Большая энциклопедия техники - Коллектив авторов

Ядерный ракетный двигатель

Ядерный ракетный двигатель – ракетный двигатель, принцип действия которого основан на ядерной реакции или радиоактивном распаде, при этом выделяется энергия, нагревающая рабочее тело, которым могут служить продукты реакций либо какое-то другое вещество, например водород. Существует несколько разновидностей ракетных двигателей, использующих вышеописанный принцип действия: ядерный, радиоизотопный, термоядерный. Используя ядерные ракетные двигатели, можно получить значения удельного импульса значительно выше тех, которые могут дать химические ракетные двигатели. Высокое значение удельного импульса объясняется большой скоростью истечения рабочего тела – порядка 8—50 км/с. Сила тяги ядерного двигателя сравнима с показателями химических двигателей, что позволит в будущем заменить все химические двигатели на ядерные.

Основным препятствием на пути полной замены является радиоактивное загрязнение окружающей среды, которое наносят ядерные ракетные двигатели.

Их разделяют на два типа – твердо– и газофазные. В первом типе двигателей делящееся вещество размещается в сборках-стержнях с развитой поверхностью. Это позволяет эффективно нагревать газообразное рабочее тело, обычно в качестве рабочего тела выступает водород. Скорость истечения ограничена максимальной температурой рабочего тела, которая, в свою очередь, напрямую зависит от максимально допустимой температуры элементов конструкции, а она не превышает 3000 K. В газофазных ядерных ракетных двигателях делящееся вещество находится в газообразном состоянии. Его удержание в рабочей зоне осуществляется посредством воздействия электромагнитного поля. Для этого типа ядерных ракетных двигателей элементы конструкции не являются сдерживающим фактором, поэтому скорость истечения рабочего тела может превышать 30 км/с. Могут быть использованы в качестве двигателей первой ступени, невзирая на утечку делящегося вещества.

В 70-х гг. XX в. в США и Советском Союзе активно испытывались ядерные ракетные двигатели с делящимся веществом в твердой фазе. В США разрабатывалась программа по созданию опытного ядерного ракетного двигателя в рамках программы NERVA Американцами был разработан графитовый реактор, охлаждаемый жидким водородом, который нагревался, испарялся и выбрасывался через ракетное сопло. Выбор графита был обусловлен его температурной стойкостью. По этому проекту удельный импульс полученного двигателя должен был вдвое превышать соответствующий показатель, характерный для химических двигателей, при тяге в 1100 кН. Реактор Nerva должен был работать в составе третьей ступени ракеты-носителя «Сатурн V», но в связи с закрытием лунной программы и отсутствием других задач для ракетных двигателей этого класса реактор так и не был опробован на практике.

В настоящее время в стадии теоретической разработки находится газофазный ядерный ракетный двигатель. В газофазном ядерном двигателе подразумевается использовать плутоний, медленно движущаяся газовая струя которого окружена более быстрым потоком охлаждающего водорода. На орбитальных космических станциях МИР и МКС проводились эксперименты, которые могут дать толчок к дальнейшему развитию газофазных двигателей.

На сегодняшний день можно сказать, что Россия немного «заморозила» свои исследования в области ядерных двигательных установок. Работа российских ученых больше ориентирована на разработку и совершенствование базовых узлов и агрегатов ядерных энергодвигательных установок, а также их унификацию. Приоритетным направлением дальнейших исследований в этой области является создание ядерных энергодвигательных установок, способных работать в двух режимах. Первым является режим ядерного ракетного двигателя, а вторым – режим установки генерирующей электроэнергии для питания аппаратуры, установленной на борту космического аппарата.

Ядерный реактор

Ядерный реактор – источник энергии космического аппарата. Применяется в случаях, когда отсутствует техническая возможность использования каких-либо других источников энергии, например изотопных источников или солнечной энергии. Первым ядерным реактором, который прошел стадию испытаний на стенде и был успешно использован на космическом аппарате, считается американский SNAP-10A Реактор был размещен на космическом аппарате «Snapshot», масса которого составляла 440 кг. Запуск был осуществлен в апреле 1965 г. ракетой-носителем «Атлас».

В качестве топлива использовался уран-235, гидрид циркония выполнял функцию замедлителя, а натрий-калиевый расплав являлся теплоносителем. Электрическая мощность реактора составляла от 500 до 650 Вт, которая обеспечивалась термоэлектрическим преобразователем. Срок работы реактора – 43 дня. В результате ряда сбоев и ошибочного сброса деталей конструкции отражателя реактора его работу пришлось прекратить.

Советская разработка «Ромашка», первый запуск которой был осуществлен в Институте атомной энергии и датируется августом 1964 г., представляла собой реактор на быстрых нейтронах и имела одинаковую с американским реактором тепловую мощность в 40 кВт. Термоэлектрический преобразователь, используемый в этом реакторе, был создан на основе кремний-германиевых полупроводниковых элементов и позволял получить электрическую мощность порядка 800 Вт.

Создание «Ромашки» было обусловлено работой в паре с импульсными плазменными двигателями, но со смертью С. П. Королева была остановлена дальнейшая работа над реактором. В результате чего он так и не был опробован в космосе.

Первый аппарат, который нес на своем борту ядерную установку, был запущен Советским Союзом 3 октября 1970 г.

Ядерная установка «Бук» разрабатывалась с начала 60-х гг. XX в. в НПО «Красная Звезда». Реактор на быстрых нейтронах БР-5А выдавал тепловую мощность порядка 100 кВт.

Выходная электрическая мощность реактора, в качестве топлива в котором использовался уран, составляла около 3 кВт, которая получалась с помощью полупроводникового термоэлектрического генератора, являвшегося разработкой Сухумского физико-технического института.

За период с 1970 по 1988 г. было запущено 32 космических аппарата, которые использовали в ходе своей работы этот реактор. По окончании работы радиационно опасная часть отделялась, в результате чего становилась очередным техногенным объектом, который впоследствии стали называть «космическим мусором».

Раздел 20. Робото– и кибертехнологии

Военные роботы Irobot Packbot (робот-сапер)

iRobot Packbot (Робот-сапер) – компания «iRobot» разработала новый вид роботов, которые смогут заменить человека для проведения некоторых действий, опасных для людей.

Новая версия этого робота (iRobot Packbot 510) имеет усовершенствованное шасси, которое повышает маневренность и позволяет преодолевать некоторые виды препятствий, среди которых могут быть даже лестницы. Новая встроенная камера теперь стала цветной и может поворачиваться около своей оси на угол до 220°. К другим немаловажным характеристикам камеры относится 312-кратное увеличение, автоматическая фокусировка изображения, а также режим ночного видения. Как утверждают разработчики, новая версия этого робота имеет более простое управление, которое ведется с помощью всем известных джойстиков (геймпадов) и цифрового экрана, который связывается со встроенной камерой робота посредством радиосигналов частотой 2,4 ГГц. Связь может вестись на расстоянии до 1 км. Автономно работать робот может от 4 до 24 ч благодаря дополнительному аккумулятору. Робот может поднимать объекты весом до 13,5 кг, несмотря на то что его собственный вес составляет около 19 кг. Техническая характеристика робота: длина – 88 см, ширина – 51 см, высота – 19 см. Скорость робота может достигать 2,6 м/с (9,36 км/ч).

На сегодняшний день около 800 таких роботов по всему миру делают свою работу.

Домашний робот Irobot Rumba

iRobot Rumba – разработка компании «iRobot». Этот вид роботов предназначен для оказания помощи человеку в ведении домашнего хозяйства, в частности – чистки пола. Rumba использует искусственный интеллект для определения площади поверхности пола, а также определяет время выполнения в соответствии с параметрами комнаты. Превосходно очищает твердые поверхности, такие как дерево, линолеум, плитка, ковер и др. С помощью сенсоров робот может обнаруживать стены, обходя их стороной. Также возможно добавление виртуальной стены, чтобы ограничить область очистки. Rumba способен обнаруживать и обходить ступеньки. Дополнительные сенсоры обнаруживают большие скопления грязи. На подобные места робот тратит больше времени.

Высокоэффективный вакуум имеет широкий путь очищения и состоит из трех этапов очистки. Это вращающиеся щетки, которые способны очищать местность от крупных объектов, и вакуум, способный засасывать мелкие объекты, грязь, шерсть домашних животных и т. д.