Отечественные ракеты-носители. (часть II)

ОТЕЧЕСТВЕННЫЕ РАКЕТЫ-НОСИТЕЛИ. (ЧАСТЬ II)

ТЕРМОХИМИЧЕСКИЕ РАКЕТНЫЕ ДВИГАТЕЛИ

Из повседневной практики известно, что в двигателе внутреннего сгорания, топке парового котла - всюду, где происходит сгорание, самое активное участие принимает атмосферный кислород. Без него нет горения. В космическом пространстве воздуха нет, поэтому для работы ракетных двигателей необходимо иметь топливо, содержащее два компонента - горючее и окислитель.
В жидкостных термохимических ракетных двигателях в качестве горючего используется спирт, керосин, бензин, анилин, гидразин, димстилгидразин, жидкий водород, а в качестве окислителя - жидкий кислород, пероксид водорода, азотная кислота, жидкий фтор. Горючее и окислитель для ЖРД хранятся раздельно, в специальных баках и под давлением или с помощью насосов подаются в камеру сгорания, где при их соединении развивается температура 3000 - 4500 °С.
Продукты сгорания, расширяясь, приобретают скорость 2500-4500 м/с, создавая реактивную тягу. Чем больше масса и скорость истечения газов, тем больше сила тяги двигателя. Насосы подают топливо к головке двигателя, в которой смонтировано большое число форсунок. Через одни из них в камеру впрыскивается окислитель, через другие - горючее. В любой машине при сгорании топлива образуются большие тепловые потоки, нагревающие стенки двигателя. Если не охлаждать стенки камеры, то она быстро прогорит, из какого материала ни была бы сделана. ЖРД, как правило, охлаждают одним из компонентов топлива. Для этого камеру делают двухстеночной. В зазоре между стенками протекает компонент топлива.
Большой удельный импульс тяги создает двигатель, работающий на жидком кислороде и жидком водороде. В реактивной струе этого двигателя газы мчатся со скоростью немногим больше 4 км/с. Температура струи около 3000°С, и состоит она из перегретого водяного пара, который образуется при сгорании водорода в кислороде. Основные данные типичных топлив для ЖРД (на Земле) приведены в таблице.

ЯДЕРНЫЕ РАКЕТНЫЕ ДВИГАТЕЛИ

Один из основных недостатков ракетных двигателей, работающих на жидком топливе, связан с ограниченной скоростью истечения газов. В ЯРД представляется возможным использовать колоссальную энергию, выделяющуюся при разложении ядерного горючего для нагревания рабочего тела. Принцип действия ЯРД почти не отличается от принципа действия термохимических двигателей. Разница заключается в том, что рабочее тело нагревается не за счет собственной химической энергии, а за счет «посторонней» энергии, выделяющейся при внутриядерной реакции. Рабочее тело пропускается через ядерный реактор, в котором происходит реакция деления атомных ядер (например, урана), и при этом нагревается.
У ЯРД отпадает необходимость в окислителе и поэтому может быть использована только одна жидкость. В качестве рабочего тела целесообразно применять вещества, позволяющие двигателю развивать большой удельный импульс тяги. Этому условию наиболее полно удовлетворяет водород, затем следует аммиак, гидразин и вода. Процессы, при которых выделяется ядерная энергия, подразделяют на радиоактивные превращения, реакции деления тяжелых ядер, реакции синтеза легких ядер. Радиоактивные превращения реализуются в так называемых изотопных источниках энергии. Удельная массовая энергия (энергия, которую может выделить вещество массой 1 кг) искусственных радиоактивных изотопов значительно выше, чем химических топлив. Так, для ²¹⁰Р₀ она равна 5 х 10⁸ кДж/кг, в то время как для наиболее энергопроизводительного химического топлива (бериллий с кислородом) это значение не превышает 3 x 10⁴ кДж/кг.
К сожалению, подобные двигатели применять на космических ракетах-носителях пока не рационально. Причина этого - высокая стоимость изотопного вещества и трудности эксплуатации. Ведь изотоп выделяет энергию постоянно, даже при его транспортировке в специальном контейнере, при стоянке ракеты на старте. В ядерных реакторах используется более энергопроизводительное топливо. Так, удельная массовая энергия ²³⁵U (делящегося изотопа урана) равна 5 х 10⁹ кДж/кг, т. е. примерно на порядок выше, чем у изотопа ²¹⁰Р₀. Эти двигатели можно «включать» и «выключать», ядерное горючее (²³³U, ²³⁵U, ²³⁸U, ²³⁹Pu) значительно дешевле изотопного. У таких двигателей могут применяться эффективные рабочие вещества - спирт, аммиак, жидкий водород. Удельный импульс тяги двигателя с водородом около 9000 Н*с/кг.
Простейшая схема ЯРД с реактором, работающим на твердом ядерном горючем, показана на рис.. Рабочее тело помещено в баке. Насос подает его в камеру двигателя. Распыляясь с помощью форсунок, рабочее тело вступает в контакт с тепловыделяющим ядерным горючим, нагревается, расширяется и с большой скоростью выбрасывается через сопло наружу. Ядерное горючее по запасу энергии превосходит любой другой вид топлива. Так почему же установки на этом горючем имеют сравнительно небольшую удельную тягу и большую массу? Дело в том, что удельная тяга твердофазного ЯРД ограничена температурой делящегося вещества, а энергетическая установка при работе испускает сильное ионизирующее излучение, оказывающее вредное действие на живые организмы и материалы.

ЯДЕРНЫЙ РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

В земных условиях атомный реактор, являющийся главной частью атомных электростанций, окружают толстыми бетонными стенами. Конечно, такой вид защиты не пригоден на космических летательных аппаратах (КЛА). Какая же защита экипажа от проникающей радиации, возникающей при работе атомного реактора, возможна на КЛА? По-видимому, ядерная энергетическая установка во время работы должна находиться не на борту, а на некотором расстоянии от аппарата. При такой схеме нейтроны и гамма-лучи будут рассеиваться в космическом пространстве, минуя корпус КЛА, но все же какая-то часть излучения будет попадать в помещение, где находятся люди, и от нее также нужна защита в виде экранов из металлических пластин. Но толщина - это масса, а увеличение массы для космических объектов очень нежелательно.
Экраном, защищающим человека от потока заряженных частиц и гамма-лучей, может служить свинец. Взаимодействуя с атомами свинца, эти излучения быстро поглощаются, но для нейтронов даже толстые свинцовые стены не преграда. Эти частицы хорошо замедляются в водородосодержашей среде и очень сильно поглощаются ядрами атомов некоторых элементов: кадмия, гафния, гадолиния. Тонкая пластинка из этих металлов, установленная после водородосодержащего экрана, преграждает путь почти всем нейтронам. Практические разработки ЯРД, использующих твердое ядерное горючее, были начаты в середине 50-х годов, т. е. одновременно с введением в строй первых атомных электростанций.
Существуют и более экзотические проекты ядерных ракетных двигателей, в которых делящееся вещество находится в жидком, газообразном или даже в плазменном состоянии, однако реализация подобных логически возможных конструкций при современном уровне техники встречает значительные трудности.

ОТЕЧЕСТВЕННЫЕ РАКЕТЫ-НОСИТЕЛИ. (ЧАСТЬ II)