Колонизация солнечной системы.Проекты (СИ) - Черненко Дмитрий Витальевич - Страница 3

Для достижения максимальной температуры водорода на выходе эти стержни содержали переменное по длине количество урана - чем ближе к 'горячему' концу, то есть к соплу, тем меньше было делящегося материала. Назвали это 'физическим профилированием'. Конструкторы жертвовали компактностью реактора ради экономии водорода - тепловые потоки такой величины, как на 'холодном' конце стержня, где перепад температур достигал 25000С, были невозможны на горячем, разница температур между ядерным топливом и водородом уменьшалась в 10 раз - во столько же нужно было снизить теплопоток. На этом удалось выиграть еще 3500С выходной температуры.

По барабану

При такой конструкции реактора регулирующие нейтронный поток органы тоже пришлось вынести наружу. В традиционных реакторах это стержни, размещенные более или менее равномерно по объему. В ЯРД реактор был окружен отражателем нейтронов из бериллия, в который были врезаны барабаны, покрытые с одной стороны поглотителем нейтронов. В зависимости от того, какой стороной барабаны были обращены к активной зоне, они поглощали больше или меньше нейтронов, что и использовалось для управления реактором. К этой схеме пришли в итоге и американцы.

Ядерное топливо для реактора ЯРД - это отдельная, тоже очень объемная работа. Для исследования свойств материалов при таких условиях пришлось построить специальный опытный реактор ИГР, в котором исследуемый ТВЭЛ мог иметь температуру на 10000С больше, чем основной объем активной зоны. В два с половиной раза был в этом месте больше и поток нейтронов. Вот только испытания эти были кратковременными - но об этом позже.

Композитное топливо

В результате топливо стало композитом, как стеклопластик, из карбидов урана и вольфрама или циркония, причем при такой высокой температуре кристаллы карбида вольфрама придавали ему прочность, а карбид урана заполнял пространство между ними. И тут наши обошли американцев - заокеанские ядерщики уже научились использовать карбид урана вместо обычного для ядерной энергетики оксида и комбинировать его с карбидами других металлов, но до композитной структуры в своих исследованиях не дошли. Выпуском столь сложного ядерного материала занималось подольское НПО 'Луч'.

На Семипалатинском полигоне, в 50 километрах от места испытаний первой ядерной бомбы, для реакторов ЯРД был построен специальный стендовый комплекс 'Байкал'. 'Планов громадьё' предусматривало в нем две очереди, но реализована была только первая. Из-за этого не было возможности испытать реактор с жидким водородом, да и испытания с газообразным сжатым удалось провести не в полном объеме. Тем не менее были построены два рабочих места, одно с реактором ИВГ-1, другое для реактора ИРГИТ. Реактор ИВГ-1 был многоцелевым, он мог использоваться и как стендовый прототип будущего ЯРД тягой 20−40 тонн, и как стенд для испытания новых видов ядерного топлива. Старенький ИГР, заложенный еще при жизни Курчатова (Игорь Васильевич в шутку называл его ДОУД-3), мог работать только в импульсном режиме, так как вовсе не имел охлаждения и выделявшееся тепло разогревало активную зону до 30000C за несколько секунд, после чего требовался многочасовой перерыв. ИВГ мог работать до двух часов подряд, что давало возможность изучить долговременное влияние условий работы на ядерное топливо. Именно с него и началась в 1972 году работа на 'Байкале'. Несмотря на водяной замедлитель, водород, охлаждающий ядерное топливо, мог нагреваться до 25000C, а в специальном центральном канале можно было получить и все 30000C!

Подмосковный полигон

В это же время в подмосковных Химках шла отработка турбонасосного агрегата, агрегатов автоматики и управления и других механизмов, которые из реактора делают ЯРД. А вот самого реактора в составе этого 'холодного' двигателя и не было - подогрев водорода в специальных теплообменниках происходил от обычных кислород-водородных горелок. Остальные агрегаты полностью соответствовали настоящему двигателю. Например, для уменьшения выноса углерода из ТВЭЛов горячим водородом в активную зону приходилось добавлять гептан. Этот углеводород - фактически бензин для зажигалок, только очень тщательно очищенный, - нужен был в небольшом количестве, 1−1,5% от массы водорода. Такая малая добавка не влияла на удельный импульс двигателя, но для достижения нужной эффективности насоса тот должен был вращаться со скоростью почти 170 000 об./мин, то есть почти втрое быстрее гироскопов в системах управления ракет того времени! Однако к 1977 году все задачи удалось решить и агрегаты могли работать часами.

Наземные полеты

И вот наконец 27 марта 1978 года состоялось первое 'горячее' испытание реактора 11Б91-ИР-100 (ИРГИТ) - такое имя получил будущий ЯРД. Это был так называемый энергетический пуск. Параметры его были весьма скромными, мощность 25 МВт (примерно 1/7 от проектной), температура водорода - 15000С, время работы а этом режиме - 70 секунд. Но не подумайте, что наши инженеры на 19 лет отставали от американцев! Очень скоро, в июле и августе 1978 года, тот же реактор на огневых испытаниях показал гораздо более высокие результаты! Была достигнута мощность сначала 33 МВт, а потом и 42 МВт и температура водорода в 23600С. Реактор мог бы работать и дальше, но решено было остальные работы проводить со вторым экземпляром аппарата, а этот снять со стенда и разобрать, чтобы проверить, как испытание повлияло на реактор и топливо внутри него.

Вплоть до середины 1980-х годов испытания продолжались, мощность росла, и при каждом испытании нагрев водорода был близок к предельному, что отличало эти испытания от американских. В Соединенных Штатах двигателисты гнались за мощностью (в одном из испытаний она достигала 4400 МВт), а в СССР - за эффективностью ЯРД, критерием которой служила температура рабочего тела. Почти все проектные характеристики были подтверждены за время испытаний.

Примерно в 1985 году РД-0410 (по другой системе обозначений 11Б91) мог бы совершить своей первый космический полет. Но для этого нужно было разработать разгонный блок на его основе. К сожалению, эта работа не была заказана ни одному космическому КБ, и тому есть множество причин. Главная из них - так называемая Перестройка. Необдуманные шаги привели к тому, что вся космическая отрасль мгновенно оказалась 'в опале' и в 1988 году работы по ЯРД в СССР (тогда еще существовал СССР) были прекращены. Произошло это не из-за технических проблем, а по сиюминутным идеологическим соображениям. А в 1990-м году умер идейный вдохновитель программ ЯРД в СССР Виталий Михайлович Иевлев...

Советские проекты--"Журавли в небе"

Первый - это газофазный ЯРД. Совершенно фантастический на первый взгляд реактор, в котором ядерное топливо находилось бы в парообразном виде. Он позволял поднять температуру водорода еще раз в пять-шесть, по крайней мере в теории, и достичь удельного импульса в 2000 секунд, как у нынешних электрореактивных двигателей на ксеноне, но при в тысячи раз большей тяге.

Другой - это двухрежимная установка, способная при отлете от Земли работать в режиме ЯРД с нагревом водорода, а дальше - в электрогенерирующем режиме, снабжая энергией связку ЭРД, которые давали бы удельный импульс, недоступный и газофазному ЯРД, а малая величина тяги компенсировалась бы большим временем работы. Эта установка получила индекс 11Б97 и дошла до стадии проработки отдельных узлов. Однако из-за распада СССР оба 'журавля' остались без финансирования.

Грузы:

Завод для добычи руды с астероида.

Завод металлургический.

Завод металлопроката.

Ядерные двигатели.

Вторая ступень ядерные двигатели с испытанием на Новой Земле.

В СССР ядерный двигатель небольшой мощности испытывался на Семипалатинском

полигоне.