Космические двигатели будущего - Александр Дмитриев

Наиболее удачным конструктивным решением, позволяющим обойти эти проблемы (потеря мощности и метеоритный пробой), является использование тепловых труб. Тепловая труба представляет собой канал с циркулирующим теплоносителем, на внутренних стенках которого с зазором располагается так называемый фитиль (в простейшем случае это мелкоячеистая сетка). Предварительно откачанная труба заполняется жидкостью в количестве, достаточном для заполнения зазора между фитилем и стенкой трубы, где она удерживается затем капиллярными силами.

В тепловой трубе различают зоны нагрева, переноса тепла и охлаждения. В холодильнике-излучателе две последние зоны, как правило, совмещены. Тепло, подводимое к зоне нагрева, испаряет жидкость, пары которой проходят через отверстия фитиля во внутреннее пространство трубы и устремляются к зоне охлаждения. Там происходит конденсация жидкости с передачей тепла конденсации стенкам трубы, от которых оно отводится излучением. Жидкость, образовавшаяся в результате конденсации, возвращается капиллярными силами, создающимися в фитиле и в зазоре между фитилем и стенкой трубы, назад в зону нагрева.

Такой процесс теплопередачи настолько эффективен, что, например, сейчас испытаны трубы, передающие тепловой поток 10 кВт на каждый 1 см2 поперечного сечения трубы на расстояние в несколько метров при перепаде температур между концами трубы менее 0,01 К. Это эквивалентно теплопередаче сплошного стержня с коэффициентом теплопроводности, в несколько тысяч раз превышающим соответствующее значение для меди. С тепловыми трубами по возможностям транспортировки тепла могут конкурировать лишь системы с жидкометаллическим теплоносителем, но в них требуются затраты работы на прокачку.

Рис. 6. Схема пылевого холодильника-излучателя: 1 — насос, 2 — теплообменник, 3 — ферромагнитная пыль, 4 — обмотка соленоида, 5 — силовые линии магнитного поля

Из тепловых труб собирается поверхность холодильника-излучателя. Зона подвода тепла может либо непосредственно контактировать с охлаждаемым узлом, либо омываться промежуточным теплоносителем. Поскольку для создания излучающей поверхности нужно использовать много тепловых труб, а их каналы могут быть между собой несвязанными, то повреждение одной или нескольких труб метеоритом лишь несущественно скажется на работе всей установки.

Возможны схемы теплосброса, когда теплоносителем является ферромагнитная пыль (рис. 6), которая прокачивается насосом через теплообменник, снимая отработанное тепло энергоустановки, и выбрасывается во внешнее пространство. Там они захватываются и возвращаются снова на вход насоса. В магнитном поле ферромагнитные частицы, сцепляясь друг с другом, выстраиваются вдоль силовых линий, создавая излучающую оболочку. При достаточной магнитной проницаемости вещества пыли все внешнее магнитное поле оказывается сосредоточенным в этой оболочке и не происходит его бесполезного рассеяния.

Преимуществом такого типа холодильника-излучателя является его полная неуязвимость к поражению метеоритами, а также малые размеры при транспортировке энергоустановки с поверхности Земли на орбиту спутника, так как при этом пыль может находиться в малогабаритном контейнере. В настоящее время эта схема находится еще в стадии теоретических проработок. Ее реализация сдерживается отсутствием легких и экономичных источников магнитного поля.

Импульсные двигатели на микровзрывах и фотонный двигатель. Принцип действия импульсных ядерных ракетных двигателей (ИЯРД), схемы которых приведены на рис. 7, а и б, заключаются в том, что над поверхностью массивного отражателя производятся периодические ядерные или термоядерные взрывы. Существенными элементами ИЯРД являются источник магнитного поля, которое препятствует попаданию заряженных продуктов реакции на поверхность отражателя, и демпфер, служащий для сглаживания импульсной нагрузки, передаваемой ракете.

Обычно в таких двигателях в результате воздействия взрыва испаряется либо материал отражателя, либо рабочее тело, подаваемое на поверхность отражателя. Кроме того, для улучшения условий протекания ядерной реакции, увеличения доли прореагировавших атомов и уменьшения температуры взрыва ядерный заряд заключают в достаточно толстую оболочку пассивного вещества. В результате отбрасываемая масса будет состоять в основном из веществ, не принимающих участие в реакции (водород, литий и др.), и скорость истечения в таких двигателях ограничена 100 км/с.

Если будут найдены удовлетворительные технические решения для охлаждения отражателя без испарения его материала и удастся осуществить ядерную реакцию без образования оболочки, окружающей заряд, то скорости истечения в таких двигателях могут приблизиться к теоретически возможным величинам — 105 км/с. При этом ИЯРД будут иметь меньшую удельную массу, чем электрические двигатели, ибо доля отводимого тепла у них будет существенно меньше (для электрических двигателей она составляет 75–90 % от мощности ядерной установки), а теплообмен можно осуществлять при более высокой температуре. В результате площадь и соответственно масса холодильника-излучателя будут существенно меньше.

Рис. 7. Схемы импульсных двигателей (а — на трансурановых элементах, б — термоядерный двигатель): 1 — космический корабль, 2 — демпфер, 3 — система подачи ядерного горючего, 4 — отражатель, 5 — зона взрыва, 6 — система преобразования энергии, 7 — обмотка для создания магнитного поля, 8 — система поджига реакции (ускорители заряженных частиц или лазеры)

Для ядерных реакций деления основной проблемой является сокращение массы ядерного горючего, необходимой для самоподдерживающейся ядерной реакции (критическая масса). Для широкоиспользуемого в настоящее время ядерного горючего из урана-235 и плутония критическая масса настолько велика (скажем, 1 и 3 кг), что из-за слишком большой энергии, выделяемой при взрыве такой массы, исключается прямое применение этих элементов в ИЯРД.

Существенно уменьшить критическую массу можно либо увеличивая плотность делящегося вещества путем его сжатия давлением в 1014 — 1015 Па, либо переходя к химическим элементам с большими ядерными массами — трансурановым элементам. Современная техника позволяет создавать импульсные давления требуемой величины, но это возможно лишь при использовании сложных и тяжелых устройств, которые более целесообразно применить для реакций синтеза. Поэтому в качестве горючего в ИЯРД деления могут быть использованы лишь трансурановые элементы (в первую очередь калифорний-252).

Критическая масса калифорния равна примерно 7 г, и при взрыве такой массы выделяется 1010 Дж. Схема двигателя с использованием калифорния приведена на рис. 7, а. В ней с помощью специальных ускорителей, расположенных на периферии отражателя, выстреливаются частицы калифорния, которые одновременно, сталкиваясь, образуют в сумме критическую массу, инициируя ядерный взрыв. Причем за счет сжатия, возникающего при столкновении частиц, критическая масса может быть уменьшена в 1,5–2 раза. Взрывы повторяются до тех пор, пока ракета не наберет нужную скорость: для разгона ракеты с конечной массой 100 т до скорости 10 км/с нужно несколько килограмм калифорния.

Однако двигатели с использованием трансурановых элементов при всей их принципиальной простоте обладают рядом существенных недостатков и едва ли могут быть осуществлены в ближайшее время. Калифорний очень дорог, он отсутствует в природе и его получают облучением тяжелых элементов в протонных ускорителях или мощными нейтронными потоками. При этом полезный выход калифорния очень мал, и, например, производство калифорния в США в 60-х годах составляло всего около 1 г в год. Поскольку период полураспада калифорния-252 составляет 2,5 года, то при таком уровне производства вообще невозможно накопить критическую массу.

И наконец, если нужное количество калифорния будет получено, то хранить его на ракете возможно лишь в виде малых частиц, разделенных большим количеством поглотителя нейтронов, что увеличивает массу двигателя. Кроме того, при взрыве трансурановых элементов образуются тяжелые осколки деления, которые трудно задержать магнитным полем отражателя, и большое количество нейтронов, практически не взаимодействующих с магнитным полем. В результате охлаждение конструкции двигателя становится трудноразрешимой проблемой.

Запас калифорния можно несколько сократить, если в зону взрыва через интервал времени 10–6 — 10–5 с подавать уран примерно в тех же количествах, что и калифорний. При этом в нейтронном потоке, созданном взрывом калифорния, будет происходить выгорание урана. Затем через такой же интервал времени можно подать следующую порцию урана. Таким образом будет организована каскадная реакция, но она является затухающей и после 3–5 циклов необходимо вновь взрывать калифорний.