книги из ГПНТБ / Мелькумов Т.М. Теория двигателей. I. Теория ракетных двигателей. II. Применение ядерной энергии в силовых установках [учебник]

быть получены в газофазном реакторе. Простейшая схема ракет­ ного двигателя с газофазным реактором приведена на фиг. 15.3. Здесь в камеру реакции вводится через одну систему форсунок делящийся материал, находящийся в жидкой фазе или в виде взвеси в подходящем жидком веществе (например, замедлите­ ле) .' Через другую систему форсунок вводится рабочее тело. Пока в камеру не будет введено определенное количество делящегося материала, реакция деления не будет иметь место. Лишь при до­ стижении критической массы начнется процесс деления и выделе­ ние энергии. Величина критической массы зависит от свойств за­ медлителя и рабочего тела, от рода и'свойств делящегося веще­ ства, от размеров камеры и от экранировки двигателя. Размер камеры определяется, кроме того, давлением в камере и абсо­ лютной тягой двигателя. Энергия, выделяющаяся в результате управляемого процесса деления, повышает температуру рабочего тела до нужной величины.

Очевидно, объем активной збны газофазного реактора будет всегда больше объема твердофазного реактора при одинаковых давлениях, несмотря на то, что в последнем случае необходимо развивать достаточные поверхности для теплопередачи. Газо­ фазный реактор обладает двумя существенными преимуще­ ствами.

Во-первых, с конструктивной точки зрения он прост, так как в активной зоне нет никаких деталей; однако эта простота оку­ пается усложнением задачи организации процесса, о чем будет речь ниже.

Во-вторых, отсутствие конструктивных элементов в активной зоне позволяет повысить температуру продуктов истечения до 5000—6000°С и выше. Однако столь высокие температуры требу­ ют специальных забот об охлаждении стенок камеры и особенно сопла. Эта задача здесь более трудная, чем в обычных ЖРД, так как удельные тепловые потоки выше.

Весьма сложным является процесс в газофазном реакторе. Если не принять специальных мер, делящееся вещество будет пе­ ремешиваться с рабочим телом, отдавая ему энергию деления, и будет вытекать вмесде с ним через сопло. Хотя при этом возраста­ ет тяга двигателя за счет массы делящегося вещества, однако по­ теря делящегося вещества нежелательна. Необходимо свести эти потери к минимуму; вместе с тем нужно найти подходящий спо­ соб передачи энергии рабочему телу. В настоящее время еще нет конкретных, проверенных решений проблемы организации про­ цесса.

При вводе рабочего тела и делящегося вещества с замедли­ телем необходимо максимально исключить возможность их сме­ шения. Следовательно, в камере должны быть зоны, занятые только (или преимущественно) делящимся веществом, и зоны, через которые протекает рабочее тело. Затем необходимо развить достаточные поверхности соприкосновения рабочего тела с деля--

393

щимся веществом для передачи нужного количества тепла; при этом следует помнить, что оба вещества находятся в газообраз­ ной фазе. Очевидно, нельзя избежать некоторого обмена массами на поверхностях теплообмена и некоторой потери делящегося ве­ щества.

В иностранной литературе указывается, например, что для удержания делящегося материала в камере можно создать вихре­ вые потоки, вследствие чего радиальный градиент парциального давления тяжелого газа будет больше градиента легкого рабоче­ го газа и концентрация урана на периферии будет повышенной. Однако для передачи тепла рабочему телу последнее должно проходить к центру через периферийное облако с высоким содер­ жанием урана. Организация такого процесса подлежит еще раз­ работке и изучению.

I

Фиг. 15.4. Схема ракетного двигателя с электромагнитной обмоткой камеры:

/—насос рабочего телч; 2 —регулирующее устройство; 3—насос ядерного горючего; 4—регулирующее устройст­ во; <5—форсунки ядерного горючего; б-форсунки рабоче­ го тела; 7—обмотка камеры

Для уменьшения потерь делящегося вещества можно вос­ пользоваться и тем обстоятельством, что при высоких температу­ рах рабочее тело и делящийся материал ионизируются, т. е. моле­ кулы и атомы освобождают один или несколько электронов. Сте­ пень ионизации делящегося вещества много выше, чем у рабоче­ го тела, следовательно, электрические свойства плазмы рабоче­ го тела и делящегося вещества будут различны. Благодаря это­ му с помощью электрического тока, протекающего через обмот­ ку вокруг камеры, можно препятствовать утечке делящегося материала. Схема такого устройства показана на фиг. 15.4. Ко­ нечно, при этом будет несколько снижаться и скорость рабочего тела в камере.

Необходимо указать еще на трудность управления газофаз­ ным реактором из-за возможного колебания давления в форсун­ ках обеих систем и случайных колебаний величины потери деля­

394

щегося вещества через сопло. Наконец, в таком реакторе могут наблюдаться колебания давления различной частоты, вызванные системой подачи и самим процессом в камере.

лением в камере и с замедляющими свойствами самого рабочего тела. После достижения условий критичности в камере необходи­ мо точно выдержать соотношение всех компонентов (делящегося вещества, рабочего тела и замедлителя).

выше этих*). Поскольку активная зона находится в газообраз­ ном состоянии и при высоких температурах (> 5000°С), ее объ­ ем получается значительным даже при высоких давлениях.

Комбинированный реактор может быть выполнен различным образом. Возможно представить себе часть активной зоны, запол­ ненной твердофазным реактором, в каналах которого протекает рабочее тело, нагревающееся до максимально возможной темпе­ ратуры. Через другие, специальные каналы поступает делящееся вещество, подача которого, после достижения условий критично­ сти, регулируется так, чтобы компенсировать потери через сопло. В зависимости от соотношения масс делящегося материала в твердой и газообразной фазе' будут изменяться общий объем активной зоны и температура газов перед соплом. Чем больше доля твердой фазы, тем меньше размеры камеры реакции, но и меньше температура газов. Для облегчения задачи охлаждения цтенок может оказаться полезным обложить стенки камеры и ча­ сти сопла твердофазным веществом с высокой температурой плавления и с малой теплопроводностью, в котором находится только замедлитель или замедлитель с делящимся веществом и которое омывается рабочим телом. Так как основная доля объе­ ма активной зоны обусловлена замедлителем, количество которо­ го в реакторе больше, чем делящегося материала, а плотность меньше, то такое решение может привести к заметному уменьше­ нию общего объема камеры.

Применение газофазных и комбинированных реакторов тре­ бует такой организации хранения делящегося вещества в баках,

*) По материалам иностранной печати концентрация делящегося мате­ риала уменьшается с увеличением размеров активной зоны и составляет ме­ нее 0,8-10 ~ !) з/сж’.

395

которая исключает возможность самопроизвольного возникнове­ ния реакции деления.

Использование в ракетных двигателях реакторов (особенно газофазных и комбинированных) делает продукты истечения радиоактивными; поэтому ядерные ракетные двигатели могут быть безопасно применены во второй и следующих ступенях ра­ кеты, запускаемой с Земли, или с орбиты искусственного спут­ ника.

§15.2. КОМБИНИРОВАННОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЯДЕРНОЙ

ИХИМИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

Вракетном двигателе возможно применение твердофазного-

реактора для нагрева двух веществ — окислителя и горючего

споследующей химической реакцией между ними за реактором.

Вэтом случае температура продуктов сгорания будет выше мак­ симально допустимой '• температуры элементов реактора. Хотя тепловой эффект реакции уменьшается с увеличением начальной температуры из-за возрастающего влияния диссоциации продук­ тов реакции, однако можно ожидать, что температура перед соп­ лом будет выше температуры сгорания без предварительного по­ догрева в реакторе. Нагрев в реакторе можно осуществить до 1500—2000°С. Выбор температуры должен быть связан со свойст­ вами компонентов, чтобы устранить, в частности, отложение на стенках каналов реактора нежелательных продуктов разложения. Повышение максимальной температуры перед соплом полезно еще и потому, что газовая постоянная продуктов сгорания воз­ растает.

Использование ядерных реакторов с их высокой энергоемко­ стью позволяет поставить вопрос о применении в составе рабо­ чих тел металлов, нагрев и испарение которых при химических процессах уменьшает заметно тепловой эффект реакции. Такими металлами могут быть Li, Al, Mg, Be и другие. Теплота кипения

ближенные расчеты данных химических, ядерных и комбиниро­ ванных ядерно-химических ракетных двигателей при степени рас­ ширения газов в сопле, равной 34. При комбинированном исполь­ зовании ядерной и химической энергии температура нагрева рабо­ чих тел в реакторе принималась 1500°С. Как видно из данных табл. 15.1, наибольшая удельная тяга получается при использова­ нии только ядерной энергии для нагрева водорода. При химиче­ ском и ядерно-химическом процессах удельная тяга получается меньше, хотя максимальные температуры продуктов сгорания до­

же порядка, что и при нагреве его в реакторе до температуры

396

•

В табл. 15.3 приведены количества 0 Тз рабочего тела,,необ-

.ходимого для того, чтобы при различных отношениях удельных тяг получить в ракете с ядерным двигателем такой же суммарный импульс, как ила химическом топливе.

На фиг. 15.5 дан график, показывающий, на какое количест­ во тонн уменьшается вес рабочего тела в ядерной ракете сравни­ тельно с химической в зависимости от начального веса ракеты и отношения удельных тяг ядерного и химического ракетных дви­

•щитой и системой контроля и управления должен быть меньше того веса, который удается сэкономить при переходе от химиче-

(ской энергии к ядерной. Эта возможность будет тем более реаль­ ной, чем больше начальный вес ракеты и чем больше удельная тяга ядерного двигателя сравнительно с химическим. Это хорошо видно из фиг. 15.5.

750 кг сек/кг, мощность реактора будет около 50104 Мет. Сле­ довательно, вес системы реактора будет равен 100 т. Из сравне­ ния данных табл. 15.2 и 15.3 видно, что для ракеты с начальным

399

экономия в весе рабочего тела составляет 425—169 = 256 т. Та: ким образом, переход в такой ракете на ядерную энергию позво­

ляет снизить начальный вес ракеты на 156 т, т. е. на 31%, или увеличить полезный груз.

Фиг. 15.5. Уменьшение необходимого веса рабо­ чего тела в ядерной ракете сравнительно с хими­ ческой в завйсимости от начального веса ракеты и отношения удельных тяг

На фиг. 15.6 приведен сравнительный расчетный график для одноступенчатых ракет с ядерным двигателем на водороде и ам­ миаке и с двигателями, использующими химическую энергию топлив. Кривая А соответствует одинаковой эффективности ядер­ ной ракеты на водороде и химической ракеты на 0 2 — N2H4. В об­ ласти под кривой А химическая ракета оказывается эффективней ядерной. По кривой Б одинаковы эффективности ядерной ракеты на водороде и химической ракеты-на F2—Н2,- В области под кри­ вой Б химическая ракета эффективнее ядерной. Кривая В отве­ чает равной эффективности ядерной ракеты на аммиаке и хими-

400

ческой ракеты на Ог—N2H4. Видно, что при пассивном весе*) 2,5' т и более и при дальности 6500 км и более ядерная одно: ступенчатая ракета оказывается всегда более эффективной, чем одноступенчатая химическая ракета. С увеличением веса полез­ ного груза большая эффективность ядерной ракеты достигается

*) Под пассивным весом здесь понимается вес ракеты, за исключением двигателей и топлива с баками или реактора с экранировкой и прочими ^эле­ ментами двигателей установки.