«Техника-молодежи» 1963 г. №1, обл.2, с.3-4, вкл

Это из статьи "Наука на пограничных рубежах с фантастикой". К следующей статье не имеет отношения.

ПО МАТЕРИАЛАМ ЖУРНАЛА
„ВОПРОСЫ РАКЕТНОЙ ТЕХНИКИ"
№5 за 1960 г., № 4, 7,10 за 1961 г.
и №1, 3, 4, 6, 9 за 1962 г.

Совершенно новые перспективы открывают ядерные, электрические н фотонные двигатели. Фотонные ракеты, в которых тяга создается за счет отбрасывания назад электромагнитного излучения, пока относятся к области фантастики. Зато ядерные и электрические (тоже использующие энергию атома) двигатели — это реальность наших дней (см. вкладку).

Существуют три способа извлечения ядерной энергии. Первый из них — синтез ядер легких элементов. Он дает максимальную энергию, но пока эта реакция осуществляется только при взрыве водородных бомб. Для космического же путешествия, естественно, нужен не взрыв, а устойчивая, управляемая реакция. Пока эта проблема не решена современной наукой. Поэтому говорить о конкретном использовании термоядерных двигателей еще рано. Второй способ — использование отдачи частиц, выбрасываемых ядрами тяжелых элементов при радиоактивном распаде. Третий способ — реакция деления ядер тяжелых элементов, которая, будучи легкорегулируемой, сейчас широко используется в энергетике.

Естественно, что последний способ легче всего реализовать, используя уже имеющиеся технические достижения.

При делении ядер атомов освобождается приблизительно в десять миллионов раз больше энергии, чем при горении лучших химических топлив. Такая энергоемкость резко сокращает запасы горючего, необходимые для космических путешествий. Стартовый вес атомных ракет уменьшится в десятки раз по сравнению с химическими.

В методах использования энергии деления ядер можно выделить два принципиальных направления. Первое — непосредственный подогрев рабочего тела, в качестве которого чаще всего используется водород, во втором направлении ядерный реактор используется в сочетании с электрическим двигателем.

АТОМНАЯ «ТОПКА»

Наиболее простым из проектов первого направления является «летающий реактор», или реактор с твердыми стенками. В нем водород, охлаждая ураново-графитовые стержни, разогревается и, вылетая через сопло, создает тягу. Но при этом водород нельзя разогреть свыше 3000°, так как стержни начинают разрушаться. И хотя в сравнении с химическими такой двигатель более эффективен, скорости истечения будут относительно небольшие — 8 — 12 км/сек.

Лучше проект жидкостного ядерного двигателя. Водород просачивается через слой жидкого карбида урана, прижатого к стенкам центробежной силой. Здесь он нагревается до более высокой температуры. Но и тут разрушение стенок создает температурный барьер.

Газовый реактор, где водород смешивается с газообразным ураном, лишен этого недостатка. Здесь водород принципиально можно разогреть до любой температуры. И скорость истечения при этом резко возрастет. Но достигается это дорогой ценой, так как вместе с водородом выбрасывается отнюдь не дешевый уран. Стало быть, нужно придумать какую-нибудь ловушку и заставить уран снова и снова подогревать водород.

Так появилась идея вихревого газового реактора. В цилиндрическую камеру по касательной к ее стенкам вдувается водород. Через специальные отверстия вводится уран, который закручивается «водородным ветром». Возникает своеобразный смерч. В нем газообразный уран отжимается от стенок водородом и образует цилиндрическую урановую зону. Водород просачивается сквозь эту зону, нагреваясь за счет столкновений с осколками ядер, и, попав в центральную часть камеры, вылетает в сопло с огромной скоростью — до 50 км/сек.

Но, пожалуй, еще более перспективным является коаксиальный газовый реактор. В нем создается поток газообразного урана, текущий по центру камеры навстречу движению водорода. Свечение раскаленного уранового «шнура» нагревает водород. Основное преимущество такого двигателя — минимум потерь ядерного топлива.

Рассмотренные атомные двигатели с подогревом рабочего тела в принципе могут целиком заменить химические. Они гораздо экономичнее их. Тяги у них того же порядка, что и у химических, поэтому они могут самостоятельно взлетать с поверхности планет. Применять такие двигатели будут, очевидно, на пассажирских или скоростных грузовых ракетах. А теперь перейдем ко второму направлению в конструировании ядерных двигателей.

ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ НА БОРТУ

Здесь ядерный реактор используется как источник электрической энергии, которая необходима для разгона рабочего тела в любом ускорителе. Для получения электроэнергии можно использовать термоэлектронные генераторы. Такой генератор представляет собой две изолированные пластины. Нижняя пластина — катод — соприкасается с разогретым отражателем нейтронов реактора. За счет этого она разогревается и испускает электроны, которые попадают на верхнюю пластину — анод. Возникает электрический ток.

В турбогенераторе жидкий натрий охлаждает урановые стержни. Полученное тепло передается, например, ртути в специальном теплообменнике. Пары ртути раскручивают турбину, насаженную на один вал с электромотором.

Оба описанных типа используются в сочетании с электрическим или электромагнитным ускорителем, С помощью ядерно-электрических двигателей можно получить скорости истечения до 100 км/сек.

По сравнению с химическим в таком двигателе расход топлива на килограмм тяги уменьшается примерно в 30 раз. Но у двигателя есть свой недостаток: его тяга очень мала. Поэтому он может применяться лишь после того, как ракета вышла на орбиту. А для старта приходится обращаться за помощью к опытным «ветеранам» — химическим ракетам, которые могут создавать колоссальные тяги, необходимые для преодоления земного притяжения.

Дело в том, что в космосе нет сопротивления среды. Любая, даже очень маленькая сила, приложенная в течение длительного времени, придает ускорение кораблю и сможет доставить его в самые отдаленные уголки солнечной системы. Пригодятся ядерно-электрические двигатели «малой тяги» и в рейсах к ближним планетам, когда нужно будет доставить туда большой полезный груз, не считаясь с длительностью путешествия, то есть как бы отправить большой багаж «малой скоростью».

ДВИГАТЕЛЬ-ГИБРИД

Есть двигатель, который очень экономичен и в то же время способен самостоятельно взлетать с Земли. Это гибрид двух рассмотренных нами вариантов атомных двигателей магнитогазодинамический двигатель (МГД).

Известно, что в проводнике, пересекающем магнитное поле, возникает электрический ток — это закон электромагнитной индукции Фарадея. В МГД проводящей средой является струя ионизованного водорода, урана и электронов, вытекающая из газового реактора. Если эту струю заставить пересекать магнитное поле, то в ней возникнет направленное движение заряженных частиц — электрический ток. Его можно снять боковыми металлическими пластинами и использовать для питания аппаратуры и электрических ускорителей. Отработанная «холодная» струя поступает в специальную «ловушку», в которой происходит тщательное отделение урана от водорода. Уран снова поступает в реактор, а ионизованный водород разгоняется в ускорителях до любых нужных скоростей.

В таком двигателе можно получать широкий диапазон «тяговых усилий».

На старте, когда нужны большие тяги, выбрасывается мощная струя водорода, способная вывести ракету на круговую орбиту. А там уже расход топлива уменьшается, и двигатель работает в очень экономичном режиме «малой тяги».

Электрическую мощность МГД можно использовать не для разгона водородной плазмы, а в ионных двигателях, которые обеспечивают более высокие скорости истечения и более экономичны.

Наконец, в изотопном двигателе реактивная тяга создается за счет непосредственного выброса продуктов распада радиоактивных элементов, вылетающих со скоростью примерно 10 тыс. км/сек. В качестве источника альфа-частиц лучше всего использовать торий-228. Период его полураспада — 1,9 года, то есть поток излучения длительное время будет мощным и стабильным.

Конструкция изотопного двигателя проста: поглотительный слой бериллия и ториевый источник. Уже очень скоро такие двигатели будут применяться для создания так называемой «вечной орбиты», то есть для поддержания спутника на заданной высоте.

Самый существенный недостаток атомных ракет — неизбежность защиты экипажа и приборов от вредных излучений. Ведь громоздкая защита может составлять половину веса корабля. Это одна из проблем, которую предстоит решить современной технике. Но как знать, быть может, уже в этом десятилетии мы будем свидетелями первых полетов атомных кораблей!

Объяснение к вкладке

РЕАКТОР С ТВЕРДЫМИ СТЕНКАМИ при температуре водорода в 2500-3000° дает скорости истечения 8-12 км/сек. Двигатель работает десятки минут и создает тяги, почти в 50 раз превышающие собственный вес.

ЖИДКОСТНЫЙ РЕАКТОР позволяет нагреть водород уже до 3200°. Скорость истечения повышается до 15 км/сек. Время работы и тяга примерно те же самые.

ГАЗОВЫЙ РЕАКТОР способен разогреть водород до 25000—30000°.

РЕАКТОР ПОЛНОГО СМЕШЕНИЯ, ввиду того, что выбрасывается тяжелый уран, не может дать скорости истечения выше 15 км/сек.

ВИХРЕВОЙ И КОАКСИАЛЬНЫЙ РЕАКТОРЫ обеспечивают скорости истечения 30—50 км/сек. Работать они могут часы и дни. Отношение тяги к весу может достигать 10:1

ГАЗОВЫЙ РЕАКТОР С МАГНИТОГАЗОДИНАМИЧЕСКИМ ГЕНЕРАТОРОМ может менять скорость истечения от 10 до 100 км/сек и выше. Отношение тяги к весу тоже меняется в широком диапазоне: от 1:1 000 до 20:1. Время работы зависит от режима реактора и может составлять месяцы.

ТЕРМОЭЛЕКТРОННЫЙ ГЕНЕРАТОР И ТУРБОГЕНЕРАТОР могут применяться в сочетании с плазменными, ионнымн или фотонными двигателями. Скорость истечения и тяга определяются типом выбранного двигателя. Оба генератора предназначены для длительных перелетов. В термоэлектронном генераторе нет движущихся частей, поэтому он может работать гораздо дольше турбогенератора — до нескольких лет.

ИЗОТОПНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ имеет скорость вылета альфа-частиц 10000 км/сек. Отношение тяги к весу 1:1000 000. Время работы зависит от периода полураспада выбранного радиоактивного изотопа и может составлять годы.

1. Радиоактивный изотоп — источник альфа-частиц. 2. Поглотитель альфа-частиц, защищающий аппаратуру от частиц, вылетевших в случайном направлении. 3. Альфа-частицы. 4. Реактор. 5. Вакуумный диод — источник электрического тока, работающий на принципе термоэлектронной эмиссии. 6. Отражатель нейтронов для концентрации их в зоне реакции. 7. Соленоид для создания магнитного поля. 8. Конденсатор-разделитель, отделяющий уран от водорода. 9. Водородная плазма, подаваемая в ускорители. 10. Электроды для съема электрического тока, созданного движением плазмы через магнитное поле. 11. Направление электрического тона. 12. Зона реакции деления. 13. Сопло. 14. Урано-графитовые стержни реактора. 15. Отверстия для подачи водорода по касательной к стенкам цилиндрической камеры. 16. Расплавленный карбид урана. 17. Пористая стенка, через которую просачивается водород. 18. Теплообменник, где натрий, разогретый в реакторе, передает свое тепло ртути. 19. Радиатор-холодильник для отвода лишнего тепла и конденсации паров ртути. 20. Турбогенератор, вырабатывающий электроэнергию.