W przeszłości wiodące kraje poszukiwały całkowicie nowych rozwiązań w dziedzinie silników do technologii rakietowej i kosmicznej. Najśmielsze propozycje dotyczyły stworzenia tzw. jądrowe silniki rakietowe oparte na reaktorze materiałów rozszczepialnych. W naszym kraju praca w tym kierunku dała realne rezultaty w postaci eksperymentalnego silnika RD0410. Niemniej jednak ten produkt nie zdołał znaleźć swojego miejsca w obiecujących projektach i wpłynąć na rozwój krajowej i światowej astronautyki.
Propozycje i projekty
Już w latach pięćdziesiątych, na kilka lat przed wystrzeleniem pierwszego satelity i załogowego statku kosmicznego, określono perspektywy rozwoju silników rakietowych na paliwo chemiczne. Te ostatnie umożliwiły uzyskanie bardzo wysokich charakterystyk, ale wzrost parametrów nie mógł być nieskończony. W przyszłości silniki musiały „uderzyć w pułapkę” swoich możliwości. W związku z tym do dalszego rozwoju systemów rakietowych i kosmicznych wymagane były zasadniczo nowe rozwiązania.
Zbudowany, ale nie testowany przez RD0410 NRM
W 1955 r. akademik M. V. Keldysh wystąpił z inicjatywą stworzenia silnika rakietowego o specjalnej konstrukcji, w którym reaktor jądrowy pełniłby rolę źródła energii. Opracowanie tego pomysłu powierzono NII-1 Ministerstwa Przemysłu Lotniczego; W. M. Lew. W możliwie najkrótszym czasie specjaliści opracowali główne problemy i zaproponowali dwie opcje obiecującego NRE o najlepszych cechach.
Pierwsza wersja silnika, oznaczona jako „Schemat A”, proponowała zastosowanie reaktora z rdzeniem w fazie stałej i stałymi powierzchniami wymiany ciepła. Drugi wariant „Schemat B” przewidywał zastosowanie reaktora ze strefą aktywną w fazie gazowej – substancja rozszczepialna musiała być w stanie plazmy, a energia cieplna była przekazywana do płynu roboczego za pomocą promieniowania. Eksperci porównali oba schematy i uznali, że opcja „A” jest bardziej skuteczna. W przyszłości to on był najbardziej aktywnie wypracowywany, a nawet osiągnął pełnoprawne testy.
Równolegle z poszukiwaniem optymalnych projektów NRE opracowywano kwestie stworzenia bazy naukowej, produkcyjnej i testowej. Tak więc w 1957 r. V. M. Ievlev zaproponował nową koncepcję testowania i dostrajania. Wszystkie główne elementy konstrukcyjne musiały zostać przetestowane na różnych stoiskach, a dopiero potem można je było złożyć w jedną konstrukcję. W przypadku Schematu A podejście to oznaczało stworzenie pełnowymiarowych reaktorów do testów.
W 1958 roku ukazała się szczegółowa uchwała Rady Ministrów, która wyznaczyła kierunek dalszych prac. Śr. Keldysz, I. V. Kurczatow i S. P. Korolow. W NII-1 utworzono specjalny dział, kierowany przez V. M. Ievlev, który miał zająć się nowym kierunkiem. W prace zaangażowanych było także kilkadziesiąt organizacji naukowych i projektowych. Zaplanowano udział MON. Ustalono harmonogram prac i inne niuanse rozbudowanego programu.
Następnie wszyscy uczestnicy projektu aktywnie wchodzili w interakcję w taki czy inny sposób. Ponadto w latach sześćdziesiątych dwukrotnie odbyły się konferencje poświęcone wyłącznie tematyce broni jądrowej i zagadnieniom pokrewnym.
Baza testowa
W ramach programu rozwoju NRE zaproponowano zastosowanie nowego podejścia do testowania i testowania niezbędnych jednostek. Jednocześnie specjaliści stanęli przed poważnym problemem. Weryfikacja niektórych produktów miała być przeprowadzona w reaktorze jądrowym, ale przeprowadzenie takich czynności było niezwykle trudne lub wręcz niemożliwe. Testy mogą być utrudnione przez trudności ekonomiczne, organizacyjne lub środowiskowe.
Schemat montażu paliwa dla IR-100
W związku z tym opracowano nowe metody testowania produktów bez użycia reaktorów jądrowych. Takie kontrole zostały podzielone na trzy etapy. Pierwszy dotyczył badania procesów w reaktorze na modelach. Następnie elementy reaktora lub silnika musiały przejść testy mechaniczne i hydrauliczne „na zimno”. Dopiero wtedy zespoły musiały zostać sprawdzone w warunkach wysokiej temperatury. Osobno, po opracowaniu wszystkich komponentów NRE na stoiskach, można było rozpocząć montaż pełnoprawnego eksperymentalnego reaktora lub silnika.
Aby przeprowadzić trzyetapowe testy jednostek, kilka przedsiębiorstw opracowało i zbudowało różne stoiska. Szczególnie interesująca jest technika testowania w wysokiej temperaturze. W trakcie jego rozwoju konieczne było stworzenie nowych technologii ogrzewania gazów. W latach 1959-1972 firma NII-1 opracowała szereg plazmotronów dużej mocy, które podgrzewały gazy do 3000 ° K i umożliwiały przeprowadzanie testów w wysokiej temperaturze.
Specjalnie dla opracowania „Schematu B” konieczne było opracowanie jeszcze bardziej skomplikowanych urządzeń. Do takich zadań wymagany był plazmotron o ciśnieniu wyjściowym setek atmosfer i temperaturze 10-15 tysięcy K. Pod koniec lat sześćdziesiątych pojawiła się technologia ogrzewania gazu oparta na jego interakcji z wiązkami elektronów, co sprawiło, że możliwe do uzyskania wymaganych właściwości.
Uchwała Rady Ministrów przewidywała budowę nowego obiektu na poligonie Semipalatinsk. Tam konieczne było zbudowanie stanowiska badawczego i reaktora eksperymentalnego do dalszego testowania zespołów paliwowych i innych elementów NRE. Wszystkie główne konstrukcje zbudowano do 1961 r., w tym samym czasie nastąpił pierwszy rozruch reaktora. Następnie sprzęt wieloboczny był kilkakrotnie udoskonalany i ulepszany. Kilka podziemnych bunkrów z niezbędną ochroną miało pomieścić reaktor i personel.
W rzeczywistości projekt obiecującego NRM był jednym z najśmielszych przedsięwzięć swoich czasów i dlatego doprowadził do opracowania i zbudowania masy unikalnych urządzeń i przyrządów testowych. Wszystkie te stanowiska pozwoliły na przeprowadzenie wielu eksperymentów i zebranie dużej ilości różnego rodzaju danych, odpowiednich do rozwoju różnych projektów.
„Schemat A”
Jeszcze pod koniec lat pięćdziesiątych najbardziej udana i obiecująca wersja silnika typu „A”. W koncepcji tej zaproponowano budowę reaktora jądrowego opartego na reaktorze z wymiennikami ciepła odpowiedzialnymi za podgrzewanie gazowego płynu roboczego. Wyrzucenie tego ostatniego przez dyszę miało wytworzyć wymagany ciąg. Mimo prostoty koncepcji realizacja takich pomysłów wiązała się z szeregiem trudności.
Model FA dla reaktora IR-100
Przede wszystkim powstał problem doboru materiałów do budowy rdzenia. Konstrukcja reaktora musiała wytrzymać duże obciążenia termiczne i zachować wymaganą wytrzymałość. Ponadto musiał przepuszczać neutrony termiczne, ale jednocześnie nie tracić swoich właściwości z powodu promieniowania jonizującego. Spodziewano się również nierównomiernego wytwarzania ciepła w rdzeniu, co nałożyło nowe wymagania na jego konstrukcję.
Aby szukać rozwiązań i dopracować projekt, w NII-1 zorganizowano specjalny warsztat, który miał na celu wykonanie modelowych zespołów paliwowych i innych podstawowych komponentów. Na tym etapie prac badano różne metale i stopy, a także inne materiały. Do produkcji zespołów paliwowych można stosować wolfram, molibden, grafit, węgliki wysokotemperaturowe itp. Przeprowadzono również poszukiwania powłok ochronnych, które zapobiegałyby zniszczeniu konstrukcji.
W trakcie eksperymentów znaleziono optymalne materiały do produkcji poszczególnych elementów NRE. Dodatkowo udało się potwierdzić fundamentalną możliwość uzyskania impulsu specyficznego rzędu 850-900 s. Dało to obiecującemu silnikowi najwyższe osiągi i znaczną przewagę nad chemicznymi układami paliwowymi.
Rdzeń reaktora stanowił cylinder o długości około 1 mi średnicy 50 mm. Jednocześnie przewidywano stworzenie 26 wariantów zespołów paliwowych o określonych cechach. Na podstawie wyników kolejnych testów wybrano te najbardziej udane i skuteczne. Opracowany projekt zespołów paliwowych przewidywał zastosowanie dwóch kompozycji paliwowych. Pierwszym była mieszanina uranu-235 (90%) z węglikiem niobu lub cyrkonu. Tę mieszaninę uformowano w postaci czterowiązkowego skręconego pręta o długości 100 mm i średnicy 2,2 mm. Drugi skład składał się z uranu i grafitu; został wykonany w formie sześciokątnych pryzmatów o długości 100-200 mm z wewnętrznym kanałem 1 mm, który posiadał wyściółkę. Pręty i pryzmaty zostały umieszczone w szczelnej, żaroodpornej metalowej obudowie.
Testy zespołów i elementów na poligonie Semipalatinsk rozpoczęły się w 1962 roku. Przez dwa lata pracy odbyło się 41 uruchomień reaktorów. Przede wszystkim udało nam się znaleźć najbardziej efektywną wersję treści podstawowej. Wszystkie główne rozwiązania i cechy zostały również potwierdzone. W szczególności wszystkie jednostki reaktora radziły sobie z obciążeniami termicznymi i radiacyjnymi. Stwierdzono zatem, że opracowany reaktor jest w stanie rozwiązać swoje główne zadanie - podgrzać gazowy wodór do 3000-3100 ° K przy danym natężeniu przepływu. Wszystko to umożliwiło rozpoczęcie prac nad pełnoprawnym silnikiem rakietowym.
11B91 na „Bajkale”
Na początku lat sześćdziesiątych rozpoczęto prace nad stworzeniem pełnoprawnego NRE w oparciu o istniejące produkty i rozwiązania. Przede wszystkim NII-1 badał możliwość stworzenia całej rodziny silników rakietowych o różnych parametrach, nadających się do wykorzystania w różnych projektach technologii rakietowych. Z tej rodziny jako pierwsi zaprojektowali i zbudowali silnik o niskim ciągu - 36 kN. Taki produkt mógłby później zostać wykorzystany w obiecującym górnym stopniu, odpowiednim do wysyłania statków kosmicznych na inne ciała niebieskie.
Reaktor IRGIT podczas montażu
W 1966 roku NII-1 i Biuro Projektowe Automatyki Chemicznej rozpoczęły wspólne prace nad kształtowaniem i projektowaniem przyszłego silnika rakietowego. Wkrótce silnik otrzymał indeksy 11B91 i RD0410. Jego głównym elementem był reaktor o nazwie IR-100. Później reaktor otrzymał nazwę IRGIT ("Reaktor badawczy do badań grupowych TVEL"). Początkowo planowano stworzyć dwa różne projektory jądrowe. Pierwszy był produktem eksperymentalnym do testów na poligonie, a drugi był modelem lotnym. Jednak w 1970 roku oba projekty zostały połączone w celu przeprowadzenia prób terenowych. Następnie KBHA stała się wiodącym deweloperem nowego systemu.
Wykorzystując rozwój badań wstępnych w dziedzinie napędów jądrowych, a także wykorzystując istniejącą bazę testową, można było szybko określić wygląd przyszłego 11B91 i rozpocząć pełnoprawny projekt techniczny.
W tym samym czasie stworzono kompleks ławek „Baikal” do przyszłych testów na stanowisku testowym. Zaproponowano przetestowanie nowego silnika w podziemnym obiekcie z pełnym zakresem zabezpieczeń. Zapewniono środki do zbierania i osadzania gazowego płynu roboczego. Aby uniknąć emisji promieniowania, gaz musiał być przechowywany w pojemnikach na gaz, a dopiero potem mógł zostać uwolniony do atmosfery. Ze względu na szczególną złożoność prac kompleks Bajkał budowany jest od około 15 lat. Ostatni z jego obiektów został ukończony po rozpoczęciu testów na pierwszym.
W 1977 r. w kompleksie Bajkał oddano do użytku drugie stanowisko pracy dla zakładów pilotażowych, wyposażone w urządzenie do podawania płynu roboczego w postaci wodoru. 17 września odbyła się fizyczna premiera produktu 11B91. Rozruch mocy miał miejsce 27 marca 1978 roku. W dniach 3 lipca i 11 sierpnia przeprowadzono dwie próby ogniowe z pełną pracą produktu jako reaktora jądrowego. W tych testach reaktor stopniowo doprowadzono do mocy 24, 33 i 42 MW. Wodór ogrzano do 2630 ° K. Na początku lat osiemdziesiątych przetestowano dwa inne prototypy. Pokazywały moc do 62-63 MW i podgrzewany gaz do 2500 ° K.
Projekt RD0410
Na przełomie lat siedemdziesiątych i osiemdziesiątych chodziło o stworzenie pełnoprawnego NRM, w pełni nadającego się do instalacji na pociskach lub wyższych stopniach. Powstał ostateczny wygląd takiego produktu, a testy na poligonie Semipalatinsk potwierdziły wszystkie główne cechy konstrukcyjne.
Gotowy silnik RD0410 wyraźnie różnił się od istniejących produktów. Wyróżniał się składem jednostek, układem, a nawet wyglądem, ze względu na inne zasady działania. W rzeczywistości RD0410 został podzielony na kilka głównych bloków: reaktor, środki do dostarczania płynu roboczego oraz wymiennik ciepła i dyszę. Kompaktowy reaktor zajmował centralną pozycję, a obok niego umieszczono resztę urządzeń. Ponadto stocznia YARD potrzebowała oddzielnego zbiornika na ciekły wodór.
Całkowita wysokość produktu RD0410 / 11B91 osiągnęła 3,5 m, maksymalna średnica 1,6 m. Masa z uwzględnieniem ochrony przed promieniowaniem wynosiła 2 t. Obliczony ciąg silnika w pustce osiągnął 35,2 kN lub 3,59 tf. Impuls właściwy w pustce wynosi 910 kgf • s/kg lub 8927 m/s. Silnik można było włączyć 10 razy. Zasób - 1 godzina Dzięki pewnym modyfikacjom w przyszłości możliwe było zwiększenie charakterystyk do wymaganego poziomu.
Wiadomo, że ogrzany płyn roboczy takiego reaktora jądrowego miał ograniczoną radioaktywność. Mimo to po testach został obroniony, a teren, na którym stoi stoisko musiał zostać zamknięty na jeden dzień. Użycie takiego silnika w ziemskiej atmosferze uznano za niebezpieczne. Jednocześnie może być stosowany jako część wyższych etapów rozpoczynających pracę poza atmosferą. Po użyciu takie bloki należy wysłać na orbitę utylizacyjną.
Już w latach sześćdziesiątych pojawił się pomysł stworzenia elektrowni opartej na reaktorze jądrowym. Ogrzany płyn roboczy może być podawany do turbiny połączonej z generatorem. Takie elektrownie były interesujące dla dalszego rozwoju astronautyki, ponieważ pozwalały pozbyć się istniejących problemów i ograniczeń w zakresie wytwarzania energii elektrycznej dla urządzeń pokładowych.
W latach osiemdziesiątych idea elektrowni weszła w fazę projektowania. Opracowywany był projekt takiego produktu na bazie silnika RD0410. Jeden z eksperymentalnych reaktorów IR-100/IRGIT brał udział w eksperymentach na ten temat, podczas których zapewniał pracę generatora o mocy 200 kW.
Nowe środowisko
Główne prace teoretyczne i praktyczne na temat sowieckiego NRE z rdzeniem fazy stałej zostały ukończone w połowie lat osiemdziesiątych. Przemysł mógłby rozpocząć opracowywanie bloku wspomagającego lub innej technologii rakietowej i kosmicznej dla istniejącego silnika RD0410. Jednak takich prac nigdy nie rozpoczęto na czas i wkrótce ich rozpoczęcie stało się niemożliwe.
W tym czasie przemysł kosmiczny nie miał wystarczających środków na terminową realizację wszystkich planów i pomysłów. Ponadto wkrótce rozpoczęła się osławiona pierestrojka, która położyła kres masie propozycji i zmian. Awaria w Czarnobylu poważnie wpłynęła na reputację technologii jądrowej. Wreszcie w tym okresie pojawiły się problemy polityczne. W 1988 roku wszelkie prace na stoczni 11B91 / RD0410 zostały wstrzymane.
Według różnych źródeł, przynajmniej do początku 2000 roku, niektóre obiekty kompleksu Bajkał nadal pozostawały na poligonie Semipalatinsk. Ponadto na jednym z tzw. reaktor eksperymentalny nadal znajdował się w miejscu pracy. KBKhA udało się wyprodukować pełnoprawny silnik RD0410, nadający się do montażu na przyszłym wyższym stopniu. Jednak technika jego użycia pozostała w planach.
Po RD0410
Postępy w dziedzinie silników rakietowych znalazły zastosowanie w nowym projekcie. W 1992 roku szereg rosyjskich przedsiębiorstw wspólnie opracowało silnik dwutrybowy z rdzeniem w fazie stałej i płynem roboczym w postaci wodoru. W trybie silnika rakietowego taki produkt powinien wytwarzać ciąg 70 kN przy impulsie właściwym 920 s, a tryb mocy zapewnia 25 kW mocy elektrycznej. Taki NRE zaproponowano do wykorzystania w projektach międzyplanetarnych statków kosmicznych.
Niestety w tym czasie sytuacja nie sprzyjała stworzeniu nowej i odważnej technologii rakietowej i kosmicznej, dlatego na papierze pozostała druga wersja silnika rakietowego. O ile wiadomo, przedsiębiorstwa krajowe nadal wykazują pewne zainteresowanie tematyką NRE, ale realizacja takich projektów nie wydaje się jeszcze możliwa ani celowa. Niemniej jednak należy zauważyć, że w ramach poprzednich projektów sowieccy i rosyjscy naukowcy i inżynierowie byli w stanie zgromadzić znaczną ilość informacji i zdobyć ważne doświadczenie. Oznacza to, że gdy zajdzie taka potrzeba i pojawi się odpowiedni porządek w naszym kraju, może powstać nowy NRE podobny do testowanego w przeszłości.
