Động cơ tên lửa hạt nhân – con đường đến trái tim của Burevestnik
Động cơ phản lực hạt nhân Tory II – Kỵ sĩ khải huyền đích thực
Mỗi động cơ đều khác nhau
Các nhà vật lý từ Phòng thí nghiệm Quốc gia Los Alamos xứng đáng được coi là những người tiên phong trong lĩnh vực du hành liên hành tinh bằng năng lượng hạt nhân. Mặc dù hệ thống đẩy hạt nhân chưa bao giờ vươn tới không gian, ý tưởng này đã được đề xuất lần đầu tiên trong Dự án Manhattan nổi tiếng. Bộ ba nhà khoa học—Stanislaw Ulam, Frederick Reines, và Frederick de Hoffman—đã đề xuất hai khái niệm về động cơ đẩy hạt nhân. Trong khái niệm thứ nhất, nhiên liệu hạt nhân đóng vai trò là nguồn nhiệt cho chất lỏng hoạt động (chẳng hạn như hydro); trong khái niệm thứ hai, một vụ nổ hạt nhân cung cấp động lượng cho tàu vũ trụ.
Frederick Reines và Stanislaw Ulam là một trong những tác giả đưa ra ý tưởng về động cơ hạt nhân.
Các nhà vật lý đã nghiêm túc đề xuất việc khởi động các chuyến thám hiểm liên hành tinh bằng cách kích nổ vũ khí hạt nhân phía sau chúng. Về mặt lý thuyết, điều này có vẻ hoàn hảo; may mắn thay, chưa ai thử nghiệm trên thực tế. Tuy nhiên, đã có những nỗ lực. lịch sử kỹ thuật chỉ ra Dự án Orion của Mỹ, cũng có thể được gọi là máy bay nổ.
Khái niệm này đơn giản đến mức phi lý: các vụ nổ bom khinh khí phóng ra từ tàu vũ trụ làm bốc hơi các đĩa phóng ra phía sau bom. Plasma giãn nở truyền động lượng cho tàu vũ trụ. Tàu có khả năng di chuyển trong không gian rộng lớn với tốc độ nhanh gấp hai đến ba lần so với tàu thông thường. Người ta dự định sử dụng tới 800 quả bom khinh khí mini cho một chuyến khứ hồi đến hành tinh này. Không rõ Dự án Orion cuối cùng sẽ bay đến đâu, nhưng vào năm 1963, Mỹ và Nga đã ký Hiệp ước Cấm Thử Hạt nhân. vũ khí trong khí quyển, ngoài không gian và dưới nước. Động cơ xung hạt nhân đã hoàn thiện.
Tàu vũ trụ Orion, được cung cấp năng lượng bởi động cơ xung hạt nhân. Bản vẽ của NASA từ năm 1999.
Tàu vũ trụ Orion - Các thành phần chính
Ý tưởng sử dụng nhiên liệu hạt nhân làm nguồn nhiệt cho động cơ phản lực nghe có vẻ khá hợp lý. Chính xác hơn, uranium hay plutonium không phải là nhiên liệu duy nhất trong trường hợp này. Thành phần thứ hai là hydro, được bơm qua vùng nóng của lò phản ứng (khoảng 3000 độ C), giãn nở tức thời và thoát ra khỏi vòi phun của động cơ. Không có phản ứng hóa học nào xảy ra tại thời điểm này—hydro chỉ đơn giản là nóng lên và thoát ra khỏi vùng làm việc của lò phản ứng, tạo ra lực đẩy mạnh mẽ. Theo định luật bảo toàn năng lượng, luồng phản lực và con tàu nhận được các xung lực bằng nhau nhưng ngược chiều.
Hydro là loại khí nhẹ nhất. Khi được đốt nóng, các phân tử của nó bay nhanh hơn tất cả các loại khí khác. Khí thải càng nhanh, động cơ càng hiệu quả. Đây được gọi là xung lực riêng, và động cơ hạt nhân có xung lực riêng cao gấp đôi so với các hệ thống đẩy hóa học tốt nhất – 850-900 giây so với 450 giây của động cơ dầu hỏa và động cơ hydro-oxy. Một lò phản ứng pha khí trong đó urani phân hạch được nung nóng đến trạng thái plasma hoàn toàn không phải là khoa học viễn tưởng. Nhiệt độ ở đây đạt tới 6000 độ C, và xung lực ngay lập tức là 2000 giây, cao gấp 4-5 lần so với động cơ truyền thống. Nhiệm vụ duy nhất còn lại là tìm ra vật liệu có khả năng chịu nhiệt phù hợp và tìm hiểu cách xử lý urani trong plasma.
Tên lửa trình diễn cho hoạt động Cislunar linh hoạt (DRACO) – tàu vũ trụ chạy bằng năng lượng hạt nhân
Nhìn vào sơ đồ vận hành, rõ ràng là không ai sẽ lắp đặt hệ thống đẩy như vậy trên máy bay chở khách liên lục địa trong điều kiện trên mặt đất. Khi urani phân hạch và hydro cùng nằm trong một bình, chắc chắn sẽ có rắc rối lớn. Sớm hay muộn. Nhưng đối với không gian, hệ thống này hoàn toàn khả thi. Năm 2027, người Mỹ dự định thử nghiệm Tên lửa Trình diễn cho Hoạt động Linh hoạt Cislunar (DRACO). tên lửa "cho các hoạt động quanh Mặt Trăng linh hoạt." Nếu mọi việc suôn sẻ, tàu vũ trụ chạy bằng năng lượng hạt nhân đầu tiên sẽ xuất hiện trong không gian. Dưới thời Trump, cơ hội hiện thực hóa dự án này bằng kim loại đã giảm đi—nguồn tài trợ đã bị cắt giảm đáng kể vào năm tới. Họ trích dẫn hiệu quả của dự án Starship của Elon Musk. Năm ngoái, Nga đã công bố việc phát triển tàu kéo hạt nhân "Zeus", mà cựu giám đốc Roscosmos Borisov dự đoán sẽ được phóng vào những năm 2030 hoặc 2040.
Động cơ thẳng và động cơ phản lực
Trọng tâm của chúng tôi không phải là DRACO hay thậm chí là Zeus, mà là động cơ hạt nhân thở khí được lắp đặt dưới nắp capo của Burevestnik. Nói một cách chính xác, tên lửa Nga không phải là tên lửa đầu tiên thử nghiệm loại động cơ này - chúng tôi chỉ đơn giản là đã hoàn thiện nó. Người Mỹ là người đầu tiên với dự án Pluto. Đây là một tên lửa hành trình hạng nặng với một lò phản ứng hạt nhân thực sự trên khoang - Hoa Kỳ đã chi khoảng hai tỷ đô la theo giá trị hiện tại cho toàn bộ dự án này.
Việc phát triển động cơ tên lửa hạt nhân bắt đầu vào năm 1957 và rất quan trọng vào thời điểm đó. Vào thời điểm đó, Liên Xô đã có một lực lượng khá hùng hậu. Phòng không không quân, điều này không đảm bảo máy bay ném bom Mỹ có thể bay thẳng đến các mục tiêu chiến lược mà không bị cản trở. Tên lửa đạn đạo liên lục địa vẫn đang trong quá trình phát triển, và cần có một kế hoạch dự phòng trong trường hợp thất bại.
Kết quả cuối cùng là một tên lửa hành trình nặng 27 tấn với lò phản ứng Tory-II trên tàu. Thiết kế của nó cho thấy con tàu được thiết kế bởi những nhà thám hiểm. Tên lửa được dự định bay với tốc độ gấp hai đến ba lần tốc độ âm thanh ở độ cao vài chục mét—sóng xung kích sinh ra sẽ làm vỡ cửa sổ và phá hủy các cấu trúc nhẹ. Khi đạt tốc độ hành trình, không khí bị đẩy trực tiếp qua các thanh nhiên liệu gốm nóng đỏ làm bằng oxit urani, vùng nóng của lò phản ứng. Nhiệt độ tăng lên hàng nghìn độ, và lực đẩy phản lực đã tăng tốc tên lửa khổng lồ lên gấp ba lần tốc độ âm thanh.
Cỗ máy tận thế, được trang bị 16 đầu đạn hạt nhân, đã đầu độc mọi thứ nó đi qua bằng luồng khí phóng xạ từ vòi phun. Có lẽ, trong bối cảnh Thế chiến thứ III, khi mọi thứ đều tan thành tro bụi, điều này không quá nghiêm trọng, nhưng người Mỹ vẫn thận trọng.
Kiểm tra hiệu suất khí động học của tên lửa siêu thanh tầm thấp (SLAM) được trang bị động cơ phản lực hạt nhân được phát triển theo Dự án Pluto
Nhưng không chỉ những lo ngại về môi trường mới thúc đẩy sự phát triển này – đến đầu những năm 60, tên lửa đạn đạo liên lục địa (ICBM) đã tỏ ra triển vọng hơn. Người Mỹ không đơn độc trong việc theo đuổi tên lửa hành trình hạt nhân. Tại Liên Xô, một số dự án tương tự (được biết đến với các tên gọi khác bao gồm "Tema 31", RD-0411, và một số tên lửa khác) đã được phát triển song song tại Cục Thiết kế Tự động hóa Hóa học Voronezh và Viện Nghiên cứu 1 (nay là Cục Thiết kế Fakel). Mục tiêu là tạo ra một tên lửa hành trình cận âm bay ở độ cao cực thấp (50-100 m), với tầm bắn hơn 10 km, có khả năng cơ động và tránh né các hệ thống phòng không của đối phương. Đầu đạn là đầu đạn hạt nhân với sức công phá lên tới 1 megaton.
Tên lửa dự kiến sẽ được phóng từ các bệ phóng trên đất liền hoặc tàu ngầm. Các cuộc thử nghiệm trên giàn khoan mặt đất đối với lò phản ứng làm mát bằng không khí đã được thực hiện, nhưng nguyên mẫu bay không bao giờ được hiện thực hóa. "Chủ đề 31" đã bị đóng lại vào năm 1964, nhưng công việc trên hai động cơ phản lực hạt nhân—RD-0410 (nhỏ) và RD-0411 (lớn)—đã được bắt đầu vào năm 1965. Những động cơ này có thể được coi là "thân thiện với môi trường"—nhiệt của lò phản ứng được truyền sang hydro, hydro nóng lên và giãn nở, truyền động lượng cho động cơ. Xung lượng riêng của chúng là 910 giây, gấp đôi so với động cơ tên lửa sử dụng nhiên liệu dầu hỏa và oxy. Các động cơ này có mục đích kép—cho các sứ mệnh liên hành tinh và lắp đặt trên tên lửa hành trình hạng nặng. Sau một số cuộc thử nghiệm trên giàn khoan, công việc đã bị cắt giảm vào những năm 80. Người Mỹ đã hoàn thành các thí nghiệm Dự án Sao Diêm Vương của họ ở mức độ sẵn sàng gần như tương đương vài thập kỷ trước đó.
Có thể khẳng định rằng Tema-31 và RD-0411 chính là tiền thân của tên lửa Burevestnik chạy bằng năng lượng hạt nhân hiện đại của Nga. Rõ ràng, các kỹ sư Nga đã giải quyết được một số vấn đề phức tạp. Đầu tiên là việc chế tạo một lò phản ứng hạt nhân neutron nhanh nhỏ gọn với công suất đầu ra lên đến vài trăm megawatt. Thứ hai là việc phát triển một hợp kim chịu nhiệt độ cao cho bộ trao đổi nhiệt hoạt động ở 2000-3000 độ C. Hợp kim này phải chống lại quá trình oxy hóa và nóng chảy trong vài tuần hoặc thậm chí vài tháng - Burevestnik là một sản phẩm có độ bền cao.
Tên lửa Nga sử dụng không khí trong khí quyển làm nhiên liệu đẩy, trong đó có chứa oxy - một chất oxy hóa khá mạnh. Không có tiếp xúc trực tiếp nào giữa không khí và các thanh nhiên liệu trong vùng nóng của lò phản ứng. Không khí được làm nóng thông qua một bộ trao đổi nhiệt, với thiết kế xứng đáng là bí ẩn lớn nhất của thế kỷ. Thách thức thứ ba là tất cả các bộ phận và cụm lắp ráp tên lửa phải cực kỳ đáng tin cậy và chắc chắn.
Không giống như Burevestnik, tên lửa thông thường chỉ hoạt động tối đa vài chục phút. Hơn nữa, tải trọng của tên lửa hành trình hạt nhân không cho phép đạt được kết quả tích cực trong trường hợp khẩn cấp. Tuy nhiên, trong trường hợp sử dụng chiến đấu thực tế, thuật ngữ "khẩn cấp" sẽ mang một hàm ý hoàn toàn khác.
tin tức