V minulosti přední země hledaly zásadně nová řešení v oblasti motorů pro raketové a vesmírné technologie. Nejodvážnější návrhy se týkaly vytvoření tzv. jaderné raketové motory založené na reaktoru na štěpný materiál. U nás práce tímto směrem dala reálné výsledky v podobě experimentálního motoru RD0410. Přesto si tento produkt nedokázal najít své místo v perspektivních projektech a ovlivnit vývoj domácí i světové astronautiky.
Návrhy a projekty
Již v padesátých letech, několik let před vypuštěním prvního satelitu a kosmické lodi s lidskou posádkou, byly stanoveny vyhlídky na vývoj raketových motorů na chemické palivo. Ten umožnil získat velmi vysoké charakteristiky, ale růst parametrů nemohl být nekonečný. V budoucnosti musely motory „narazit na strop“svých schopností. V tomto ohledu byla pro další vývoj raketových a vesmírných systémů vyžadována zásadně nová řešení.
Vyrobeno, ale nebylo testováno RD0410 NRM
V roce 1955 akademik M. V. Keldysh přišel s iniciativou na vytvoření raketového motoru speciální konstrukce, ve kterém by jako zdroj energie fungoval jaderný reaktor. Vývoj této myšlenky byl svěřen NII-1 ministerstva leteckého průmyslu; V. M. Ievlev. Specialisté v co nejkratším čase zpracovali hlavní problémy a navrhli dvě možnosti slibného NRE s nejlepšími vlastnostmi.
První verze motoru, označená jako „schéma A“, navrhovala použití reaktoru s jádrem v pevné fázi a pevnými povrchy pro výměnu tepla. Druhá možnost, „schéma B“, předpokládala použití reaktoru s aktivní zónou v plynné fázi - štěpná látka musela být v plazmatickém stavu a tepelná energie byla do pracovní tekutiny přenášena pomocí záření. Odborníci porovnali obě schémata a považovali možnost „A“za úspěšnější. V budoucnu to byl právě on, kdo byl nejaktivněji vypracován a dokonce dosáhl plnohodnotných testů.
Souběžně s hledáním optimálních návrhů NRE byly zpracovávány otázky vytvoření vědecké, produkční a testovací základny. Takže v roce 1957 V. M. Ievlev navrhl nový koncept pro testování a dolaďování. Všechny hlavní konstrukční prvky musely být testovány na různých stojanech a teprve poté mohly být sestaveny do jediné struktury. V případě schématu A tento přístup znamenal vytvoření plnohodnotných reaktorů pro testování.
V roce 1958 se objevilo podrobné usnesení Rady ministrů, které určovalo průběh další práce. M. V. Keldysh, I. V. Kurchatov a S. P. Korolev. Na NII-1 bylo zřízeno speciální oddělení v čele s V. M. Ievleva, který se měl vypořádat s novým směrem. Do práce bylo zapojeno také několik desítek vědeckých a projekčních organizací. Účast ministerstva obrany byla plánována. Byl stanoven rozvrh práce a další nuance rozsáhlého programu.
Následně všichni účastníci projektu aktivně interagovali tak či onak. V šedesátých letech se navíc dvakrát konaly konference, věnované výhradně tématu jaderných zbraní a souvisejícím problémům.
Testovací základna
V rámci vývojového programu NRE bylo navrženo použít nový přístup k testování a testování potřebných jednotek. Specialisté zároveň čelili vážnému problému. Ověření některých produktů mělo být provedeno v jaderném reaktoru, ale provádění takových činností bylo extrémně obtížné nebo dokonce nemožné. Testování by mohlo být ztíženo ekonomickými, organizačními nebo environmentálními obtížemi.
Schéma sestavy paliva pro IR-100
V tomto ohledu byly vyvinuty nové metody testování produktů bez použití jaderných reaktorů. Tyto kontroly byly rozděleny do tří fází. První zahrnoval studium procesů v reaktoru na modelech. Poté musely součásti reaktoru nebo motoru projít mechanickými a hydraulickými „studenými“testy. Teprve poté musely být sestavy zkontrolovány za podmínek vysokých teplot. Samostatně, po vypracování všech složek NRE na stáncích, bylo možné zahájit montáž plnohodnotného experimentálního reaktoru nebo motoru.
K provedení třístupňových testů jednotek několik podniků vyvinulo a postavilo různé stojany. Zvláště zajímavá je technika pro testování při vysokých teplotách. Během jeho vývoje bylo nutné vytvořit nové technologie pro ohřev plynů. Od roku 1959 do roku 1972 vyvinula NII-1 řadu vysoce výkonných plazmatronů, které zahřály plyny až na 3000 ° K a umožnily provádět vysokoteplotní testy.
Zvláště pro vývoj „schématu B“bylo nutné vyvinout ještě složitější zařízení. Pro takové úkoly byl zapotřebí plazmatron s výstupním tlakem stovek atmosfér a teplotou 10–15 tisíc K. Do konce šedesátých let se objevila technologie plynového ohřevu založená na jeho interakci s elektronovými paprsky, díky čemuž se možné získat požadované vlastnosti.
Usnesení Rady ministrů počítalo s výstavbou nového zařízení na testovacím místě Semipalatinsk. Tam bylo nutné vybudovat zkušební stolici a experimentální reaktor pro další testování palivových souborů a dalších komponent NRE. Všechny hlavní stavby byly postaveny do roku 1961 a zároveň došlo k prvnímu spuštění reaktoru. Poté bylo mnohoúhelníkové zařízení několikrát vylepšeno a vylepšeno. Několik podzemních bunkrů s nezbytnou ochranou mělo pojmout reaktor a personál.
Ve skutečnosti byl projekt slibného NRM jedním z nejodvážnějších podniků své doby, a proto vedl k vývoji a konstrukci masy unikátních zařízení a testovacích nástrojů. Všechny tyto stánky umožňovaly provádět mnoho experimentů a sbírat velké množství dat různého druhu, vhodných pro vývoj různých projektů.
Schéma A
Koncem padesátých let nejúspěšnější a nejslibnější verze motoru typu „A“. Tato koncepce navrhla konstrukci jaderného reaktoru založeného na reaktoru s výměníky tepla odpovědnými za ohřev plynné pracovní tekutiny. Vysunutí posledně uvedeného tryskou mělo vytvořit požadovaný tah. Navzdory jednoduchosti konceptu byla implementace takových myšlenek spojena s řadou obtíží.
FA model pro reaktor IR-100
Předně vyvstal problém s výběrem materiálů pro stavbu jádra. Konstrukce reaktoru musela odolávat vysokým tepelným zatížením a udržovat požadovanou pevnost. Kromě toho musel projít tepelnými neutrony, ale zároveň neztratit vlastnosti v důsledku ionizujícího záření. Očekávalo se také nerovnoměrné vytváření tepla v jádru, což kladlo na jeho design nové nároky.
Pro hledání řešení a upřesnění designu byl na NII-1 uspořádán speciální workshop, který měl vyrobit modelové palivové soubory a další základní součásti. V této fázi práce byly testovány různé kovy a slitiny a také další materiály. Pro výrobu palivových souborů lze použít wolfram, molybden, grafit, vysokoteplotní karbidy atd. Rovněž bylo provedeno hledání ochranných povlaků, aby se zabránilo zničení struktury.
V průběhu experimentů byly nalezeny optimální materiály pro výrobu jednotlivých součástí NRE. Navíc bylo možné potvrdit zásadní možnost získání konkrétního impulsu řádově 850–900 s. To dalo slibnému motoru nejvyšší výkon a významnou výhodu oproti chemickým palivovým systémům.
Jádrem reaktoru byl válec dlouhý asi 1 m a o průměru 50 mm. Současně se počítalo s vytvořením 26 variant palivových souborů s určitými funkcemi. Na základě výsledků následných testů byly vybrány ty nejúspěšnější a nejúčinnější. Nalezená konstrukce palivových souborů zajišťovala použití dvou palivových směsí. První byla směs uranu-235 (90%) s karbidem niobu nebo zirkonia. Tato směs byla tvarována ve formě čtyřpaprskové stočené tyče o délce 100 mm a průměru 2,2 mm. Druhá kompozice se skládala z uranu a grafitu; byl vyroben ve formě šestihranných hranolů o délce 100-200 mm s vnitřním kanálem 1 mm, který měl podšívku. Tyče a hranoly byly umístěny do zapečetěného tepelně odolného kovového pouzdra.
Zkoušky sestav a prvků na testovacím místě Semipalatinsk začaly v roce 1962. Za dva roky práce proběhlo 41 spuštění reaktorů. Nejprve se nám podařilo najít nejefektivnější verzi základního obsahu. Potvrdila se také všechna hlavní řešení a charakteristiky. Zejména všechny jednotky reaktoru zvládaly tepelné a radiační zátěže. Bylo tedy zjištěno, že vyvinutý reaktor je schopen vyřešit svůj hlavní úkol - ohřát plynný vodík na 3000 - 3100 ° K při daném průtoku. To vše umožnilo zahájit vývoj plnohodnotného jaderného raketového motoru.
11B91 na „Bajkalu“
Na počátku šedesátých let začaly práce na vytvoření plnohodnotného NRE na základě stávajících produktů a vývoje. NII-1 nejprve studoval možnost vytvoření celé rodiny raketových motorů s různými parametry, vhodných pro použití v různých projektech raketové technologie. Z této rodiny jako první navrhli a postavili nízkotlaký motor - 36 kN. Takový produkt by později mohl být použit ve slibném horním stupni, vhodném pro vysílání kosmických lodí do jiných nebeských těles.
Reaktor IRGIT během montáže
V roce 1966 zahájily NII-1 a Chemical Automatics Design Bureau společnou práci na tvarování a návrhu budoucího jaderného raketového motoru. Motor brzy obdržel indexy 11B91 a RD0410. Jeho hlavním prvkem byl reaktor s názvem IR-100. Později byl reaktor pojmenován IRGIT („Výzkumný reaktor pro skupinové studie TVEL“). Zpočátku se plánovalo vytvoření dvou různých jaderných projektorů. První byl experimentální produkt pro testování na testovacím místě a druhý byl letový model. V roce 1970 však byly oba projekty spojeny s cílem provést terénní testy. Poté se KBHA stala vedoucím vývojářem nového systému.
S využitím vývoje v předběžném výzkumu v oblasti jaderného pohonu, stejně jako s využitím stávající testovací základny, bylo možné rychle určit vzhled budoucí 11B91 a zahájit plnohodnotný technický návrh.
Současně byl vytvořen lavičkový komplex „Bajkal“pro budoucí testy na testovacím místě. Nový motor byl navržen ke zkoušení v podzemním zařízení s úplným rozsahem ochrany. Byly poskytnuty prostředky pro sběr a usazování plynné pracovní tekutiny. Aby se zabránilo emisi záření, musel být plyn držen v držácích plynu a teprve poté mohl být uvolněn do atmosféry. Vzhledem ke zvláštní složitosti prací je komplex Bajkal ve výstavbě zhruba 15 let. Poslední z jejích objektů byl dokončen po zahájení testů na prvním.
V roce 1977 byla v komplexu Bajkal uvedena do provozu druhá pracovní stanice pro pilotní závody, která je vybavena prostředkem pro dodávání pracovní tekutiny ve formě vodíku. 17. září bylo provedeno fyzické uvedení produktu 11B91. Elektrický start se uskutečnil 27. března 1978. 3. července a 11. srpna byly provedeny dvě požární zkoušky s plným provozem produktu jako jaderného reaktoru. Při těchto testech byl reaktor postupně uváděn na výkon 24, 33 a 42 MW. Vodík byl zahřát na 2630 ° K. Na počátku osmdesátých let byly testovány další dva prototypy. Vykazovaly výkon až 62-63 MW a ohřívaly plyn až na 2500 ° K.
Projekt RD0410
Na přelomu sedmdesátých a osmdesátých let šlo o vytvoření plnohodnotného NRM, plně vhodného pro instalaci na rakety nebo horní stupně. Byl vytvořen konečný vzhled takového výrobku a testy na testovacím místě Semipalatinsk potvrdily všechny hlavní konstrukční vlastnosti.
Hotový motor RD0410 se výrazně lišil od stávajících produktů. Díky jiným principům provozu se vyznačovalo složením jednotek, rozložením a dokonce i vzhledem. Ve skutečnosti byl RD0410 rozdělen do několika hlavních bloků: reaktor, prostředek pro dodávku pracovní tekutiny a výměník tepla a tryska. Kompaktní reaktor zaujímal centrální polohu a zbytek zařízení byl umístěn vedle něj. YARD také potřeboval samostatnou nádrž na kapalný vodík.
Celková výška produktu RD0410 / 11B91 dosáhla 3,5 m, maximální průměr byl 1,6 m. Hmotnost s přihlédnutím k radiační ochraně činila 2 tuny. Vypočítaný tah motoru v prázdnotě dosáhl 35,2 kN nebo 3,59 tf. Specifický impuls v prázdnotě je 910 kgf • s / kg nebo 8927 m / s. Motor bylo možné zapnout 10krát. Zdroj - 1 hod. Pomocí určitých úprav v budoucnosti bylo možné zvýšit charakteristiky na požadovanou úroveň.
Je známo, že zahřátá pracovní tekutina takového jaderného reaktoru měla omezenou radioaktivitu. Přesto se po testech podařilo ubránit a oblast, kde se stánek nacházel, musela být na den uzavřena. Použití takového motoru v zemské atmosféře bylo považováno za nebezpečné. Současně by mohl být použit jako součást horních stupňů, které začínají pracovat mimo atmosféru. Po použití by takové bloky měly být odeslány na oběžnou dráhu.
V šedesátých letech se objevila myšlenka vytvořit elektrárnu na základě jaderného reaktoru. Zahřátá pracovní tekutina by mohla být přiváděna do turbíny připojené k generátoru. Takové elektrárny byly zajímavé pro další rozvoj astronautiky, protože umožnily zbavit se stávajících problémů a omezení v oblasti výroby elektřiny pro palubní zařízení.
V osmdesátých letech se myšlenka elektrárny dostala do stádia návrhu. Byl zpracováván projekt takového produktu na základě motoru RD0410. Jeden z experimentálních reaktorů IR-100 / IRGIT byl zapojen do experimentů na toto téma, během nichž zajišťoval provoz 200 kW generátoru.
Nové prostředí
Hlavní teoretická a praktická práce na téma sovětského NRE s jádrem na pevné fázi byla dokončena v polovině osmdesátých let. Průmysl by mohl začít vyvíjet posilovací blok nebo jinou raketovou a vesmírnou technologii pro stávající motor RD0410. Takové práce však nebyly nikdy zahájeny včas a brzy se jejich zahájení stalo nemožným.
V této době neměl vesmírný průmysl dostatek prostředků na včasnou implementaci všech plánů a nápadů. Kromě toho brzy začala notoricky známá Perestrojka, která ukončila množství návrhů a vývoje. Pověst jaderné technologie byla vážně ovlivněna černobylskou havárií. Nakonec v té době došlo k politickým problémům. V roce 1988 byly veškeré práce na YARDU 11B91 / RD0410 zastaveny.
Podle různých zdrojů, přinejmenším do začátku roku 2000, některé objekty komplexu Bajkal stále zůstávaly na testovacím místě Semipalatinsk. Navíc na jednom z tzv. experimentální reaktor byl stále umístěn na pracovišti. KBKhA se podařilo vyrobit plnohodnotný motor RD0410, vhodný pro instalaci na budoucí vyšší stupeň. Technika jejího použití však zůstala v plánech.
Po RD0410
Vývoj na téma jaderných raketových motorů našel uplatnění v novém projektu. V roce 1992 několik ruských podniků společně vyvinulo dvourežimový motor s jádrem v pevné fázi a pracovní tekutinou ve formě vodíku. V režimu raketového motoru by takový výrobek měl vyvinout tah 70 kN se specifickým impulzem 920 s a výkonový režim poskytuje 25 kW elektrického výkonu. Taková NRE byla navržena pro použití v meziplanetárních projektech kosmických lodí.
V té době bohužel situace nepřála vytvoření nové a odvážné raketové a vesmírné technologie, a proto druhá verze jaderného raketového motoru zůstala na papíře. Pokud je známo, domácí podniky stále projevují určitý zájem o téma NRE, ale realizace takových projektů se zatím nezdá být možná ani účelná. Je však třeba poznamenat, že v rámci předchozích projektů dokázali sovětští a ruští vědci a inženýři nashromáždit značné množství informací a získat důležité zkušenosti. To znamená, že když vyvstane potřeba a v naší zemi vyvstane odpovídající objednávka, lze vytvořit novou NRE podobnou té, která byla testována v minulosti.
