.8, скорость истечения рабочего тела для такого ЯРД составит 66000 м/с, удельный импульс 6730 секунд, мощность двигателя — 427 ГВт, тяга 12,7 меганьютон, тяговооруженность = 40, масса двигателя 33 тонны.
Уникальной характеристикой ЯРД Зубрина является также сочетание высокого значения удельного импульса и большой общей тяги (развиваемое ускорение может составить несколько g). Никакая другая схема ракетного двигателя, известная на настоящее время, не обладает такой характеристикой.
К недостаткам конструкции можно отнести расточительный расход ядерного топлива, высокие требования к конструкционным материалам сопла, высокорадиоактивный факел двигателя и сложность управления реактором.

Что смущает в предложении Зубрина по его ЯРД.

1) Почему выбор воды в качестве растворителя-основы рабочего тела ЯРД?
Очевидно, что требуется рабочее тело, которое в виде плазмы имеет наименьшую среднюю молекулярную массу. Критмасса делящегося материала для водяных растворов мала, что большой плюс. Однако случае воды-растворителя реакция деления будет проходить на медленных нейтронах и разгон мощности энерговыделения от смеси в критическом состоянии будет низким, т.е. о прогнозируемом выгорании в 80% говорить бессмысленно. В реале выгорание будет гораздо меньше процента.
Более логично выбрать в виде растворителя-рабочего тела или жидкий металл (например, Li-Ga-In эвтектика, которая неплоха растворяет металлический уран и позволит работать с промежуточным спектром нейтронов, близким к 600-700 КэВ) или жидкосолевая эвтектика типа LiF-NaF или LiF-Na-KF (топливо в виде UF4 или PuF3, позволит осуществить разгон мощности на быстрых нейтронах).
В случае использования жидкометаллического топлива, выбрасываемую активную массу в состоянии цепного деления урана/плутония можно будет в течении некоторого короткого времени профилировать по форме и удерживать от преждевременного высокотемпературного разбегания электрическим/магнитным полем.
Использование жидкосолевого топлива с высокой электропроводностью позволяет регулировать форму и профиль активной массы с помощью электрических полей и магнитных зеркал.

2) Предложенный вариант использования в качестве делящегося материала UBr4 не самый оптимальный, поскольку получается, что от 20 до 25% активной смеси и виде плазмы будут составлять ионы брома с соответствующей атомной массой 79,9 гр/моль, что будет заметно снижать удельный импульс двигателя.
Судя по всему, наиболее оптимальным для ЯРД с жидкой активной зоной в факеле будет жидкосолевое топливо типа LiF-NaF-PuF3, возможно c небольшими добавками 241AmF3 или 237NpF3, для утилизации части нейтронов деления и поднятия общего выгорания активной смеси за счет добавочного деления в расчете на кг первично делящегося материала (Pu).

3) Отмечается заметный расход делящихся материалов при длительной работе двигателя Зубрина.
По видимому, такого типа ЯРД имеет смысл делать импульсным. Дал продолжительный импульс длиной пара-тройка секунд, потом некоторое время остывание конструкционных материалов дюз. Далее снова импульс и т.д.

4) Относительно массы непонятно откуда берется величина в 33 тонны. Видимо цифра связана с необходимыми сверхвысокими характеристиками.
Есть ощущение, что комбинация мегаватного уровня быстрого жидкосолевика c системой вывода и профилирования жидкосолевой смеси в факел будет иметь массу в районе 18-19 тонн.

Вообще складывается впечатление, что схема Зубрина вполне жизнеспособна, однако ее натурные испытания на Земле уж очень проблематичны. А испытыния этой схемы в космосе должны сопрягаться с какой-то дополнительной целью, типа запуска недорогого исследовательского зонда к тем же спутникам планет гигантов.

Сообщение отредактировал VBVB - 16.7.2013, 18:19

[Denis_Hliustin]

Классический труд начала 1970-х:
"Перспективы создания ракетных двигателей, работающих на микровзрывах лазерного синтеза".
Г.Хайд, Л.Вуд, Дж.Наккольс
Ливерморская лаборатория имени Лоуренса, США.

https://hotfile.com/dl/236152873/71e8c70/ve...age207.jpg.html
https://hotfile.com/dl/236153034/a5c2a29/ve...age209.jpg.html
https://hotfile.com/dl/236153136/1f2b431/ve...age211.jpg.html
https://hotfile.com/dl/236153230/841b032/ve...age213.jpg.html
https://hotfile.com/dl/236153297/f15b8a9/ve...age215.jpg.html
https://hotfile.com/dl/236153365/38c5245/ve...age217.jpg.html
https://hotfile.com/dl/236153430/69f4b92/ve...age219.jpg.html
https://hotfile.com/dl/236153511/3a14cd5/ve...age221.jpg.html
https://hotfile.com/dl/236153579/bf76702/ve...age223.jpg.html
https://hotfile.com/dl/236153648/b53de2f/ve...age225.jpg.html
https://hotfile.com/dl/236153720/34670ba/ve...age227.jpg.html
https://hotfile.com/dl/236153770/58e8611/ve...age229.jpg.html
https://hotfile.com/dl/236153848/aac5fa2/ve...age231.jpg.html
https://hotfile.com/dl/236153919/7dfa310/ve...age233.jpg.html
https://hotfile.com/dl/236153978/de77bfb/ve...age235.jpg.html
https://hotfile.com/dl/236154049/397b6e3/ve...age237.jpg.html
https://hotfile.com/dl/236154107/9b3a905/ve...age239.jpg.html
https://hotfile.com/dl/236154169/9271902/ve...age241.jpg.html

Сообщение отредактировал Denis_Hliustin - 26.7.2013, 22:58

[KTN]

В космическом аппарате на микровзрывах УТС, нужно накапливать энергию на каждом импульсе порядка 10 - 100 МДж, при частоте 20 Гц полезная мощность заряда конденсаторов должна быть 200 МВт - 2 ГВт.

Если не утка, похоже на основе графена достигнут прогресс в создании лёгких и энергоёмких электрических конденсаторов:
http://pronedra.ru/energy/2013/08/06/novie.../#axzz2jQ69Pe00


Ученые из университета Монаша (Monash University, Мельбурн, Австралия) заявили об изобретении нового поколения источников электропитания. Разработанное устройство представляет собой конденсатор большой емкости на основе графена.

Предполагается, что количество энергии, которое могут хранить новые конденсаторы, сопоставимо с запасом заряда аккумуляторов. Основной отраслью применения конденсаторов может быть электротранспорт. Благодаря своим характеристикам, новые источники питания способны в короткое время обеспечить подачу максимальной мощности, при этом быстро подзаряжаясь. Зарядка конденсаторов производится в течение нескольких секунд.

Сообщается, что новые источники питания могут обеспечить запас хода электромобиля в пределах 200 километров. После истощения заряда конденсаторы заряжаются за несколько секунд и автомобиль может продолжать путь.


Сообщение отредактировал KTN - 9.8.2013, 21:23

[Dozik]

Предполагается, что количество энергии, которое могут хранить новые конденсаторы, сопоставимо с запасом заряда аккумуляторов.

Долго думал, особенно, в связи с пятницей... Но так и не понял - как "количество энергии", сопоставить с "запасом заряда аккумулятора"?
Хочется задать вопрос: тот, кто постит сюда такое - в "своем уме или в уме Мэри N"?

[KTN]

Долго думал, особенно, в связи с пятницей... Но так и не понял - как "количество энергии", сопоставить с "запасом заряда аккумулятора"?
Хочется задать вопрос: тот, кто постит сюда такое - в "своем уме или в уме Мэри N"?

Запасу энергии в аккумуляторе соответствует несколько электрон-вольт энергии на пару атомов, определённое число джоулей на килограмм. Численно это меньше чем в бензине и на порядки больше чем в конденсаторах.

Когда запасаем энергию в электроконденсаторе, объёмная плотность энергии будет /в системе СИ/
Energy_Volume1 = eps*eps0*(E*E)/2.
В этом выражении слева объёмная плотность энергии, в джоулях на кубометр. Справа
eps - диэлектрическая проницаемость диэлектрика (вакуум = 1, трансформаторное масло 2,3);
eps0 - диэлектрическая постоянная вакуума = 8.82e-12 в системе СИ;
E - пробивная напряжённость электрического поля в плоскопараллельном конденсаторе (для воздуха 30 кВ/см, трансформаторное масло 250 кВ/см).

Можно вывести уравнение, беря разные расстояния между пластинами, и удостовериться, что от выбранного напряжения на которое сделан кондер, его удельная энергоёмкость не зависит. Ради интереса посчитаем, энергетический эквивалент скольки грамм тротилового эквивалента можно запасти в масляном конденсаторе объёмом с железнодорожную цистерну 62 тонны? Считаем, полагая объём 80 кубометров:

Energy = 80*2,3*(8,82е-12)*(1/2)*(2.5e7)^2 = 507150 Джоулей = 120 грамм ТЭ.

Выше говорилось, что для лазерного УТС для критерия зажигания реакции, с учётом КПД лазеров или иных драйверов, надо запасать 10 - 100 МДж.
Значит масса трансформаторного масла в "летающей тарелке" будет требоваться 1600 - 16000 тонн. Многовато, хотя океанские корабли в десятки раз больше.

Если же графен действительно позволит снизить массу конденсатора на один-два порядка, вопрос запасения энергии, полученной МГД-генератором с каждого предыдущего импульса, переходит в плоскость практических НИОКР.

С точки зрения физики с ходу не ясно, возможно ли такое. Как известно, аналогичные опыты по конденсаторам, оказавшиеся ошибочными, вёл в 1930-е сам Курчатов. Как говорилось выше, энергоёмкость конденсатора не зависит от расстояния между пластинами. Однако если расстояние становится столь мало, что при обычной предпробойной напряжённости эл.поля разность потенциалов на обкладках меньше потенциала ионизации атома, т.е. единицы вольт?
Будет идти туннелирование электронов. Может ли допустимая объёмная плотность энергии повыситься?
Практический ответ на данный вопрос может дать только эксперимент.
В случае "ДА", имеем ещё один шаг к пилотируемым межпланетным полётам на ядерном или термоядерном ракетном двигателе.


^{P.S. не расчитываю на благодарность за ликбез.}


Сообщение отредактировал KTN - 9.8.2013, 22:51

[asv363]

...

На вопрос уважаемого Dozik, Вы так и не ответили.
1. Спасибо за ликбез.
2. Не надо мусорить на основном сайте Рунета по атомной энергетике, ....... темами.

С уважением,
asv363-Сергей.

[KTN]

Не надо мусорить на основном сайте Рунета по атомной энергетике, ....... темами.

Задачей создать ракетный двигатель, использующий делящиеся материалы и/или термоядерную взрывчатку как транспортный энергоноситель, увлекался сам Эдвард Теллер. Выше авторитета просто не может быть. По его инициативе с начала 1960-х Ливермор и другие национальные лаборатории вели расчётные работы. Перечитывая эту классику, видно: какие компоненты должны иметь прогресс по материаловедению, чтобы перевести весь проект в практическую плоскость.
Когда страны - мировые лидеры сделают первую "летающую тарелку", ракету на ядерном или термоядерном инерциальном делении/синтезе, все отстающие бросятся догонять. Как всегда в таких случаях, на свободном доступе материалов уже не будет.

[asv363]

Задачей создать ракетный двигатель, использующий делящиеся материалы и/или термоядерную взрывчатку как транспортный энергоноситель, увлекался сам Эдвард Теллер. Выше авторитета просто не может быть. По его инициативе с начала 1960-х Ливермор и другие национальные лаборатории вели расчётные работы. Перечитывая эту классику, видно: какие компоненты должны иметь прогресс по материаловедению, чтобы перевести весь проект в практическую плоскость.
Когда страны - мировые лидеры сделают первую "летающую тарелку", ракету на ядерном или термоядерном инерциальном делении/синтезе, все отстающие бросятся догонять. Как всегда в таких случаях, на свободном доступе материалов уже не будет.

Добро. Имелась ввиду не тема, а конкретное сообщение о конденсаторах, графене, электоромобилях. Мое мнение таково, открывая новую тему, надо учитывать уже опубликованное на сайте. А не заново "открывать америку". Было достаточно публикаций об отечественных разработках в области ЯРД, даже про самолетные двигатели статья есть. По-моему, одна из первых публикаций на сайте:

Владимир Сметанников: вера есть, но нет уверенности
AtomInfo.Ru

Есть и были отечественные разработки на тему, пусть люди ознакомятся со словами ветеранов отрасли. Как-то так.