Vedúce krajiny v minulosti hľadali zásadne nové riešenia v oblasti motorov pre raketové a vesmírne technológie. Najtrúfalejšie návrhy sa týkali vytvorenia tzv. jadrové raketové motory založené na reaktore štiepneho materiálu. U nás práca v tomto smere dala reálne výsledky v podobe experimentálneho motora RD0410. Napriek tomu si tento produkt nedokázal nájsť svoje miesto v perspektívnych projektoch a ovplyvniť rozvoj domácej i svetovej astronautiky.
Návrhy a projekty
Už v päťdesiatych rokoch, niekoľko rokov pred vypustením prvého satelitu a kozmickej lode s posádkou, boli určené vyhliadky na vývoj raketových motorov na chemické palivo. Ten umožnil získať veľmi vysoké charakteristiky, ale rast parametrov nemohol byť nekonečný. V budúcnosti museli motory „naraziť na strop“svojich schopností. V tomto ohľade boli pre ďalší vývoj raketových a vesmírnych systémov potrebné zásadne nové riešenia.
Vyrobené, ale nie testované RD0410 NRM
V roku 1955 akademik M. V. Keldysh prišiel s iniciatívou na vytvorenie raketového motora špeciálnej konštrukcie, v ktorom by ako zdroj energie fungoval jadrový reaktor. Vývoj tejto myšlienky bol zverený NII-1 ministerstva leteckého priemyslu; V. M. Ievlev. Špecialisti v najkratšom možnom čase spracovali hlavné problémy a navrhli dve možnosti sľubného NRE s najlepšími vlastnosťami.
Prvá verzia motora, označená ako „schéma A“, navrhla použitie reaktora s jadrom v pevnej fáze a pevnými povrchmi na výmenu tepla. Druhá možnosť, „schéma B“, predpokladala použitie reaktora s aktívnou zónou v plynnej fáze - štiepna látka musela byť v plazmatickom stave a tepelná energia sa do žiarenia prenášala pomocou žiarenia. Odborníci porovnali tieto dve schémy a považovali možnosť „A“za úspešnejšiu. V budúcnosti to bol práve on, kto bol najaktívnejšie vypracovaný a dokonca dosiahol plnohodnotné testy.
Súbežne s hľadaním optimálnych návrhov NRE sa rozpracovávali otázky vytvorenia vedeckej, výrobnej a testovacej základne. V roku 1957 V. M. Ievlev navrhol nový koncept testovania a dolaďovania. Všetky hlavné konštrukčné prvky museli byť testované na rôznych stojanoch a až potom ich bolo možné zostaviť do jednej štruktúry. V prípade schémy A tento prístup znamenal vytvorenie plnohodnotných reaktorov na testovanie.
V roku 1958 sa objavilo podrobné uznesenie MsZ, ktoré určovalo priebeh ďalšej práce. M. V. Keldysh, I. V. Kurchatov a S. P. Korolev. Na NII-1 bolo vytvorené špeciálne oddelenie na čele s V. M. Ievleva, ktorý sa mal vyrovnať s novým smerom. Do práce bolo zapojených aj niekoľko desiatok vedeckých a projekčných organizácií. Účasť ministerstva obrany bola plánovaná. Bol určený rozvrh práce a ďalšie nuansy rozsiahleho programu.
Následne všetci účastníci projektu aktívne interagovali tak či onak. V šesťdesiatych rokoch sa navyše dvakrát uskutočnili konferencie venované výlučne téme jadrových zbraní a súvisiacim problémom.
Testovacia základňa
Ako súčasť vývojového programu NRE bolo navrhnuté uplatniť nový prístup k testovaniu a testovaniu potrebných jednotiek. Špecialisti zároveň čelili vážnemu problému. Verifikácia niektorých produktov sa mala vykonávať v jadrovom reaktore, ale vykonávanie týchto činností bolo mimoriadne ťažké alebo dokonca nemožné. Testovaniu môžu brániť ekonomické, organizačné alebo environmentálne problémy.
Schéma montáže paliva pre IR-100
V tejto súvislosti boli vyvinuté nové metódy testovania produktov bez použitia jadrových reaktorov. Takéto kontroly boli rozdelené do troch etáp. Prvá zahŕňala štúdium procesov v reaktore na modeloch. Potom museli komponenty reaktora alebo motora prejsť mechanickými a hydraulickými „studenými“testami. Až potom museli byť zostavy skontrolované za vysokých teplôt. Samostatne, po vypracovaní všetkých komponentov NRE na stojanoch, bolo možné začať s montážou plnohodnotného experimentálneho reaktora alebo motora.
Na vykonanie trojstupňových testov jednotiek niekoľko spoločností vyvinulo a postavilo rôzne stojany. Zvlášť zaujímavá je technika testovania pri vysokých teplotách. Pri jeho vývoji bolo potrebné vytvárať nové technológie na vykurovanie plynov. V rokoch 1959 až 1972 vyvinul NII-1 niekoľko vysokovýkonných plazmatrónov, ktoré zahrievali plyny až na 3 000 ° K a umožňovali vykonávať vysokoteplotné testy.
Zvlášť pre vývoj „schémy B“bolo potrebné vyvinúť ešte komplexnejšie zariadenia. Na tieto úlohy bol potrebný plazmatron s výstupným tlakom stovky atmosfér a teplotou 10-15 000 K. Do konca šesťdesiatych rokov sa objavila technológia plynového ohrevu založená na jeho interakcii s elektrónovými lúčmi, vďaka ktorej sa možné získať požadované vlastnosti.
Uznesenie Rady ministrov počítalo s výstavbou nového zariadenia na testovacom mieste Semipalatinsk. Tam bolo potrebné postaviť skúšobnú lavicu a experimentálny reaktor na ďalšie testovanie palivových kaziet a ďalších komponentov NRE. Všetky hlavné stavby boli postavené do roku 1961 a súčasne došlo k prvému spusteniu reaktora. Potom bolo mnohouholníkové zariadenie niekoľkokrát vylepšené a vylepšené. Niekoľko podzemných bunkrov s potrebnou ochranou bolo určených na umiestnenie reaktora a personálu.
Projekt sľubného NRM bol v skutočnosti jedným z najtrúfalejších podnikov svojej doby, a preto viedol k vývoju a konštrukcii množstva unikátnych zariadení a testovacích prístrojov. Všetky tieto stánky umožnili uskutočniť množstvo experimentov a zozbierať veľké množstvo údajov rôzneho druhu, vhodných na vývoj rôznych projektov.
"Schéma A"
Koncom päťdesiatych rokov je najúspešnejšou a najsľubnejšou verziou motora typu „A“. Táto koncepcia navrhla výstavbu jadrového reaktora na základe reaktora s výmenníkmi tepla zodpovednými za zahrievanie plynnej pracovnej tekutiny. Jeho vysunutie cez trysku malo vytvoriť požadovaný ťah. Napriek jednoduchosti konceptu bola implementácia takýchto myšlienok spojená s mnohými ťažkosťami.
Model FA pre reaktor IR-100
V prvom rade nastal problém výberu materiálov na stavbu jadra. Konštrukcia reaktora musela odolávať vysokým tepelným zaťaženiam a udržiavať potrebnú pevnosť. Okrem toho musel prechádzať tepelnými neutrónmi, ale zároveň nestratiť vlastnosti v dôsledku ionizujúceho žiarenia. Očakávalo sa aj nerovnomerné vytváranie tepla v jadre, čo kládlo na jeho dizajn nové nároky.
Na hľadanie riešení a zdokonalenie dizajnu bol v NII-1 zorganizovaný špeciálny workshop, ktorého cieľom bolo vyrobiť modelové palivové kazety a ďalšie základné komponenty. V tejto fáze práce boli testované rôzne kovy a zliatiny, ako aj ďalšie materiály. Na výrobu palivových kaziet je možné použiť volfrám, molybdén, grafit, vysokoteplotné karbidy atď. Tiež sa hľadali ochranné povlaky, aby sa zabránilo zničeniu štruktúry.
V priebehu experimentov boli nájdené optimálne materiály na výrobu jednotlivých komponentov NRE. Okrem toho bolo možné potvrdiť zásadnú možnosť získania konkrétneho impulzu rádovo 850-900 s. To dalo sľubnému motoru najvyšší výkon a významnú výhodu oproti systémom s chemickým palivom.
Jadrom reaktora bol valec dlhý asi 1 m a s priemerom 50 mm. Súčasne sa predpokladalo vytvorenie 26 variantov palivových kaziet s určitými vlastnosťami. Na základe výsledkov následných testov boli vybrané tie najúspešnejšie a najúčinnejšie. Nájdený návrh palivových kaziet predpokladal použitie dvoch palivových zmesí. Prvou bola zmes uránu-235 (90%) s karbidom nióbu alebo zirkónu. Táto zmes bola tvarovaná vo forme štvorramennej skrútenej tyče s dĺžkou 100 mm a priemerom 2,2 mm. Druhá kompozícia pozostávala z uránu a grafitu; bol vyrobený vo forme šesťhranných hranolov dlhých 100-200 mm s vnútorným kanálom 1 mm s podšívkou. Tyče a hranoly boli umiestnené v zapečatenom tepelne odolnom kovovom puzdre.
Testy zostáv a prvkov na testovacom mieste Semipalatinsk sa začali v roku 1962. Za dva roky práce sa uskutočnilo 41 spustení reaktorov. V prvom rade sa nám podarilo nájsť najefektívnejšiu verziu hlavného obsahu. Potvrdili sa tiež všetky hlavné riešenia a charakteristiky. Zvlášť všetky bloky reaktora zvládali tepelné a radiačné zaťaženie. Zistilo sa teda, že vyvinutý reaktor je schopný vyriešiť svoju hlavnú úlohu - zahriať plynný vodík na 3000 - 3100 ° K pri danom prietoku. To všetko umožnilo začať s vývojom plnohodnotného jadrového raketového motora.
11B91 o „Bajkale“
Začiatkom šesťdesiatych rokov sa začali práce na vytvorení plnohodnotného NRE na základe existujúcich produktov a vývoja. NII-1 predovšetkým študoval možnosť vytvorenia celej rodiny raketových motorov s rôznymi parametrami, vhodných na použitie v rôznych projektoch raketovej technológie. Z tejto rodiny ako prví navrhli a zostrojili motor s nízkym ťahom - 36 kN. Takýto produkt by sa neskôr mohol použiť v sľubnom hornom stupni, vhodnom na odoslanie vesmírnych lodí do iných nebeských telies.
Reaktor IRGIT počas montáže
V roku 1966 začali NII-1 a Chemical Automatics Design Bureau spoločnú prácu na tvarovaní a navrhovaní budúceho jadrového raketového motora. Motor čoskoro dostal indexy 11B91 a RD0410. Jeho hlavným prvkom bol reaktor s názvom IR-100. Neskôr bol reaktor pomenovaný IRGIT („Výskumný reaktor pre skupinové štúdie TVEL“). Pôvodne sa plánovalo vytvorenie dvoch rôznych jadrových projektorov. Prvým bol experimentálny produkt na testovanie na testovacom mieste a druhým bol letový model. V roku 1970 však boli tieto dva projekty spojené s cieľom vykonať terénne testy. Potom sa KBHA stala popredným vývojárom nového systému.
S využitím vývoja v predbežnom výskume v oblasti jadrového pohonu, ako aj s využitím existujúcej testovacej základne, bolo možné rýchlo určiť vzhľad budúceho 11B91 a začať plnohodnotný technický návrh.
Súčasne bol vytvorený komplex lavičiek „Bajkal“pre budúce testy na testovacom mieste. Nový motor bol navrhnutý na testovanie v podzemnom zariadení s úplným rozsahom ochrany. K dispozícii boli prostriedky na zber a usadzovanie plynnej pracovnej tekutiny. Aby sa predišlo emisiám žiarenia, musel byť plyn držaný v plynojemoch a až potom mohol byť uvoľnený do atmosféry. Vzhľadom na osobitnú náročnosť práce je komplex Bajkal vo výstavbe asi 15 rokov. Posledný z jeho predmetov bol dokončený po začiatku testov prvého.
V roku 1977 bola v komplexe Bajkal spustená do prevádzky druhá pracovná stanica pre pilotné závody, vybavená zariadením na dodávku pracovnej tekutiny vo forme vodíka. 17. septembra bolo vykonané fyzické uvedenie produktu 11B91 na trh. Elektrické spustenie sa uskutočnilo 27. marca 1978. 3. júla a 11. augusta boli vykonané dve požiarne skúšky s plnou prevádzkou produktu ako jadrového reaktora. Pri týchto testoch bol reaktor postupne uvádzaný na výkon 24, 33 a 42 MW. Vodík sa zahrial na 2 630 ° K. Začiatkom osemdesiatych rokov boli testované ďalšie dva prototypy. Vykazovali výkon až 62-63 MW a ohrievaný plyn až do 2500 ° K.
Projekt RD0410
Na prelome sedemdesiatych a osemdesiatych rokov išlo o vytvorenie plnohodnotného NRM, plne vhodného na inštaláciu na rakety alebo horné stupne. Bol vytvorený konečný vzhľad takého produktu a testy na testovacom mieste Semipalatinsk potvrdili všetky hlavné konštrukčné vlastnosti.
Hotový motor RD0410 sa výrazne líšil od existujúcich produktov. Vďaka iným princípom činnosti sa odlišovalo zložením jednotiek, rozložením a dokonca aj vzhľadom. RD0410 bol v skutočnosti rozdelený do niekoľkých hlavných blokov: reaktor, prostriedok na dodávku pracovnej tekutiny a výmenník tepla a dýza. Kompaktný reaktor obsadil centrálnu pozíciu a ostatné zariadenia boli umiestnené vedľa neho. YARD tiež potreboval samostatnú nádrž na kvapalný vodík.
Celková výška produktu RD0410 / 11B91 dosiahla 3,5 m, maximálny priemer bol 1,6 m. Hmotnosť, berúc do úvahy ochranu pred žiarením, bola 2 t. Vypočítaný ťah motora do prázdna dosiahol 35,2 kN alebo 3,59 tf. Špecifický impulz v prázdnote je 910 kgf • s / kg alebo 8927 m / s. Motor bolo možné zapnúť 10 -krát. Zdroj - 1 hod. Prostredníctvom určitých úprav v budúcnosti bolo možné zvýšiť charakteristiky na požadovanú úroveň.
Je známe, že zahrievaná pracovná tekutina takéhoto jadrového reaktora mala obmedzenú rádioaktivitu. Napriek tomu sa po testoch podarilo ubrániť a priestor, kde sa stojan nachádzal, museli na deň uzavrieť. Použitie takého motora v zemskej atmosfére bolo považované za nebezpečné. Zároveň by mohol byť použitý ako súčasť vyšších etáp, ktoré začínajú pracovať mimo atmosféru. Po použití by mali byť tieto bloky odoslané na zneškodňovaciu obežnú dráhu.
Ešte v šesťdesiatych rokoch sa objavila myšlienka vytvoriť elektráreň na báze jadrového reaktora. Vyhrievanú pracovnú tekutinu je možné privádzať do turbíny pripojenej k generátoru. Takéto elektrárne boli zaujímavé pre ďalší rozvoj astronautiky, pretože umožnili zbaviť sa existujúcich problémov a obmedzení v oblasti výroby elektriny pre palubné zariadenia.
V osemdesiatych rokoch sa myšlienka elektrárne dostala do štádia návrhu. Bol rozpracovaný projekt takéhoto výrobku na základe motora RD0410. Jeden z experimentálnych reaktorov IR-100 / IRGIT bol zapojený do experimentov na túto tému, počas ktorých zabezpečoval prevádzku 200 kW generátora.
Nové prostredie
Hlavná teoretická a praktická práca na tému sovietskeho NRE s jadrom v pevnej fáze bola dokončená v polovici osemdesiatych rokov. Priemysel by mohol začať vyvíjať posilňovací blok alebo inú raketovú a vesmírnu technológiu pre existujúci motor RD0410. S takýmito prácami sa však nikdy nezačalo včas a čoskoro sa ich štart stal nemožným.
V tejto dobe nemal vesmírny priemysel dostatok zdrojov na včasnú implementáciu všetkých plánov a myšlienok. Okrem toho sa čoskoro začala povestná perestrojka, ktorá ukončila množstvo návrhov a vývoja. Povesť jadrovej technológie vážne zasiahla černobyľská nehoda. Nakoniec v tom období nastali politické problémy. V roku 1988 boli všetky práce na YARD 11B91 / RD0410 zastavené.
Podľa rôznych zdrojov najmenej do začiatku roku 2000 niektoré objekty komplexu Bajkal stále zostali na testovacom mieste Semipalatinsk. Navyše, na jednom z tzv. experimentálny reaktor bol stále umiestnený na pracovisku. KBKhA sa podarilo vyrobiť plnohodnotný motor RD0410, vhodný na inštaláciu na budúci horný stupeň. Technika jej použitia však zostala v plánoch.
Po RD0410
Vývoj v oblasti jadrových raketových motorov našiel uplatnenie v novom projekte. V roku 1992 niekoľko ruských podnikov spoločne vyvinulo dvojrežimový motor s tuhým jadrom a pracovnou tekutinou vo forme vodíka. V režime raketového motora by takýto výrobok mal vyvinúť ťah 70 kN so špecifickým impulzom 920 s a výkonový režim poskytuje 25 kW elektrického výkonu. Takáto NRE bola navrhnutá na použitie v medziplanetárnych projektoch vesmírnych lodí.
V tej dobe bohužiaľ situácia nebola priaznivá pre vznik novej a odvážnej raketovej a vesmírnej technológie, a preto druhá verzia jadrového raketového motora zostala na papieri. Pokiaľ je známe, domáce podniky stále prejavujú určitý záujem o predmet NRE, ale realizácia takýchto projektov sa zatiaľ nezdá byť možná ani účelná. Napriek tomu je potrebné poznamenať, že v rámci predchádzajúcich projektov dokázali sovietski a ruskí vedci a inžinieri nahromadiť značné množstvo informácií a získať dôležité skúsenosti. To znamená, že keď nastane potreba a vznikne u nás zodpovedajúci poriadok, môže byť vytvorený nový NRE podobný tomu, ktorý bol testovaný v minulosti.
