In der Vergangenheit suchten die führenden Länder im Bereich Triebwerke für die Raketen- und Raumfahrttechnik nach grundlegend neuen Lösungen. Die kühnsten Vorschläge betrafen die Schaffung der sogenannten. Nuklearraketentriebwerke auf Basis eines Spaltstoffreaktors. In unserem Land hat die Arbeit in dieser Richtung in Form eines experimentellen RD0410-Motors zu echten Ergebnissen geführt. Dennoch gelang es diesem Produkt nicht, seinen Platz in vielversprechenden Projekten zu finden und die Entwicklung der heimischen und weltweiten Raumfahrt zu beeinflussen.
Vorschläge und Projekte
Bereits in den fünfziger Jahren, wenige Jahre vor dem Start des ersten Satelliten und eines bemannten Raumfahrzeugs, wurden die Perspektiven für die Entwicklung von Raketentriebwerken mit chemischem Treibstoff ermittelt. Letzteres ermöglichte es, sehr hohe Eigenschaften zu erhalten, aber das Wachstum der Parameter konnte nicht unendlich sein. Künftig mussten die Triebwerke „an die Grenze“ihrer Leistungsfähigkeit stoßen. Diesbezüglich waren für die Weiterentwicklung von Raketen- und Weltraumsystemen grundlegend neue Lösungen erforderlich.
Gebaut, aber nicht getestet von RD0410 NRM
1955 wurde der Akademiker M. V. Keldysh hatte eine Initiative zur Entwicklung eines Raketentriebwerks spezieller Bauart entwickelt, bei dem ein Kernreaktor als Energiequelle fungieren sollte. Die Entwicklung dieser Idee wurde NII-1 des Ministeriums für Luftfahrtindustrie anvertraut; V. M. Ievlev. In kürzester Zeit erarbeiteten die Spezialisten die Kernfragen und schlugen zwei Optionen für ein vielversprechendes NRE mit den besten Eigenschaften vor.
Die erste Version des Motors, die als "Schema A" bezeichnet wurde, schlug die Verwendung eines Reaktors mit einem Festphasenkern und festen Wärmeaustauschflächen vor. Die zweite Option, „Schema B“, sah die Verwendung eines Reaktors mit einer gasphasenaktiven Zone vor – der spaltbare Stoff musste sich im Plasmazustand befinden und die Wärmeenergie wurde mittels Strahlung auf das Arbeitsmedium übertragen. Experten verglichen die beiden Systeme und hielten Option „A“für erfolgreicher. In Zukunft war er es, der am aktivsten arbeitete und sogar vollwertige Tests erreichte.
Parallel zur Suche nach den optimalen Designs des NRE wurden die Fragen der Schaffung einer Wissenschafts-, Produktions- und Erprobungsbasis erarbeitet. Also, 1957 V. M. Ievlev schlug ein neues Konzept zum Testen und zur Feinabstimmung vor. Alle wesentlichen Konstruktionselemente mussten an verschiedenen Ständen getestet und erst danach zu einer einzigen Struktur zusammengebaut werden. Im Fall von Schema A implizierte dieser Ansatz die Schaffung von Reaktoren im Maßstab 1:1 zum Testen.
1958 erschien ein detaillierter Beschluss des Ministerrats, der den weiteren Verlauf der Arbeit festlegte. M. V. Keldysh, I. V. Kurchatov und S. P. Koroljow. Am NII-1 wurde eine Sonderabteilung unter der Leitung von V. M. Ievlev, der sich mit einer neuen Ausrichtung befassen sollte. An der Arbeit waren auch mehrere Dutzend wissenschaftliche und Designorganisationen beteiligt. Die Beteiligung des Verteidigungsministeriums war geplant. Der Arbeitsplan und andere Nuancen des umfangreichen Programms wurden festgelegt.
Anschließend haben alle Projektbeteiligten auf die eine oder andere Weise aktiv interagiert. Darüber hinaus fanden in den sechziger Jahren zweimal Konferenzen statt, die sich ausschließlich dem Thema Nuklearwaffen und verwandten Fragen widmeten.
Testbasis
Als Teil des NRE-Entwicklungsprogramms wurde vorgeschlagen, einen neuen Ansatz zum Testen und Testen der erforderlichen Einheiten anzuwenden. Gleichzeitig standen die Spezialisten vor einem ernsten Problem. Die Verifizierung einiger Produkte sollte in einem Kernreaktor durchgeführt werden, aber die Durchführung solcher Aktivitäten war äußerst schwierig oder sogar unmöglich. Die Prüfung könnte durch wirtschaftliche, organisatorische oder umweltbedingte Schwierigkeiten behindert werden.
Brennelementdiagramm für IR-100
In diesem Zusammenhang wurden neue Methoden zum Testen von Produkten ohne den Einsatz von Kernreaktoren entwickelt. Diese Kontrollen wurden in drei Phasen unterteilt. Die erste beinhaltete die Untersuchung von Prozessen im Reaktor an Modellen. Dann mussten die Komponenten des Reaktors oder Motors mechanische und hydraulische "Kalt"-Tests bestehen. Erst dann mussten die Baugruppen unter Hochtemperaturbedingungen geprüft werden. Nach der Ausarbeitung aller Komponenten des NRE auf den Ständen konnte separat mit der Montage eines vollwertigen Versuchsreaktors oder -motors begonnen werden.
Um dreistufige Gerätetests durchzuführen, haben mehrere Unternehmen verschiedene Stände entwickelt und gebaut. Von besonderem Interesse ist die Technik zur Hochtemperaturprüfung. Bei seiner Entwicklung war es notwendig, neue Technologien zum Erhitzen von Gasen zu schaffen. Von 1959 bis 1972 entwickelte NII-1 eine Reihe von Hochleistungsplasmatronen, die Gase auf bis zu 3000 ° K erhitzten und die Durchführung von Hochtemperaturtests ermöglichten.
Speziell für die Entwicklung von "Schema B" war es notwendig, noch komplexere Geräte zu entwickeln. Für solche Aufgaben war ein Plasmatron mit einem Ausgangsdruck von Hunderten von Atmosphären und einer Temperatur von 10-15 Tausend K erforderlich möglich, die gewünschten Eigenschaften zu erhalten.
Der Beschluss des Ministerrats sah den Bau einer neuen Anlage auf dem Testgelände Semipalatinsk vor. Dort war es notwendig, einen Prüfstand und einen Versuchsreaktor zur weiteren Erprobung von Brennelementen und anderen Komponenten des NRE zu bauen. Bis 1961 wurden alle Hauptbauwerke errichtet, gleichzeitig erfolgte die erste Inbetriebnahme des Reaktors. Anschließend wurde die Polygonausstattung mehrfach verfeinert und verbessert. Mehrere unterirdische Bunker mit dem nötigen Schutz sollten Reaktor und Personal aufnehmen.
Tatsächlich war das Projekt eines vielversprechenden NRM eines der kühnsten Unterfangen seiner Zeit und führte daher zur Entwicklung und Konstruktion einer Vielzahl einzigartiger Geräte und Testinstrumente. All diese Stände ermöglichten es, viele Experimente durchzuführen und eine große Menge an Daten verschiedener Art zu sammeln, die für die Entwicklung verschiedener Projekte geeignet sind.
Schema A
Ende der fünfziger Jahre die erfolgreichste und vielversprechendste Version des Motortyps "A". Dieses Konzept schlug den Bau eines Kernreaktors auf der Grundlage eines Reaktors mit Wärmetauschern vor, die für die Erwärmung des gasförmigen Arbeitsmediums verantwortlich sind. Deren Auswurf durch die Düse sollte den nötigen Schub erzeugen. Trotz der Einfachheit des Konzepts war die Umsetzung solcher Ideen mit einer Reihe von Schwierigkeiten verbunden.
FA-Modell für IR-100-Reaktor
Zunächst stellte sich das Problem der Materialwahl für die Konstruktion des Kerns. Die Konstruktion des Reaktors musste hohen thermischen Belastungen standhalten und die erforderliche Festigkeit beibehalten. Darüber hinaus musste es thermische Neutronen passieren, aber gleichzeitig keine Eigenschaften durch ionisierende Strahlung verlieren. Zudem wurde eine ungleichmäßige Wärmeentwicklung im Kern erwartet, was neue Anforderungen an das Design stellte.
Um nach Lösungen zu suchen und das Design zu verfeinern, wurde am NII-1 ein spezieller Workshop organisiert, der Modellbrennelemente und andere Kernkomponenten herstellen sollte. In dieser Phase der Arbeit wurden verschiedene Metalle und Legierungen sowie andere Materialien getestet. Für die Herstellung von Brennelementen könnten Wolfram, Molybdän, Graphit, Hochtemperaturkarbide usw. verwendet werden. Außerdem wurde nach Schutzbeschichtungen gesucht, um die Zerstörung der Struktur zu verhindern.
Im Zuge der Versuche wurden die optimalen Materialien für die Herstellung einzelner Komponenten des NRE gefunden. Darüber hinaus konnte die grundsätzliche Möglichkeit bestätigt werden, einen spezifischen Impuls in der Größenordnung von 850-900 s zu erhalten. Dies verlieh dem vielversprechenden Motor die höchste Leistung und einen deutlichen Vorteil gegenüber chemischen Kraftstoffsystemen.
Der Reaktorkern war ein Zylinder von etwa 1 m Länge und 50 mm Durchmesser. Gleichzeitig war vorgesehen, 26 Brennelementvarianten mit bestimmten Eigenschaften zu schaffen. Basierend auf den Ergebnissen der nachfolgenden Tests wurden die erfolgreichsten und effektivsten ausgewählt. Die gefundene Konstruktion von Brennelementen sah die Verwendung von zwei Brennstoffzusammensetzungen vor. Die erste war eine Mischung aus Uran-235 (90%) mit Niob oder Zirkoniumcarbid. Diese Mischung wurde in Form eines vierstrahligen verdrillten Stabs von 100 mm Länge und 2,2 mm Durchmesser geformt. Die zweite Zusammensetzung bestand aus Uran und Graphit; es wurde in Form von sechseckigen Prismen von 100-200 mm Länge mit einem 1 mm Innenkanal hergestellt, der eine Auskleidung hatte. Die Stäbe und Prismen wurden in einem versiegelten hitzebeständigen Metallgehäuse untergebracht.
Die Tests von Baugruppen und Elementen auf dem Testgelände Semipalatinsk begannen 1962. In zweijähriger Arbeit fanden 41 Reaktoranläufe statt. Zunächst ist es uns gelungen, die effektivste Version des Kerninhalts zu finden. Alle wichtigen Lösungen und Eigenschaften wurden ebenfalls bestätigt. Insbesondere alle Aggregate des Reaktors wurden thermischen und Strahlungsbelastungen gewachsen. So wurde festgestellt, dass der entwickelte Reaktor in der Lage ist, seine Hauptaufgabe zu lösen - gasförmigen Wasserstoff bei einer bestimmten Durchflussrate auf 3000-3100 ° K zu erhitzen. All dies ermöglichte es, mit der Entwicklung eines vollwertigen nuklearen Raketentriebwerks zu beginnen.
11B91 auf "Baikal"
Anfang der sechziger Jahre begannen die Arbeiten zur Schaffung eines vollwertigen NRE auf Basis bestehender Produkte und Entwicklungen. Zunächst untersuchte NII-1 die Möglichkeit, eine ganze Familie von Raketentriebwerken mit unterschiedlichen Parametern zu entwickeln, die für den Einsatz in verschiedenen Raketentechnologieprojekten geeignet sind. Aus dieser Familie waren sie die ersten, die einen Motor mit geringem Schub konstruierten und bauten - 36 kN. Ein solches Produkt könnte später in einer vielversprechenden Oberstufe zum Einsatz kommen, die dazu geeignet ist, Raumfahrzeuge zu anderen Himmelskörpern zu schicken.
IRGIT-Reaktor während der Montage
1966 begannen NII-1 und das Chemical Automatics Design Bureau gemeinsam an der Gestaltung und Konstruktion des zukünftigen Atomraketentriebwerks. Bald erhielt der Motor die Indizes 11B91 und RD0410. Sein Hauptelement war ein Reaktor namens IR-100. Später wurde der Reaktor IRGIT ("Forschungsreaktor für Gruppenstudien von TVEL") genannt. Ursprünglich war geplant, zwei verschiedene Nuklearprojektoren zu entwickeln. Das erste war ein experimentelles Produkt zum Testen auf dem Testgelände und das zweite war ein Flugmodell. 1970 wurden die beiden Projekte jedoch zusammengelegt, um Feldversuche durchzuführen. Danach wurde KBHA der führende Entwickler des neuen Systems.
Mit den Entwicklungen in der Vorforschung im Bereich des Kernantriebs sowie der vorhandenen Testbasis war es möglich, das Aussehen der zukünftigen 11B91 schnell zu bestimmen und mit einer vollwertigen technischen Auslegung zu beginnen.
Gleichzeitig wurde der Prüfstandskomplex „Baikal“für zukünftige Tests auf dem Testgelände geschaffen. Der neue Motor sollte in einer unterirdischen Anlage mit vollem Schutzumfang getestet werden. Es wurden Mittel zum Sammeln und Absetzen des gasförmigen Arbeitsfluids bereitgestellt. Um Strahlungsemissionen zu vermeiden, musste das Gas in Gasbehältern aufbewahrt werden und konnte erst danach in die Atmosphäre entlassen werden. Aufgrund der besonderen Komplexität der Arbeiten befindet sich der Baikal-Komplex seit etwa 15 Jahren im Bau. Die letzten seiner Objekte wurden nach Beginn der Tests am ersten fertiggestellt.
1977 wurde am Baikal-Komplex ein zweiter Arbeitsplatz für Pilotanlagen in Betrieb genommen, der mit einer Möglichkeit zur Bereitstellung eines Arbeitsmediums in Form von Wasserstoff ausgestattet ist. Am 17. September erfolgte die physische Einführung des 11B91-Produkts. Die Inbetriebnahme erfolgte am 27. März 1978. Am 3. Juli und 11. August wurden zwei Brandversuche mit vollem Betrieb des Produkts als Kernreaktor durchgeführt. Bei diesen Tests wurde der Reaktor schrittweise auf eine Leistung von 24, 33 und 42 MW gebracht. Der Wasserstoff wurde auf 2630°K erhitzt. Anfang der achtziger Jahre wurden zwei weitere Prototypen getestet. Sie zeigten eine Leistung von 62-63 MW und erhitztes Gas bis zu 2500 ° K.
RD0410-Projekt
An der Wende der siebziger und achtziger Jahre ging es darum, ein vollwertiges NRM zu schaffen, das für den Einbau auf Raketen oder Oberstufen voll geeignet ist. Das endgültige Erscheinungsbild eines solchen Produkts wurde geformt und Tests auf dem Testgelände in Semipalatinsk bestätigten alle wichtigen Designmerkmale.
Der fertige RD0410-Motor unterschied sich merklich von bestehenden Produkten. Es zeichnete sich durch die Zusammensetzung der Einheiten, das Layout und sogar das Erscheinungsbild aufgrund anderer Funktionsprinzipien aus. Tatsächlich wurde RD0410 in mehrere Hauptblöcke unterteilt: einen Reaktor, Mittel zur Zufuhr eines Arbeitsfluids und einen Wärmetauscher und eine Düse. Der kompakte Reaktor nahm eine zentrale Position ein, und die restlichen Geräte wurden daneben platziert. Außerdem benötigte das YARD einen separaten Tank für flüssigen Wasserstoff.
Die Gesamthöhe des Produkts RD0410 / 11B91 erreichte 3,5 m, der maximale Durchmesser betrug 1,6 m Das Gewicht betrug unter Berücksichtigung des Strahlenschutzes 2 Tonnen Der berechnete Schub des Triebwerks im Leerraum erreichte 35,2 kN oder 3,59 tf. Der spezifische Impuls im Hohlraum beträgt 910 kgf • s / kg oder 8927 m / s. Der Motor konnte 10 mal eingeschaltet werden. Ressource - 1 Stunde Durch bestimmte Änderungen in der Zukunft war es möglich, die Eigenschaften auf das erforderliche Niveau zu erhöhen.
Es ist bekannt, dass das erhitzte Arbeitsfluid eines solchen Kernreaktors eine begrenzte Radioaktivität aufwies. Trotzdem wurde er nach den Tests verteidigt und der Bereich, in dem sich der Stand befand, musste für einen Tag gesperrt werden. Der Einsatz eines solchen Motors in der Erdatmosphäre galt als unsicher. Gleichzeitig könnte es als Teil von Oberstufen verwendet werden, die ihre Arbeit außerhalb der Atmosphäre aufnehmen. Nach Gebrauch sollten solche Blöcke in den Entsorgungsorbit geschickt werden.
Bereits in den sechziger Jahren entstand die Idee, ein Kraftwerk auf Basis eines Kernreaktors zu schaffen. Das erwärmte Arbeitsmedium könnte einer an einen Generator angeschlossenen Turbine zugeführt werden. Solche Kraftwerke waren für die Weiterentwicklung der Raumfahrt von Interesse, da sie es ermöglichten, die bestehenden Probleme und Restriktionen im Bereich der Stromerzeugung für Bordgeräte zu beseitigen.
In den achtziger Jahren erreichte die Idee eines Kraftwerks die Entwurfsphase. Ein Projekt für ein solches Produkt auf Basis des RD0410-Motors wurde ausgearbeitet. An Experimenten zu diesem Thema war einer der Versuchsreaktoren IR-100 / IRGIT beteiligt, bei denen er den Betrieb eines 200 kW-Generators sicherstellte.
Neue Umgebung
Die wesentlichen theoretischen und praktischen Arbeiten zum Thema der sowjetischen NRE mit Festphasenkern wurden Mitte der 80er Jahre abgeschlossen. Die Industrie könnte mit der Entwicklung eines Boosterblocks oder einer anderen Raketen- und Weltraumtechnologie für das bestehende RD0410-Triebwerk beginnen. Solche Arbeiten wurden jedoch nie rechtzeitig begonnen und bald wurde ihr Start unmöglich.
Die Raumfahrtindustrie verfügte zu diesem Zeitpunkt nicht über genügend Ressourcen, um alle Pläne und Ideen zeitnah umzusetzen. Zudem setzte bald die berüchtigte Perestroika ein, die der Masse an Vorschlägen und Entwicklungen ein Ende setzte. Der Ruf der Nukleartechnologie wurde durch den Unfall von Tschernobyl stark beeinträchtigt. Schließlich gab es in dieser Zeit politische Probleme. 1988 wurden alle Arbeiten am YARD 11B91 / RD0410 eingestellt.
Nach verschiedenen Quellen blieben zumindest bis Anfang der 2000er Jahre einige Objekte des Baikal-Komplexes noch auf dem Testgelände Semipalatinsk. Darüber hinaus auf einem der sogenannten. der Versuchsreaktor befand sich noch am Arbeitsplatz. KBKhA ist es gelungen, einen vollwertigen RD0410-Motor herzustellen, der für den Einbau in eine zukünftige Oberstufe geeignet ist. Die Technik zu ihrer Verwendung blieb jedoch in den Plänen.
Nach RD0410
Die Entwicklungen zum Thema nukleare Raketentriebwerke haben in einem neuen Projekt Anwendung gefunden. 1992 entwickelten mehrere russische Unternehmen gemeinsam einen Zwei-Modus-Motor mit einem Festphasenkern und einem Arbeitsfluid in Form von Wasserstoff. Im Raketentriebwerksmodus sollte ein solches Produkt einen Schub von 70 kN mit einem spezifischen Impuls von 920 s entwickeln, und der Power-Modus liefert 25 kW elektrische Leistung. Ein solches NRE wurde für den Einsatz in interplanetaren Raumfahrzeugprojekten vorgeschlagen.
Leider war die Situation zu dieser Zeit der Entwicklung einer neuen und gewagten Raketen- und Weltraumtechnologie nicht förderlich, und daher blieb die zweite Version des nuklearen Raketenantriebs auf dem Papier. Inländische Unternehmen zeigen, soweit bekannt, noch immer ein gewisses Interesse am Thema NRE, die Umsetzung solcher Projekte erscheint jedoch noch nicht möglich bzw. zielführend. Es ist jedoch anzumerken, dass sowjetische und russische Wissenschaftler und Ingenieure im Rahmen früherer Projekte eine erhebliche Menge an Informationen sammeln und wichtige Erfahrungen sammeln konnten. Das bedeutet, dass bei Bedarf und entsprechender Anordnung in unserem Land eine neue NRE ähnlich der in der Vergangenheit getesteten erstellt werden kann.
