Файл: Динамика и управление ядерным ракетным двигателем [Текст] 1974. - 253 с.pdf

ного горючего и получение необходимых двигательных характеристик. По расчетам работы [111 условия критич­ ности требуют наличия в реакторе сравнительно высоких давлений — до 500—1000 атм. При этом характерные тем­ пературы получаются на уровне 1ч-5 103°К. Разумеется, что ядерное горючее должно быть в этих условиях отделено от стенок более холодными слоями рабочего тела.

Наиболее простая схема газофазного реактора — схема с полным смешением [12] представлена на рис. 1.5. Однако

Рис. 1.5. Схема полного смещения:

/ —замедлитель-отражатель; 2 — сопло; 3 — активная зона.

в чистом виде она не хороша из-за большого выноса деля­ щегося вещества. Если ввести понятие коэффициента раз­ деления, который представляет собой отношение расхода вынесенного делящегося вещества к его общему расходу

[6, 9]

то перспективными газофазными ЯРД, по мнению боль­ шинства авторов, следует считать только такие, для кото­ рых по крайней мере К = 10~3 -f- 10-4. Добиться такого высокого коэффициента разделения можно несколькими способами, в связи с чем разработки схем газофазных реак­ торов велись по нескольким направлениям [2, 12].

Механические способы разделения делящегося вещества

ирабочего тела с помощью твердых достаточно прозрачных

иохлаждаемых стенок. Схемы реакторов подобного типа показаны на рис. 1.6 и 1.7 [12—14]. Во всех случаях этих схем механизмом теплообмена ядерного горючего и рабо­ чего тела должно быть излучение, свободно проходящее

14

через твердую прозрачную стенку. Эта стенка либо час­ тично, либо полностью отделяет зону ядерного горючего от зоны рабочего тела. Прозрачная ампула расположена коаксиально по отношению к потоку рабочего тела и

Рис. 1.6. Коаксиальная схема с прозрачной стенкой:

1 — замедлитель-отражатель; 2 — прозрачная стенка; 3 — активная зона; 4 — сопло.

охлаждается газом (неоном). В схеме предусматривается се­ парация смеси ядерного горючего и охлаждающего ампулу газа. Рабочее тепло — водород. Ожидаемые параметры по удельной тяге около 1870 сек, давление 500 атм.

f Рис. 1.7. Схема с прозрачной стенкой и вихревой стабилизацией:

/— замедлитель-отражатель; 2 — прозрачная стенка; 3 — активная зона с вихревой стабилизацией; 4 — сопло.

Схемы с прозрачными стенками и проблемы, связанные с ними, рассматривались в ряде работ [13— 14]. Однако трудности материаловедческого и инженерного характера по обеспечению достаточной термопрочности, защиты и прозрачности стенок ампулы весьма велики.

15

Гидродинамические способы разделения ядерного горю­ чего и рабочего тела привели к созданию схем с вихревым и коаксиальным течениями. В схемах этого типа перего­ родка между ядерным горючим и рабочим телом отсутст­ вует, так что некоторое смешение этих тел неизбежно.

Идея вихревого удержания ядерного горючего (рис. 1.8) состоит в создании в полости реактора кольцевого вихря

А-А

Рис. 1.8. Вихревая схема:

реакторной полости с тангенциальной закруткой, проходит зону вихря ядерного горючего, нагревается и истекает по центральной части полости и через сопло.

Модификации этой схемы различаются тем, что через зону вихря подается иногда не все рабочее тело, а только часть его, закрутка вихревой зоны горючего вызывается взаимодействием электрического тока в газе с магнитным полем [16, 17] или для лучшей защиты стенок применяется пылевой экран [18]. В схемах с коаксиальными течениями высокий коэффициент разделения ядерного горючего и ра­ бочего тела может быть достигнут различными способами.

16

2

Рис. 1.11. Коаксиальная схема с газодинамической стабилизацией:

/ — замедлитель-отражатель; 2 — пористая стенка; 3 — ак­ тивная зона; 4 — сопло; 5 — профилированная подача рабо­ чего тела.

Магнитное поле

Рис. 1.12. Вихревая схема с магнитогидродинами­ ческим вращением рабочего тела:

леноид; 7 — изолятор.

18

Магнитогидродинамические способы удержания ядерного горючего [6J используют взаимодействие внешнего маг­ нитного іюля с плазмой делящегося вещества и рабочего тела. Схема на рис. 1.13 иллюстрирует возможную МГДкомпоновку активной зоны такого типа.

Во всех случаях рассмотренных схем газовые ядерные реакторы, как правило, получаются полостного типа с рез­ ко разграниченными областями ядерного горючего, рабочего тела и замедлителя-отражателя. Исследованию нейтронно-

Рис. 1.13. Коаксиальная схема с магнитной стабилиза­ цией:

физических свойств таких реакторов посвящено много

Это наиболее сложный в отношении математического опи­ сания способ передачи тепла.

В работах [6, 9, 12] показано, что до температуры 8300°К при давлении 500 атм рабочее тело, в качестве ко­ торого в большинстве схем используется водород, весьма прозрачно для излучения, и для организации надлежащего теплообмена требуется введение различных присадок. Что же касается зоны ядерного горючего, то его непрозрачность больше, чем у рабочего тела, по крайней мере на порядок. Проблемам теплообмена в газофазных ЯРД до сведениям

19

В дальнейшем мы не будем рассматривать реакторы с твердыми прозрачными стенками и с вихревой стабили­ зацией активной зоны. Вопросы перспективности этих схем спорны. В одном случае возникают инженерные трудности создания и теплозащиты прозрачных стенок, в другом двигательные характеристики, как правило, получаются невысокими. По-видимому, гидродинамические и электро­ магнитные способы удержания ядерного горючего в коак­ сиальных течениях более перспективны. В дальнейшем мы ограничимся рассмотрением вопросов управления только по отношению к схемам этого типа.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Bussard R. W. А Nuclear — Electric Propulsion System. J. Brit. Interplanet. Soc., 1956, v. 15, No. 6 (73), p. 19.

2.Разработка ядерных ракетных двигателей в США (обзор). — «Вопросы ракетной техники». М., «Мир», 1966, № 12, с. 48.

3.Состояние разработки ЯРД в США (обзор). —«Вопр. ракетн. техн.». М., «Мир», 1970, № 6, с. 46.

4.Шредер Р. В. «Состояние разработки ЯРД «Нерва». — «Вопр. ракетн. техн.». М., «Мир», 1968, № 3, с. 49.

5.Мегреблиан Р, Холмс Д. Теория реакторов. Пер. с англ. М., Госатомиздат., 1962, с. 349, 149.

6.Бассард Р., Делауэр Р. Ядерные двигатели для самолетов и ра­

кет. Пер. с англ. М., Воениздат, 1967, с. 11.

7. Тан И. С. и др. Исследование реактора на коллоидном горю­ чем. — «Ракетная техника и космонавтика», 1971, т. 9, № 2, с. 177.

8.Shepherd L. R., Cleaver A. U. The Atomic Rocket-3.—J. Brit. Interplanet. Soc., 1949, v. 8, No. 1, p. 23.

9.Бассард P., Делауэр P. Ракета с атомным двигателем. M., Воениздат, 1960.

10.Hunter М. W. Single-stage speaceships should be our goal. — Nucleonics, 1963, v. 21, No. 2.

11.Knapp P. E. Liguid/gas core reactors for high acceler. pro­

pulsion JEEE Trans.— Nucl. Sei., 1965, v. 12, No. 1.

12.Мак-Лафферти Дж. X. Перспективные концепции ядерных ракетных двигателей (обзор). — «Вопр. ракетн. техн.», М., «Мир», 1968, № 10, с. 25.

13.McLafferty G. Н. Absorption of thermal radiation in the tran­

20