РД-0410 - ядерный двигатель для дальнего космоса.

На сайте КБХА двигатель РД0410 после проведенных испытаний в земных условиях, мирно покоится в разделе перспективных разработок.

Популярный 7-минутный фильм для демонстрации принципов работы:

Из характеристик двигателя  удельный импульс 910 с ( 8927 м/с ), современные и перспективные РД на химическом топливе явно не дотягивают до этого значения:

Американский реактор «NERVA» по плану должен был быть установлен на ракету «Сатурн V», однако спонсирование лунной программы было остановлено.

Параллельно велись работы и над созданием газофазных ЯРД.

Устройство и принцип действия ЯРД.

    Ядерные ракетные двигатели бывают:

- газофазными, жидкофазными и твердофазными в зависимости от агрегатного состояния ядерного топлива.

Также они могут подразделяться на:

-жидкостные и импульсно-взрывные.

Жидкостные ядерные ракетные двигатели используют нагрев жидкого рабочего тела в нагревательной камере от ядерного реактора и вывод газа через сопло, а импульсно-взрывные основаны на создании ядерных взрывов малой мощности через равные промежутки времени.
    ТЯРД может использовать различные виды термоядерных реакций в зависимости от вида применяемого топлива. В частности, на настоящее время принципиально осуществимы следующие типы реакций:

Реакция дейтерий + тритий (топливо D-T)

²H + ³H = ⁴He + n + 17.6 МэВ

    Такая реакция наиболее легко осуществима с точки зрения современных технологий, даёт значительный выход энергии, топливные компоненты относительно дёшевы. Недостаток её — весьма большой выход нежелательной (и бесполезной для прямого создания тяги) нейтронной радиации, уносящей большую часть выходной энергии реакции и, как следствие, резко снижающей КПД двигателя. Тритий радиоактивен, период его полураспада около 12 лет, то есть долговременное хранение трития невозможно. В то же время, возможно окружить дейтериево-тритиевый реактор оболочкой, содержащей литий: последний, в результате облучения нейтронным потоком, превращается в тритий, что приводит к замыканию топливного цикла, поскольку реактор работает в режиме размножителя (бридера). Таким образом, топливом для D-T-реактора фактически служат дейтерий и литий.

Реакция дейтерий + гелий-3

²H + ³He = ⁴He + p + 18.3 МэВ

    Условия её достижения значительно сложнее. Гелий-3, кроме того, редкий и чрезвычайно дорогой изотоп. В промышленных масштабах на настоящее время не производится. Кроме того, что энергетический выход этой реакции выше, чем у D-T-реакции, она имеет следующие дополнительные преимущества:

• Сниженный нейтронный поток (реакцию можно отнести к «безнейтронным»),
• Меньшая масса радиационной защиты,
• Меньшая масса магнитных катушек реактора.

    При реакции D-³He в форме нейтронов выделяется всего около 5% мощности (против 80% для D-T). Около 20% выделяется в форме рентгеновского излучения. Вся остальная энергия может быть непосредственно использована для создания реактивной тяги. Таким образом, реакция D-³He намного более перспективна для применения в реакторе ТЯРД.

Другие виды реакций

    Реакции между ядрами дейтерия (D-D, монотопливо):

²H + ²H → ³He + n + 3.3 МэВ,

²H + ²H →> ³H + p + 4 МэВ.

Нейтронный выход в данном случае весьма значителен.
    Возможны и некоторые другие типы реакций:

p + ⁶Li → ⁴He (1.7 MeV) + ³He (2.3 MэВ)

³He + ⁶Li → 2⁴He + p + 16.9 MэВ

p + ¹¹B → 3⁴He + 8.7 MэВ

Рис.3 Строение жидкофазного ядерного двигателя

    Рабочее тело, контактируя с ТВЭЛом, поглощает энергию и нагревается, увеличивается в объеме, после чего выходит через сопло двигателя под высоким давлением.
    Принцип работы жидкофазного ЯРД и его устройство аналогично твердофазным, только топливо находится в жидком состоянии, что позволяет увеличить температуру, а значит и тягу.
    Газофазные ЯРД работают на топливе в газообразном состоянии. Газообразное топливо может удерживаться в корпусе электрическим полем или же находится в герметичной прозрачной колбе – ядерной лампе. В первом случае возникает контакт рабочего тела с топливом, а также частичная утечка последнего, поэтому кроме основной массы топлива в двигателе должен быть предусмотрен его запас для периодического пополнения. В случае с ядерной лампой утечки не происходит, а топливо полностью изолировано от потока рабочего тела.

Преимущество, заключающееся в высоком показателе удельного импульса ядерных ракетных двигателей по сравнению с химическими, очевидно.

Для твердофазных моделей величина удельного импульса составляет 8000-9000 м/с,

для жидкофазных – 14000 м/с, для газофазных – 30000 м/с.

2.2 Ядерный импульсный двигатель

    В основе импульсного двигателя для космического аппарата лежит концепция атомного взрыва. Атомные заряды мощностью примерно в килотонну  на этапе взлёта должны были взрываться со скоростью один заряд в секунду. Ударная волна — расширяющееся плазменное облако — должна была приниматься «толкателем» — мощным металлическим диском с теплозащитным покрытием, и, потом, отразившись от него, создать реактивную тягу. Импульс, принятый плитой толкателя, через элементы конструкции передавался кораблю. Затем, когда высота и скорость вырастут, частоту взрывов можно было уменьшить. При взлёте корабль должен был лететь строго вертикально, с целью минимизировать площадь радиоактивного загрязнения атмосферы.
    В США были проведены несколько испытаний модели летательного аппарата с импульсным приводом (для взрывов использовалась обычная химическая взрывчатка). Получены положительные результаты о принципиальной возможности управляемого полёта аппарата с импульсным двигателем.
    В США космические разработки с использованием импульсных ядерных ракетных двигателей осуществлялись с 1958 по 1965 год в рамках проекта «Орион» компанией «General Atomics») по заказу ВВС США. Программа развития проекта «Орион» была рассчитана на 12 лет. Однако приоритеты изменились, и в 1965 году проект был закрыт.
    В СССР аналогичный проект разрабатывался в 1950—70-х годах. Основной проблемой была прочность экрана-толкателя, который не выдерживал огромных тепловых нагрузок от близких ядерных взрывов. Вместе с тем были предложены несколько технических решений, позволяющих разработать конструкцию плиты-толкателя с достаточным ресурсом. Проект не был завершён.
    Реальных испытаний импульсного ЯРД с подрывом ядерных устройств не проводилось.

Настоящий момент.

Несмотря на простоту,  вышеперечисленные РД, если их сравнивать со схемой

"атомная электростанция" - "электро-ракетный двигатель",

недостаточно эффективены (кроме импульсного), т.к. скорость истечения рабочего тела больше чем на порядок отличается от ионных двигателей.

ГНЦ ФГУП «Центр Келдыша» с 2009 года разрабатывает космический транспортно-энергетический модуль (ТЭМ) на основе ядерной энергодвигательной установки (ЯЭДУ). В кооперации с предприятиями ГК «Роскосмос», «Росатом» и РАН ведутся работы по разработке, изготовлению и наземной отработке элементов, блоков и узлов ЯЭДУ мегаваттного класса и ТЭМ на ее основе.

Исследовательский центр имени М. В. Келдыша (ранее РНИИ, НИИ-1, НИИТП) разработал и изготовил опытный образец ионного двигателя высокой мощности ИД-500. Его параметры такие: мощность 32-35 кВт, тяга 375—750 мН, удельный импульс 70 000 м/с, коэффициент полезного действия 0,75.

Состояние работ по срокам реализации (википедия), причины штафных санкиций: