Наверное вы уже в курсе, что Путин в публичном выступлении рассказал про всякое новое оружее, которое разрабатывается в РФ и было там много чего более-менее известного ранее, кроме одного изделия: крылатой ракеты с "неограниченной дальностью за счет сверхмощной ядерной энергетической установки" в габаритах крылатых ракет "Томагавк" (0,53 м диаметром и весом 1400 кг) или Х-101 (0,74 м описанным диаметром и весом 2300 кг).
Резюмируя ощущения от показанного проекта можно сказать, что это крайнее удивление на грани недостоверности показанного. Попробую объяснить, почему.
Да, исторически разработки крылатых ракет с прямоточным ядерным воздушным двигателем были: это ракета SLAM в США с реактором TORY-II, концепт Avro Z-59 в Великобритании, проработки в СССР.
"Современный рендер концепта ракеты Avro Z-59, массой около 20 тонн."
Однако все эти работы шли в 60х как НИОКР разной степени глубины (дальше всех зашли США, о чем ниже) и продолжения в виде образцов на вооружении не получили. Не получили по той же причине, что и многие другие проработки Atom Age - самолеты, поезда, ракеты с ЯЭУ. Все эти варианты транспортных средств при некоторых плюсах, которые дает бешенная плотность энергии в ядерном топливе, имеют очень серьезные минусы - дороговизна, сложность эксплуатации, требования постоянной охраны, наконец неудовлетворительные результаты разработок, про которые обычно что мало известно (публикуя результаты НИОКР всем сторонам выгоднее выставлять достижения и скрывать неудачи).
В частности, для крылатых ракет гораздо проще создать носитель (подводную лодку или самолет), который "подтащит" множество кр к месту пуска, чем морочится с небольшим парком (а большой парк освоить невероятно сложно) крылатых ракет, запускаемых со своей территории. Универсальное, дешевое, массовое средство победило в итоге малосерийное, дорогое и с неоднозначными плюсами. Атомные крылатые ракеты не пошли дальше наземных испытаний.
Этот концептуальный тупик 60х годов КР с ЯЭУ, на мой взгляд, актуален и сейчас, поэтому основной вопрос к показанному "зачем??". Но еще более выпуклым его делают проблемы, которые возникают при разработке, испытаниях и эксплуатации подобного оружия, о чем говорим дальше.
Итак, начнем с реактора. Концепты SLAM и Z-59 были трехмаховым низколетящими ракетами внушительных габаритов и массы (20+ тонн после сброса стартовых ускорителей). Страшно затратный низколетящий сверхзвук позволял по максимуму использовать наличие практически не ограниченного источника энергии на борту, кроме того, важной чертой ядерного воздушного реактивного двигателя является улучшения кпд работы (термодинамического цикла, прямоточный ВРД) при росте скорости, т.е. та же идея, но на скоростях в 1000 км/ч имела бы гораздо более тяжелый и габаритный двигатель. Наконец, 3М на высоте в сотню метров в 1965 году означало неуязвимость для ПВО.
Получается, что раньше концепция КР с ЯЭУ "завязывалась" на высокой скорости, где преимущества концепции были сильными, а конкуренты с углеводородным топливом ослабевали.
Показанная же ракета, на мой взгляд, околозвуковая или слабосверхзвуковая (если, конечно, верить, что на видео именно она). Но при этом габарит реактора уменьшился значительно по сравнению с TORY-II от ракеты SLAM, где он составлял аж 2 метра включая радиальный отражатель нейтронов из графита
"Активная зона первого тестового реактора TORY-II-A во время сборки. "
Можно ли вообще уложить реактор в диаметр 0,4-0,6 метра? Начнем с принципиально минимального реактора - болванки из Pu239. Хороший пример реализации такой концепции - космический реактор Kilopower, где, правда, используется U235. Диаметр активной зоны реактора всего 11 сантиметров! Если перейти на плутоний 239 размеры АЗ упадут еще в 1,5-2 раза.
Теперь от минимального размера мы начнем шагать к реальном ядерному воздушному реактивному двигателю, вспоминая про сложности. Самым первым к размеру реактора добавляется размер отражателя - в частности в Kilopower BeO утраивает размеры. Во-вторых мы не можем использовать болванку U или Pu - они элементарно сгорят в потоке воздуха буквально через минуту. Нужна оболочка, например из инкалоя, который противостоит мгновенному окислению до 1000 С, или других никелевых сплавов с возможным покрытием керамикой. Внесение большого количества материала оболочек в АЗ сразу в несколько раз увеличивает необходимое количество ядерного топлива - ведь "непродуктивное" поглощение нейтронов в АЗ теперь резко выросло!
"Размер всего ПВРД с ЯЭУ TORY-II"
Более того, металлическая форма U или Pu теперь не годится - эти материалы и сами не тугоплавкие (плутоний вообще плавится при 634 С), так еще и взаимодействуют с материалом металлических оболочек. Переводим топливо в классическую форму UO2 или PuO2 - получаем еще одно разбавление материала в АЗ, теперь уже кислородом.
Наконец, вспоминаем предназначение реактора. Нам нужно прокачивать через него много воздуха, которому мы будем отдавать тепло. примерно 2/3 пространства займут "воздушные трубки".
"TORY-IIC. Твэлы в активно зоне представляю собой шестигранные полые трубки из UO2, покрытые защитной керамической оболочкой, собранные в инкалоевых ТВС."
В итоге минимальный диаметр АЗ вырастает до 40-50 см (для урана), а диаметр реактора с 10-сантиметровым бериллиевым отражателем до 60-70 см. Мои наколеночные прикидки "по подобию" подтверждаются проектом ядерного реактивного двигателя MITEE, предназначенного для полетов в атмосфере Юпитера. Этот совершенно бумажный проект (например температура АЗ предусматривается в 3000 К, а стенки из бериллия, выдерживающего от силы 1200 К) имеет рассчетный по нейтронике диаметр АЗ в 55.4 см, при том, что охлаждение водородом позволяет слегка уменьшить размеры каналов, по которым прокачивается теплоноситель.
"Сечение активной зоны атмосферного реактивного ядерного двигателя MITEE и минимальные достижимые массы для различных вариантов геометрии АЗ - в скобках обозначены отношения длины к шагу твела (первай цифра), количество твэлов (вторая цифра), количество элементов отражателя (тертяя цифра) для разных композиций. Небезинтересен вариант с топливом в виде Америция 242m и отражателем из жидкого водорода:)"
На мой взгляд воздушный ядерный реактивный двигатель можно впихнуть в ракету диаметром около метра, что впрочем, все же не кардинально больше озвученных 0,6-0,74 м, но все же настораживает.
Так или иначе, ЯЭУ будет иметь мощность ~несколько мегаватт, питаемые ~10^16 распадов в секунду. Это означает, что сам реактор будет создавать радиационное поле в несколько десятков тысяч рентген у поверхности, и до тысячи рентген вдоль всей ракеты. Даже установка нескольких сот кг секторной защиты не сильно снизит эти уровни, т.к. нейтронны и гамма-кванты будут отражаться от воздуха и "обходить защиту". За несколько часов такой реактор наработает ~10^21-10^22 атомов продуктов деления c с активностью в несколько (несколько десятков) петабеккерелей который и после остановки создадут фон в несколько тысяч рентген возле реактора. Конструкция ракеты будет активирована до примерно 10^14 Бк, хотя изотопы будут в основном бета-излучателями и опасны только тормозным рентгеном. Фон от самой конструкции может достигать десятки рентген на расстоянии 10 метров от корпуса ракеты.
"Рентген ракеты SLAM. Все приводы пневматические, аппаратура управления находится в капсуле, ослабляющей излучение."
Все эти "веселости" дают представление, что и разработка и испытания подобной ракеты - задача на грани возможного. Необходимо создать целый набор радиационно-стойкого навигационного и управляющего оборудования, испытать это все довольно комплексным образом (радиация, температура, вибрации - и все это на статистику). Летные испытания с работающим реактором в любой момент могут превратиться в радиационную катастрофу с выбросом от сотен террабеккерелей до единиц петабеккерелей. Даже без катастрофических ситуаций весьма вероятная разгерметизация отдельных твэлов и выброс радионуклидов.
Конечно, в России до сих пор есть Новоземельский полигон на котором можно проводить такие испытания, однако это будет противоречить духу договора о запрещении испытаний ядерного оружия в трех средах (запрещение вводилось с целью недопущения планомерного загрязнения атмосферы и океана радинуклидами).
Наконец, интересно, кто в РФ мог бы заниматься разработкой подобного реактора. Традиционно изначально высокотемпературными реакторами занимался Курчатовский институт (общее проектирование и расчеты), Обнинский ФЭИ (экспериментальная отработка и топливо), НИИ "Луч" в Подольске (топливо и технологии материалов). Позже к проектированию подобных машин подключился коллектив НИКИЭТ (например реакторы ИГР и ИВГ - прообразы активной зоны ядерного ракетного двигателя РД-0410). Сегодня НИКИЭТ обладает коллективом конструкторов, которые выполняют работы по проектированию реакторов (высокотемпературный газоохлаждаемый РУГК, быстрые реакторы МБИР, БРЕСТ), а ФЭИ и "Луч" продолжают заниматься сопутствующими расчетами и технологиями соотвественно. Курчатовский институт же в последние десятилетия больше перешел к теории ядерных реакторов
Резюмируя, хочется сказать, что создание крылатой ракеты с воздушным реактивным двигателеям с ЯЭУ является в целом выполнимой задачей, но одновременно крайне дорогой и сложной, требующей значимой мобилизации людских и финансовых ресурсов, как мне кажется в большей степени, чем все остальные озвученные проекты ("Сармат", "Кинжал", "Статус-6", "Авангард"). Очень странно, что эта мобилизация не оставила ни малейшего следа. А главное, совершенно не понятно, в чем польза от получения подобных образцов вооружений (на фоне имеющихся носителей), и как они могут перевесить многочисленные минусы - вопросы радиционной безопасности, дороговизны, несовместимости с договорами о сокращении стратегических вооружений.
P.S. Впрочем "источники" уже начинают смягчать ситуацию: "Источник, близкий к ВПК, рассказал «Ведомостям», что радиационная безопасность при испытаниях ракеты была обеспечена. Ядерную установку на борту представлял электрический макет, говорит источн
Москва. 12 марта. сайт - Заместитель министра обороны РФ Юрий Борисов в опубликованном в понедельник интервью газете "Красная звезда" рассказал о новейшем российском оружии, которое 1 марта стало одной из главных тем Владимира Путина к Федеральному собранию.
Крылатая ракета с ядерным двигателем
Среди прочих новинок президент крылатую ракету с ядерным двигателем. По его словам, ничего подобного пока нет ни у одной страны в мире.
"Практически ее можно обнаружить на самом подходе к цели, а возможности ее маневра делают крылатую ракету также неуязвимой. Она может нести груз на любое расстояние. Сутками может летать", - рассказал "Красной звезде" замминистра обороны.
"Нам впервые, наверное, удалось это сделать. Спасибо огромное нашим ученым-ядерщикам, которые эту сказку сделали практической былью. В прошлом году прошли комплексные испытания, они подтвердили все те подходы, которые были заложены в эту крылатую ракету", - продолжил Борисов.
Он уточнил, что в ходе испытаний были подтверждены возможности вывода на заданную мощность ядерной энергетической установки. Замминистра пояснил, что ракета стартует на обычных пороховых двигателях, а затем запускается ядерная установка, при этом запуск должен происходить за короткий промежуток времени.
"Уникальность этой ракеты в том, что она, может быть, и тихоходнее по сравнению с гиперзвуковым "Кинжалом", но летит по заданной траектории, огибая складки местности на низкой высоте, что затрудняет ее обнаружение", - сказал Борисов.
Гиперзвуковой комплекс "Авангард"
Представитель военного ведомства также уделил внимание гиперзвуковому комплексу "Авангард". По его словам, система хорошо испытана и у Минобороны есть контракт на ее серийное производство. "Так что это никакой не блеф, а реальные вещи", - утверждает Борисов.
Он отметил, что при создании "Авангарда" российским ученым пришлось преодолеть ряд сложностей, связанных с тем, что температура на поверхности боевого блока достигает 2 тыс. градусов. "Он действительно летит в плазме. Поэтому проблема управления этим объектом и вопросы защиты стояли очень остро, но решения были найдены", - отметил Борисов.
МБР "Сармат"
Межконтинентальная баллистическая ракета (МБР) "Сармат" должна прийти на смену МБР "Воевода", продолжил замминистра.
"Подразумевается, что она, в отличие от своих предшественниц, может быть оснащена еще и гиперзвуковыми блоками, которые на порядок увеличивают проблему ее перехвата со стороны противоракетных систем", - сказал он.
По словам Борисова, все практические, научно-технические и производственные проблемы уже решены, подготовлены необходимые производственные мощности.
"В прошлом году хорошо прошли бросковые испытания. Они, безусловно, будут продолжены, потому что, как вы знаете, ракетная техника требует повышенной надежности. Это очень грозное оружие, и требуется гарантировать его стопроцентное применение. Поэтому большое количество испытаний - это, безусловно, нормальная практика", - сказал Борисов.
По его словам, стартовый вес ракеты "Сармат" превысит 200 тонн.
"Она может летать и через Северный, и через Южный полюса благодаря тому, что у нее значительно повышена дальность применения по отношению к "Воеводе". А возможность выводить серьёзную полезную нагрузку позволяет нам применять различную "начинку" - боевые блоки, которые в совокупности с тяжёлыми ложными целями достаточно эффективно преодолевают всевозможные элементы противоракетной обороны", - заявил он.
"Самое привлекательное, конечно, сбивать баллистическую ракету на старте, когда она находится на активном участке полета. У нашей новинки "Сармат" этот активный участок гораздо меньше, чем у его прародителя "Воеводы". Именно это делает новую МБР менее уязвимой", - сказал Борисов.
Утилизация "Воеводы"
В ближайшее время российские военные приступят к утилизации МБР "Воевода" (по классификации НАТО - SS-18 "Сатана").
"Про эту стратегическую ракету все хорошо наслышаны, и у нас она прозвана "Воевода", а на Западе её называют "Сатана". Она разработана еще в середине 1980-х годов и стоит на боевом дежурстве, но время проходит, технологии двигаются вперед, эта система устаревает. Она уже на финише своего жизненного цикла...", - пояснил Борисов.
Между тем, в прошлом декабре командующий РВСН генерал-полковник Сергей Каракаев заявлял, что "Воевода" останется в боевом составе Ракетных войск стратегического назначения (РВСН) до 2024 года. Он говорил, что комплексы могут остаться на боевом дежурстве и после этого, вплоть до 2025-2027 годов.
Ядерный подводный беспилотник
Подводный аппарат с ядерной энергетической установкой, который президент охарактеризовал словами "это просто фантастика", позволяет создать на своей основе торпеду с рекордными габаритными и весовыми характеристиками, заявил Борисов.
Он уточнил, что аппарат может погружаться на глубину свыше 1 тыс. метров и маневрировать в процессе движения к намеченной цели, двигаясь практически автономно.
"Оно не требует никакой коррекции, т.е. гироскопия, система наведения позволяют ей с достаточно высокой точностью, быстро, "без улик" подойти к объекту поражения. Я не знаю сегодня средств, которые способны остановить это оружие, потому что даже скоростные характеристики у него кратно выше, чем у имеющихся надводных и подводных средств, включая торпедное оружие", - сказал Борисов.
Он назвал новое оружие уникальным, открывающим совершенно другие возможности для защиты и безопасности РФ. По его словам, в отличие от нынешних атомных подлодок, для выведения на заданную мощность реактора нового аппарата нужны считанные секунды, а не несколько часов.
Гиперзвуковые комплексы "Кинжал"
Наконец, говоря о гиперзвуковых ракетных комплексы "Кинжал", Борисов отметил, что они могут уничтожать как неподвижные, так и движущиеся цели вплоть до авианосцев и кораблей класса крейсер, эсминец, фрегат.
Помимо гиперзвуковой скорости, "Кинжал" обладает способностью обходить все опасные зоны противовоздушной или противоракетной обороны. "Именно возможность маневрирования в гиперзвуковом полёте позволяет обеспечить неуязвимость этого изделия и гарантированное попадание в цель", - сказал замминистра.
Он напомнил, что с декабря прошлого года первые "Кинжалы" были приняты в опытно-боевую эксплуатацию и уже стоят на дежурстве.
Часто в общеобразовательных публикациях о космонавтике не различают разницу между ядерным ракетным двигателем (ЯРД) и ядерной ракетной электродвигательной установкой (ЯЭДУ). Однако под этими аббревиатурами скрывается не только разница в принципах преобразования ядерной энергии в силу тяги ракеты, но и весьма драматичная история развития космонавтики.
Драматизм истории состоит в том, что если бы остановленные главным образом по экономическим причинам исследования ЯДУ и ЯЭДУ как в СССР, так и в США продолжились, то полёты человека на марс давно бы уже стали обыденным делом.
Всё начиналось с атмосферных летательных аппаратов с прямоточным ядерным двигателем
Конструкторы в США и СССР рассматривали «дышащие» ядерные установки, способные втягивать забортный воздух и разогревать его до колоссальных температур. Вероятно, этот принцип образования тяги был заимствован от прямоточных воздушно-реактивных двигателей, только вместо ракетного топлива использовалась энергия деления атомных ядер диоксида урана 235.В США такой двигатель разрабатывался в рамках проекта Pluto. Американцы сумели создать два прототипа нового двигателя - Tory-IIA и Tory-IIC, на которых даже производились включения реакторов. Мощность установки должна была составить 600 мегаватт.
Двигатели, разработанные в рамках проекта Pluto, планировалось устанавливать на крылатые ракеты, которые в 1950-х годах создавались под обозначением SLAM (Supersonic Low Altitude Missile, сверхзвуковая маловысотная ракета).
В США планировали построить ракету длинной 26,8 метра, диаметром три метра, и массой в 28 тонн. В корпусе ракеты должен был располагаться ядерный боезаряд, а также ядерная двигательная установка, имеющая длину 1,6 метра и диаметр 1,5 метра. На фоне других размеров установка выглядела весьма компактной, что и объясняет её прямоточный принцип работы.
Разработчики полагали, что, благодаря ядерному двигателю, дальность полета ракеты SLAM составит, по меньшей мере, 182 тысячи километров.
В 1964 году министерство обороны США проект закрыло. Официальной причиной послужило то, что в полете крылатая ракета с ядерным двигателем слишком сильно загрязняет все вокруг. Но на самом деле причина состояла в значительных затратах на обслуживание таких ракет, тем более к тому времени бурно развивалось ракетостроение на основе жидкостных реактивных ракетных двигателей, обслуживание которых было значительно дешевле.
СССР оставалась верной идеи создания ЯРД прямоточной конструкции значительно дольше, чем США, закрыв проект только в 1985 году . Но и результаты получились значительно весомее. Так, первый и единственный советский ядерный ракетный двигатель был разработан в конструкторском бюро «Химавтоматика», Воронеж. Это РД-0410 (Индекс ГРАУ - 11Б91, известен также как «Ирбит» и «ИР-100»).
В РД-0410 был применён гетерогенный реактор на тепловых нейтронах, замедлителем служил гидрид циркония, отражатели нейтронов - из бериллия, ядерное топливо - материал на основе карбидов урана и вольфрама, с обогащением по изотопу 235 около 80 %.
Конструкция включала в себя 37 тепловыделяющих сборок, покрытых теплоизоляцией, отделявшей их от замедлителя. Проектом предусматривалось, что поток водорода вначале проходил через отражатель и замедлитель, поддерживая их температуру на уровне комнатной, а затем поступал в активную зону, где охлаждал тепловыделяющие сборки, нагреваясь при этом до 3100 К. На стенде отражатель и замедлитель охлаждались отдельным потоком водорода.
Реактор прошёл значительную серию испытаний, но ни разу не испытывался на полную длительность работы. Однако, вне реакторные узлы были отработаны полностью.
Технические характеристики РД 0410
Тяга в пустоте: 3,59 тс (35,2 кН)
Тепловая мощность реактора: 196 МВт
Удельный импульс тяги в пустоте: 910 кгс·с/кг (8927 м/с)
Число включений: 10
Ресурс работы: 1 час
Компоненты топлива: рабочее тело - жидкий водород, вспомогательное вещество - гептан
Масса с радиационной защитой: 2 тонны
Габариты двигателя: высота 3,5 м, диаметр 1,6 м.
Относительно небольшие габаритные размеры и вес, высокая температура ядерного топлива (3100 K) при эффективной системе охлаждения потоком водорода свидетельствует от том, что РД0410 является почти идеальным прототипом ЯРД для современных крылатых ракет. А, учитывая современные технологии получения самоостанавливающегося ядерного топлива, увеличение ресурса с часа до нескольких часов является вполне реальной задачей.
Конструкции ядерных ракетных двигателей
Ядерный ракетный двигатель (ЯРД) - реактивный двигатель, в котором энергия, возникающая при ядерной реакции распада или синтеза, нагревает рабочее тело (чаще всего, водород или аммиак).Существует три типа ЯРД по виду топлива для реактора:
- твердофазный;
- жидкофазный;
- газофазный.
В газофазных ЯРД топливо (например, уран) и рабочее тело находится в газообразном состоянии (в виде плазмы) и удерживается в рабочей зоне электромагнитным полем. Нагретая до десятков тысяч градусов урановая плазма передает тепло рабочему телу (например, водороду), которое, в свою очередь, будучи нагретым до высоких температур и образует реактивную струю.
По типу ядерной реакции различают радиоизотопный ракетный двигатель, термоядерный ракетный двигатель и собственно ядерный двигатель (используется энергия деления ядер).
Интересным вариантом также является импульсный ЯРД - в качестве источника энергии (горючего) предлагается использовать ядерный заряд. Такие установки могут быть внутреннего и внешнего типов.
Основными преимуществами ЯРД являются:
- высокий удельный импульс;
- значительный энергозапас;
- компактность двигательной установки;
- возможность получения очень большой тяги - десятки, сотни и тысячи тонн в вакууме.
- потоки проникающей радиации (гамма-излучение, нейтроны) при ядерных реакциях;
- вынос высокорадиоактивных соединений урана и его сплавов;
- истечение радиоактивных газов с рабочим телом.
Ядерная энергодвигательная установка
Учитывая, что какую-либо достоверную информацию о ЯЭДУ по публикациям, в том числе и из научных статей, получить невозможно, принцип работы таких установок лучше всего рассматривать на примерах открытых патентных материалов, хотя и содержащих ноу-хау.Так, например, выдающимся российским учёным Коротеевым Анатолием Сазоновичем, автором изобретения по патенту , приведено техническое решение по составу оборудования для современной ЯРДУ. Далее привожу часть указанного патентного документа дословно и без комментариев.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется схемой, представленной на чертеже. ЯЭДУ, функционирующая в двигательно-энергетическом режиме, содержит электроракетную двигательную установку (ЭРДУ) (на схеме для примера представлено два электроракетных двигателя 1 и 2 с соответствующими системами подачи 3 и 4), реакторную установку 5, турбину 6, компрессор 7, генератор 8, теплообменник-рекуператор 9, вихревую трубку Ранка-Хильша 10, холодильник-излучатель 11. При этом турбина 6, компрессор 7 и генератор 8 объединены в единый агрегат - турбогенератор-компрессор. ЯЭДУ оснащена трубопроводами 12 рабочего тела и электрическими линиями 13, соединяющими генератор 8 и ЭРДУ. Теплообменник-рекуператор 9 имеет так называемые высокотемпературный 14 и низкотемпературный 15 входы рабочего тела, а также высокотемпературный 16 и низкотемпературный 17 выходы рабочего тела.Ссылки:Выход реакторной установки 5 соединен со входом турбины 6, выход турбины 6 соединен с высокотемпературным входом 14 теплообменника-рекуператора 9. Низкотемпературный выход 15 теплообменника-рекуператора 9 соединен со входом в вихревую трубку Ранка-Хильша 10. Вихревая трубка Ранка-Хильша 10 имеет два выхода, один из которых (по «горячему» рабочему телу) соединен с холодильником-излучателем 11, а другой (по «холодному» рабочему телу) соединен со входом компрессора 7. Выход холодильника-излучателя 11 также соединен со входом в компрессор 7. Выход компрессора 7 соединен с низкотемпературным 15 входом в теплообменник-рекуператор 9. Высокотемпературный выход 16 теплообменника-рекуператора 9 соединен со входом в реакторную установку 5. Таким образом, основные элементы ЯЭДУ связаны между собой единым контуром рабочего тела.
ЯЭДУ работает следующим образом. Нагретое в реакторной установке 5 рабочее тело направляется на турбину 6, которая обеспечивает работу компрессора 7 и генератора 8 турбогенератора-компрессора. Генератор 8 производит генерацию электрической энергии, которая по электрическим линиям 13 направляется к электроракетным двигателям 1 и 2 и их системам подачи 3 и 4, обеспечивая их работу. После выхода из турбины 6 рабочее тело направляется через высокотемпературный вход 14 в теплообменник-рекуператор 9, где осуществляется частичное охлаждение рабочего тела.
Затем, из низкотемпературного выхода 17 теплообменника-рекуператора 9 рабочее тело направляется в вихревую трубку Ранка-Хильша 10, внутри которой происходит разделение потока рабочего тела на «горячую» и «холодную» составляющие. «Горячая» часть рабочего тела далее следует в холодильник-излучатель 11, где происходит эффективное охлаждение этой части рабочего тела. «Холодная» часть рабочего тела следует на вход в компрессор 7, туда же следует после охлаждения часть рабочего тела, выходящая из холодильника-излучателя 11.
Компрессор 7 производит подачу охлажденного рабочего тела в теплообменник-рекуператор 9 через низкотемпературный вход 15. Это охлажденное рабочее тело в теплообменнике-рекуператоре 9 обеспечивает частичное охлаждение встречного потока рабочего тела, поступающего в теплообменник-рекуператор 9 из турбины 6 через высокотемпературный вход 14. Далее, частично подогретое рабочее тело (за счет теплообмена с встречным потоком рабочего тела из турбины 6) из теплообменника-рекуператора 9 через высокотемпературный выход 16 вновь поступает к реакторной установке 5, цикл вновь повторяется.
Таким образом, находящееся в замкнутом контуре единое рабочее тело обеспечивает непрерывную работу ЯЭДУ, причем использование в составе ЯЭДУ вихревой трубки Ранка-Хильша в соответствии с заявляемым техническим решением обеспечивает улучшение массогабаритных характеристик ЯЭДУ, повышает надежность ее работы, упрощает ее конструктивную схему и дает возможность повысить эффективность ЯЭДУ в целом.
2018 год запомнится неприятной вещью: мир снова заговорил об атомном оружии и военных ядерных технологиях. Люди опять начинают задумываться, сколько времени летит до нас баллистическая ракета, куда бежать в случае тревоги, как устроены и где расположены бомбоубежища, какие поражающие факторы есть у атомных и термоядерных зарядов, есть ли у нас что-то, чем можно ответить и, в конце концов, можно ли всего этого избежать. «Популярная механика» попытается ответить на некоторые из этих невеселых вопросов.
Ядерный след
Проблема досягаемости территории США для СССР, окруженного со всех сторон американскими базами, возникла сразу после окончания Второй мировой войны. Американские и английские стратегические бомбардировщики с ядерным оружием размещались вокруг не для мифической защиты от международных террористов, а конкретно для нападения на Советский Союз. Достичь же территории США с советских аэродромов классические советские бомбардировщики не могли: для этого требовалась дальность не менее 16 000 км. Для поражения же удаленных целей на территории США и свободного выбора трассы полета для обхода районов ПВО требовалась дальность в 25 000 км. Обеспечить ее на сверхзвуковом режиме могли только самолеты с ядерными силовыми установками.
Турбореактивный. Атомный
Сегодня подобные проекты кажутся невероятными, а в начале 1950-х задача была не сложнее, чем размещение реакторов на подводных лодках: и то и другое давало практически неограниченный радиус действия. Самолеты было поручено конструировать КБ Туполева и Мясищева, а «специальные двигатели» — КБ Архипа Люльки.
368 целей для ядерных зарядов, чтобы убить четверть населения Китая (источник: The New York Times)
Турбореактивный двигатель с атомным реактором (ТРДА) по конструкции очень сильно напоминает обычный турбореактивный двигатель (ТРД). Только если в ТРД тяга создается расширяющимися при сгорании керосина горячими газами, то в ТРДА воздух нагревается, проходя через реактор. Активная зона авиационного атомного реактора на тепловых нейтронах набиралась из керамических тепловыделяющих элементов, в которых имелись продольные шестигранные каналы для прохода нагреваемого воздуха. Расчетная тяга разрабатываемого двигателя должна была составить 22,5 т. Рассматривалось два варианта компоновки ТРДА — «коромысло», при котором вал компрессора располагался вне реактора, и «соосный», где вал проходил по оси реактора. В первом случае вал работал в щадящем режиме, во втором требовались специальные высокопрочные материалы. Но соосный вариант обеспечивал меньшие размеры двигателя. Поэтому одновременно прорабатывались варианты с обеими двигательными установками.
Главным недостатком таких двигателей так называемой открытой схемы, когда атмосферный воздух проходил напрямую через реактор, было сильное радиационное заражение отработанного воздуха, что, например, исключало возможность применения обычной кабины экипажа. Он должен был располагаться в герметичной многослойной 60-тонной (!) свинцовой капсуле и управлять машиной посредством телевизионных и радиолокационных экранов. Расчетная масса такого самолета должна была превысить 250 т. Появилась логичная идея сделать бомбардировщик в беспилотном варианте — в виде своеобразной гигантской крылатой ракеты. Однако в ВВС не поддержали проект: в 1950-х годах автоматические системы управления не могли обеспечить маневренность для преодоления системы ПВО США.
124 цели для ядерных зарядов, чтобы убить четверть населения США (источник: The New York Times)
Космический буксир
За прошедшие 70 лет мало что изменилось: мы даже еще плотнее окружены американскими базами, досягаемость территории США все еще является проблемой, разве что мы научились делать прекрасные системы автономного управления — посадка «Бурана» тому подтверждение. И как в пятидесятые, никакой альтернативы для длительного межконтинентального полета в атмосфере, кроме ядерного двигателя, нет. А тема эта не просто секретная, а суперсекретная. Тем не менее что-то мы знаем, а о чем-то можно догадаться.
Последние открытые данные поступали из незавершенного проекта ядерной энергодвигательной установки для «космического буксира». Занимался космическим реактором Институт имени Келдыша, в котором до недавнего времени довольно охотно делились информацией об этом проекте. Но несколько лет назад все общение с журналистами на эту тему представители института прекратили — прямой признак, что работы, которые раньше велись для «мирного космоса», переросли в немирные. Но кое-что удалось узнать ранее.
Например, что в реакторе для ядерного реактивного двигателя (ЯРД) использовалось уникальное топливо, состоявшее из карбидов — соединений урана, вольфрама и ниобия с углеродом. Это позволило далеко опередить по допустимым температурам классический оксид урана, который плавится примерно при 2500 градусах. Такое топливо неплохо работало в водородной среде, в которую, правда, приходилось добавлять гептан для подавления химических реакций карбидов с водородом. Но в окислительной среде, какой является раскаленный до пары тысяч градусов воздух (а наша ядерная крылатая ракета летит в атмосфере), карбиды работать не смогут: углерод будет окисляться кислородом, а оставшиеся металлы расплавятся и улетят с потоком теплоносителя. Подольское НПО «Луч», производившее эти ТВЭЛы, научилось покрывать топливные стерж-ни металлическим ниобием, что расширило список различных сред, в которых это топливо устойчиво, но при тех температурах, которые нужны в ЯРД, ниобий реагирует с кислородом, образуя оксид, и тоже не может защитить топливо. Может быть, сплав тантала с гафнием мог бы быть достаточно стойким в этих условиях, но гафний сильно поглощает нейтроны, что затрудняет конструирование реактора.
Следовательно, напрямую ЯРД в двигатель для полета в атмосфере не конвертируется. Хотя многие идеи заимствовать можно, и они являются общими для разных малогабаритных и космических реакторов. Например, органы управления реактором в виде поворотных барабанов, врезанных в боковой отражатель нейтронов из бериллия. Примерно такая схема применялась и в советских космических ядерных энергетических установках «Бук» и «Топаз», и в некоторых американских реакторах, тоже предназначенных для использования вне Земли. А топливо, скорее всего, придется применять оксидное, как в большинстве реакторов по всему миру. Во всяком случае, пока завеса секретности не опустилась на «космический буксир», келдышевцы планировали использовать в этой ЯЭДУ именно оксидное топливо.
Быстрые и медленные нейтроны
Но почему-то неспециалисты дружно решили, что основой двигателя крылатой ракеты должен стать реактор на быстрых нейтронах. Объяснение простое: ради компактности устройства в нем нужно применять ядерное топливо высокого обогащения, а тогда замедлитель оказывается не нужен, ведь он увеличивает сечение деления у урана-235, мало влияя на сечение захвата ураном-238. Кроме того, медленные нейтроны имеют ту же температуру, что и замедлитель, а значит, их энергия растет вместе с температурой в реакторе, уменьшая их преимущества. Действительно, «Бук» — самый массовый космический реактор — работал на быстрых нейтронах, а его наследник «Топаз» — на промежуточных. Однако реактор на тепловых нейтронах может быть не менее компактным: замедлитель из гидрида циркония позволяет создать реактор с диаметром активной зоны меньше полуметра, что и было реализовано в советском ЯРД. А для снижения температуры замедлитель должен охлаждаться отдельным потоком теплоносителя, тогда можно реализовать все преимущества медленных нейтронов. Кроме того, в реакторе на тепловых нейтронах можно использовать весьма экзотический изотоп — америций-242м. Несмотря на то что сейчас производство этого изотопа не налажено, организовать его гораздо проще, чем производство полумифического калифорния — в отработанном ядерном топливе америций-241 накапливается сам собой, и его можно выделять достаточно простыми химическими реакциями (и его выделяют, так как он используется, например, в некоторых детекторах дыма). Если из оксида америция-241 спрессовать таблетки и загрузить их в реактор на быстрых нейтронах, тот же БН-800, то можно быстро накопить достаточное количество америция-242м. Буква в конце названия означает, что это ядерный изомер, находящийся в возбужденном состоянии. Дело в том, что у обычного америция-242, чьи ядра находятся в наинизшем энергетическом состоянии, период полураспада всего 16 ч, а у ядра 242м — целых 140 лет. А зачем он нужен? С замедлителем из гидрида циркония он имеет критическую массу меньше 50 г! Соответственно, реактор на нем будет иметь диаметр (без отражателя) порядка 10 см. Такой реактор, правда, с водяным замедлителем, предлагалось использовать в медицине, для нейтронно-захватной терапии. А вот чего точно не будет в реакторе для крылатой ракеты, так это торцевых отражателей нейтронов. Для них просто не остается места: с одной стороны должен быть воздухозаборник, с другой — сопло.
Реконструкция
Несмотря на секретность, примерный внешний облик двигателя представить можно. Впрочем, он не изменился с 60-х годов прошлого века, когда случилась первая волна разработки ядерных самолетов — все схемы были ясны уже тогда. Они разделяются на два принципиально различных класса — с прямым нагревом воздуха в реакторе и с косвенным, когда между воздухом и реактором есть промежуточный теплоноситель и теплообменник. Вторая схема гораздо чище, так как продукты деления не попадают в воздух, но для одноразовых беспилотных аппаратов годится и первая.
Ядерный турбореактивный двигатель
Во время первых экспериментов с ядерными самолетами NB-36 и Ту-95ЛЛ воздушный винт еще не сдал своих позиций, но сейчас был бы явным анахронизмом, ограничивающим скорость дозвуковым уровнем. Уже через пять лет все проектируемые атомолеты стали чисто реактивными. На видео в президентском послании была показана ракета наземного базирования, стартующая с помощью обычного твердотопливного ракетного двигателя, что логично: даже если наш ядерный двигатель не выбрасывает осколки деления прямо в воздух, то гамма-радиацию от работающего реактора полностью заэкранировать невозможно, слишком тяжелой получится защита. Значит, реактор надо запускать на большой высоте — хотя бы в паре километров. Тогда воздух сам будет поглощать радиацию. А если летательный аппарат уже на высоте и разогнан до сверхзвуковой скорости, правильнее строить маршевую ступень с прямоточным двигателем. Примерно так работала сконструированная под руководством С. А. Лавочкина крылатая ракета «Буря», конкурировавшая когда-то с Р-7 за право зваться защитницей наших рубежей. Тогда крылатая ракета проиграла: ПВО совершенствовалось на глазах, а ПРО существовало только на бумаге, да и в реализуемости перехвата баллистической ракеты тогда сомневались многие. Сейчас ситуация изменилась: ПВО и ПРО превратились в единый комплекс средств обнаружения и перехвата, и обмануть его можно лишь одним способом — маневрированием. Для баллистических ракет это тоже возможный способ, но очень энергозатратный, ведь ракета все свое топливо сжигает сразу после старта, и маневрирование в атмосфере возможно лишь за счет уменьшения дальности.
Ядерный прямоточный воздушно-реактивный двигатель
Вот тут-то ядерный двигатель и получил второй шанс. Конечно, у реактора есть ресурс, и, чем жестче требования к реактору, тем этот ресурс меньше. Но даже у «Бука» ресурс превышал несколько месяцев непрерывной работы, а крылатой ракете нужна максимум пара суток, чтобы обогнуть земной шар по максимально удаленному от пусковых установок противоракет маршруту. Ну и, поскольку это явно оружие Судного дня, экономические требования отступают на второй план по сравнению даже с «космическим буксиром». А значит, топливные стержни покрывать можно хоть иридием, хоть золотом.
А был ли мальчик?
И все же возможно ли это? Ведь нам пообещали, что габариты ракеты с атомным реактором не превысят габаритов обычной крылатой ракеты большой дальности — Х-101 или того же «Калибра». Несложно посчитать, что одно это условие убивает на корню возможность использования теплообменников. Хотя теплообменник «газ — газ» на такие тепловые потоки, в принципе, реализуем, что показывает проект космического самолета с использованием атмосферного кислорода SABRE, в диаметр 533 мм он не впишется никак. Значит, нагрев может быть только непосредственный, получается, и выхлоп будет сильно радиоактивный. Следовательно, вероятность того, что никаких турбин и компрессоров в этом двигателе не будет, близка к единице. А прямоточный двигатель навязывает скорость полета в диапазоне 3−3,5 М. Примерно как у самого быстрого самолета SR-71A или крылатой ракеты «Буря». Но если «Буря» шла к цели на высоте 15−18 км и перед целью делала «горку» на 35 км, выполняя противозенитный маневр, то нынешняя ракета, видимо, также будет идти к цели на высоте около 20 км, чтобы не заразить радиацией собственную территорию (ведь даже после обмена ударами придется как-то восстанавливать обычную жизнь), но перед целью, вероятно, должна будет снизиться и прорывать ПВО на предельно малой высоте, огибая рельеф. Поскольку летчиков на ней не будет, это можно делать с ускорениями до 20 g или больше.
Резюме тут очень простое. Если эта ракета действительно существует и опубликованные о ней данные соответствуют действительности, то, несмотря на высшую степень секретности, мы можем о ней сказать довольно много:
- она точно использует твердотопливную разгонную ступень и запускает реактор на большой высоте и скорости;
- она точно применяет многие технологии, созданные для космических реакторов и ядерных ракетных двигателей, включая использование регулирующих органов, вынесенных за пределы активной зоны, бериллиевый отражатель, возможно, замедлитель из гидрида циркония, возможно, карбидное ядерное топливо, покрытое чем-то для защиты от окисления;
- ее маршевая ступень, скорее всего, использует прямоточный двигатель с непосредственным нагревом, что исключает ее применение кроме как в самом крайнем случае совместно с системой «Периметр» (так называлась советская система, которую американцы окрестили «Мертвой рукой»);
- скорость ее полета на большей части траектории должна быть около 3 М, а дальность — примерно два раза «вокруг шарика»;
- вряд ли их можно сделать достаточно много, чтобы заменить баллистические ракеты на обычном химическом топливе.
Российские военные успешно испытали крылатую с ядерной энергетической установкой. Дальность ее полета на дозвуковой скорости не ограничена. Такие изделия способны на низкой высоте обходить районы противовоздушной и противоракетной обороны, с высокой точностью уничтожая объекты противника. О появлении новинки сообщил президент России Владимир Путин в своем послании Федеральному собранию. По мнению экспертов, эти системы относятся к оружию сдерживания. Они используют для перемещения воздух, нагретый ядерной энергетической установкой. По информации специалистов, речь идет об изделии с индексом 9М730, разработанном ОКБ «Новатор». В угрожаемый период такие ракеты можно поднять в воздух и вывести в заданные районы. Оттуда они смогут ударить по важным объектам противника. Испытания новинки идут достаточно активно, и в них принимают участие летающие лаборатории Ил-976. В конце 2017 года на Центральном полигоне Российской Федерации состоялся успешный пуск новейшей российской крылатой ракеты с ядерной энергоустановкой. В ходе полета энергоустановка вышла на заданную мощность, обеспечила необходимый уровень тяги, - заявил в своем выступлении Владимир Путин. - Перспективные системы вооружения России основаны на новейших уникальных достижениях наших ученых, конструкторов, инженеров. Одно из них - создание малогабаритной сверхмощной ядерной энергетической установки, которая размещается в корпусе крылатой ракеты типа нашей новейшей ракеты Х-101 воздушного базирования или американского «Томагавка», но при этом обеспечивает в десятки раз - в десятки раз! - большую дальность полета, которая является практически неограниченной. Низколетящая, малозаметная крылатая ракета, несущая ядерную боевую часть, с практически неограниченной дальностью, непредсказуемой траекторией полета и возможностью обхода рубежей перехвата является неуязвимой для всех существующих и перспективных систем как ПРО, так и . В представленном видеосюжете зрители смогли увидеть запуск уникальной ракеты. Полет изделия был запечатлен с борта истребителя сопровождения. Согласно представленной далее компьютерной графике, «ядерная ракета» облетела зоны морского ПРО в Атлантике, обошла с юга Южную Америку и ударила по территории Соединенных Штатов со стороны Тихого океана.
Судя по представленному видео, это ракета либо морского, либо сухопутного базирования, - рассказал «Известиям» главный редактор-интернет проекта MilitaryRussia Дмитрий Корнев. - В России есть два разработчика крылатых ракет. «Радуга» производит только изделия воздушного базирования. Наземные и морские - в ведении «Новатора». На счету этой фирмы - линейка крылатых ракет Р-500 для комплексов «Искандер», а также легендарные «Калибры». Не так давно в открытых документах ОКБ «Новатор» появились упоминания о двух новых изделиях - 9М729 и 9М730. Первое - это обычная дальнобойная крылатая ракета, а вот про 9М730 ничего не было известно. Но это изделие явно находится в стадии активной разработки - по данной тематике на сайте госзакупок размещено несколько тендеров. Поэтому можно предположить, что «ядерная ракета» - это и есть 9М730. Как отметил военный историк Дмитрий Болтенков, принцип работы ядерной энергетической установки достаточно прост. По бортам ракеты находятся специальные отсеки с мощными и компактными нагревателями, работающими от ядерной энергоустановки, - отметил эксперт. - В них попадает атмосферный воздух, который нагревается до нескольких тысяч градусов и превращается в рабочее тело двигателя. Вытекание горячего воздуха создает тягу. Такая система действительно обеспечивает практически безграничную дальность полета. Как заявил Владимир Путин, испытания новинки прошли на Центральном полигоне. Этот объект расположен в Архангельской области в поселке Ненокса. Это историческое место испытания дальнобойного , - отметил Дмитрий Болтенков. - Оттуда маршруты ракет проходят вдоль северного побережья России. Их протяженность может доходить до нескольких тысяч километров. Для снятия телеметрических параметров с ракет на таких расстояниях нужны специальные - летающие лаборатории. По словам эксперта, не так давно были восстановлены два уникальных самолета Ил-976. Это специальные машины, созданные на базе транспортного Ил-76, долгое время использовались для испытания дальнобойного ракетного оружия. В 1990-е годы они были законсервированы. В сети Интернет были опубликованы фото Ил-976, перелетевших на аэродром вблизи Архангельска, - отметил эксперт. - Примечательно, что машины несли эмблему «Росатома». В это же время Россия выпустила специальное международное предупреждение NOTAM (Notice to Airmen) и закрыла район для судов и самолетов. По мнению военного эксперта Владислава Шурыгина, новая «ядерная ракета» - это не наступательный боевой комплекс, а оружие сдерживания. В угрожаемый период (обострение обстановки, как правило, предшествующее началу войны) российские военные смогут вывести в заданные районы патрулирования эти изделия, - отметил эксперт. - Это позволит предотвратить попытки противника нанести удар по России и ее союзникам. «Ядерные» ракеты смогут выполнить роль оружия возмездия или нанести превентивный удар. Вооруженные силы России располагают несколькими линейками дозвуковых низковысотных крылатых ракет. Это Х-555 и Х-101 воздушного, Р-500 наземного и 3М14 «Калибр» морского базирования.
