книги из ГПНТБ / Феодосьев В.И. Введение в ракетную технику Учеб. пособие

182 Гл. IV. Топлива ракетных двигателей

Естественно, что повышение температуры нагрева рабочего тела до 6000° абс., т. е. до температуры, значительно превышающей сов­ ременные возможности конструкции ракетных двигателей, приводит к резкому увеличению удельных тяг.

Задача создания ядерного ракетного двигателя (ЯРД) значи­ тельно труднее, чем задача создания стационарных атомных энер­ гетических установок или двигателей других типов (в частности, ВРД), в которых применение ядерного горючего является целесо­ образным даже без заметного увеличения обычных для этих дви­ гателей температур рабочего тела.

Первой проблемой, возникающей при создании ракетного дви­ гателя, является организация теплообмена, в процессе которого энергия от ядерного горючего будет передаваться рабочему телу.

Другая проблема, относящаяся к использованию ядерной энер­ гии, заключается в том, что для протекания ядерных реакций деле­ ния необходимо наличие некоторой минимальной (критической) мас­ сы. Это требование объясняется тем, что размеры атомного ядра очень малы (поперечное сечение ядра равно примерно 1 0 - 2 4 см.2) и

для обеспечения достаточно большой вероятности столкновения ней­ трона с ядром необходимо иметь значительную длину пути, который нейтрон должен проходить в активном веществе.

Величина критической массы и соответствующего критического объема зависит от вида активного вещества и условий протекания ядерных реакций.

Таким образом, запас ядерного горючего на ракетном двигателе отнюдь не определяется теми мизерными . количествами, которые приведены в табл. 4. 10 и подсчитаны на основании баланса энер­ гии. Этот запас определяется по крайней мере величиной критичес­ кой массы. Можно ожидать также, что размеры и вес ядерного ре­ актора придется увеличивать дополнительно с целью получения необходимой поверхности теплопередачи.

В ядерных ракетных двигателях принципиально возможно при­ менение реакторов трех типов: с твердым, газообразным и жидким (расплавленным) ядерным горючим.

Простейшая схема ЯРД с реактором на твердом ядерном горю­ чем представлена на фиг. 4. 4.

Жидкое рабочее тело (пассивная масса) размещается в баке 1. Насосом 2 оно подается через охлаждающее межрубашечное про­ странство 4 в камеру двигателя. Дозировка расхода рабочего тела осуществляется прибором управления 3.

Пройдя через головку 6 камеры, рабочее тело вступает в кон­ такт с пакетом 5 твердых тепловыделяющих элементов.

Тепловыделяющие элементы такого ЯРД состоят из делящегося урана, заключенного в оболочку из материала с высокой темпера­ турой плавления. Максимальная температура нагрева рабочего тела ограничена температурой плавления материалов оболочки.

Наиболее тугоплавкими материалами являются графит (темпера­ тура сублимации около 4000°), карбиды Тантала (температура плав­ ления около 3900° С) и вольфрама (температура плавления около 3400° С). Но даже в случае применения таких материалов темпе­ ратура нагрева рабочего тела с учетом падения температуры в про­ цессе теплопередачи и необходимости некоторого запаса ограниче­ на, например 2800° абс. в случае применения вольфрама. При этих

Фиг. 4.4. Схема ядерного ракетного двигателя с паке­ том твердого ядерного горючего.

/—бак с жидким рабочим телом, 2— насос, «?—прибор управле­ ния подачей рабочего тела, 4—охлаждающий тракт, 5 —пакет твердого ядерного горючего, 6— головка с форсунками.

температурах нагрева Я РД может дать удельную тягу, более высо­ кую, чем Ж Р Д на химических топливах, только в случае использо­ вания в качестве рабочего тела водорода.

По данным иностранной печати через несколько лет возможно создание ЯРД на водороде с удельной тягой около 800 кгсек/кг и весом (реактор с защитой, система подачи и сопло) порядка 35— 50 кг на 1 ттяги.

Более высокие температуры нагрева рабочего тела, а следова­ тельно, и более высокие удельные тяги могут быть достигнуты при использовании в Я Р Д реактора на газообразном ядерном горючем.

В этом случае в ядерный реактор из отдельных емкостей пода­ ются рабочее тело и ядерное горючее, которые смешиваются в ре­ акторе. При достижении критических условий в реакторе начинают протекать ядерные реакции. Тепло ядерных реакций непосредствен­ но передается рабочему телу. Поэтому величина развиваемых тем­ ператур не ограничена температурой плавления материалов тепло­ выделяющих элементов, как это имеет место в ядерных реакторах на твердом горючем, и может достигать весьма высоких значений.

184 Гл. IV. Топлива ракетных двигателей

ограниченных условиями охлаждения стенок реактора, которые бу­ дут нагреваться в основном за счет чрезвычайно интенсивного теп­ лового излучения. При этом находящееся в реакторе ядерное горю­ чее окажется в газообразном состоянии. Реализация подобной ло­ гически возможной схемы ЯРД по данным цитируемого источника будет встречать многочисленные трудности. Главные из них: боль­ шие размеры реактора и необходимость удержания от уноса пото­ ком рабочего тела в сопло и за пределы двигателя ядерного горю­ чего. Последнее мыслимо, например, путем создания в активной зоне реактора сильного магнитного поля, удерживающего ионизиро­ ванные тяжелые атомы ядерного горючего, или путем создания поля центробежных сил, хорошо удерживающего тяжелые атомы ядер­ ного горючего и не препятствующего легким атомам рабочего тела покидать активную зону. Что касается критических размеров ядер­

нов в виде слоя тяжелой воды, дают критический диаметр шаро­ вого реактора, равный 1 м, при давлении в реакторе 70 кг!см2 и

температуре 17 000°абс. Количество урана U235, необходимое для действия такого реактора, составляет по этим расчетам около 2 кг.

Возможной промежуточной схемой ЯРД является двигатель с реактором на жидком (расплавленном) ядерном горючем.

Разобранная схема ЯРД на твердом горючем показывает, что проблема использования ядерной энергии в ракетных двигателях заключается прежде всего в разрешении вопросов теплопередачи, а также в создании малогабаритных и относительно легких реакто­ ров, способных работать при высоких температурах. Успешное ре­ шение этих задач могло бы привести к созданию комбинированных ракетных двигателей с предварительным нагревом компонентов хи­ мических топлив в ядерном реакторе. Примерная схема такого дви­ гателя приводится на фиг. 4. 5.

В этих двигателях компоненты химического топлива, располо­ женные в баках 1 я 6, перед поступлением их в камеру сгорания нагреваются в ядерных реакторах 3 до возможно большей темпера­

топлив,, например на основе воды и металла. Испаренные и нагретые компоненты поступают в камеру двигателя 7, где проис­ ходит их сгорание и расширение. В результате предварительного нагрева компонентов и последующего их сгорания развивается удельная тяга более высокая, чем та, которая была бы получена на

попадающих в зону действия дуги, т. е. создание так называемой плазмы, по имени которой и получил свое название такой двига­ тель. Расширение рабочего тела и создание тяги осуществляется в сопле. По данным иностранной печати можно ожидать от таких двигателей удельной тяги 1 0 0 0 — 1 2 0 0 кг сек/кг при коэффициенте

полезного действия 50%. При создании его возникает очень много трудностей, связанных с высокой температурой и эрозией электро­ дов, охлаждением и т. д. В связи с тем, что в плазменном ракетном двигателе для создания тяги используется электрическая энергия, этот двигатель относят к группе так называемых электрических ра­ кетных двигателей.

Фиг. 4.6 . Принципиальная схема ионного ракетного двигателя.

/—бак с запасом рабочего тела. 2—генератор заряженных частиц — ионов, 3—атомная электростанция. 4—ускоритель заряженных частиц, 5—электрическая обмотка, создающая ускоряющее электромагнитное поле.

Ионный двигатель основан на том, что ускорение отбрасываемых

частиц, необходимое для создания силы тяги, производится воз­ действием на них электростатического или электромагнитного поля. Для этого ускоряемые частицы должны иметь электрический заряд, г. е. быть ионизированными. Отсюда и происходит название ионного двигателя. Ионный двигатель в принципе должен состоять из трех основных частей (фиг. 4. 6 ): генератора заряженных частиц 2, уско­

рителя заряженных частиц 4 с обмоткой 5 и электростанции 3, вы­ рабатывающей электрическую энергию, необходимую для создания и разгона ионизированных частиц. Как видно из описания, ионный ракетный двигатель может быть также причислен к группе элек­ трических ракетных двигателей.

Необходимые для работы ионного двигателя заряженные части­ цы могут быть получены различными способами. Наиболее извест­ ным является ионизация атомов некоторых веществ при их нагреве, при этом ионизируемые вещества должны иметь низкую энергию ионизации. Таким веществом является, например, цезий, у ко­ торого энергия ионизации составляет всего около 4 эв (примерно

ионов пропорциональна У и \А .

Удельная тяга ионного ракетного двигателя составит, как

Для получения больших удельных тяг необходимо или увеличи­ вать напряжение электрического поля, создаваемого в ускорителе, или уменьшать атомный вес используемых ионов.

Полная тяга ионного ракетного двигателя будет составлять

Р = Р » 0 ,

где G — секундный расход ионов.

Определим теперь затрату мощности, необходимую для сообще­ ния 1 кг ионов скорости wa. Она составит

,< ( к М И О . / ^ ) ’ . и

2go 2go А кг

При расходе ионов G кг/сек необходимая мощность N составит

.. GL

N. = — кет,

102

а при расходе ионов в 1 кг!сек

N 105 — квт!кг\сек.

Полная затрата мощности на работу ионного двигателя должна быть большей, так как, во-первых, некоторое количество энергии необходимо затратить для ионизации рабочего тела, а во-вторых, часть работы электромагнитного поля, ускоряющего ионы, будет затрачиваться на бесполезное для создания силы тяги увеличение скорости беспорядочного теплового движения ионов.

Если через £ обозначить коэффициент, учитывающий дополни­ тельную затрату мощности вследствие указанных причин, то общая мощность, затрачиваемая на ускорение 1 кг ионов в 1 сек.,

составит

N' = СЮ5 — квт!кг/сек.

Определим теперь мощность, необходимую для создания ион­ ным двигателем тяги Р кг. При удельной тяге Ргл расход рабочего тела составит

а если не учитывать затрату энергии на генерацию ионов и указан­ ные вы|ше потери (т. е. считать С = 1 ), то

N" = 70 | / ^ квт\кг.

Мощность, затрачиваемая на создание 1 кг тяги, прямо пропор­

циональна — и, следовательно, пропорциональна удельной тяге

А

двигателя. Таким образом, меньший расход рабочего тела, который будет иметь место при повышении удельной тяги, требует увеличе­ ния мощности электростанции ионного ракетного двигателя.

Для того чтобы оценить основные свойства ионных двигателей, проведем некоторые элементарные расчеты, воспользовавшись при­ веденными выше формулами без учета затраты мощности на иони­ зацию и потери на увеличение энергии теплового движения частиц. Результаты этих расчетов приведены в табл. 4. 11.

Приведенные данные говорят о том, что тип рабочего тела, осо­ бенно атомный вес его, в принципе сказываются только на напряже­ нии потребляемого тока. Затрата мощности (следовательно, мощность электростанции) и расход массы рабочего тела находят­ ся в прямой зависимости от удельной тяги двигателя. При возраста­ нии удельной тяги в 1 0 раз расход рабочего тела уменьшается в 1 0 раз, а затрата мощности возрастает в 1 0 раз.

Следовательно, основные свойства ионного ракетного двигателя

таковы, что он наиболее выгоден для создания малых абсолютных тяг (единицы кг) при очень больших удельных тягах или при весь­ ма больших скоростях истечения.

турбина приводит в действие электрогенератор того или иного типа, или непосредственно превращением тепловой энергии в электриче­ скую с помощью термоэлектрических батарей. По данным цити-