No passado, os países líderes buscavam soluções fundamentalmente novas no campo dos motores para foguetes e tecnologia espacial. As propostas mais ousadas diziam respeito à criação dos chamados. motores de foguetes nucleares baseados em um reator de material físsil. Em nosso país, o trabalho nesse sentido deu resultados reais na forma de um motor RD0410 experimental. No entanto, este produto não conseguiu encontrar seu lugar em projetos promissores e influenciar o desenvolvimento da astronáutica nacional e mundial.
Propostas e projetos
Já na década de 1950, poucos anos antes do lançamento do primeiro satélite e de uma espaçonave tripulada, foram determinadas as perspectivas de desenvolvimento de motores de foguetes movidos a combustível químico. Este último possibilitou a obtenção de características muito altas, mas o crescimento dos parâmetros não poderia ser infinito. No futuro, os motores teriam que "atingir o teto" de suas capacidades. Nesse sentido, para o desenvolvimento de foguetes e sistemas espaciais, soluções fundamentalmente novas eram necessárias.
Construído, mas não testado por RD0410 NRM
Em 1955, o acadêmico M. V. Keldysh teve a iniciativa de criar um motor de foguete de design especial, no qual um reator nuclear atuaria como fonte de energia. O desenvolvimento desta ideia foi confiado ao NII-1 do Ministério da Indústria da Aviação; V. M. Ievlev. No menor tempo possível, os especialistas trabalharam as principais questões e propuseram duas opções para um NRE promissor com as melhores características.
A primeira versão do motor, designada como "Esquema A", propunha a utilização de um reator com núcleo em fase sólida e superfícies sólidas de troca de calor. A segunda opção, “Esquema B”, previa a utilização de um reator com zona ativa em fase gasosa - a substância físsil deveria estar no estado de plasma, e a energia térmica era transferida para o fluido de trabalho por meio de radiação. Os especialistas compararam os dois esquemas e consideraram a opção "A" mais bem-sucedida. No futuro, foi ele quem foi treinado de forma mais ativa e chegou a fazer testes completos.
Paralelamente à busca pelos designs ideais do NRE, as questões de criação de uma base científica, de produção e de testes foram sendo trabalhadas. Então, em 1957 V. M. Ievlev propôs um novo conceito para teste e ajuste fino. Todos os principais elementos estruturais tiveram que ser testados em diferentes estandes, e somente depois disso eles puderam ser montados em uma única estrutura. No caso do Esquema A, esta abordagem implicou na criação de reatores em grande escala para teste.
Em 1958, apareceu uma resolução detalhada do Conselho de Ministros, que determinou o curso dos trabalhos futuros. M. V. Keldysh, I. V. Kurchatov e S. P. Korolev. No NII-1, um departamento especial foi formado, chefiado por V. M. Ievlev, que estava para lidar com uma nova direção. Além disso, várias dezenas de organizações científicas e de design estiveram envolvidas no trabalho. A participação do Ministério da Defesa foi planejada. O cronograma de trabalho e outras nuances do extenso programa foram determinados.
Posteriormente, todos os participantes do projeto interagiram ativamente de uma forma ou de outra. Além disso, na década de 60, foram realizadas duas conferências, dedicadas exclusivamente ao tema das armas nucleares e questões afins.
Base de teste
Como parte do programa de desenvolvimento de NRE, foi proposto aplicar uma nova abordagem para testar e testar as unidades necessárias. Ao mesmo tempo, os especialistas enfrentaram um sério problema. A verificação de alguns produtos deveria ser realizada em um reator nuclear, mas realizar tais atividades era extremamente difícil ou mesmo impossível. Os testes podem ser dificultados por dificuldades econômicas, organizacionais ou ambientais.
Diagrama de montagem de combustível para IR-100
Nesse sentido, novos métodos de teste de produtos foram desenvolvidos sem o uso de reatores nucleares. Essas verificações foram divididas em três etapas. O primeiro envolveu o estudo de processos no reator em modelos. Em seguida, os componentes do reator ou motor tinham que passar por testes mecânicos e hidráulicos de "frio". Só então os conjuntos tiveram que ser verificados em condições de alta temperatura. Separadamente, depois de elaborados todos os componentes do NRE nas arquibancadas, foi possível iniciar a montagem de um reator experimental ou motor completo.
Para a realização de testes em três etapas das unidades, diversas empresas desenvolveram e construíram diversos estandes. A técnica para teste de alta temperatura é de particular interesse. Durante seu desenvolvimento, foi necessário criar novas tecnologias para aquecimento de gases. De 1959 a 1972, o NII-1 desenvolveu uma série de plasmatrons de alta potência que aqueciam gases até 3000 ° K e possibilitavam a realização de testes de alta temperatura.
Especialmente para o desenvolvimento do "Esquema B", foi necessário desenvolver dispositivos ainda mais complexos. Para tais tarefas, era necessário um plasmatron com pressão de saída de centenas de atmosferas e temperatura de 10-15 mil K. No final dos anos 60, surgiu a tecnologia de aquecimento a gás baseada em sua interação com feixes de elétrons, o que o tornou possível obter as características requeridas.
A resolução do Conselho de Ministros previa a construção de uma nova instalação no local de testes de Semipalatinsk. Lá foi necessário construir uma bancada de testes e um reator experimental para testes adicionais de conjuntos de combustível e outros componentes do NRE. Todas as estruturas principais foram construídas em 1961 e, ao mesmo tempo, ocorreu o primeiro start-up do reator. Em seguida, o equipamento do polígono foi refinado e melhorado várias vezes. Vários bunkers subterrâneos com a proteção necessária destinavam-se a acomodar o reator e o pessoal.
Na verdade, o projeto de um NRM promissor foi um dos empreendimentos mais ousados de seu tempo e, portanto, levou ao desenvolvimento e à construção de uma massa de dispositivos e instrumentos de teste únicos. Todos esses estandes possibilitaram a realização de diversos experimentos e a coleta de uma grande quantidade de dados de diversos tipos, adequados para o desenvolvimento de diversos projetos.
Esquema A
No final dos anos cinquenta, a versão mais bem sucedida e promissora do tipo de motor "A". Este conceito propôs a construção de um reator nuclear baseado em um reator com trocadores de calor responsáveis pelo aquecimento do fluido de trabalho gasoso. A ejeção do último através do bocal deveria criar o impulso necessário. Apesar da simplicidade do conceito, a implementação de tais ideias foi associada a uma série de dificuldades.
Modelo FA para reator IR-100
Em primeiro lugar, surgiu o problema da escolha dos materiais para a construção do núcleo. O projeto do reator teve que suportar altas cargas térmicas e manter a resistência necessária. Além disso, tinha que passar nêutrons térmicos, mas ao mesmo tempo não perder características devido à radiação ionizante. A geração de calor desigual no núcleo também era esperada, o que colocou novas demandas em seu design.
Para buscar soluções e refinar o design, uma oficina especial foi organizada no NII-1, que deveria fazer conjuntos de modelos de combustível e outros componentes principais. Nesta etapa do trabalho, diversos metais e ligas, além de outros materiais, foram testados. Para a fabricação de conjuntos de combustível, podem ser usados tungstênio, molibdênio, grafite, carbonetos de alta temperatura, etc. Além disso, foi realizada uma busca por revestimentos de proteção para evitar a destruição da estrutura.
No decorrer dos experimentos, os materiais ideais para a fabricação de componentes individuais do NRE foram encontrados. Além disso, foi possível confirmar a possibilidade fundamental de se obter um impulso específico da ordem de 850-900 s. Isso deu ao promissor motor o mais alto desempenho e uma vantagem significativa sobre os sistemas de combustível químico.
O núcleo do reator era um cilindro com cerca de 1 m de comprimento e 50 mm de diâmetro. Ao mesmo tempo, previa-se a criação de 26 variantes de conjuntos de combustível com determinados recursos. Com base nos resultados dos testes subsequentes, foram selecionados os mais bem-sucedidos e eficazes. O projeto encontrado de conjuntos de combustível previa o uso de duas composições de combustível. O primeiro era uma mistura de urânio-235 (90%) com nióbio ou carboneto de zircônio. Esta mistura foi moldada na forma de uma haste torcida de quatro vigas com 100 mm de comprimento e 2,2 mm de diâmetro. A segunda composição consistia em urânio e grafite; foi feito na forma de prismas hexagonais de 100-200 mm de comprimento com um canal interno de 1 mm que tinha um forro. As hastes e prismas foram colocados em uma caixa de metal resistente ao calor selada.
Os testes de montagens e elementos no local de teste de Semipalatinsk começaram em 1962. Ao longo de dois anos de trabalho, ocorreram 41 partidas de reatores. Em primeiro lugar, conseguimos encontrar a versão mais eficaz do conteúdo principal. Todas as principais soluções e características também foram confirmadas. Em particular, todas as unidades do reator lidaram com cargas térmicas e de radiação. Assim, verificou-se que o reator desenvolvido é capaz de resolver sua tarefa principal - aquecer o hidrogênio gasoso a 3000-3100 ° K em uma determinada vazão. Tudo isso possibilitou começar a desenvolver um motor de foguete nuclear completo.
11B91 em "Baikal"
No início dos anos 60, o trabalho começou na criação de um NRE completo com base nos produtos e desenvolvimentos existentes. Em primeiro lugar, o NII-1 estudou a possibilidade de criar uma família inteira de motores de foguetes com diferentes parâmetros, adequados para uso em vários projetos de tecnologia de foguetes. Desta família, eles foram os primeiros a projetar e construir um motor de baixo empuxo - 36 kN. Esse produto poderia mais tarde ser usado em um estágio superior promissor, adequado para o envio de espaçonaves a outros corpos celestes.
Reator IRGIT durante a montagem
Em 1966, o NII-1 e o Chemical Automatics Design Bureau começaram um trabalho conjunto para moldar e projetar o futuro motor de foguete nuclear. Logo o motor recebeu os índices 11B91 e RD0410. Seu elemento principal era um reator denominado IR-100. Posteriormente, o reator foi denominado IRGIT ("Reator de pesquisa para estudos de grupo de TVEL"). Inicialmente, foi planejada a criação de dois projetores nucleares diferentes. O primeiro era um produto experimental para teste no local de teste, e o segundo era um modelo de vôo. Porém, em 1970, os dois projetos foram combinados com vistas à realização de testes de campo. Depois disso, o KBHA se tornou o desenvolvedor líder do novo sistema.
Usando os desenvolvimentos na pesquisa preliminar no campo da propulsão nuclear, bem como usando a base de teste existente, foi possível determinar rapidamente a aparência do futuro 11B91 e iniciar um projeto técnico completo.
Ao mesmo tempo, o complexo de bancadas "Baikal" foi criado para futuros testes no local de teste. O novo motor foi proposto para ser testado em uma instalação subterrânea com uma gama completa de proteção. Foram fornecidos meios para coletar e sedimentar o fluido de trabalho gasoso. Para evitar a emissão de radiação, o gás precisava ser guardado em gasômetros, e só depois poderia ser lançado na atmosfera. Devido à complexidade particular da obra, o complexo do Baikal está em construção há cerca de 15 anos. O último de seus objetos foi concluído após o início dos testes do primeiro.
Em 1977, no complexo do Baikal, foi comissionada uma segunda estação de trabalho para plantas-piloto, equipada com um meio de fornecimento de um fluido de trabalho na forma de hidrogênio. Em 17 de setembro, foi realizado o lançamento físico do produto 11B91. A inicialização da energia ocorreu em 27 de março de 1978. Nos dias 3 de julho e 11 de agosto, foram realizados dois testes de incêndio com o pleno funcionamento do produto como reator nuclear. Nesses testes, o reator foi gradualmente levado às potências de 24, 33 e 42 MW. O hidrogênio foi aquecido a 2630 ° K. No início dos anos 80, dois outros protótipos foram testados. Eles mostraram potência de até 62-63 MW e gás aquecido até 2500 ° K.
Projeto RD0410
Na virada dos anos setenta e oitenta, tratava-se de criar um NRM completo, totalmente adequado para instalação em mísseis ou estágios superiores. A aparência final de tal produto foi formada e os testes no local de teste de Semipalatinsk confirmaram todas as características principais do design.
O motor RD0410 acabado era visivelmente diferente dos produtos existentes. Distingue-se pela composição das unidades, pelo layout e até pelo aspecto, devido a outros princípios de funcionamento. Na verdade, RD0410 foi dividido em vários blocos principais: um reator, meio para fornecer um fluido de trabalho e um trocador de calor e um bico. O reator compacto ocupou uma posição central, e o resto dos dispositivos foram colocados ao lado dele. Além disso, o YARD precisava de um tanque separado para hidrogênio líquido.
A altura total do produto RD0410 / 11B91 atingiu 3,5 m, o diâmetro máximo foi 1,6 m. O peso, levando em consideração a proteção contra radiação, foi de 2 toneladas. O empuxo calculado do motor no vazio atingiu 35,2 kN ou 3,59 tf. O impulso específico no vazio é 910 kgf • s / kg ou 8927 m / s. O motor pode ser ligado 10 vezes. Recurso - 1 hora Por meio de algumas modificações no futuro, foi possível aumentar as características para o nível requerido.
É sabido que o fluido de trabalho aquecido de tal reator nuclear tinha radioatividade limitada. Mesmo assim, após os testes, ele foi defendido, e a área onde ficava o estande teve que ser fechada por um dia. O uso de tal motor na atmosfera da Terra foi considerado inseguro. Ao mesmo tempo, pode ser usado como parte de estágios superiores que começam a funcionar fora da atmosfera. Após o uso, tais blocos devem ser enviados para a órbita de descarte.
Nos anos 60, surgiu a ideia de criar uma usina a partir de um reator nuclear. O fluido de trabalho aquecido pode ser alimentado a uma turbina conectada a um gerador. Essas usinas foram de interesse para o futuro desenvolvimento da astronáutica, uma vez que permitiram eliminar os problemas e restrições existentes no campo da geração de energia elétrica para equipamentos de bordo.
Na década de oitenta, a ideia de uma usina atingiu a fase de projeto. Um projeto de tal produto baseado no motor RD0410 estava sendo elaborado. Um dos reatores experimentais IR-100 / IRGIT esteve envolvido em experimentos sobre o tema, durante os quais proporcionou a operação de um gerador de 200 kW.
Novo ambiente
O principal trabalho teórico e prático sobre o tema do NRE soviético com núcleo em fase sólida foi concluído em meados dos anos oitenta. A indústria poderia começar a desenvolver um bloco propulsor ou outro foguete e tecnologia espacial para o motor RD0410 existente. No entanto, essas obras nunca foram iniciadas a tempo, e logo seu início se tornou impossível.
Neste momento, a indústria espacial não tinha recursos suficientes para a implementação oportuna de todos os planos e ideias. Além disso, logo começou a notória Perestroika, que pôs fim à massa de propostas e desdobramentos. A reputação da tecnologia nuclear foi severamente afetada pelo acidente de Chernobyl. Finalmente, houve problemas políticos durante esse período. Em 1988, todo o trabalho no YARD 11B91 / RD0410 foi interrompido.
Segundo várias fontes, pelo menos até o início dos anos 2000, alguns objetos do complexo do Baikal ainda permaneciam no local de teste de Semipalatinsk. Além disso, em um dos chamados. o reator experimental ainda estava localizado no local de trabalho. A KBKhA conseguiu fabricar um motor RD0410 completo, adequado para instalação em um estágio superior futuro. No entanto, a técnica de uso ficou nos planos.
Após RD0410
Os desenvolvimentos no assunto de motores de foguetes nucleares encontraram aplicação em um novo projeto. Em 1992, várias empresas russas desenvolveram em conjunto um motor de dois modos com um núcleo de fase sólida e um fluido de trabalho na forma de hidrogênio. No modo de motor de foguete, tal produto deve desenvolver um empuxo de 70 kN com um impulso específico de 920 s, e o modo de potência fornece 25 kW de energia elétrica. Tal NRE foi proposto para uso em projetos de espaçonaves interplanetárias.
Infelizmente, naquela época a situação não era propícia para a criação de novos e ousados foguetes e tecnologias espaciais e, portanto, a segunda versão do motor de foguete nuclear permaneceu no papel. Pelo que se sabe, as empresas nacionais ainda demonstram certo interesse pelo tema da NRE, mas a implantação de tais projetos ainda não parece possível ou conveniente. No entanto, deve-se notar que, no âmbito de projetos anteriores, cientistas e engenheiros soviéticos e russos foram capazes de acumular uma quantidade significativa de informações e ganhar experiência importante. Isso significa que quando uma necessidade surge e uma ordem correspondente surge em nosso país, um novo NRE pode ser criado semelhante ao testado no passado.
