Техника - молодёжи 1963-01, страница 5

I ATOM Z

Современные двигатели, использующие химическое топливо, рано или поздно утратят свою монополию в освоении космоса. Ведь для того чтобы космический корабль с кабиной весом в 10 т смог облететь, скажем. Марс и вернуться на Землю, Потребуется создать гигантскую ракету со стартовым весом примерно в 15 тыс. т. А если лететь дальше — к Юпитеру, Сатурну, Плутону? Тут уже запасы химического топлива будут исчисляться астрономическими цифрами. Ведь сила реактивной отдачи, или тяга двигателя, будет тем больше, чем больше расход топлива и чем быстрее оно отбрасывается назад, то есть чем выше скорость истечения. Значит, чтобы сэкономить на топливе и не тащить с собой в космос огромные запасы горючего, нужно увеличить скорость истечения. Скорость истечения является мерой экономичности двигателя. Оне Показывает, насколько эффективно используется топливо. В химических же Двигателях скорость истечения ограничена самой природой горючего и не может превосходить 4,5 нм/сек.

Совершенно новые перспективы открывают ядерные, электрические и фотонные двигатели. Фотонные ракеты, в которых тяга создается за счет отбрасывания назад электромагнитного излучения, пока относятся к области фантастики. Зато ядерные и электрические (тоже использующие энергию атома) двигатели — это реальность наших дней (см. вкладку).

Существуют три способа извлечения ядерной энергии. Первый из них — синтез ядер легких элементов. Он дает максимальную энергию, но пока эта ре-вкция осуществляется только при взрыве водородных бомб. Для космического же путешествия, естественно, нужен не взрыв, а устойчивая, управляемая реакция. Пока эта проблема не решена современной наукой. Поэтому говорить о конкретном использовании термоядерных двигателей еще рано. Второй способ — использование отдачи частиц, выбрасываемых ядрами тяжелых элементов при радиоактивном распаде. Третий способ — реакция деления ядер тяжелых элементов, которая, будучи легкорегулируемой, сейчас щироко используется в энергетике.

Естественно, что последний способ легче всего реализовать, используя уже имеющиеся технические достижения.

При делении ядер атомов освобождается приблизительно в десять миллионов раз больше энергии, чем при горении лучших химических топлив. Такая энергоемкость резко сокращает

^запась'-орюч«го, необходимые для космических _пут«шествий. Стартовый вес атомных pa.%q\ уменьшится в десятки раз по сравне_{чю с} химическими.

В методах ис1,_{льзования} энергии деления ядер мож₀ выделить два принципиальных нап_{Ьвпения}. Первое — непосредственный _подогрев рабочего тела, в качестве ко_{орого чаще} всего используется водоро, во втором направлении ядерный реактор используется в сочетании с _электрическим двигателем.

АТОМНАЯ «ТОПКА»

Наиболее простым из проектов первого направления является «летающий реактор», или реактор с твердыми стенками. В нем водород, охлаждая ураиово-графитовые стержни, разогревается и, вылетая через сопло, создает тягу. Но при этом водород нельзя разогреть свыше 3000°, так как стержни начинают разрушаться. И хотя в сравнении с химическими такой двигатель более эффективен, скорости истечения будут относительно небольшие — 8— 12 км/сек.

Лучше проект жидкостного ядерного двигателя. Водород просачивается через слой жидкого карбида урана, прижатого к стенкам центробежной силой. Здесь он нагревается до более высокой температуры. Но и тут разрушение стенок создает температурный барьер.

Газовый реактор, где водород смешивается с газообразным ураном, лишен этого недостатка. Здесь водород принципиально можно разогреть до любой температуры. И скорость истечения при этом резко возрастет. Но достигается это дорогой ценой, так как вместе с водородом выбрасывается отнюдь не дешевый уран. Стало быть, нужно придумать какую-нибудь ловушку и заставить уран снова и снова подогревать водород.

Так появилась идея вихревого газового реактора. В цилиндрическую камеру по касательной к ее стенкам вдувается водород. Через специальные отверстия вводится уран, который закручивается «водородным ветром». Возникает своеобразный смерч. В нем газообразный уран отжимается от стенок водородом и образует цилиндрическую урановую Зону. Водород просачивается сквозь эту зону, нагреваясь за счет столкновений с осколками ядер, и, попав в центральную часть камеры, вылетает в сопло с огромной скоростью — до 50 км/сек.

Но, пожалуй, еще более перспектив-

П0 МАТЕРИАЛАМ ЖУРНАЛА „ВОПРОСЫ РАКЕТНОЙ ТЕХНИКИ" N9 5 за 1860 г., fft 4, 7,10 за 1961 г. и Ns I, 3, 4, 6, 9 за 1962 г.

ным является коаксиальный газовый реактор. В ием создается поток газообразного урана, текущий по центру камеры навстречу движению водорода. Свечение раскаленного уранового «шнура» нагревает водород. Основное преимущество такого двигателя — минимум потерь ядерного топлива.

Рассмотренные атомные двигатели с подогревом рабочего тела в принципе могут целиком заменить химические. Они гораздо экономичнее их. Тяги у иих того же порядка, что и у химических, поэтому они могут самостоятельно взлетать с поверхности планет. Применять такие двигатели будут, очевидно, на пассажирских или скоростных грузовых ракетах. А теперь перейдем ко второму направлению в конструировании (дерных двигателей.

ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ НА БОРТУ

Здесь ядерный реактор используется как источник электрической энергии, которая необходима для разгона рабочего тела в любом ускорителе. Для получения электроэнергии можно использовать термоэлектронные генераторы. Такой генератор представляет собой две изолированные пластины. Нижняя пластина — катод — соприкасается с разогретым отражателем нейтронов реактора. За счет этого она разогревается и испускает электроны, которые попадают на верхнюю пластину — анод. Возникает электрический ток.

В турбогенераторе жидкий натрий охлаждает урановые стержни. Полученное тепло передается, например, ртути в специальном теплообменнике. Пары ртути раскручивают турбину, насаженную на один вал с электромотором.

Оба описанных типа используются в сочетании с электрическим или электромагнитным ускорителем. С помощью ядерно-электрических двигателей можно получить скорости истечения до 100 км/сек.

По сравнению с химическим в таком двигателе расход топливе на килограмм тяги уменьшается примерно в 30 раз. Но у двигателя есть свой недостаток: его тяга очень мала. Поэтому он может применяться лишь после того, как ракета вышла на орбиту. А для старта приходится обращаться за помощью к опытным «ветеранам» — химическим ракетам, которые могут создавать колоссальные тяги, необходимые для преодоления земного притяжения.

Дело в том, что в космосе нет сопротивления среды. Любая, даже очень