Freqüentemente, em publicações educacionais gerais sobre astronáutica, a diferença entre um motor de foguete nuclear (NRE) e um sistema de propulsão elétrica de foguete nuclear (YEDU) não é diferenciada. No entanto, essas abreviaturas ocultam não apenas a diferença nos princípios da conversão da energia nuclear no poder de propulsão de foguetes, mas também a história bastante dramática do desenvolvimento da astronáutica.
A natureza dramática da história é que, se as pesquisas sobre veneno e envenenamento nuclear parassem na URSS e nos EUA, parassem principalmente por razões econômicas, os voos humanos para Marte se tornariam há muito tempo comuns.
Tudo começou com aeronaves atmosféricas naturalmente aspiradas
Designers nos Estados Unidos e na URSS consideraram "respirar" instalações nucleares que podiam aspirar o ar externo e aquecê-lo a temperaturas colossais. Provavelmente, esse princípio de formação de empuxo foi emprestado de motores ramjet, mas, em vez de combustível de foguete, a energia de fissão do dióxido de urânio 235 foi usada.
Nos EUA, esse mecanismo foi desenvolvido como parte do projeto Plutão [1]. Os americanos conseguiram criar dois protótipos do novo motor - Tory-IIA e Tory-IIC, nos quais os reatores foram ligados. O poder da instalação era de 600 megawatts.
Os motores desenvolvidos no projeto Plutão foram planejados para serem instalados em mísseis de cruzeiro, que na década de 1950 foram criados com a designação SLAM (míssil supersônico de baixa altitude, míssil supersônico de baixa altitude).
Nos Estados Unidos, eles planejavam construir um foguete de 26,8 metros de comprimento, três metros de diâmetro e peso de 28 toneladas. Uma ogiva nuclear, bem como um sistema de propulsão nuclear, com um comprimento de 1,6 metros e um diâmetro de 1,5 metros, deveriam estar localizados no corpo dos mísseis. No contexto de outros tamanhos, a instalação parecia muito compacta, o que explica seu princípio de operação de fluxo direto.
Os desenvolvedores acreditavam que, graças ao motor nuclear, o alcance do voo do foguete SLAM seria de pelo menos 182 mil quilômetros.
Em 1964, o Departamento de Defesa dos EUA fechou o projeto. O motivo oficial foi que, em voo, um míssil de cruzeiro nuclear polui muito tudo ao seu redor. Mas, de fato, o motivo foram os custos de manutenção significativos desses mísseis, ainda mais naquela época a ciência de foguetes baseada em motores de foguetes de propulsão líquida estava se desenvolvendo rapidamente, cuja manutenção era muito mais barata.
A URSS manteve-se fiel à idéia de criar um motor nuclear de fluxo direto por muito mais tempo que os EUA, tendo fechado o projeto apenas em 1985 [2]. Mas os resultados foram muito mais significativos. Assim, o primeiro e único motor de foguete nuclear soviético foi desenvolvido no escritório de design Himavtomatika, Voronezh. Este é o RD-0410 (Índice GRAU - 11B91, também conhecido como "Irbit" e "IR-100").
Um reator térmico heterogêneo de nêutrons foi usado no RD-0410, o hidreto de zircônio foi usado como moderador, os refletores de nêutrons foram feitos de berílio, o combustível nuclear foi o material baseado em carbonetos de urânio e tungstênio, com enriquecimento de cerca de 80% para o isótopo 235
O projeto incluiu 37 conjuntos de combustível revestidos com isolamento térmico que os separavam do moderador. O projeto previa que o fluxo de hidrogênio passasse inicialmente pelo refletor e pelo moderador, mantendo a temperatura no nível do ambiente e depois entrasse na zona ativa, onde resfriava os conjuntos de combustível, aquecendo até 3100 K. No estande, o refletor e o moderador eram resfriados por uma corrente de hidrogênio separada.
O reator passou por uma série significativa de testes, mas nunca foi testado durante toda a duração do trabalho. No entanto, fora das unidades do reator foram totalmente desenvolvidos.
Características técnicas de RD 0410Levantamento terra: 3,59 tf (35,2 kN)
Potência térmica do reator: 196 MW
Impulso específico de impulso no vácuo: 910 kgf · s / kg (8927 m / s)
Número de inclusões: 10
Recurso de trabalho: 1 hora
Componentes do combustível: fluido de trabalho - hidrogênio líquido, excipiente - heptano
Peso com proteção contra radiação: 2 toneladas
Dimensões do motor: altura 3,5 m, diâmetro 1,6 m.
As dimensões e o peso geral relativamente pequeno, a alta temperatura do combustível nuclear (3100 K) com um sistema de resfriamento eficaz por um fluxo de hidrogênio atestam o fato de que o RD0410 é um protótipo quase ideal de foguete movido a energia nuclear para mísseis modernos. E, dadas as tecnologias modernas para a produção de combustível nuclear autônomo, aumentar o recurso de uma hora para várias horas é uma tarefa muito real.
Projetos de motores de foguetes nucleares
Um motor de foguete nuclear (NRE) é um motor a jato no qual a energia resultante de uma reação de fissão ou fusão nuclear aquece o fluido de trabalho (na maioria das vezes, hidrogênio ou amônia) [3].
Existem três tipos de NRE por tipo de combustível para o reator:
- fase sólida;
- fase líquida;
- fase gasosa.
A mais completa é a versão em fase sólida do mecanismo. A figura mostra um diagrama da NRE mais simples com um reator de combustível nuclear sólido. O fluido de trabalho está localizado em um tanque externo. Usando uma bomba, ela é alimentada na câmara do motor. Na câmara, o fluido de trabalho é pulverizado com a ajuda de bicos e entra em contato com o combustível nuclear gerador de calor. Quando aquecido, ele se expande e, com grande velocidade, sai da câmara através do bico.
Na fase gasosa do NRE, o combustível (por exemplo, urânio) e o fluido de trabalho estão em um estado gasoso (na forma de plasma) e são mantidos na área de trabalho por um campo eletromagnético. Aquecido a dezenas de milhares de graus, o plasma de urânio transfere calor para o fluido de trabalho (por exemplo, hidrogênio), que, por sua vez, é aquecido a altas temperaturas e forma uma corrente de jato.
De acordo com o tipo de reação nuclear, são usados um motor de foguete radioisótopo, um motor de foguete termonuclear e um motor nuclear propriamente dito (é usada energia de fissão nuclear).
Uma opção interessante é também um NRE pulsado - propõe-se o uso de uma carga nuclear como fonte de energia (combustível). Essas instalações podem ser do tipo interno ou externo.
As principais vantagens do NRE são:- impulso específico alto;
- reserva energética significativa;
- sistema de propulsão compacto;
- a possibilidade de obter tração muito alta - dezenas, centenas e milhares de toneladas no vácuo.
A principal desvantagem é o alto risco de radiação do sistema de propulsão:- fluxos de radiação penetrante (radiação gama, nêutrons) durante reações nucleares;
- remoção de compostos altamente radioativos de urânio e suas ligas;
- expiração de gases radioativos com um fluido de trabalho.
Usina nuclear
Considerando que é impossível obter informações confiáveis sobre envenenamento nuclear de publicações, inclusive de artigos científicos, o princípio de operação de tais instalações é melhor visualizado usando exemplos de materiais de patente abertos, embora contenha conhecimento.
Assim, por exemplo, o destacado cientista russo Koroteev Anatoly Sazonovich, autor da invenção de acordo com a patente [4], fornece uma solução técnica para a composição de equipamentos dos modernos sistemas de propulsão nuclear.
A seguir, cito parte do referido documento de patente literalmente e sem comentários.
A essência da solução técnica proposta é ilustrada pelo esquema mostrado no desenho. Um motor de energia nuclear que opera no modo de energia de energia contém um sistema de propulsão de foguete elétrico (ERP) (o diagrama mostra, por exemplo, dois motores de foguete elétrico 1 e 2 com sistemas de alimentação correspondentes 3 e 4), uma unidade de reator 5, uma turbina 6, um compressor 7, um gerador 8, trocador-recuperador de calor 9, tubo de vórtice Rank-Hilsh 10, radiador-resfriador 11. Além disso, a turbina 6, o compressor 7 e o gerador 8 são combinados em uma única unidade - um turbogerador-compressor. O NEDU está equipado com tubulações 12 das linhas de fluido de trabalho e elétricas 13 que conectam o gerador 8 e o sistema de propulsão elétrica. O permutador-recuperador de calor 9 tem as chamadas entradas de alta temperatura 14 e baixa temperatura 15 do fluido de trabalho, bem como saídas de alta temperatura 16 e baixa temperatura 17 do fluido de trabalho.
A saída da unidade do reator 5 é conectada à entrada da turbina 6, a saída da turbina 6 é conectada à entrada de alta temperatura 14 do trocador de calor-recuperador 9. A saída de baixa temperatura 15 do trocador de calor-recuperador 9 é conectada à entrada do tubo de vórtice Rank-Hilsch 10. O tubo de vórtice Rank-Hilsch 10 tem duas saídas um dos quais (através do fluido de trabalho "quente") é conectado ao emissor-frigorífico 11 e o outro (pelo fluido de trabalho "frio") é conectado à entrada do compressor 7. A saída do emissor-frigorífico 11 também é conectada à entrada do compressor 7. A saída do comp a mola 7 é conectada à entrada de baixa temperatura 15 ao trocador de calor-recuperador 9. A saída de alta temperatura 16 do trocador de calor-recuperador 9 é conectada à entrada da unidade do reator 5. Assim, os principais elementos do sistema de energia nuclear são interconectados por um único circuito do fluido de trabalho.
O YaEDU funciona da seguinte maneira. O fluido de trabalho aquecido na instalação do reator 5 é direcionado para a turbina 6, que fornece a operação do compressor 7 e do gerador 8 do turbogerador-compressor. O gerador 8 gera energia elétrica, que é enviada através das linhas elétricas 13 para os motores de foguete elétrico 1 e 2 e seus sistemas de alimentação 3 e 4, garantindo sua operação. Depois de sair da turbina 6, o fluido de trabalho é direcionado através de uma entrada de alta temperatura 14 para um trocador de calor-recuperador 9, onde o fluido de trabalho é parcialmente resfriado.
Então, a partir da saída de baixa temperatura 17 do trocador de calor-recuperador 9, o fluido de trabalho é enviado para o tubo de vórtice Rank-Hilsch 10, dentro do qual o fluxo do fluido de trabalho é dividido em componentes "quentes" e "frios". A parte "quente" do fluido de trabalho segue então para o emissor-frigorífico 11, onde há um resfriamento eficaz dessa parte do fluido de trabalho. A parte "fria" do fluido de trabalho segue a entrada do compressor 7, a parte de refrigeração do fluido de trabalho que sai do emissor-frigorífico 11 também segue lá.
O compressor 7 entrega o fluido de trabalho resfriado ao trocador de calor-recuperador 9 através da entrada de baixa temperatura 15. Este fluido de trabalho resfriado no trocador de calor-recuperador 9 fornece resfriamento parcial do fluxo que se aproxima do fluido de trabalho que entra no trocador-recuperador de calor 9 da turbina 6 através da entrada de alta temperatura 14. Em seguida, um fluido de trabalho parcialmente aquecido (devido à troca de calor com um fluxo próximo do fluido de trabalho da turbina 6) do trocador de calor-recuperador 9 através da saída de alta temperatura 16 novamente vai para o reator Na configuração 5, o ciclo se repete novamente.
Assim, um único fluido de trabalho localizado em um circuito fechado garante a operação contínua do sistema de energia nuclear, e o uso do tubo de vórtice Rank-Hilsh como parte do sistema de energia nuclear de acordo com a solução técnica reivindicada melhora as características de massa e tamanho do sistema de energia nuclear, melhora sua confiabilidade, simplifica seu projeto e permite aumentar a eficácia do envenenamento nuclear em geral.
Referências:
1. Um
foguete que ninguém sabia.2.
RD-0410.3.
Motores de foguete nuclear.4.
RU 2522971