En el pasado, los países líderes buscaban soluciones fundamentalmente nuevas en el campo de los motores para la tecnología espacial y de cohetes. Las propuestas más atrevidas se referían a la creación de los llamados. motores de cohetes nucleares basados en un reactor de material fisionable. En nuestro país, el trabajo en esta dirección dio resultados reales en forma de un motor RD0410 experimental. Sin embargo, este producto no logró encontrar su lugar en proyectos prometedores e influir en el desarrollo de la astronáutica nacional y mundial.
Propuestas y proyectos
Ya en los años cincuenta, pocos años antes del lanzamiento del primer satélite y una nave espacial tripulada, se determinaron las perspectivas de desarrollo de motores de cohetes con combustible químico. Este último permitió obtener características muy elevadas, pero el crecimiento de los parámetros no podía ser infinito. En el futuro, los motores tenían que "alcanzar el techo" de sus capacidades. A este respecto, para el desarrollo ulterior de los sistemas espaciales y de cohetes, se necesitaban soluciones fundamentalmente nuevas.
Construido, pero no probado por RD0410 NRM
En 1955, el académico M. V. Keldysh ideó una iniciativa para crear un motor cohete de diseño especial, en el que un reactor nuclear actuaría como fuente de energía. El desarrollo de esta idea fue encomendado al NII-1 del Ministerio de la Industria Aeronáutica; V. M. Ievlev. En el menor tiempo posible, los especialistas resolvieron los principales problemas y propusieron dos opciones para una NRE prometedora con las mejores características.
La primera versión del motor, denominada "Esquema A", propuso el uso de un reactor con un núcleo en fase sólida y superficies sólidas de intercambio de calor. La segunda opción, "Esquema B", preveía el uso de un reactor con una zona activa en fase gaseosa: la sustancia fisionable tenía que estar en estado de plasma y la energía térmica se transfería al fluido de trabajo mediante radiación. Los expertos compararon los dos esquemas y consideraron que la opción "A" era más exitosa. En el futuro, fue él quien se entrenó más activamente e incluso alcanzó las pruebas en toda regla.
Paralelamente a la búsqueda de los diseños óptimos de las NRE, se estaban resolviendo los problemas de la creación de una base científica, de producción y de pruebas. Entonces, en 1957 V. M. Ievlev propuso un nuevo concepto de prueba y ajuste. Todos los elementos estructurales principales tuvieron que probarse en diferentes stands, y solo después de eso se pudieron ensamblar en una sola estructura. En el caso del esquema A, este enfoque implicó la creación de reactores a gran escala para realizar pruebas.
En 1958, apareció una resolución detallada del Consejo de Ministros, que determinó el curso de los trabajos posteriores. M. V. Keldysh, I. V. Kurchatov y S. P. Korolev. En NII-1, se formó un departamento especial, dirigido por V. M. Ievlev, que iba a afrontar una nueva dirección. Además, varias docenas de organizaciones científicas y de diseño participaron en el trabajo. Se planificó la participación del Ministerio de Defensa. Se determinó el horario de trabajo y otros matices del extenso programa.
Posteriormente, todos los participantes del proyecto interactuaron activamente de una forma u otra. Además, en la década del sesenta se realizaron dos conferencias, dedicadas exclusivamente al tema de las armas nucleares y temas afines.
Base de prueba
Como parte del programa de desarrollo de NRE, se propuso aplicar un nuevo enfoque para probar y probar las unidades necesarias. Al mismo tiempo, los especialistas se enfrentaron a un grave problema. Se suponía que la verificación de algunos productos se llevaría a cabo en un reactor nuclear, pero llevar a cabo tales actividades era extremadamente difícil o incluso imposible. Las pruebas pueden verse obstaculizadas por dificultades económicas, organizativas o medioambientales.
Diagrama de ensamblaje de combustible para IR-100
A este respecto, se desarrollaron nuevos métodos de ensayo de productos sin el uso de reactores nucleares. Dichos controles se dividieron en tres etapas. El primero implicó el estudio de procesos en el reactor en modelos. Luego, los componentes del reactor o motor tenían que pasar las pruebas mecánicas e hidráulicas "en frío". Solo entonces hubo que comprobar los conjuntos en condiciones de alta temperatura. Por separado, después de haber elaborado todos los componentes de la NRE en los stands, fue posible comenzar a ensamblar un reactor o motor experimental en toda regla.
Para llevar a cabo pruebas de unidades en tres etapas, varias empresas han desarrollado y construido varios stands. La técnica para las pruebas a alta temperatura es de particular interés. Durante su desarrollo, fue necesario crear nuevas tecnologías para calentar gases. De 1959 a 1972, NII-1 desarrolló una serie de plasmatrones de alta potencia que calentaban gases hasta 3000 ° K y permitían realizar pruebas a alta temperatura.
Especialmente para el desarrollo del "Esquema B" fue necesario desarrollar dispositivos aún más complejos. Para tales tareas, se requería un plasmatrón con una presión de salida de cientos de atmósferas y una temperatura de 10-15 mil K. A fines de los años sesenta, apareció la tecnología de calentamiento de gas basada en su interacción con haces de electrones, lo que lo convirtió en posible obtener las características requeridas.
La resolución del Consejo de Ministros dispuso la construcción de una nueva instalación en el sitio de prueba de Semipalatinsk. Allí fue necesario construir un banco de pruebas y un reactor experimental para realizar más pruebas de los conjuntos combustibles y otros componentes de la NRE. Todas las estructuras principales fueron construidas en 1961, y al mismo tiempo tuvo lugar la primera puesta en marcha del reactor. Luego, el equipo poligonal se refinó y mejoró varias veces. Se destinaron varios búnkeres subterráneos con la protección necesaria para acomodar el reactor y el personal.
De hecho, el proyecto de un NRM prometedor fue una de las empresas más atrevidas de su tiempo y, por lo tanto, condujo al desarrollo y la construcción de una gran cantidad de dispositivos e instrumentos de prueba únicos. Todos estos stands permitieron realizar una gran cantidad de experimentos y recopilar una gran cantidad de datos de diversa índole, aptos para el desarrollo de diversos proyectos.
Esquema A
Allá por finales de los años cincuenta, la versión más exitosa y prometedora del motor tipo "A". Este concepto propuso la construcción de un reactor nuclear basado en un reactor con intercambiadores de calor encargados de calentar el fluido de trabajo gaseoso. Se suponía que la expulsión de este último a través de la boquilla crearía el empuje requerido. A pesar de la simplicidad del concepto, la implementación de tales ideas estuvo asociada con una serie de dificultades.
Modelo FA para reactor IR-100
En primer lugar, surgió el problema de la elección de los materiales para la construcción del núcleo. El diseño del reactor tenía que soportar altas cargas térmicas y mantener la resistencia requerida. Además, tenía que pasar neutrones térmicos, pero al mismo tiempo no perder características debido a la radiación ionizante. También se esperaba una generación de calor desigual en el núcleo, lo que imponía nuevas exigencias a su diseño.
Para buscar soluciones y perfeccionar el diseño, se organizó un taller especial en NII-1, que consistió en hacer modelos de conjuntos combustibles y otros componentes básicos. En esta etapa del trabajo, se probaron varios metales y aleaciones, así como otros materiales. Para la fabricación de conjuntos combustibles, se podrían utilizar tungsteno, molibdeno, grafito, carburos de alta temperatura, etc. Asimismo, se realizó una búsqueda de revestimientos protectores para evitar la destrucción de la estructura.
En el curso de los experimentos, se encontraron los materiales óptimos para la fabricación de componentes individuales de la NRE. Además, se pudo constatar la posibilidad fundamental de obtener un impulso específico del orden de 850-900 s. Esto le dio al prometedor motor el mayor rendimiento y una ventaja significativa sobre los sistemas de combustible químico.
El núcleo del reactor era un cilindro de aproximadamente 1 m de largo y 50 mm de diámetro. Al mismo tiempo, estaba previsto crear 26 variantes de conjuntos combustibles con determinadas características. Sobre la base de los resultados de las pruebas posteriores, se seleccionaron las más exitosas y efectivas. El diseño encontrado de conjuntos combustibles proporcionó el uso de dos composiciones de combustible. El primero fue una mezcla de uranio-235 (90%) con carburo de niobio o circonio. Esta mezcla se moldeó en forma de varilla retorcida de cuatro vigas de 100 mm de largo y 2,2 mm de diámetro. La segunda composición consistió en uranio y grafito; se realizó en forma de prismas hexagonales de 100-200 mm de largo con un canal interior de 1 mm que tenía un revestimiento. Las varillas y los prismas se colocaron en una caja de metal sellada resistente al calor.
Las pruebas de conjuntos y elementos en el sitio de pruebas de Semipalatinsk comenzaron en 1962. Durante dos años de trabajo se llevaron a cabo 41 puestas en marcha de reactores. En primer lugar, logramos encontrar la versión más efectiva del contenido principal. También se confirmaron todas las soluciones y características principales. En particular, todas las unidades del reactor se enfrentaron a cargas térmicas y de radiación. Por lo tanto, se descubrió que el reactor desarrollado es capaz de resolver su tarea principal: calentar hidrógeno gaseoso a 3000-3100 ° K a un caudal determinado. Todo esto hizo posible comenzar a desarrollar un motor de cohete nuclear en toda regla.
11B91 sobre "Baikal"
A principios de los años sesenta, se comenzó a trabajar en la creación de una NRE completa basada en productos y desarrollos existentes. En primer lugar, NII-1 estudió la posibilidad de crear una familia completa de motores de cohetes con diferentes parámetros, adecuados para su uso en varios proyectos de tecnología de cohetes. De esta familia, fueron los primeros en diseñar y construir un motor de bajo empuje: 36 kN. Un producto de este tipo podría usarse más tarde en una etapa superior prometedora, adecuada para enviar naves espaciales a otros cuerpos celestes.
Reactor IRGIT durante el montaje
En 1966, NII-1 y el Chemical Automatics Design Bureau comenzaron un trabajo conjunto para dar forma y diseñar el futuro motor de cohete nuclear. Pronto, el motor recibió los índices 11B91 y RD0410. Su elemento principal era un reactor llamado IR-100. Posteriormente, el reactor se denominó IRGIT ("Reactor de investigación para estudios grupales de TVEL"). Inicialmente, se planeó crear dos proyectores nucleares diferentes. El primero fue un producto experimental para probar en el sitio de prueba y el segundo fue un modelo de vuelo. Sin embargo, en 1970, los dos proyectos se combinaron con el fin de realizar pruebas de campo. Después de eso, KBHA se convirtió en el desarrollador líder del nuevo sistema.
Utilizando los desarrollos en la investigación preliminar en el campo de la propulsión nuclear, así como utilizando la base de prueba existente, fue posible determinar rápidamente la apariencia del futuro 11B91 y comenzar un diseño técnico completo.
Al mismo tiempo, se creó el complejo de bancos "Baikal" para futuras pruebas en el sitio de prueba. Se propuso probar el nuevo motor en una instalación subterránea con una gama completa de protección. Se proporcionaron medios para recoger y sedimentar el fluido de trabajo gaseoso. Para evitar la emisión de radiación, el gas tenía que guardarse en gasas, y solo después de eso podía ser liberado a la atmósfera. Debido a la particular complejidad de la obra, el complejo Baikal ha estado en construcción durante unos 15 años. El último de sus objetos se completó después del inicio de las pruebas en el primero.
En 1977, en el complejo de Baikal, se puso en servicio una segunda estación de trabajo para plantas piloto, equipada con un medio para suministrar un fluido de trabajo en forma de hidrógeno. El 17 de septiembre se realizó el lanzamiento físico del producto 11B91. La puesta en marcha eléctrica tuvo lugar el 27 de marzo de 1978. El 3 de julio y el 11 de agosto se realizaron dos ensayos de fuego con el pleno funcionamiento del producto como reactor nuclear. En estas pruebas, el reactor se fue llevando gradualmente a potencias de 24, 33 y 42 MW. El hidrógeno se calentó a 2630 ° K. A principios de los años ochenta, se probaron otros dos prototipos. Mostraron potencia de hasta 62-63 MW y calentaron gas hasta 2500 ° K.
Proyecto RD0410
A finales de los setenta y ochenta, se trataba de crear un NRM completo, totalmente apto para su instalación en misiles o etapas superiores. Se formó la apariencia final de dicho producto y las pruebas en el sitio de prueba de Semipalatinsk confirmaron todas las características principales del diseño.
El motor RD0410 terminado era notablemente diferente de los productos existentes. Se distinguió por la composición de las unidades, la distribución e incluso la apariencia, debido a otros principios de funcionamiento. De hecho, el RD0410 se dividió en varios bloques principales: un reactor, un medio para suministrar un fluido de trabajo y un intercambiador de calor y una boquilla. El reactor compacto ocupaba una posición central, y el resto de dispositivos se colocaron junto a él. Además, el YARD necesitaba un tanque separado para hidrógeno líquido.
La altura total del producto RD0410 / 11B91 alcanzó 3,5 m, el diámetro máximo fue 1,6 m. El peso, teniendo en cuenta la protección contra la radiación, fue de 2 toneladas. El empuje calculado del motor en el vacío alcanzó 35,2 kN o 3,59 tf. El impulso específico en el vacío es de 910 kgf • s / kg o 8927 m / s. El motor se puede encender 10 veces. Recurso - 1 hora Mediante ciertas modificaciones en el futuro, fue posible aumentar las características al nivel requerido.
Se sabe que el fluido de trabajo calentado de dicho reactor nuclear tenía una radiactividad limitada. Sin embargo, tras las pruebas, se defendió, y la zona donde se encontraba la tribuna tuvo que cerrarse durante un día. El uso de un motor de este tipo en la atmósfera terrestre se consideró inseguro. Al mismo tiempo, podría utilizarse como parte de las etapas superiores que comienzan a trabajar fuera de la atmósfera. Después de su uso, dichos bloques deben enviarse a la órbita de eliminación.
Allá por los años sesenta, apareció la idea de crear una central eléctrica basada en un reactor nuclear. El fluido de trabajo calentado podría alimentarse a una turbina conectada a un generador. Tales plantas de energía fueron de interés para el desarrollo posterior de la astronáutica, ya que permitieron deshacerse de los problemas y restricciones existentes en el campo de la generación de electricidad para equipos a bordo.
En los años ochenta, la idea de una central eléctrica llegó a la etapa de diseño. Se estaba elaborando un proyecto de un producto de este tipo basado en el motor RD0410. Uno de los reactores experimentales IR-100 / IRGIT participó en experimentos sobre este tema, durante los cuales proporcionó el funcionamiento de un generador de 200 kW.
Nuevo ambiente
El principal trabajo teórico y práctico sobre el tema de la NRE soviética con un núcleo en fase sólida se completó a mediados de los años ochenta. La industria podría comenzar a desarrollar un bloque de refuerzo u otra tecnología espacial y de cohetes para el motor RD0410 existente. Sin embargo, tales obras nunca se iniciaron a tiempo y pronto su inicio se volvió imposible.
En este momento, la industria espacial no tenía suficientes recursos para la implementación oportuna de todos los planes e ideas. Además, pronto comenzó la notoria Perestroika, que acabó con la masa de propuestas y desarrollos. La reputación de la tecnología nuclear se vio gravemente afectada por el accidente de Chernobyl. Finalmente, hubo problemas políticos durante ese período. En 1988, se detuvo todo el trabajo en el YARD 11B91 / RD0410.
Según varias fuentes, al menos hasta principios de la década de 2000, algunos objetos del complejo de Baikal aún permanecían en el sitio de prueba de Semipalatinsk. Además, en uno de los llamados. el reactor experimental todavía estaba ubicado en el lugar de trabajo. KBKhA logró fabricar un motor RD0410 completo, adecuado para su instalación en una futura etapa superior. Sin embargo, la técnica para usarlo permaneció en los planes.
Después de RD0410
Los avances en el tema de los motores de cohetes nucleares han encontrado aplicación en un nuevo proyecto. En 1992, varias empresas rusas desarrollaron conjuntamente un motor de dos modos con un núcleo en fase sólida y un fluido de trabajo en forma de hidrógeno. En el modo de motor cohete, dicho producto debería desarrollar un empuje de 70 kN con un impulso específico de 920 s, y el modo de potencia proporciona 25 kW de potencia eléctrica. Se propuso tal NRE para su uso en proyectos de naves espaciales interplanetarias.
Lamentablemente, en ese momento la situación no era propicia para la creación de nuevas y atrevidas tecnologías espaciales y de cohetes, por lo que la segunda versión del motor de cohete nuclear quedó en el papel. Hasta donde se sabe, las empresas nacionales aún muestran cierto interés en el tema de las NRE, pero la implementación de tales proyectos aún no parece posible ni conveniente. No obstante, cabe señalar que en el marco de proyectos anteriores, los científicos e ingenieros soviéticos y rusos pudieron acumular una cantidad significativa de información y adquirir una experiencia importante. Esto significa que cuando surge una necesidad y surge un pedido correspondiente en nuestro país, se puede crear una nueva NRE similar a la probada en el pasado.
