Космические транспортные системы

Создание одноступенчатого космического корабля с газофазным ЯРД для полетов в глубины космоса ознаменует рождение космических транспортных систем [2].

Фиг.1. ЯРД с прозрачной ампулой.
1 - бак; 2 - насос; 3 - турбина; 4 - полость реактора; 5 - замедлитель-отражатель.

Такой космический корабль будет полностью приспособлен для выполнения коммерческих операций в 2000 г. и станет транспортным средством для состоятельных туристов, умеренно финансируемых научных работников и исследователей, а также будет выполнять текущие задачи при выполнении важных национальных программ, включающие создание космических станций и околопланетных форпостов. Космические двигательные системы будут обладать такой же надежностью, как и современные реактивные двигатели в авиатранспорте.

Вследствие преимуществ одноступенчатого космического корабля, стартующего с Земли, наиболее перспективным вариантом ЯРД с газофазной активной зоной является двигатель с прозрачной ампулой. Как показано на фиг.1, основной двигатель имеет несколько параллельных газофазных ядерных реакторов-полостей, заключенных в оболочку, работающую под высоким давлением. Жидкий водород нагнетается через замедлитель-отражатель и сопло, обеспечивая регенеративное охлаждение, и нагревается в полостях до очень высокой температуры за счет теплообмена излучением. После этого горячий водород расширяется в сопле и, истекая, создает тягу. Мощный насос, подающий под давлением жидкий водород, приводится в действие турбиной, работающей на водороде, который поступает из системы регенеративного охлаждения двигателя.

На фиг.2 схематически показана единичная полость ЯРД с прозрачной ампулой, в которой за счет вихревого движения потока образуется стабильное ядро из делящегося вещества. Вихревой поток создается тангенциальным впрыском оптически прозрачного охладителя, как указано на схеме. Реакция деления газообразного ядерного горючего повышает его температуру до нескольких тысяч градусов; температура на внешней границе зоны удержания горючего достигает 5500 - 27 500° К. Энергия из этой зоны передается главным образом тепловым излучением, которое проходит через прозрачную стенку, и поглощается газообразным рабочим телом - водородом, поглощательную способность которого увеличивают путем ввода небольшого количества вещества-присадки. Благодаря поглощению энергии теплового излучения средняя температура рабочего тела повышается до величины, составляющей ~80% от температуры на внешней границе зоны удержания горючего (4400 - 22 000° К). При расширении водорода с такой температурой в сопле удельная тяга составляет от 1100 до 5000 сек.

Фиг.2. Геометрия единичной полости ЯРД с прозрачной ампулой.
1- охладитель (гелий или неон); 2 - рабочее тело - водород Т = 4400 - 22 000° К; I_уд = 1100 - 5000 сек; 3 - прозрачная стенка; 4 - газообразное ядерное горючее, Т = 5500-27 500° К.

Двухслойная прозрачная стенка поглощает менее 1% энергии излучения, испускаемой ядерным горючим, которая затем уносится охладителем ампулы (например, гелием). Охлаждающий газ после ввода в полость служит буферной зоной для поглощения осколков деления, а также обеспечивает вращение ядра, образованного горючим. Для предотвращения конденсации горючего на стенке и для уменьшения ее нагрева за счет теплопроводности, конвекции и осколками деления необходимо отделить газообразное ядерное горючее от прозрачной стенки. Часть ядерного горючего и продуктов деления захватывается буферным газом, а затем отделяется от охлаждающего газа в регенеративно охлаждаемой системе рециркуляции, что позволяет осуществлять повторный впрыск горючего и охладителя в полость.

Согласно аналитическим оценкам, первый ЯРД с прозрачной ампулой будет иметь регенеративное охлаждение. Его удельная тяга будет равна 1500 - 2000 сек. Дальнейшее повышение удельной тяги двигателя будет связано с применением высокотемпературных космических излучателей для отвода энергии нейтронного и гамма-излучения, накопленной в стенках замедлителя. Такой вариант двигателя будет иметь удельную тягу в вакууме до 5000 сек при приемлемых значениях отношений тяги к весу двигателя.

Ввиду того что ЯРД с прозрачной ампулой обеспечивает надежное удержание ядерного горючего и продуктов деления при отношении тяги к весу, существенно большем единицы, его можно будет применять для выполнения задач вывода на орбиту одноступенчатого космического корабля, стартующего с Земли и ускоряющегося в пределах земной атмосферы.

Фиг.3. Характеристики космического корабля с ЯРД с прозрачной ампулой и регенеративным охлаждением.

На фиг.3 приведены характеристики горизонтально стартующего и выводимого на околоземную орбиту космического корабля с полезным грузом 90,8 т и стартовым весом менее 454 т. После выхода на околоземную орбиту корабль дополнительно заправляется для совершения полета к Луне или к планетам солнечной системы. Дополнительная заправка осуществляется путем повторного наполнения баков и (или) при стыковой связки баков в зависимости от назначения корабля. Регенеративно охлаждаемый ЯРД с удельной тягой 2000 сек способен обеспечить полет космического корабля к Луне и обратно, для чего нужны всего лишь две встречи с вспомогательными станциями на околоземной орбите: первая - для пополнения запасов водорода, затраченного для выхода на околоземную орбиту, а вторая - для пристыковки бака с дополнительным количеством рабочего тела. В усовершенствованном варианте маршевого ЯРД с удельной тягой 5000 сек будут применяться излучатели из жаропрочного композиционного материала на основе пиролитического графита и стекловолокна, благодаря чему двигатель сможет работать при более высоких температурах. Из фиг.4 видно, что космический корабль с таким двигателем сможет совершить полеты продолжительностью в один год к ближайшим планетам после 3 - 7 начальных заправочных стыковок на околоземной орбите.

Фиг.4. Характеристики космического корабля с ЯРД с прозрачной ампулой и охлаждением излучением.

Таблица 2

Дата добавления: 2015-07-16