ЯДЕРНЫЙ РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ МНОГОРАЗОВОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
MULTIPLE-USE NUCLEAR ROCKET ENGINE

Область техники
Изобретение относится к области ракетной техники, а именно к ракетным двигателям с ядерным источником нагревания рабочего тела - ядерным реактором, и может найти применение в ракетно-космической области. Наиболее эффективно использование изобретения в космических аппаратах, предназначенных для межорбитальных полетов в космосе, например, в составе разгонных блоков космических аппаратов (РБ КА).
Уровень техники
Известны ядерные ракетные двигатели (ЯРД), например, известно создание реактивной тяги в ядерном ракетном двигателе осколками деления ядерного горючего самой активной зоны реактора, выбрасываемых из сопла, в том числе с дополнительным вводом в активную зону дейтерия и гелия Патент РФ №2151324.
Недостаток - интенсивное радиоактивное заражение окружающей среды и расход делящегося материала.
Известен ядерный реактивный двигатель, содержащий реактор с газообразной активной зоной, воздухозаборником, сообщенным с полостью сопла, с установленной на борту емкостью с рабочим телом и соединенным с ней каналом, выходящим в сопло, а также дополнительно турбовентилятором для подачи воздуха Патент РФ №2041392.
Недостаток - радиоактивное заражение окружающей среды и не возможность эксплуатации в безвоздушном пространстве.
Известна паровая ракета с атомным реактором (Патент РФ №2178831), содержащая стальной теплоизолированный корпус с активной зоной реактора и конусным отсеком, стержни управления и необходимое количество реактивных сопел, выполненных с регулирующими задвижками. В конусной секции на горизонтальной перегородке размещается пассажирская кабина, на второй горизонтальной перегородке устанавливается стальной теплоизолированный водяной бак с водопроводом и воздухопроводом, соединенный с внешними стационарными источниками. На третьей горизонтальной перегородке устанавливается теплоизолированный стальной барабан, воздушный ресивер и роторный двигатель, отдельные секции которого выполняют функции насосов. Четвертая секция выполняется из жаропрочной стали с теплоизоляцией, выдерживающей необходимое высокое давление. По бокам четвертой секции при помощи стальных труб крепится необходимое количество реактивных сопел, выполненных с регулирующими задвижками, а также поворачивающимися.
Недостатком является большое количество перегородок, увеличивающих массу, сложность создания задвижек в поворачивающихся высокотемпературных сверхзвуковых соплах и невозможность использования в составе различных КА.
Известен ядерный ракетный двигатель Патент РФ №2072568, содержащий реактор, образованный пакетом вплотную установленных друг с другом, снабженных выхлопными соплами, кассет. Каждая из кассет выполнена в виде трубки Фильда с тонкостенным наружным чехлом в форме правильного многогранника и осевой трубой, образующей корпус тепловыделяющей сборки, снаружи которого размещен кольцевой слой замедлителя. При сборке реактора чехлы соседних кассет в горловой части герметично соединяются между собой и образуют верхнюю стенку коллектора огневого днища и узлы опорного закрепления сборок. Аналогичным образом соединяются друг с другом корпуса сборок со стороны сопел, в результате чего образуется нижняя стенка коллектора огневого днища и узлы подвески сопел. Пакет трубок Фильда по боковой поверхности размещается контактно с отражателем, выполненным в виде кольцевого набора призм, который в свою очередь охвачен бандажным корсетом, являющимся силовым корпусом реактора. Чехлы каждой кассеты имеют шестигранную форму и снабжены сферическим днищем, а соединение верхней и нижней стенок коллектора, при сборке пакета, может быть осуществлено с помощью резьбовых втулок, установленных концентрично сопловым частям сборок.
Недостатком является невозможность использования ЯРД автономно, т.к. в его состав по патенту не входят обеспечивающие системы хранения, подготовки и подачи рабочего тела. Кроме того, не предусмотрена система съема остаточного тепловыделения после останова реактора. Тонкостенные трубки Фильда в потоке высокотемпературного газа могут деформироваться и прогорать, что снижает надежность ЯРД.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению (прототипом) является известный американский проект ЯРД «NERVA», включающий ядерный реактор с охлаждаемым несущим корпусом, заключенную в корпусе тепловыделяющую активную зону, органы регулирования мощности и пристыкованное к активной зоне сверхзвуковое сопло (В.А. Кузнецов. Ядерные реакторы космических энергетических установок. М: Атомиздат, 1977, стр. 159-166, рис. 8.1, 8.2 и К.А. Гильзин. Электрические межпланетные корабли. М: Изд. «Наука», 1970, стр. 125-126, рис. 26, рис. 27), в котором активная зона содержит гексагональной формы графитовые или карбид-графитовые с диспергированным в нем топливом твэлы с теплообменными каналами, стенки которых для защиты от коррозии и эрозии покрыты карбидом ниобия, и окружена боковым отражателем нейтронов (толщиной 15 см), составленным из бериллиевых блоков, смонтированных внутри цилиндрического корпуса, а также слоем внутренней радиационной защиты (толщиной 15 см из гидрида циркония с добавкой бора) от облучения несущей конструкции нейтронами и гамма-квантами. Твэлы фиксируются в опорной алюминиевой решетке, опирающейся на компенсирующие тепловое расширение пружины и диафрагмы. Охлаждение корпуса реактора с несущими активную зону трубами и сопла осуществляется ответвленным от основного потока рабочим телом (водородом), которое затем вместе с основным потоком направляется в твэлы активной зоны реактора. Органы регулирования мощности реактора содержат системы грубого и тонкого регулирования интенсивности нейтронного потока в активной зоне. Грубая система регулирования включает расположенные снаружи вокруг и вдоль бокового отражателя связанные с управляющими приводами поворотные цилиндры с накладками из поглощающего нейтроны материала, содержащего бор. Тонкая система регулирования состоит из установленных в несущих трубах корпуса тонкостенных (покрытых карбидом тантала) трубок, по которым прокачивается поглощающий нейтроны газ. ЯРД также включает, работающие совместно на отводимом из каналов охлаждения конструкции реактора рабочего тела, обеспечивающие питание и охлаждение турбоагрегаты (турбонасосы, турбокомпрессоры), а также работающие на стороннем рабочем теле бортовые турбоэлектрогенераторы и управляющие двигатели (сопла). Рабочее тело (жидкий водород) из бортового криогенного бака турбонасосом под расчетными давлением и расходом подается в реакторную систему. При этом основная часть потока водорода через полость входного коллектора подается прямо в активную зону (в нагревательные каналы твэл), а другие части потока через трубные ответвления сначала направляются в каналы охлаждения корпуса реактора, отражателя и маршевого сопла, а затем в активную зону. Нагретый в активной зоне (до температуры порядка 2360K) газовый поток направляется в сверхзвуковое сопло, откуда истекает в окружающее пространство, создавая тягу.
Основными недостатками ЯРДа-прототипа являются следующие:
- отсутствие системы отвода остаточного тепловыделения от остановленного реактора, что не дает возможности повторного использования ЯРД в космосе;
- растрескивание и коробление в твэлах, возникающие при скачкообразном увеличении давления и высокой температуры рабочего тела при пуске ЯРД. Это существенно сокращает ресурс работы ЯРД и, соответственно, время активного полета с многократным включением ЯРД;
- бортовые турбоэлектрогенераторы при вращении создают возмущающее воздействие на положение ЯРД в космосе, что потребует дополнительного запаса рабочего тела для компенсации их с помощью двигателей управления;
- управляющие боковые поворотные цилиндры имеют относительно большой вес и низкую, по сравнению со стержнями, эффективность управления реактивностью;
- применение графитового или карбид-графитового топлива в твэлах пожароопасно и не дает возможность создать реактор на быстрых нейтронах и снизить массу ЯРД.
Раскрытие сущности изобретения
Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое изобретение является обеспечение многоразовой работы ЯРД в космосе для выведения полезной нагрузки на заданную высокую орбиту и возвращение на околоземную орбиту с возможностью дозаправки рабочего тела на околоземной орбите.
Техническим результатом является обеспечение многоразовой работы ЯРД в космосе. Для этого предлагается: система отвода остаточного тепловыделения; возможность создания реактора на быстрых нейтронах; замена управляющих боковых поворотных цилиндров на управляющие тонкие стержни, и тем самым снижение массы ЯРД.
Для достижения технического результата предложен ядерный ракетный двигатель многоразового использования, включающий ядерный реактор, заключенный в несущий корпус, с слоем внутренней радиационной защиты, присоединенное к корпусу ядерного реактора сверхзвуковое сопло, турбонасосный агрегат (ТНА) работающий на отводимом рабочем теле, бортовые электрогенераторы и двигатели ориентации со своими мини-насосами, ферменную конструкцию закрепленную на корпусе реактора с расположенными в ней баками рабочего тела и системами управления, при этом, в качестве реактора использован реактор на быстрых нейтронах, управление реактивностью которого осуществляется при помощи стержней, отвод газообразного рабочего тела для привода ТНА осуществляется из активной зоны ядерного реактора, при этом, ЯРД содержит тракт отвода остаточного тепловыделения от реактора, закрепленный с одной стороны на корпусе ядерного реактора с другой на ферменной конструкции включающий контур с жидкометаллическим теплоносителем, содержащий электромагнитный насос, компенсационный бак, панели-излучатели тепла, пластинчатый теплообменник-испаритель рабочего тела, в котором жидкометаллический теплоноситель нагревает и испаряет рабочее тело, при этом на ферменнойконструкции закреплены стыковочный узел с полезной нагрузкой, содержащий узел перекачки рабочего тела, приводы стержней регулирования, бак с аварийным запасом рабочего тела, теплообменник-испаритель рабочего тела является компонентой теневой защиты, выполненной из тяжелого металла, корпус реактора имеет установленную с зазором для протекания жидкометаллического теплоносителя обечайку с внешними ребрами, которые покрыты материалом, имеющим коэффициент излучения больше 0,95.
Кроме того, бортовой электрогенератор выполнен в виде термоэмиссионного или термоэлектрического генератора, к которому тепло подводится теплоносителем от тракта отвода остаточного тепловыделения, а отводится тепло панелями излучателями.
Кроме того, панели излучатели выполнены из высокотемпературных тепловых труб.
Совокупность существенных признаков приводит к:
• снижению массы ЯРД, благодаря объединению функций теневой защиты от излучения и системы подачи рабочего тела в ядерный реактор;
• обеспечению многоразовой работы ЯРД в космосе для выведения полезной нагрузки на заданную высокую орбиту и возвращение на околоземную орбиту с возможностью дозаправки рабочего тела.
Так же использование термоэлектрического или термоэмиссионного электрогенератора без движущихся частей, приводит к снижению запаса рабочего тела и отсутствию возмущений ЯРД на орбите.
Краткое описание чертежей
На фигуре показана схема ядерного ракетного двигателя многоразового использования, где:
1 - ядерный реактор;
2 - корпус;
3 - сверхзвуковое сопло;
4 - пластинчатый теплообменник-испаритель;
5 - турбонасосный агрегат (ТНА);
6 - тракт съема остаточного тепловыделения реактора;
7 - электромагнитный насос;
8 - компенсационный бак;
9 - термоэлектрический или термоэмиссионный генератор;
10 - панели излучателя тепла;
11 - двигатели ориентации;
12 - блоки системы управления;
13 - привода органов управления реактором;
14 - забор газа на ТНА;
15 - сброс газа от ТНА;
16 - бак с аварийным запасом рабочего тела;
17 - ферменная конструкция;
18 - мини насосы двигателей ориентации;
19 - узел стыковки;
20 - узел перекачки рабочего тела;
21 - стержни управления;
22 - обечайка с оребрением;
23 - полезная нагрузка КА с рабочим телом.
Осуществление изобретения
Ядерный ракетный двигатель многоразового использования, показанный на фигуре, содержит гетерогенный ядерный реактор 1, заключенный в несущий корпус 2, который охлаждается со стороны активной зоны рабочим телом, а с противоположной стороны жидкометаллическим теплоносителем. Активная зона ядерного реактора окружена слоем внутренней радиационной защиты из гидрида циркония с добавкой бора от облучения несущей конструкции нейтронами и гамма-квантами. Расположенные в активной зоне твэлы, фиксируются в опорной алюминиевой решетке, опирающейся на компенсирующие тепловое расширение пружины и диафрагмы. Ядерный реактор 1 с одной стороны по ходу рабочего тела жестко состыкован со сверхзвуковым соплом 3, а с другой, с пластинчатым теплообменником-испарителем 4. Теплообменник-испаритель 4 через ферменную конструкцию 17 состыкован с противоположной стороны от ядерного реактора 1 с устройством подачи рабочего тела (например, раствора лития в аммиаке, этилового спирта, жидкого водорода или воды) турбонасосным агрегатом 5.
Тракт съема остаточного тепловыделения реактора 6, закрепленный с одной стороны на корпусе ядерного реактора 1, а с другой на ферменной конструкции 17, имеет электромагнитный насос 7 для прокачки теплоносителя и компенсационный бак 8 для компенсации термического расширения теплоносителя при изменении его температуры, термоэмиссионный или термоэлектрический генератор 9 и панели излучатели тепла 10, которые жестко крепятся на ферменной конструкции 17. Панели излучателя тепла 10 могут выполняться в виде тепловых труб.
В состав ЯРД входит бак с аварийным запасом рабочего тела 16, закрепленный на ферменной конструкции 17 за пластинчатым теплообменником-испарителем 4, и содержащий аварийный запас рабочего тела на случай аварии и необходимости увода ЯРД на орбиту захоронения (более 800 км). Бак с аварийным запасом рабочего тела 16 может использоваться и для работы двигателей ориентации 11, которые крепятся на одном уровне с баком с аварийным запасом рабочего тела 16 с внешней стороны на ферменной конструкции 17. За баком располагаются привода органов управления реактором 13, которые перемещают стержни управления 21 реактивностью (мощностью) ядерного реактора 1.
Двигатели ориентации 11 в количестве 12 штук используют рабочее тело из бака с аварийным запасом рабочего тела 16, подаваемое собственными мини насосами двигателей ориентации 18, которые крепятся с противоположной стороны от двигателей ориентации 11 на ферменной конструкции 17.
Оборудование ЯРД размещается внутри ферменной конструкции 17. Ферменная конструкция 17 стыкуется с полезной нагрузкой КА с запасом рабочего тела 23, посредством узла стыковки 19, через который проходит рабочее тело по узлу перекачки рабочего тела 20.
Вырабатываемая в термоэлектрическом или термоэмиссионном генераторе 9 электроэнергия расходуется на работу электромагнитного насоса 7, мини насосов двигателей ориентации 18 и покрытие собственных нужд блоков систем управления 12 ЯРД, закрепленные сварным соединением на ферменной конструкции 17, непосредственно перед узлом стыковки 19.
Высококипящее рабочее тело из бака с аварийным запасом рабочего тела 16 с помощью ТНА 5 подается в полость пластинчатого теплообменника-испарителя 4 с форсунками и далее распыляется и в виде капель попадает в испаритель пластинчатого теплообменника-испарителя 4. Рабочее тело в пластинчатом теплообменнике-испарителе 4 перегревается и в виде газа поступает в тепловыделяющие сборки активной зоны ядерного реактора 1, что обеспечивает исключение капельного износа твэлов. Забор потока газа испарившегося рабочего тела из ядерного реактора 1 для привода турбонасосного агрегата 5 происходит в первой трети длины активной зоны ядерного реактора 1 с температурой около 1000К по контуру забора газа на ТНА 14, а выброс отработанного потока газа по контуру сброса газа от ТНА 15 в конце сверхзвукового сопла 3, исходя из равенства потерь давления в ТНА и в расширяющемся сверхзвуковом сопле 3.
Применение высококипящего рабочего тела типа аммиака или воды (373К) с низким молекулярным весом (М=18) позволяет обеспечить эффективность ЯРД выше, чем у ЖРД с органическим топливом (М=158) и в тоже время обеспечить длительное хранение рабочего тела на орбите и возможность его повторной заправки.
Для съема остаточного тепловыделения ядерного реактора 1, во время пассивного ожидания ЯРД полезной нагрузки на орбите, часть сверхзвукового сопла 3 и корпус 2 ядерного реактора 1 омывается потоком жидкометаллического теплоносителя, например, лития, протекающего в жидкометаллическом тракте съема остаточного тепловыделения реактора 6. Из компенсационного бака 8 с помощью электромагнитного насоса 7 подается жидкометаллический теплоноситель на поверхность корпуса 2 и сверхзвуковое сопло 3. Сброс остаточного тепла в космос осуществляется с помощью жидкометаллического тракта 6, как с поверхности обечайки с оребрением 22 ядерного реактора 1, так и через термоэмиссионный или термоэлектрический генератор 9 и далее через панели излучателя тепла 10, далее охлажденный жидкометаллический теплоноситель протекает через пластинчатый теплообменник-испаритель 4 и электромагнитным насосом 7 снова подается на поверхность корпуса 2 и сверхзвуковое сопло 3.
2
2
Отдельные элементы ЯРД выполняются следующим образом. Тепловыделяющие сборки активной зоны ядерного реактора 1, состоят из пучка продольно охлаждаемых, витых твэлов из ядерного топлива, например, модифицированного оксида урана (UO+TrO). Применение окиси урана в качестве топлива обеспечивает стойкость композиции к потоку паров рабочего тела при минимальной стоимости изготовления отработанного в промышленности материала. Применение в ЯРД ядерного реактора 1 на быстрых нейтронах, прямоточной схемы движения рабочего тепла в активной зоне и выведение через специальный конструктивный промежуток (забор газа на ТНА 14) части газифицированного рабочего тела для работы ТНА без организации специальной секции реактора, снижают массу ЯРД.
Теневая защита ядерного реактора 1 выполняется из тяжелого металла, например, молибдена или вольфрама, в виде пластинчатого теплообменника-испарителя 4, в котором протекает литий с одной стороны, а с другой стороны нагревается и испаряется рабочее тело. Данное предложение позволяет выполнить условие съема остаточного тепловыделения с активной зоны около 1% от штатной мощности ЯРД и обеспечить собственные нужды ЯРД в электроснабжении на необходимом уровне. Снижение массы ЯРД в целом относительно аналога достигается путем объединения функций теневой защиты от излучения и системы подачи рабочего тела в ядерный реактор 1.
Цилиндрический несущий корпус 2 ядерного реактора 1 окружен обечайкой с оребрением 22, внешние ребра которой покрыты материалом, имеющим высокий коэффициент излучения, например, шпинель, для дополнительного излучения остаточного тепла с активной зоны и увеличения прочности металлического корпуса 2 в нагретом состоянии. Разделение функций прочного внутреннего металлического корпуса 2 и обечайки с оребрением 22 создают жидкометаллический тракт 6 для сброса остаточного тепла и обеспечивают минимальную массу при максимальной поверхности излучения тепла.
Электрогенератор в электрической системе ЯРД с накопителем и преобразователем электроэнергии обеспечивает собственные нужды ЯРД на всех этапах эксплуатации в космосе, как при работе ЯРД в режиме тяги, так и в режиме ожидания и сброса остаточного тепловыделения. Электрогенератор выполняется в виде термоэлектрического или термоэмиссионного преобразователя 9 тепловой энергии в электрическую без движущихся частей, что обеспечит отсутствие возмущений ЯРД на орбите. Наличие бортового электрогенератора обеспечивает автономность работы ЯРД в течение длительного времени.
ЯРД работает следующим образом.
Ракетоноситель выводит на орбиту ЯРД с минимальным запасом воды в баке с аварийным запасом рабочего тела 16 на аварийный случай. Полезная нагрузка с запасом рабочего тела 23, например, воды, выводится самостоятельно другим ракетоносителем, возможно даже из других стран и космодромов. Затем ЯРД состыковывается на орбите через узел стыковки 19 с полезной нагрузкой с запасом рабочего тела 23 в единое целое. Затем ЯРД постепенно с заданной скоростью, обеспечивающей ядерную безопасность и отсутствие термических напряжений в конструкции, запускается без протока рабочего тела. Ядерный реактор 1 разогревается до номинальной температуры около 3000К.
При достижении номинальной температуры в активной зоне ядерного реактора 1 баки от полезной нагрузки с запасом рабочего тела 23 гидравлически соединяются через узел перекачки рабочего тела 20 с ЯРД и поток рабочего тела подается ТНА 5 в пластинчатый теплообменник-испаритель 4 и далее в ядерный реактор 1. Теплосъем с активной зоны и теплообменника-испарителя растет и для поддержания постоянной температуры регулятор мощности блока системы управления 12 увеличивает нейтронную мощность реактора, выдвигая с помощью приводов органов управления реактором 13 стержни управления 21 из активной зоны, вплоть до номинальной величины. ЯРД выходит на проектную тягу в несколько тонн с заданным расходом рабочего тела через сверхзвуковое сопло 3.
Придав расчетный импульс полезной нагрузке 23 реактор ЯРД заглушается, а поток рабочего тела снижающимся расходом продолжает подаваться в активную зону ядерного реактора 1 для съема остаточного тепла, выделяемого короткоживущими изотопами. Температура поддерживается на постоянном уровне в ядерном реакторе 1 около 2500-3000К в теплообменнике-испарителе 4 (в литиевом тракте 6) около 1000-1500К. Постоянство температуры позволяет снизить термическое воздействие на конструкцию и повысить срок ее службы. Дополнительный импульс КА, который при этом осуществляется, должен учитываться в расчетах орбиты.
Затем через несколько десятков секунд подача рабочего тела (воды) прекращается, и теплосъем остаточного тепловыделения осуществляется только трактом съема остаточного тепловыделения реактора 6 и теплосбросом с панелей излучателей тепла 10 электрогенератора и поверхностей обечайки с оребрением 22 корпуса 2 и сверхзвукового сопла 3.
2
Для оценки возможности теплосъема выполним расчет. При температуре лития в тракте около 1000К (температура кипения лития 1599К) требуемая поверхность для сброса остаточного тепловыделения обычно около 1% от номинальной мощности (2 МВт) составит около 4 м, что сравнимо с площадью сопла и корпуса реактора.
ЯРД находится в полете и в режиме ожидания до достижения заданной для полезной нагрузки орбиты. Процесс может длиться от нескольких часов (на ГСО) до нескольких месяцев (на Марс). По достижению заданной орбиты с помощью двигателей ориентации 11 ЯРД разворачивается. Поток рабочего тела в двигатели ориентации 11 подается собственными мини насосами двигателей ориентации 18 через разогретый литиевый тракт по команде блока системы управления 12. После разворота ЯРД в разогретый остаточным тепловыделением ядерный реактор 1 подается поток рабочего тела по выше приведенной технологии для придания тормозного импульса и «закрепления» ЯРД с полезной нагрузкой 23 на орбите (ГСО, Луны или Марса).
Полезная нагрузка с помощью узла стыковки 19 отстыковывается от ЯРД. ЯРД с помощью двигателей ориентации 11 отходит на безопасное расстояние и по команде с Земли в ядерный реактор 1 подается рабочее тело для придания тормозного импульса и возврата ЯРД на опорную радиационно-безопасную орбиту Земли. Процесс может повторяться до полной выработки ресурса реактора (более 5 раз), что обеспечивает экономическую целесообразность данного многоразового ЯРД.
В конце использования ЯРД, если он находится на высокой орбите, то там и остается на «космическое захоронение». Если ЯРД находится на низкой орбите менее 800 км от Земли, то с помощью запаса воды в баке с аварийным запасом рабочего тела 16 и разогретого от остаточного тепловыделения ядерного реактора 1 и тракта съема остаточного тепловыделения реактора 6, производится увод ЯРД на орбиту выше 800 км для «захоронения».
При прочих равных условиях ЯРД обеспечивает выведение на одинаковые энергозатратные орбиты больших масс полезной нагрузки по сравнению с ЖРД. Это создает экономическую целесообразность использования многоразовых ЯРД по сравнению с разгонными блоками на основе ЖРД.
Отмеченные выше экономические преимущества многоразового ЯРД могут быть еще усилены, если появится возможность заправки ЯРД рабочим телом (аммиаком или водой) на Луне. Данные о наличие воды на Луне стали появляться в печати.