ЯДЕРНЫЙ РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ НА КОМПРИМИРОВАННОМ РАБОЧЕМ ТЕЛЕ
NUCLEAR ROCKET ENGINE ON A COMPRESSED WORKING SUBSTANCE

Область техники
Изобретение относится к области ракетной техники, а именно к ракетным двигателям с ядерным источником нагревания рабочего тела (РТ) - 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 для освоения Луны, Марса, Венеры и пр.
Уровень техники
Известен ядерный ракетный двигатель (ЯРД), создающий реактивную тягу осколками деления ядерного горючего самой активной зоны реактора, выбрасываемыми из сопла, в том числе с дополнительным вводом в активную зону дейтерия и гелия (Патент РФ №2151324, 1998).
Недостаток - интенсивное радиоактивное заражение окружающей среды и расход делящегося материала.
Известна принципиальная схема двигательной установки с ЯРД, содержащая реактор деления.
Двигательная установка с ЯРД содержит: турбину, выхлопной патрубок, командный блок, регулятор частоты вращения турбины, блок управления тягой, датчик давления газа на выходе из реактора, реактивное сопло, ядерный реактор, коллектор отбора газа на привод турбины, регулятор температуры газа для турбины, органы управления реактором, датчик температуры газа на выходе из реактора, блок управления мощностью реактора, главный клапан РТ, насос, радиационный защитный экран, бак РТ. (И.Г. Паневин, В.И. Прищепа В.Н. Хазов, Космические ядерные ракетные двигатели. Издательство «Знание», Москва, 1978, Серия «Космонавтика, астрономия» №6, 1978 г.).
Нагрев РТ происходит при прохождении через активную зону реактора. Активная зона содержит ядерное топливо - делящееся вещество (обогащенный уран), заключенное в тепловыделяющих элементах (твэл), а также замедлитель или разбавитель. Твэлы твердофазного реактора пронизаны каналами, по которым протекает, постепенно нагреваясь, рабочее тело ЯРД. Каналы имеют диаметр порядка 1-3 мм, а их суммарная площадь составляет 20-30% поперечного сечения активной зоны. Активная зона подвешивается при помощи специальной решетки внутри силового корпуса, с тем, чтобы она могла расширяться при нагреве реактора. Активная зона и отражатель размещаются внутри прочного силового корпуса, воспринимающего давление РТ и тягу, создаваемую реактивным соплом. Корпус закрывается прочной крышкой. На ней размещаются пневматические, пружинные или электрические механизмы привода регулирующих органов, узлы крепления ЯРД к космическому аппарату, фланцы для соединения ЯРД с питающими трубопроводами РТ. На крышке может располагаться и турбонасосный агрегат. В качестве органов управления реактором используются регулирующие стержни, размещаемые в активной зоне или отражателе (в специальных гнездах), и поворотные барабаны, устанавливаемые на периферии реактора (в отражателе). Стержни содержат вещества, поглощающие нейтроны (бор, кадмий и другие). На боковых сторонах барабанов укреплены пластины из веществ-поглотителей нейтронов, и, таким образом, при повороте барабанов эти вещества вводятся в активную зону или выводятся из нее. Наиболее часто в качестве замедлителя для реакторов ЯРД выбирают углерод - в виде графита.
Наиболее эффективными рабочими телами для ЯРД с реакторами деления являются вещества малой молекулярной массы (μ), к которым в первую очередь относится жидкий водород (μ=2). Дополнительная масса ЯРД обусловлена наличием, радиационной защиты и массивного теплоизолированного бака, содержащего запас жидкого водорода. Внутри силового корпуса реактора, над активной зоной, предусматривается, как правило, теневая реакторная защита, представляющая собой набор пластин с каналами для прохода РТ, причем каналы в соседних пластинах не совпадают друг с другом, и благодаря этому исключается прямой вылет нейтронов и гамма-квантов из активной зоны. В защитном экране сочетаются несколько различных материалов: тяжелые металлы (свинец, вольфрам) и их соединения, хорошо поглощающие гамма-излучение.
Обычно в космическом аппарате предусматривается и так называемая внешняя теневая защита, которая располагается между реактором и баком РТ. Как правило, защита содержит легкие элементы (например, в виде водородсодержащих химических соединений типа гидрида лития), хорошо замедляющие и отражающие нейтроны; элементы, сильно поглощающие тепловые нейтроны (бор, кадмий).
В установках с ЯРД, рассчитанных на многократное включение, принимаются меры по охлаждению конструкции реактора (после его выключения) из-за так называемого остаточного внутреннего тепловыделения в конструкции реактора. Охлаждение производится путем непрерывного или периодического пропускания РТ через реактор. Для этой цели в баке ЯРД предусматривается соответствующий дополнительный запас РТ.
Недостатки:
- бортовые турбоагрегаты при вращении создают возмущающее воздействие на положение ЯРД в космосе, что потребует дополнительного запаса РТ для компенсации их с помощью двигателей коррекции и ориентации;
- требуется дополнительный запас РТ для снятия остаточного тепловыделения, что утяжеляет ЯРД;
- требуется сложное оборудование криостатирования жидкого водорода в массивном теплоизолированном баке, что усложняет и утяжеляет ЯРД.
Известен 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 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 алюминиевого корпуса, а также слоем внутренней радиационной защиты (толщиной 15 см из гидрида циркония с добавкой бора) от облучения несущей конструкции нейтронами и гамма-квантами.
(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).
Твэлы ЯРД «NERVA» 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 РТ (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. 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 РТ, турбоагрегаты (турбонасосы, турбокомпрессоры), а также работающие на стороннем РТ бортовые турбоэлектрогенераторы и управляющие двигатели (сопла). Рабочее тело (жидкий водород) из бортового криогенного бака турбонасосом под расчетным давлением и расходом подается в реактор. 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 2360 K) газовый поток направляется в сверхзвуковое сопло, откуда истекает в окружающее пространство, создавая тягу.
Недостатки:
- отсутствие системы отвода остаточного тепловыделения от остановленного реактора, что не дает возможности повторного использования ЯРД в космосе;
- бортовые турбоагрегаты при вращении создают возмущающее воздействие на положение ЯРД в космосе, что потребует дополнительного запаса РТ для компенсации их с помощью двигателей коррекции и ориентации;
- управляющие боковые поворотные цилиндры имеют относительно большой вес и низкую, по сравнению со стержнями в активной зоне, эффективность управления реактивностью;
- составленные из бериллиевых блоков, смонтированных внутри цилиндрического алюминиевого корпуса элементы не позволяют обеспечить высокие температуры без специального охлаждения.
Известен ядерный ракетный двигатель (ЯРД) многоразового использования (патент №2760079, 2021 г. ).
ЯРД, включающий ядерный реактор с охлаждаемым несущим корпусом, заключенную в корпусе тепловыделяющую активную зону, органы регулирования мощности и пристыкованное к активной зоне сверхзвуковое сопло. На ферменной конструкции последовательной закреплены состыковочный с полезной нагрузкой узел, содержащий узел перекачки РТ; далее блоки системы управления, включая систему грубого и тонкого управления защитой реактора и приводы стержнями регулирования; бак с аварийным запасом РТ и турбонасосный агрегат для его подачи в реактор; теплообменник-испаритель РТ пластинчатого типа, являющегося и тяжелой компонентой теневой защиты; реактор ТВЭЛами из модифицированной окиси урана; сверхзвуковое сопло Лаваля. ЯРД имеет тракт отвода остаточного тепловыделения от реактора, включающий контур с жидкометаллическим теплоносителем, например литием, содержащий электромагнитный насос, компенсационный бак, панели излучатели тепла, теплообменник-испаритель и нагреватели РТ двигателей ориентации. Цилиндрический прочный корпус реактора имеет установленную с зазором для протекания жидкометаллического теплоносителя обечайку с внешними ребрами, которые покрыты материалом, имеющим высокий коэффициент излучения (ε>0.95), например шпинель. ЯРД, также имеет бортовой электрогенератор, который выполнен в виде термоэмиссионного или термоэлектрического генератора, к которому тепло подводится теплоносителем от тракта отвода остаточного тепловыделения, а отводится панелями излучателями, которые могут выполняться из высокотемпературных тепловых труб.
Недостатками прототипа являются:
- бортовые турбоагрегаты требуют отбора горячего РТ для работы турбины, что снижает эффективность ЯРД и при вращении создают возмущающее воздействие на положение ЯРД в космосе, что потребует дополнительного запаса РТ для компенсации их с помощью двигателей коррекции и ориентации;
- наличие теплообменника-испарителя РТ усложняет и утяжеляет ЯРД;
- наличие соединительных тяг достаточно большой протяженности между приводами и стержнями управления реактором, которые проходят через теневую защиту, ослабляя ее защитные свойства. Могут испытывать коробление и заклинивать в режимах останова и пуска реактора из-за неравномерного прогрева.
Раскрытие сущности изобретения
Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое изобретение является упрощение конструкции ЯРД и повышение эффективности работы за счет устранения бортовых турбоагрегатов, теплообменника-испарителя РТ, криогенных баков хранения жидкого РТ, соединительных тяг достаточно большой протяженности между приводами и стержнями управления реактором для исключения их возможного заклинивания. Проблема снижения массы и повышения эффективности ЯРД при сохранении импульса тяги, обеспечиваемой применением водорода в качестве РТ.
Техническим результатом является обеспечение хранения на борту (в одноразовом аккумуляторе) ЯРД компримированного до высокого давления (более 100 МПа) РТ, например, водорода, и подачу его в реактор при заданном давлении (около 100 МПа) без турбоагрегата, а также расположение приводов и органов управления реактором на минимальном расстоянии с боковых сторон в радиальной плоскости охлаждаемого корпуса реактора, который имеет тракт отвода остаточного тепловыделения, включающий контур с жидкометаллическим теплоносителем - литием.
Для достижения технического результата предложен ядерный ракетный двигатель (ЯРД), включающий ядерный реактор с охлаждаемым несущим корпусом, который имеет тракт отвода остаточного тепловыделения от реактора, включающий контур с жидкометаллическим теплоносителем - литием, содержащий электромагнитный насос, компенсационный бак, панели излучатели тепла, двигатели ориентации и бортовой электрогенератор, выполненный в виде термоэмиссионного или термоэлектрического генератора, заключенную в корпусе тепловыделяющую активную зону, приваренное к корпусу сверхзвуковое сопло и органы регулирования в виде поглощающих стержней, которые располагаются в заполненных теплоносителем трубках диаметром на 2-3 мм больше диаметра стержней, закрепленных к охлаждаемому корпусу реактора в двух или трех радиальных плоскостях. Компримированное рабочее тело - водород, располагается в одноразовом аккумуляторе, содержащем запаянные с поверхности микропористые блоки, располагаемые между механическим разрушающим устройством, обеспечивающие хранение внутри пор сжатого до давления более 100 МПа (~1000 атм.) водорода; реактор закреплен на опорном кольце со стыковочным устройством для стыковки аккумулятора; с противоположной от реактора стороны, опорное кольцо покрыто экранно-вакуумной теплоизоляцией, а в центре опорного кольца приварена горловина, в которой установлена высокотемпературная теплоизоляция-фильтр.
Кроме того, пневмоприводы стержней применяются двух типов: с двусторонним пневмоцилиндром позиционируемом в крайних положениях для аварийных стержней и пневмоприводы с позиционированием по давлению на заданное расстояние для стержней регулирования. Совокупность существенных признаков приводит к:
снижению массы поглощающих стержней, их малому ходу и увеличению эффективности теневой защиты, благодаря их поперечному расположению;
увеличению прочности корпуса, благодаря крестообразному сварному соединению каналов под поглощающие стержни и корпусом реактора;
отсутствию криогенных тяжелых баков хранения водорода и его утечки, благодаря технологии хранения водорода внутри блоков пористой структуры, сжатого до давления более 100 МПа (~1000 атм.).
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 представлена схема заявляемого ЯРД, где позициями обозначены:
1 - ядерный реактор;
2 - активная зона;
3 - органы регулирования реактора;
4 - сверхзвуковое сопло;
5 - поглощающие стержни;
6 - каналы с теплоносителем;
7 - пневмоприводы;
8 - тепловая защита;
9 - радиационная защита;
10 - тракт теплоносителя (лития);
11 - холодильник-излучатель (на тепловых трубах);
12 - опорное кольцо, теневая защита полезной нагрузки;
13 - тепловая теневая защита аккумулятора водорода;
14 - горловина реактора;
15 - высокотемпературная теплоизоляция и фильтр;
16 - корпус аккумулятор водорода;
17 - стакан аккумулятора;
18 - коническое днище стакана;
19 - опорная решетка конического днища;
20 - направляющие;
21 - пористые структуры (блоки);
22 - механические устройства разрушения пористых структур;
23 - гибкие элементы (пружины);
24 - стыковочное устройство для полезной нагрузки ЯРД;
25 - привод механизмов разрушения;
26 - аэрозольный газовый фильтр;
27 - полезная нагрузка ЯРД.
На фиг. 2 показан поперечный разрез по А-А, где:
2 - активная зона;
4 - сверхзвуковое сопло;
5 - поглощающие стержни;
6 - каналы с теплоносителем;
7 - пневмоприводы;
9 - радиационная защита.
Осуществление изобретения
Предложен ядерный ракетный двигатель (ЯРД), включающий ядерный реактор 1 с охлаждаемым несущим корпусом, заключенную в корпусе тепловыделяющую активную зону 2, органы регулирования реактора 3 и приваренное к корпусу сверхзвуковое сопло 4.
Управление ядерным реактором 1 осуществляется с помощью 8 или 12 штук поглощающих стержней 5 (количество определяется нейтронно-физическим расчетом), вводимых в реактор с боковых сторон корпуса. Такое поперечное расположение стержней 5 в каналах с теплоносителем (литием) 6 и пневмоприводов 7 к ним обеспечивает сохранение эффективности теневой защиты 12 без проходок под тяги и не мешает потоку РТ, входящего в активную зону 2 ядерного реактора 1. Поперечное расположение стержней 5 обеспечивает малый ход стержней и их меньшую, относительно продольного расположения массу. Поскольку в космосе влияние силы тяжести отсутствует, отсутствуют изгибные напряжения и перекосы, поэтому поперечное расположение стержней в космосе становится предпочтительным. Стержни 5 регулирования мощностью реактора располагаются в заполненных теплоносителем (литием) трубках 6, прикрепленных сваркой к корпусу реактора 1 в двух или трех радиальных плоскостях по четыре штуки в каждой плоскости. Каналы 6 на 12-3 мм больше по диаметру, чем диаметры управляющих стержней 5 для обеспечения прохода теплоносителя (например, лития) в зазоре между ними. Теплоноситель одновременно охлаждает корпус ядерного реактора, сверхзвуковое сопло 4, поглощающие стержни 5 и снимает остаточное тепловыделение из центра активной зоны 2 в режиме останова реактора ЯРД. Каналы 6 крестообразно соединяясь сваркой с силовым внутренним корпусом увеличивают прочность реактора от внутреннего давления РТ при работе ЯРД. Сами управляющие стержни 5 имеют стойкое к воздействию теплоносителя покрытие («чехол»).
Стержни 5 приводятся в движение с помощью радиационностойких пневмоприводов 7. Пневмопривода 7 используются двух типов: с двусторонним пневмоцилиндром и позиционированием поршня в крайних положениях для аварийных стержней («введено-выведено») и с позиционированием поршня по давлению на заданное расстояние для стержней регулирования. Пневмоприводы 7 со стороны реактора закрыты местной теплоизоляцией (тепловая защита 8), например экранно-вакуумной, и местной радиационной защитой 9, обеспечивая приемлемые (допустимые по ТУ) условия работы пневмоприводов.
Сброс в космос остаточного тепловыделения реактора, во время пассивного ожидания ЯРД полезной нагрузки 27 на орбите, осуществляется с поверхности корпуса ядерного реактора 1 и через панели холодильника-излучателя 11. Панели холодильника-излучателя 11 могут выполняться в виде тепловых труб.
Реактор крепится на опорное кольцо со стыковочным устройством 12. С противоположной от реактора стороны, опорное кольцо 12 покрыто экранно-вакуумной теплоизоляцией (тепловая теневая защита аккумулятора водорода 13), для снижения теплового потока от ядерного реактора 1 в сторону корпуса аккумулятора водорода 16, до приемлемых величин. К корпусу реактора 1 в центре опорного кольца 12 приварена горловина реактора 14 для стыковки с корпусом аккумулятора водорода 16. В горловине 14 установлена высокотемпературная теплоизоляция 15, которая одновременно играет роль газового фильтра.
К горловине реактора 14 с помощью стыковочного устройства 12 крепится (стыкуется) одноразовый аккумулятор водорода. Одноразовый аккумулятор водорода рассчитывается по емкости на выполнение ЯРД одной миссии в космосе, после чего он заменяется на новый. Корпус аккумулятора водорода 16 выполнен прочным и теплоизолированным, например, по технологии твердотопливных ракетных двигателей (из углеродных нитей). Внутри корпуса аккумулятора водорода 16 по центру установлен стакан аккумулятора 17, имеющий коническое днище 18 и опорную решетку 19 со стороны реактора и открытую горловину с противоположной стороны. Стакан установлен с зазором относительно корпуса аккумулятора для прохода водорода. Внутри стакана аккумулятора 17 установлены не герметичные направляющие 20 заполненные блоками пористой структуры 21. Блоки пористой структуры 21 выполнены из материала (например, кварц, стекло, высокомолекулярный полимер и пр.), обеспечивающего хранение внутри пор сжатого до давления более 100 МПа (1000 атм) водорода. Поры диаметром около 10 мкм со сжатым водородом закрыты, «запечатаны» с поверхности при изготовлении блока. Сами блоки 21 с поверхности покрыты слабо проницаемым для водорода покрытием, (например окисью циркония). Блоки 21 монтируются друг за другом в направляющие аккумулятора 20 и со стороны реактора опираются на механические разрушающие устройства 22 (например, фрезы, гильотинные ножницы и пр.), а с противоположной стороны поддавливаются гибкими элементами 23, (например пружинами). На корпусе аккумулятора водорода 16 с противоположной от реактора стороны, по центру, закреплено стыковочное устройство 24 для стыковки в космосе с полезной нагрузкой ЯРД 27.
Со стороны реактора 1, внутри конического днища 18 стакана аккумулятора 17 жестко (на болтах) закреплен механизм привода 25 механических устройств 22, разрушающих блоки пористых структур 21. Механизм 25 выполнен достаточно массивным, для обеспечения радиационной защиты полезной нагрузки от излучений реактора 1 ЯРД. В коническую часть стакана 18 собираются осколки блоков пористых структур после их разрушения при работе разрушающих устройств 22. Осколки под действием инерционных сил от реактивной струи работающего ЯРД собираются в коническом днище и фиксируются опорной решеткой 19 стакана 17. С внешней стороны конического днища 18 и горловиной реактора 14 установлен аэрозольный газовый фильтр, 26 для исключения попадания осколков и частиц пористой структуры в реактор 1.
3
Хранение водорода на борту ЯРД. Один литр жидкого водорода имеет массу всего 0.07 кг, т.е. его удельная плотность составляет 0.07099 кг/см при 20 K (70 г/л). Точка замерзания водорода 14.01 K (-259.14°С), а точка кипения 20.28 K (-252.87°С), т.е. диапазон температуры, при которой водород находится в жидком виде, очень мал и составляет всего 6.27 К. Это обстоятельство чрезвычайно затрудняет доставку в космос, хранение и эксплуатацию на борту ЯРД устройств с жидким водородом (криогенная техника).
По плотности с жидким компримированный (сжатый) водород сравнивается при давлении около 795 атм (77.9 МПа), а уже при 2000 атм сжатый водород в 2.5 раза плотнее жидкого, что привлекательно для эксплуатации ЯРД.
В статье («Проблемы аккумулирования и хранения водорода» В.Н. Фатеев, O.К. Алексеева, С.В. Коробцев, Е.А. Серегина и др. Chemical problems 2018 по. 4 (16) issn 2221-8688) показано, что перспективным вариантом хранения газообразного водорода является хранение его в микро капиллярных структурах. Технология производства микро капиллярных структур, например из стекла, хорошо разработана применительно к хроматографии, световодам, фотонных кристаллов с диаметром капилляра до нескольких микрон и субмикронной толщиной стенок. На фигуре схемы предлагаемого ЯРД показана мульти капиллярная структура с диаметром капилляра 100 мкм большой длины.
u
Предельное давление p, которое выдерживает единичный капилляр без разрушения оболочки, определяется по формуле:
где σ - предел прочности материала пористой структуры (капилляра); r - внешний радиус капилляра; h - толщина стенки капилляра.
Если капилляр с внешним радиусом г тонкостенный, то есть толщина стенки h<<r, формула упрощается
3
Теоретическая прочность стекла, определяемая силой связи атомов и весьма велика, превосходит 70 ГПа. Однако большинство стеклянных изделий на практике обладает существенно более низкой прочностью: предел прочности на растяжение 30-100 МПа. Снижение прочности стекол по сравнению с теоретической объясняется гипотезой микротрещин Гриффита. Метод повышения качества поверхности стекла сводится к уменьшению количества и глубины поверхностных микротрещин. Он состоит в травлении стеклянных волокон в водных растворах неорганических кислот.Тонкие стеклянные нити, вытянутые в вакууме после травления, имеют прочность около 14 ГПа. Микро капиллярная структура из такого материала с параметрами d=10 мкм (r=5 мкм) h=5 мкм с запасом прочности к=2 может выдержать давление водорода 7000 МПа. Учитывая фактор уменьшения сжимаемости водорода при относительно высоких давлениях (более 50 МПа), при таком давлении компримированный водород теоретически будет более чем в 30 раз плотнее жидкого водорода и сравним с плотностью легких жидкостей около 0.6 кг/см.
Потери водорода на борту ЯРД. Другой важной проблемой хранения водорода на борту ЯРД является его потери при испарении жидкого или диффузии через стенки компримированного водорода.
16
2
13
2
Оценим количество водорода, который может уйти из аккумулятора при температуре не более 300 К за время его службы около года. На основе работы (А.А. Писарев, И.В. Цветков, Е.Д. Маренков, С.С. Ярко. Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ, г. Москва, РФ Это документ с сайта book.sarov.ru IHISM-11-2012-27.pdf), в которой рассмотрены основные закономерности проницаемости водорода через материалы и роль трех факторов: диффузии, адсорбционно-десорбционных процессов и взаимодействия с дефектами можно сделать предварительную оценку. В условиях, когда транспорт водорода, в основном, ограничивает диффузия, проникающий поток не зависит от состояния поверхности и пропорционален корню из давления. Проникающая способность водорода в ванадии определена как 10 атомов/мс, окислы кремния или циркония обеспечивают меньшую проникающую способность 10 атомов/мс.
2
22
23
Таким образом, за год (31536000 с) при перепаде давления 100 МПа с 1 м утечка составит 10 атомов, т.е. менее 0,1 гр. (2 гр. это 6*10 атомов - число Авогадро).
2
Для межпланетных перелетов необходимо более 100 т водорода и его потери, даже при площади аккумулятора в 10000 м, будут незначительны. Такие потери могут быть вполне приемлемыми для межорбитальных перелетов Земля-Марс-Земля или Земля-Венера-Земля. При этом нет необходимости использовать криогенные технологии на борту ЯРД.
Пневматические привода управляющих стрежней. Такого вида привода обычно в атомной энергетике не применяются, применяются электрические или электромагнитные привода и шаговые двигатели. Однако, необходимость обеспечить высокую радиационную стойкость и работоспособность при экстремально высоких температурах делают пневматические привода перспективными.
В работе Гринчара Н.Г. «Основы пневмопривода машин», 2015 показано, что пневматическая аппаратура надежно работает в условиях вибрации, в радиационных и электромагнитных полях. Большое достоинство средств пневмоавтоматики и в том, что они дают возможность достаточно просто осуществить работу привода в автоматическом режиме непрерывного или циклового управления. Обеспечивают надежность работы в широком диапазоне температур. Большой срок службы от 5 до 20 млн циклов или около 10-20 тыс.часов. Высокое быстродействие.
Для обеспечения температурного режима привода могут экранироваться от реактора экранно-вакуумной теплоизоляцией и иметь оребрение на корпусах пневмоцилидров. Проблемы с термическим расширением и стойкостью к вибрации проще решать с короткими приводами и стержнями, что обеспечивается боковым расположением относительно корпуса реактора. Герметичность при перемещении стержней обеспечивается применением сильфонных развязок.
Примеры осуществления
Первый раз ЯРД с одноразовым аккумулятором водорода выводятся на орбиту Земли ракетой-носителем. В дальнейшем одноразовые аккумуляторы водорода выводятся на орбиту отдельно и стыкуются с ЯРД на орбите.
После получения сигнала с Земли из центра управления, автоматика ЯРД, при помощи пневмоприводов, выводит из активной зоны органы управления до достижения критичного состояния и начала разогрева реактора. Темп разогрева реактора выбирается из условия не разрушения элементов ЯРД при увеличении температуры (из-за различных коэффициентов термического расширения материалов). Пневмоприводы с двухсторонним пневмоцилиндром фиксируют аварийные стержни в положении «выведено». Пневмоприводы с позиционированием поршня по давлению на заданное расстояние для стержней регулирования позиционируются в положении заданного уровня реактивности.
После выхода на номинальный режим по температуре реактора и получения сигнала с Земли на перелет ЯРД с полезной нагрузкой подается электропитание на привод механических разрушающих устройств блоков пористых структур в аккумуляторе водорода. При этом высвобождаемый компримированный (до не менее чем 100 МПа) в пористых структурах водород расширяется в корпусе аккумулятора и снижает давление до заданного уровня (около 10 МПа). Скорость работы механических разрушителей задается автоматикой ЯРД из условия поддержания постоянного требуемого давления водорода в корпусе аккумулятора водорода. При росте давления выше требуемого скорость разрушения замедляется, а при снижении давления - увеличивается.
Высвобождаемый из блоков пористых структур водород поступает в стакан аккумулятора и далее через открытую горловину в зазор между стаканом и корпусом аккумулятора. Двигаясь по зазору с относительно не большой скоростью (меньшей, чем скорость захвата осколков пористой структуры) водород проходит через аэрозольный газовый фильтр, а осколки отделяются от водорода и под действием инерционных сил ЯРД собираются в коническом днище. Водород попадает в горловину реактора и проходя через высокотемпературную теплоизоляцию - фильтр подается в активную зону реактора выровненным по сечению потоком. В активной зоне поток водорода (рабочего тела ЯРД) разогревается до заданной температуры (например, 3000 К) выбрасывается в космос через сверхзвуковое сопло создавая тягу ЯРД (обычно несколько тонн).
Блоки пористые элементы по направляющим внутри стакана под действием инерционных сил от тяги и ускорения ЯРД, а также давления со стороны гибких элементов подаются на механические разрушающие устройства. Осколки, от разрушенной пористой структуры через опорную решетку, попадают в коническое днище стакана и фиксируются там инерционными силами при разгоне ЯРД.
По команде с Земли или по заранее заданному алгоритму разрушение пористых структур прекращается, тем самым прекращается поступление водорода в корпус аккумулятора и в реактор. Разгон ЯРД завершается и далее ЯРД с полезной нагрузкой летит по инерции до момента следующего пуска ЯРД.
По завершению доставки полезного груза на заданную орбиту груз отстыковывается, ЯРД разворачивается. По команде с Земли запускается привод устройств разрушения пористых структур, начинается подача водорода в реактор тем самым вызывая тягу. ЯРД возвращается на исходную орбиту. По достижении исходной орбиты ЯРД отстыковывается от одноразового аккумулятора водорода и стыкуется с новым аккумулятором, доставленным с Земли ракетой-носителем. Процесс повторяется несколько раз до исчерпания ресурса работы ЯРД, после чего ЯРД доставляется на высокую орбиту захоронения (около 800 км).