Серёжа Шмидт
июль 2017.
20726

Почему до сих пор не существует космических кораблей, использующих ядерные двигатели?

Ответить
Ответить
Комментировать
2
Подписаться
6
9 ответов
Поделиться

Космических кораблей, использующих ядерные двигатели, действительно пока нет, но работы по их созданию интенсивно ведутся. Начались эти работы с 50-х годов во времена космической гонки между СССР и США. После успехов лунных миссий «Аполло» в начале 70-х годов, когда американцы разъезжали по лунным кратерам на вездеходе, СССР не выдержал и вышел из гонки. Американцы к тому времени уже разрабатывали следующий проект — полет на планету Марс с применением ядерных ракетных технологий, но выход СССР из космической гонки привел к потере интереса правительства США к космическим исследованиям. Финансирование в этом направлении поубавилось, и дальнейшие исследования по освоению ближайшего космоса замедлились, но не остановились ни в России ни в США. Очевидно, что такие двигатели должны использоваться только для работы вне атмосферы (как вторые или третьи ступени космических кораблей) из-за очень высокой степени радиоактивного заражения среды при из работе.

Схема ядерного термического ракетного двигателя весьма проста. Топливо (жидкий водород) проходит расширяясь сквозь раскаленный управляемый атомный реактор и на выходе из сопла создает реактивную тягу.  

Эти двигатели и их различные модификации есть, и их испытывают в сравнении с двигателями на химической тяге. Критерии сравнения довольно сложные, но интегрально считается, что ядерные двигатели на сегодня имеют приблизительно двукратное преимущество. Это пока мало для перехода на ядерные технологии в свете ожидаемых рисков, и усовершенствования двигателей продолжаются. Пресс релиз NASA за 2013 год о положении дел в направлении создания ядерных термических ракетных двигателей можно прочитать здесь.

39
-1

но ведь исходного топлива при распаде- урана /плутония- расходуется совсем немного и его запаса при космических путешествиях должно хватить надолго. Двигатель можно вынести куда-нибудь наружу, чтобы не вредить экипажу.Ядерные реакторы последнего образца почти полностью перерабатывают свои отходы... Химическое топливо дороже. Если не трудно, можете конкретно объяснить: почему свернули испытания после 1960х?

+2
Ответить

Ядерная реакция в двигателе требует управления, чтобы избежать теплового взрыва. Таким образом ядерный реактор должен не только содержать урановые стержни (твэлы)  но и замедлители. Кроме того все это должно выдерживать несколько тысяч градусов без плавления. Все это вместе достаточно массивно и объемно. Если вам интересны детали конструкции то загляните сюда.

+3
Ответить
  1. АААА!!! Мои знания английского далеки от совершенства. 

  2. Прошло 50 лет с начала работ по атомному ракетному двигателю. В мире 191 атомная электростанция, плавают атомные ледоколы. Прогресс не стоит на месте. В атомных электростанциях поколения 3+ появилась пассивная система отвода остаточного тепла, ловушка расплава, двойная оболочка реактора и т.д. Существуют планы по водородным атомным электростанциям, работающих на тории, ведутся работы над управляемым термоядерным синтезом... Высокие температуры можно удерживать  в магнитном поле. Собрались бы учёные из нескольких стран и по подобию CERN начали работу и как мне кажется преодолели бы все существующие трудности.

  3. Извините если докучаю)

+4
Ответить
Ещё 7 комментариев

Ученые работают всегда и работают весьма эффективно. Вы правы - "Высокие температуры можно удерживать в магнитном поле", пока не более секунды, но есть движение вперед.

+3
Ответить

Топливо (жидкий водород)

И это ядерный двигатель? :)

0
Ответить

Водород в ядерном двигателе не является топливом в привычном смысле, а скорее рабочим телом, которое под большим давлением и при высокой температуре выбрасывается из сопла для создания реактивной силы. Нагрев и создание необходимого давления обеспечивается энергией ректора.

+1
Ответить

а куда в космосе будет выводится остаточное тепло при работе реактора? там же вакуум. И передача тепла не возможна, как это происходит в наземных атомных электро станциях.

-1
Ответить

На космических аппаратах тепло отводится за счёт излучения. Для ядерной установки эта система охлаждения получится достаточно массивной — отчасти поэтому подобные аппараты невыгодны.

0
Ответить

слишком не рациональный двигатель. По моему плазменные двигатели более эффективны.

0
Ответить

Что значит "интегрально считается" ?

0
Ответить
Прокомментировать

Поскольку речь идет не о выработке электричества для бортового оборудования, а о реактивном двигателе, то ядерный реактор не дает (пока?) особых преимуществ. Ведь все равно надо отбросить назад "рабочее тело" (нечто, обладающее массой) и эту отбрасываемую массу возить с собой на борту.

У хим. топлива сравнительно мала удельная энергия на килограмм массы, но его продукты сгорания одновременно служат "рабочим телом". Никакую лишнюю массу мы с собой не возим.

Ядерный реактор весит немало, но выработает только тепло. Значит надо ДОПОЛНИТЕЛЬНО везти еще что-то как "рабочее тело" - и в немалом количестве (сопоставимом с массой химтоплива). Такая система может иметь преимущество лишь если она придаст "рабочему телу" очень высокую скорость - за счет очень большой температуры (выше, чем обеспечивает химтопливо). А тут есть свои ограничения, так как реатор, сопла и пр. способны выдержать далеко не любую температуру.

Кстати, гипотетический фотонный двигатель, использующий аннигиляцию вешества и антивещества, в качестве "рабочего тела" использует продукты реакции (фотоны), отбрасываемые назад с громадной скоростью (скоростью света). Правда, здесь тоже придется возить лишнюю массу - отражающее зеркало и оборудование для хранения антивещества. Ну и научиться вырабатывать и хранить антивещество в достаточных количествах.

9
0

но ведь при реакции распада вырабатывается КУЧА энергии, помимо тепла и нужно лишь научиться управлять ею для создания реактивной струи. Хим.топлива расходуется куда больше, чем ядерного топлива и объёма его нужно меньше чем того же керосина/жидкого кислорода/водорода. Реактор огромный, с этим я согласен, нужно переделать геометрию кораблей. Но нужно хоть что-то делать! Надоело жить на этой разбомбленной людьми планете. (ирония) Использовать солнечный парус/варп-двигатель//ионный двигатель/гравитационный манёвр. спасибо за ответ)

0
Ответить

но ведь при реакции распада вырабатывается КУЧА энергии, помимо тепла и нужно лишь научиться управлять ею для создания реактивной струи

Научитесь. Потом расскажете, как это делается и какие продукты распада вам удалось использовать в качестве рабочего тела.

Хим.топлива расходуется куда больше, чем ядерного топлива

Для движения нужен импульс. Для импульса нужны масса (рабочее тело) и скорость. Скорость "получают" благодаря давлению, давление - благодаря температуре (тепловой энергии). Температура, которую реально удается обеспечить без разрушения "ядерного реактивного двигателя" непринципиально выше, чем для химтоплива. Поэтому скорость тоже непринципиально выше. Поэтому приходится везти сопоставимую массу для использования в качестве рабочего тела. Плюс возить еще и сам реактор и защиту от излучения.

Вы же не ток вырабатываете и не тепло для батарей отопления. Вы хотите выработать движение. Так при чем здесь энергоемкость ядерного топлива, если вам нужно получить не энергию, а импульс (движущуюся массу)? Отбрасываемую массу вы откуда берете? Неужто из топлива?

+3
Ответить

ну не обязательно вырабатывать движение. Можно просто взять энергию от энергоблока и использовать в качестве питания для электрического двигателя.

кинетическая энергия и скорость это разве не одно и тоже? а импульс- масса помноженная на скорость?

Не судите строго. "It does not matter how slowly you go as long as you do not stop."

0
Ответить
Ещё 4 комментария
  1. ДВИГАТЕЛЬ должен производить ДВИЖЕНИЕ - просто по определению

  2. Ядерный реактор может произвести ток (вернее, тепло, которое используют для генерации тока). Такие установки есть, хотя на околоземной орбите эффективнее использовать солнечные батареи. Но это - не двигатель.

  3. Электрический мотор? А как он сможет двигать корабль? Чтобы изменить направление или величину скорости, нужно ускорение. Для ускорения нужна сила со стороны внешних тел. Двигая что-то внутри корабля, электромотор может изменить ориентацию корабля относительно его центра масс. Но никак не повлияет на движение самого центра масс в пространстве. Корабль может повернуться или начать вращаться, но в целом будет двигаться так же, как и без электромотора.

  4. На Земле электромотор через систему передач и колеса взаимодействует с дорожным покрытием, прикладывая к нему силу. Ответная сила реакции (3. закон Ньютона) со стороны покрытия (в сущности, со стороны планеты Земля) позволяет привести автомобиль в движение. Или можно взаимодействовать с воздухом, крутя пропеллер. Или - с помощью тросса - взаимодействовать с чем-то, к чему тросс прикреплен. А с чем должен взаимодействовать космический корабль с электромотором? Где он найдет СНАРУЖИ дорожное покрытие или рельсы для колес, воздух для пропеллера и к чему прикрепит тросс?

  5. Есть две вещи, с которыми можно взаимодействовать в космосе, чтобы двигаться с произвольным ускорением, а не просто по инерции + гравитационное притяжение со стороны внешних тел. Во-первых, это реактивное движение. Корабль отбрасывает часть своей массы ("рабочее тело") в одну сторону и за этот счет сам ускоряется в противоположную. А отбрасывать массу можете как угодно и чем угодно. Хоть электромотором с какими-то дополнительными устройствами, если сможете обеспечить большую скорость отбрасывания. А если скорость отбрасывания мала, придется отбросить больше массы и у вас скоро не станет что отбрасывать.

  6. Еще можно (теоретически) создать легкий парус, не пропускающий "солнечный ветер" (фотоны и заряженные частицы) и ускоряться за счет взаимодействия с этим "ветром". Правда идти "галсами против ветра" не получится, так как земные парусники взаимодействовали не только с ветром (парусами), но и с водой (корпусом корабля и рулем). А у космического "парусника" вместо воды - вакуум и ускоряться к Солнцу он не сможет: только в противоположную сторону (от Солнца). Парус можно поставить под углом и идти не "прямо" от Солнца, но все же "от" (увеличение расстояния), а не "к" (сокращение).

  7. В классической механике импульс - это масса на скорость, кинетическая энергия - масса на квадрат скорости, разделить пополам. Для изменения механической энергии движения (хоть рабочего тела, хоть самого корабля) используются немеханические виды энергии. Поэтому есть сохранение полной энергии (суммы механической и немеханической), но нет сохранения механической и решать задачу движения через рассмотрение энергетического баланса - сложно (как минимум). А сохранение импульса - чисто механическое явление (нет "немеханического" импульса). Поскольку корабль и отброшенная масса являются замкнутой системой, их суммарный импульс сохраняется. С каким импульсом отбросили, такой же импульс приобрел корабль. И надо либо быстро отбросить немного массы, либо медленно, но много.

  8. Если у вас остались вопросы, советую сперва освежить знания механики Ньютона.

+7
Ответить

Если у вас остались вопросы, советую сперва освежить знания механики Ньютона.

+1

+1
Ответить

Нужен принципиально новый источник энергии. Отличный от существующих. Тогда можно будет использовать магнитное поле планеты или звезды для движения.

0
Ответить

Скорость получают благодаря температуре и низкому весу молекул. От давления зависит только мощность. Водород принципиально легче продуктов сгорания хим. двигателя.

0
Ответить
Прокомментировать

Существует несколько альтернатив для современных ракетных двигатлей(твердотопливные и жидкостные): двигатели электрические, плазменные и ядерные. Из всех альтернативных двигателей до стадии разработки двигателя дошла только одна система – ядерная (ЯРД). В Советском Союзе и в США еще в 50-х годах прошлого века были начаты работы по созданию ядерных ракетных двигателей. Американцы прорабатывали оба варианта такой силовой установки: реактивный и импульсный. Первая концепция подразумевает нагрев рабочего тела при помощи ядерного реактора с последующим выбросом через сопла. Имульсный ЯРД, в свою очередь, движет космический аппарат за счет последовательных взрывов небольшого количества ядерного топлива.

Также в США был придуман проект «Орион», соединявший в себе оба варианта ЯРД. Сделано это было следующим образом: из хвостовой части корабля выбрасывались небольшие ядерные заряды мощностью около 100 тонн в тротиловом эквиваленте. Вслед за ними отстреливались металлические диски. На расстоянии от корабля производился подрыв заряда, диск испарялся, и вещество разлеталось в разные стороны. Часть его попадала в усиленную хвостовую часть корабля и двигала его вперед. Небольшую прибавку к тяге должно было давать испарение плиты, принимающей на себя удары. Удельная стоимость такого полета должна была быть всего 150 тогдашних долларов на килограмм полезной нагрузки.

Дошло даже до испытаний: опыт показал, что движение при помощи последовательных импульсов возможно, как и создание кормовой плиты достаточной прочности. Но проект «Орион» был закрыт в 1965 году как неперспективный. Тем не менее, это пока единственная существующая концепция, которая может позволить осуществлять экспедиции хотя бы по Солнечной системе.

5
-1

а почему закрыли? атомные ледоколы плавают спокойно, хотелось бы узнать из-за чего именно? Отходы не могли утилизировать или какие-то другие проблемы выявились? Всё-таки в самом деле ядерное топливо экономнее традиционных керосина/жидкого кислорода.

0
Ответить
Прокомментировать

Этот ответ написан и доступен на

Этот ответ написан и доступен на Яндекс Кью

Основная характеристика реактивного двигателя - скорость истечения рабочего тела. Для химических двигателей она составляет километры в секунду. Если рабочее тело греть при помощи ядерного реактора, то можно получить несколько большие скорости, что позволит съэкономить рабочее тело. Немного.

Но тут нужно представлять себе следующие соотношения: чтобы обеспечить одинаковую тягу при вдвое меньшем расходе рабочего тела, нужно удвоить скорость истечения. На это потребуется вчетверо больше энергии.

Ускоритель элементарных частиц позволяет разогнать рабочее тело до субсветовых скоростей. Но энергии на это нужно так много, что о химических источниках можно забыть. Причем энергия нужна электрическая.

Вот над созданием такой ядерной электростанцией мощностью порядка мегаватта и бьются уже многие годы. Космический буксир не требующий больших запасов рабочего тела - крайне привлекательная идея. Доставка грузов с низкой орбиты на геостационарную, лунную или межпланетную.

3
0

Вот когда отделишь плазму от ядра, тогда и будет тебе изюминка для этого.

0
Ответить

потому что капитализм не способен на глобальные свершения, наука топчется на месте.

0
Ответить

@Василий, способен, но в плохую сторону точка.

0
Ответить
Прокомментировать

К прочим ответам добавлю:

Для вывода за пределы атмосферы они не годятся по понятным причинам, а в безвоздушном простанстве их использование ограничивает... отсутствие воздуха. Охлаждение объекта в космосе происходит только за счет ик-излучения, следовательно для охлаждения атомного реактора (если работает в паре с ионным двигателем, например) нужен радиатор с совершенно неадекватноц площадью излучающей поверхности. Впрочем, Роскосмос ведет разработку реактора для космических судов, а проблеиу с охлаждением хочет решить весьма изящно: с помощью капельного радиатора. Представьте, что охлаждающая жидкость выходит из форсунок в начале корабля (по ходу движения) и собирается улавливателями в конце. Но все это пока - картины далекого будущего.

3
0

а можно ли  использовать металл для охлаждения или отводить тепло по каким-нибудь каналам в космос или использовать какой-нибудь химический хладагент? И вроде бы в реакциях фотоядерного синтеза кислород не нужен или я не прав? Я чайник в этом вопросе)

0
Ответить

а можно ли  использовать металл для охлаждения

Написали же, что можно, только его очень много понадобится. Слишком много

0
Ответить

"Фотоядерный синтез"?! А это чево такое? Я извиняюсь, что встреваю...

0
Ответить
Ещё 2 комментария

ядерная реакция происходящая при поглощении гамма-квантов ядрами атомов

0
Ответить

Ага, только там, вроде, деление должно происходить. Гамма-квант прилетел в ядро, ядро получило энергию и перешло на энергетически неустойчивый уровень и взорвалось. Осколки деления - во все стороны разлетелись.

0
Ответить
Прокомментировать
Читать ещё 4 ответа
Ответить
Читайте также на Яндекс.Кью
Читайте также на Яндекс.Кью