オリオン計画で船尾に原子爆弾を投げるという考えはあまりにも残酷であることが判明しましたが、合成は言うまでもなく核分裂反応によって生成されるエネルギーの量は宇宙飛行士にとって非常に魅力的です。 したがって、多くの非インパルスシステムが作成され、数百の核爆弾を船上に保管したり、サイクロピーショックアブソーバーの問題を解消した。 今日はそれらについてお話します。
指の核物理学
核反応とは何ですか？ 非常に簡単に説明すると、写真はおよそ次のようになります。 学校のカリキュラムから、物質は分子、原子の分子、陽子、電子、中性子の原子で構成されていることを覚えています（レベルは下にありますが、これで十分です）。 いくつかの重原子には興味深い特性があります-中性子がそれらに入ると、それらはより軽い原子に崩壊し、いくつかの中性子を放出します。 これらの放出された中性子が近くの他の重い原子に入ると、崩壊が繰り返され、核連鎖反応が起こります。 高速での中性子の動きは、中性子が減速するとこの動きが熱に変わることを意味します。 したがって、原子炉は非常に強力なヒーターです。 彼らは水を沸かすことができ、その結果生じる蒸気はタービンに送られ、原子力発電所を得ることができます。 そして、水素を加熱して廃棄し、核ジェットエンジンを手に入れることができます。 最初のエンジンはこの考えから生まれました-NERVAとRD-0410。
ネルバ
プロジェクトの歴史
原子ロケットエンジンの発明の正式な著者（特許）は、リチャードファインマンに属します。彼の回想録によると、「もちろん、冗談だよ、ファインマンさん」。 ちなみに、本は読むことを強くお勧めします。 ロスアラモス研究所は、1952年に核ロケットエンジンの開発を開始しました。 1955年、ローバープロジェクトが開始されました。 プロジェクトの最初の段階であるKIWIでは、8つの実験炉が建設され、1959年から1964年にかけて、炉心を通る作動流体のパージが研究されました。 一時的な参照のために、Orionプロジェクトは1958年から1965年まで存在しました。 ローバーには2段目と3段目があり、より大きな出力の原子炉を研究しましたが、NERVAは1964年に宇宙で最初の試験打ち上げを計画しているため、キーウィに基づいています 締め切りは徐々に移り、1966年にNERVA NRX / ESTエンジン（EST-Engine System Test）の最初の地上打ち上げが行われました。 エンジンは2時間正常に機能し、そのうち28分はフルスロットルでした。 2番目のNERVA XEエンジンは28回起動され、合計115分間作動しました。 このエンジンは宇宙技術に適していることがわかり、テスト台は新しく組み立てられたエンジンをテストする準備ができていました。 NERVAには明るい未来があるように見えました-1978年の火星への飛行、1981年の月の恒久的な基地、軌道タグ。 しかし、プロジェクトの成功は議会でパニックを引き起こしました-月プログラムは米国にとって非常に高価であり、火星のプログラムはさらに高価でした。 1969年と1970年、宇宙への資金は大幅に削減されました。アポロ-18.19と20はキャンセルされ、誰も火星計画に巨額の資金を割り当てませんでした。 その結果、プロジェクトの作業は金銭の深刻な補充なしで行われ、結果として1972年に閉鎖されました。
建設業
タンクからの水素が原子炉に入り、そこで加熱され、放出されて、反応性推力が発生しました。 水素は軽い原子を持っているので、作動流体として選ばれ、高速でそれらを分散させるのが簡単です。 ジェット排気の速度が高いほど、ロケットエンジンの効率が上がります。
中性子反射器を使用して中性子を原子炉に戻し、核連鎖反応を維持しました。
制御棒を使用して、原子炉を制御しました。 そのようなロッドはそれぞれ、反射鏡と中性子吸収体の2つの半分で構成されていました。 中性子反射器によってロッドが回転すると、原子炉内の中性子束が増加し、原子炉の熱伝達が増加しました。 中性子吸収体によってロッドが回転すると、原子炉内の中性子束が減少し、原子炉は熱伝達を減少させました。
ノズルを冷却するために水素も使用され、ノズル冷却システムからの温かい水素がターボポンプを回転させ、水素の新しい部分を供給しました。
エンジンは作動中です。 爆発の脅威を回避するために、ノズルの出口で水素が特に燃焼されました;空間での燃焼はありません。
NERVAエンジンは34トンの推力を生み出し、J-2エンジンはサターンVロケットの第2段と第3段にありましたが、J-2エンジンの約1.5分の1でした。 特定のインパルスは800〜900秒で、酸素と水素の燃料ペアを使用した最高のエンジンの2倍でしたが、電気推進エンジンやオリオンエンジンよりも小さくなりました。
セキュリティについて少し
まだ作動していない新しい燃料集合体を備えた、新しく組み立てられて発射されていない原子炉は十分きれいです。 ウランは有毒であるため、手袋を使用する必要がありますが、それ以上は必要ありません。 リモートコントローラー、リードウォールなどは必要ありません。 中性子の散乱、シェルの原子の冷却、冷却剤などにより、放射性の汚れはすべて原子炉の起動後に現れます。 そのため、このようなエンジンでロケット事故が発生した場合、大気と表面の放射能汚染は少なく、もちろん、オリオンの通常の打ち上げよりもはるかに少ないでしょう。 始動が成功した場合、エンジンは上空で、またはすでに宇宙で始動しなければならないため、感染は最小限または完全になくなります。
RD-0410
ソビエトRD-0410エンジンにも同様の話があります。 エンジンのアイデアは、ロケットおよび核技術の先駆者の間で40代後半に生まれました。 Roverプロジェクトのように、最初のアイデアは弾道ミサイルの第1段階の原子ジェットエンジンでした。その後、開発は宇宙産業に移りました。 RD-0410はよりゆっくりと開発され、国内の開発者は気相NREのアイデアに夢中になりました（これについては以下で詳しく説明します）。 このプロジェクトは1966年に開始され、80年代半ばまで続いた。 ミッション「Mars-94」は、1994年の火星への有人飛行であるエンジンのターゲットとして呼び出されました。
RD-0410スキームはNERVAに似ています-水素はノズルを通過し、リフレクターを冷却して冷却し、炉心に供給され、そこで加熱されて排出されます。
その特性において、RD-0410はNERVAよりも優れていました-炉心温度はNERVAの2000 Kではなく3000 Kであり、比インパルスは900秒を超えていました。 RD-0410はNERVAよりも軽くてコンパクトで、推力が10倍少なくなりました。
エンジンテスト。 左下のサイドトーチは、爆発を防ぐために水素に火をつけます。
固相NREの開発
反応器の温度が高いほど、作動流体の流量が大きくなり、エンジンの比推力が高くなることを覚えています。 NERVAまたはRD-0410の温度上昇を妨げるものは何ですか？ 事実、両方のエンジンで燃料要素は固体状態にあります。 温度を上げると、それらは溶けて水素とともに飛び出します。 したがって、より高い温度では、核連鎖反応を実行する他の方法を考え出す必要があります。
核燃料塩エンジン
核物理学では、臨界質量のようなものがあります。 投稿の最初に連鎖核反応を覚えておいてください。 核分裂性原子が互いに非常に近い場合（たとえば、特別な爆発からの圧力によって圧迫された場合）、原子爆発が発生します-非常に短時間で大量の熱が発生します。 原子がそれほど密に押し出されていないが、核分裂からの新しい中性子束が増加すると、熱爆発が発生します。 このような状態の従来の原子炉は故障します。 ここで、核分裂性物質（ウラン塩など）の水溶液を取り、それらを燃焼室に連続的に供給し、臨界質量以上のものを提供することを想像してください。 それは、反応した核燃料と水を加速する熱により、継続的に燃焼する核「キャンドル」を生成します。
このアイデアは1991年にRobert Zubrinによって提案され、さまざまな推定によると、1300から6700 sの特定の衝動が、牽引で測定され、トン単位で測定されます。 残念ながら、このようなスキームには欠点もあります。
- 燃料貯蔵の複雑さ-タンク内での連鎖反応を避ける必要があります。例えば、燃料を中性子吸収材からの細いチューブに入れると、タンクが複雑になり、重く、高価になります。
- 核燃料の大量消費-事実は、反応の効率（崩壊数/使用済み原子数）が非常に低いことです。 原子爆弾であっても、核分裂性物質は完全に「燃え尽きる」ことはなく、貴重な核燃料の大部分はそこで無駄になります。
- 地上試験はほとんど不可能です-そのようなエンジンの排気は非常に汚れており、オリオンよりも汚れています。
- 核反応の制御についていくつかの質問があります-スキームの簡単な口頭での説明が実装しやすいという事実ではありません。
気相NRE
次のアイデアは、中心に核反応がある作動流体の渦を作成するとどうなるでしょうか？ この場合、コアの高温は作動流体に吸収されて壁に到達せず、数万度に上昇する可能性があります。 そこで、オープンサイクル気相NREのアイデアが生まれました。
気相NREは、最大3000〜5000秒の特定のインパルスを約束します。 ソ連では、気相NREプロジェクト（RD-600）が開始されましたが、レイアウト段階には達しませんでした。
「オープンサイクル」とは、核燃料が廃棄されることを意味し、もちろん効率が低下します。 したがって、次のアイデアが発明され、弁証論的に固相NREに戻ります-放射熱を伝達する十分に耐熱性のある物質で核反応領域を取り囲みましょう。 数万度では熱が放射によって伝達され、容器の材料は透明でなければならないため、石英がそのような物質として提案されました。 その結果、閉サイクル気相NRE、つまり「核電球」が得られます。
この場合、「バルブ」シェルの熱強度がコアの温度の制限になります。 クオーツの融点は摂氏1700度であり、アクティブ冷却により温度を上げることができますが、いずれにしても、特定のインパルスは開回路（1300〜1500秒）よりも低くなりますが、核燃料はより経済的に消費され、排気はよりクリーンになります。
代替プロジェクト
固相NREの開発に加えて、独自のプロジェクトもあります。
核分裂フラグメントエンジン
このエンジンのアイデアは、作動流体の不足です-使用済み核燃料を放出します。 最初のケースでは、未臨界ディスクは核分裂性物質で作られており、それ自体では連鎖反応を開始しません。 しかし、ディスクが中性子反射板を備えた原子炉ゾーンに配置されると、連鎖反応が始まります。 そして、ディスクの回転と作動流体の欠如により、崩壊した高エネルギー原子がノズル内に飛び去り、推力が発生します。崩壊した原子はディスク上に残り、次のディスク回転の機会を得ません。
さらに興味深いアイデアは、核燃料ナノ粒子の崩壊生成物が電場によってイオン化されて放出され、牽引力を生み出す核分裂性物質からダストプラズマ（ISSの「プラズマ結晶」を思い出してください）を作成することです。
彼らは1,000,000秒の素晴らしい特定の衝動を約束します。 熱意は、開発が理論的研究のレベルにあるという事実によって冷やされています。
フュージョンエンジン
さらに遠い将来、核融合エンジンの作成。 原子炉が爆弾とほぼ同時に作成された核崩壊反応とは異なり、熱核反応炉は明日から今日までまだ移動しておらず、核融合反応はオリオンスタイルでしか使用できません。
核光子ロケット
理論的には、光子を反射することでトラクションを生成できる程度までコアを暖めることができます。 技術的な制限がないにもかかわらず、現在の技術レベルのエンジンは不利です。推力は小さすぎます。
放射性同位元素ロケット
RTGからの作動流体を加熱する完全に動作するロケットになります。 しかし、RTGは比較的少ない熱を放出するため、このようなエンジンは非常に非効率ですが、非常に単純です。
おわりに
現在の技術レベルでは、NERVAまたはRD-0410のスタイルでソリッドステートNREを組み立てることができます-技術は習得されています。 しかし、そのようなエンジンは、特定のインパルスで「核反応器+ ERE」の束を失い、牽引力で勝ちます。 そして、より高度なオプションはまだ紙面にしかありません。 したがって、個人的には「リアクター+ ERD」の組み合わせがより有望だと思います。
情報源
主な情報源は、英語版のウィキペディアと、その中にリンクとして示されているリソースです。 逆説的に、NREに関する興味深い記事があります- 固相NREと気相NRE 。 核分裂片とほこりの多いプラズマエンジンに関する記事。