In het verleden waren de leidende landen op zoek naar fundamenteel nieuwe oplossingen op het gebied van motoren voor raket- en ruimtetechnologie. De meest gedurfde voorstellen hadden betrekking op de oprichting van de zogenaamde. kernraketmotoren gebaseerd op een splijtstofreactor. In ons land leverde het werk in deze richting echte resultaten op in de vorm van een experimentele RD0410-motor. Desalniettemin slaagde dit product er niet in om zijn plaats te vinden in veelbelovende projecten en om de ontwikkeling van de binnenlandse en wereldruimtevaart te beïnvloeden.
Voorstellen en projecten
Al in de jaren vijftig, enkele jaren voor de lancering van de eerste satelliet en een bemand ruimtevaartuig, werden de vooruitzichten voor de ontwikkeling van raketmotoren op chemische brandstof bepaald. Dit laatste maakte het mogelijk om zeer hoge kenmerken te verkrijgen, maar de groei van de parameters kon niet oneindig zijn. In de toekomst moesten de motoren "het plafond raken" van hun capaciteiten. In dit opzicht waren voor de verdere ontwikkeling van raket- en ruimtesystemen fundamenteel nieuwe oplossingen nodig.
Gebouwd, maar niet getest door RD0410 NRM
In 1955, academicus M. V. Keldysh kwam met een initiatief om een raketmotor te maken met een speciaal ontwerp, waarin een kernreactor als energiebron zou fungeren. De ontwikkeling van dit idee werd toevertrouwd aan NII-1 van het Ministerie van Luchtvaartindustrie; VM Ievlev. In de kortst mogelijke tijd hebben de specialisten de hoofdzaken uitgewerkt en twee opties voorgesteld voor een kansrijke NRE met de beste eigenschappen.
De eerste versie van de motor, aangeduid als "Schema A", stelde het gebruik voor van een reactor met een vaste-fase kern en vaste warmtewisselingsoppervlakken. De tweede optie, "Schema B", voorzag in het gebruik van een reactor met een actieve zone in de gasfase - de splijtstof moest in plasmatoestand zijn en de thermische energie werd door middel van straling op de werkvloeistof overgebracht. Deskundigen vergeleken de twee regelingen en beschouwden optie "A" als succesvoller. In de toekomst was hij het die het meest actief werd uitgewerkt en zelfs volwaardige tests bereikte.
Parallel met de zoektocht naar de optimale ontwerpen van de NRE, werden de problemen van het creëren van een wetenschappelijke, productie- en testbasis uitgewerkt. Dus in 1957 V. M. Ievlev stelde een nieuw concept voor om te testen en te verfijnen. Alle belangrijke structurele elementen moesten op verschillende stands worden getest en pas daarna konden ze tot een enkele structuur worden samengevoegd. In het geval van Schema A impliceerde deze benadering de creatie van grootschalige reactoren voor testen.
In 1958 verscheen een gedetailleerde resolutie van de Raad van Ministers, die de koers van het verdere werk bepaalde. MV Keldysh, I. V. Kurchatov en S. P. Korolev. Bij NII-1 werd een speciale afdeling gevormd, onder leiding van V. M. Ievlev, die een nieuwe richting zou inslaan. Ook waren enkele tientallen wetenschappelijke en ontwerporganisaties bij het werk betrokken. De deelname van het Ministerie van Defensie was gepland. Het werkschema en andere nuances van het uitgebreide programma werden bepaald.
Vervolgens gingen alle projectdeelnemers op de een of andere manier actief met elkaar om. Daarnaast zijn er in de jaren zestig twee keer conferenties gehouden, uitsluitend gewijd aan het onderwerp kernwapens en aanverwante zaken.
Testbasis
Als onderdeel van het NRE-ontwikkelingsprogramma werd voorgesteld om een nieuwe aanpak toe te passen voor het testen en testen van de benodigde eenheden. Tegelijkertijd stonden de specialisten voor een serieus probleem. De verificatie van sommige producten zou plaatsvinden in een kernreactor, maar het uitvoeren van dergelijke activiteiten was buitengewoon moeilijk of zelfs onmogelijk. Het testen kan worden gehinderd door economische, organisatorische of milieuproblemen.
Brandstof montageschema voor IR-100
In dit verband werden nieuwe methoden ontwikkeld om producten te testen zonder het gebruik van kernreactoren. Dergelijke controles werden opgedeeld in drie fasen. De eerste betrof de studie van processen in de reactor op modellen. Vervolgens moesten de componenten van de reactor of motor mechanische en hydraulische "koude" tests doorstaan. Pas daarna moesten de assemblages worden gecontroleerd onder hoge temperatuuromstandigheden. Afzonderlijk, nadat alle componenten van de NRE op de stands waren uitgewerkt, was het mogelijk om te beginnen met het assembleren van een volwaardige experimentele reactor of motor.
Om eenheden in drie fasen te testen, hebben verschillende ondernemingen verschillende stands ontwikkeld en gebouwd. Techniek voor testen bij hoge temperatuur is van bijzonder belang. Tijdens de ontwikkeling was het noodzakelijk om nieuwe technologieën voor het verwarmen van gassen te creëren. Van 1959 tot 1972 ontwikkelde NII-1 een aantal krachtige plasmatrons die gassen verwarmden tot 3000 ° K en het mogelijk maakten om tests op hoge temperatuur uit te voeren.
Vooral voor de ontwikkeling van "Schema B" was het nodig om nog complexere apparaten te ontwikkelen. Voor dergelijke taken was een plasmatron vereist met een uitgangsdruk van honderden atmosfeer en een temperatuur van 10-15 duizend K. Tegen het einde van de jaren zestig verscheen de technologie van gasverwarming op basis van zijn interactie met elektronenstralen, waardoor het mogelijk om de gewenste eigenschappen te verkrijgen.
De resolutie van de Raad van Ministers voorzag in de bouw van een nieuwe faciliteit op de testlocatie van Semipalatinsk. Daar was het nodig om een testbank en een experimentele reactor te bouwen voor het verder testen van splijtstofassemblages en andere componenten van de NRE. Alle hoofdstructuren werden gebouwd in 1961 en tegelijkertijd vond de eerste opstart van de reactor plaats. Vervolgens werd de polygoonuitrusting meerdere keren verfijnd en verbeterd. Verschillende ondergrondse bunkers met de nodige bescherming waren bedoeld om de reactor en het personeel te huisvesten.
In feite was het project van een veelbelovende NRM een van de meest gedurfde ondernemingen van zijn tijd, en leidde daarom tot de ontwikkeling en constructie van een massa unieke apparaten en testinstrumenten. Al deze stands maakten het mogelijk om veel experimenten uit te voeren en een grote hoeveelheid gegevens van verschillende aard te verzamelen, geschikt voor de ontwikkeling van verschillende projecten.
Schema A
Terug in de late jaren vijftig, de meest succesvolle en veelbelovende versie van het motortype "A". Dit concept stelde de bouw voor van een kernreactor op basis van een reactor met warmtewisselaars die verantwoordelijk zijn voor het verwarmen van de gasvormige werkvloeistof. Het uitwerpen van de laatste door het mondstuk moest de vereiste stuwkracht creëren. Ondanks de eenvoud van het concept, ging de implementatie van dergelijke ideeën gepaard met een aantal moeilijkheden.
FA-model voor IR-100-reactor
Allereerst ontstond het probleem van de materiaalkeuze voor de constructie van de kern. Het ontwerp van de reactor moest bestand zijn tegen hoge thermische belastingen en de vereiste sterkte behouden. Bovendien moest het thermische neutronen passeren, maar tegelijkertijd geen eigenschappen verliezen door ioniserende straling. Ook in de kern werd een ongelijkmatige warmteontwikkeling verwacht, wat nieuwe eisen stelde aan het ontwerp.
Om oplossingen te zoeken en het ontwerp te verfijnen, werd een speciale workshop georganiseerd bij NII-1, die modelbrandstofassemblages en andere kerncomponenten moest maken. In deze fase van het werk werden verschillende metalen en legeringen, evenals andere materialen getest. Voor de vervaardiging van brandstofassemblages kunnen wolfraam, molybdeen, grafiet, hoge-temperatuurcarbiden, enz. worden gebruikt. Ook werd er gezocht naar beschermende coatings om vernietiging van de constructie te voorkomen.
In de loop van de experimenten werden de optimale materialen voor de vervaardiging van afzonderlijke componenten van de NRE gevonden. Bovendien was het mogelijk om de fundamentele mogelijkheid te bevestigen om een specifieke impuls in de orde van 850-900 s te krijgen. Dit gaf de veelbelovende motor de hoogste prestaties en een aanzienlijk voordeel ten opzichte van chemische brandstofsystemen.
De reactorkern was een cilinder van ongeveer 1 m lang en 50 mm in diameter. Tegelijkertijd werd overwogen om 26 varianten van brandstofassemblages met bepaalde kenmerken te maken. Op basis van de resultaten van volgende tests werden de meest succesvolle en effectieve geselecteerd. Het gevonden ontwerp van brandstofsamenstellen voorzag in het gebruik van twee brandstofsamenstellingen. De eerste was een mengsel van uranium-235 (90%) met niobium of zirkoniumcarbide. Dit mengsel werd gevormd in de vorm van een gedraaide staaf met vier bundels met een lengte van 100 mm en een diameter van 2,2 mm. De tweede samenstelling bestond uit uranium en grafiet; het was gemaakt in de vorm van zeshoekige prisma's van 100-200 mm lang met een binnenkanaal van 1 mm met een voering. De staven en prisma's werden in een afgesloten hittebestendige metalen behuizing geplaatst.
Tests van assemblages en elementen op de testlocatie in Semipalatinsk begonnen in 1962. Gedurende twee jaar hebben er 41 reactoropstartingen plaatsgevonden. Allereerst zijn we erin geslaagd om de meest effectieve versie van de kerninhoud te vinden. Alle belangrijke oplossingen en kenmerken werden ook bevestigd. In het bijzonder waren alle eenheden van de reactor bestand tegen thermische en stralingsbelastingen. Zo bleek dat de ontwikkelde reactor in staat is om zijn hoofdtaak op te lossen: gasvormige waterstof verwarmen tot 3000-3100 ° K bij een bepaald debiet. Dit alles maakte het mogelijk om een volwaardige nucleaire raketmotor te gaan ontwikkelen.
11B91 over "Baikal"
Begin jaren zestig werd begonnen met de totstandkoming van een volwaardige NRE op basis van bestaande producten en ontwikkelingen. Allereerst heeft NII-1 de mogelijkheid onderzocht om een hele familie raketmotoren met verschillende parameters te creëren, geschikt voor gebruik in verschillende rakettechnologieprojecten. Van deze familie waren zij de eersten die een motor met lage stuwkracht ontwierpen en bouwden - 36 kN. Zo'n product zou later kunnen worden gebruikt in een veelbelovende bovenste trap, geschikt om ruimtevaartuigen naar andere hemellichamen te sturen.
IRGIT-reactor tijdens montage
In 1966 begonnen NII-1 en het Chemical Automatics Design Bureau samen te werken om de toekomstige nucleaire raketmotor vorm te geven en te ontwerpen. Al snel kreeg de motor indexen 11B91 en RD0410. Het belangrijkste element was een reactor genaamd IR-100. Later kreeg de reactor de naam IRGIT ("Onderzoeksreactor voor groepsstudies van TVEL"). Aanvankelijk was het de bedoeling om twee verschillende nucleaire projectoren te maken. Het eerste was een experimenteel product om op de testlocatie te testen en het tweede was een vliegmodel. In 1970 werden de twee projecten echter gecombineerd met het oog op het uitvoeren van veldproeven. Daarna werd KBHA de leidende ontwikkelaar van het nieuwe systeem.
Door gebruik te maken van de ontwikkelingen in vooronderzoek op het gebied van nucleaire voortstuwing, maar ook door gebruik te maken van de bestaande testbasis, was het mogelijk om snel het uiterlijk van de toekomstige 11B91 te bepalen en te beginnen met een volwaardig technisch ontwerp.
Tegelijkertijd werd het bankcomplex "Baikal" gecreëerd voor toekomstige tests op de testlocatie. De nieuwe motor werd voorgesteld om te worden getest in een ondergrondse faciliteit met een volledige reeks bescherming. Er werd voorzien in middelen voor het verzamelen en bezinken van de gasvormige werkvloeistof. Om emissie van straling te voorkomen, moest het gas in gashouders worden bewaard en pas daarna in de atmosfeer worden vrijgegeven. Vanwege de bijzondere complexiteit van het werk is het Baikal-complex al ongeveer 15 jaar in aanbouw. De laatste van zijn objecten werden voltooid na de start van de tests op de eerste.
In 1977 werd op het Baikal-complex een tweede werkstation voor proeffabrieken in gebruik genomen, uitgerust met een middel om een werkvloeistof in de vorm van waterstof te leveren. Op 17 september vond de fysieke lancering van het 11B91-product plaats. Power start-up vond plaats op 27 maart 1978. Op 3 juli en 11 augustus werden twee brandproeven uitgevoerd met de volledige werking van het product als kernreactor. Bij deze proeven werd de reactor stapsgewijs op 24, 33 en 42 MW gebracht. De waterstof werd verwarmd tot 2630°K. Begin jaren tachtig werden nog twee andere prototypes getest. Ze toonden een vermogen tot 62-63 MW en verwarmd gas tot 2500 ° K.
RD0410-project
Begin jaren zeventig en tachtig was het zaak om een volwaardige NRM te creëren, volledig geschikt voor installatie op raketten of boventrappen. Het uiteindelijke uiterlijk van een dergelijk product werd gevormd en tests op de testlocatie in Semipalatinsk bevestigden alle belangrijke ontwerpkenmerken.
De afgewerkte RD0410-motor was merkbaar anders dan bestaande producten. Het onderscheidde zich door de samenstelling van de eenheden, de lay-out en zelfs het uiterlijk, vanwege andere werkingsprincipes. In feite was RD0410 verdeeld in verschillende hoofdblokken: een reactor, middelen voor het toevoeren van een werkvloeistof en een warmtewisselaar en een mondstuk. De compacte reactor nam een centrale plaats in en de rest van de apparaten werd ernaast geplaatst. Ook had de YARD een aparte tank nodig voor vloeibare waterstof.
De totale hoogte van het RD0410 / 11B91-product bereikte 3,5 m, de maximale diameter was 1,6 m. Het gewicht, rekening houdend met stralingsbescherming, was 2 ton. De berekende stuwkracht van de motor in de leegte bereikte 35,2 kN of 3,59 tf. De specifieke impuls in de leegte is 910 kgf • s / kg of 8927 m / s. De motor kon 10 keer worden aangezet. Resource - 1 uur Door middel van bepaalde aanpassingen in de toekomst was het mogelijk om de kenmerken op het vereiste niveau te brengen.
Het is bekend dat de verwarmde werkvloeistof van een dergelijke kernreactor een beperkte radioactiviteit had. Desalniettemin werd het na de tests verdedigd en moest het gebied waar de stand stond een dag worden afgesloten. Het gebruik van een dergelijke motor in de atmosfeer van de aarde werd als onveilig beschouwd. Tegelijkertijd kan het worden gebruikt als onderdeel van hogere trappen die buiten de atmosfeer beginnen te werken. Na gebruik moeten dergelijke blokken naar de verwijderingsbaan worden gestuurd.
Al in de jaren zestig ontstond het idee om een elektriciteitscentrale te bouwen op basis van een kernreactor. Het verwarmde werkfluïdum kan worden toegevoerd aan een turbine die is aangesloten op een generator. Dergelijke centrales waren interessant voor de verdere ontwikkeling van de ruimtevaart, omdat ze het mogelijk maakten om de bestaande problemen en beperkingen op het gebied van het opwekken van elektriciteit voor boordapparatuur weg te werken.
In de jaren tachtig bereikte het idee van een energiecentrale de ontwerpfase. Een project van een dergelijk product op basis van de RD0410-motor werd uitgewerkt. Een van de experimentele reactoren IR-100 / IRGIT was betrokken bij experimenten over dit onderwerp, waarbij het zorgde voor de werking van een 200 kW-generator.
Nieuwe omgeving
Het belangrijkste theoretische en praktische werk over het onderwerp van de Sovjet-NRE met een vaste-fase-kern werd halverwege de jaren tachtig voltooid. De industrie zou kunnen beginnen met het ontwikkelen van een boosterblok of andere raket- en ruimtetechnologie voor de bestaande RD0410-motor. Dergelijke werken werden echter nooit op tijd gestart en al snel werd hun start onmogelijk.
Op dat moment beschikte de ruimtevaartindustrie niet over voldoende middelen om alle plannen en ideeën tijdig uit te voeren. Bovendien begon al snel de beruchte Perestrojka, die een einde maakte aan de massa voorstellen en ontwikkelingen. De reputatie van nucleaire technologie werd zwaar aangetast door het ongeluk in Tsjernobyl. Ten slotte waren er in die periode politieke problemen. In 1988 werden alle werkzaamheden aan de YARD 11B91 / RD0410 stopgezet.
Volgens verschillende bronnen, althans tot het begin van de jaren 2000, bleven sommige objecten van het Baikal-complex nog steeds op de testlocatie van Semipalatinsk. Bovendien, op een van de zogenaamde. de proefreactor stond nog op de werkplaats. KBKhA slaagde erin een volwaardige RD0410-motor te fabriceren, geschikt voor installatie op een toekomstige boventrap. De techniek om het te gebruiken bleef echter in de plannen.
Na RD0410
De ontwikkelingen op het gebied van nucleaire raketmotoren hebben hun toepassing gevonden in een nieuw project. In 1992 ontwikkelden een aantal Russische ondernemingen gezamenlijk een motor met twee modi met een vaste-fase kern en een werkvloeistof in de vorm van waterstof. In de raketmotormodus zou een dergelijk product een stuwkracht van 70 kN moeten ontwikkelen met een specifieke impuls van 920 s, en de vermogensmodus levert 25 kW elektrisch vermogen. Zo'n NRE werd voorgesteld voor gebruik in interplanetaire ruimtevaartuigprojecten.
Helaas was de situatie op dat moment niet bevorderlijk voor het creëren van nieuwe en gedurfde raket- en ruimtetechnologie, en daarom bleef de tweede versie van de nucleaire raketmotor op papier. Voor zover bekend, tonen binnenlandse bedrijven nog steeds een zekere interesse in het onderwerp NRE, maar de uitvoering van dergelijke projecten lijkt nog niet mogelijk of opportuun. Niettemin moet worden opgemerkt dat Sovjet- en Russische wetenschappers en ingenieurs in het kader van eerdere projecten een aanzienlijke hoeveelheid informatie hebben kunnen verzamelen en belangrijke ervaring hebben opgedaan. Dit betekent dat wanneer een behoefte zich voordoet en een overeenkomstige bestelling zich voordoet in ons land, een nieuwe NRE kan worden gecreëerd, vergelijkbaar met degene die in het verleden is getest.
