Газопоршневые ракеты — это концептуальный тип ракеты, которая приводится в движение отработавшим теплоносителем газового реактора деления . Активная зона ядерного реактора деления может быть либо газовой , либо плазменной . Они могут быть способны создавать удельные импульсы 3000–5000 с (от 30 до 50 кН·с/кг, эффективные скорости истечения от 30 до 50 км/с) и тягу , достаточную для относительно быстрого межпланетного путешествия. Передача тепла рабочему телу ( топливу ) осуществляется тепловым излучением , в основном в ультрафиолетовом диапазоне , выделяемым газом деления при рабочей температуре около 25 000 °C.
Ядерные ракеты с газовым реактором могут обеспечить гораздо более высокий удельный импульс, чем твердотельные ядерные ракеты, поскольку их температурные ограничения заключаются в температурах сопла и стенки ядра, которые удалены от самых горячих областей газового ядра. Следовательно, ядерные реакторы с газовым реактором могут обеспечить гораздо более высокие температуры для топлива . Ядерные тепловые ракеты с твердым ядром могут развивать более высокий удельный импульс, чем обычные химические ракеты, из-за низкой молекулярной массы водородного топлива, но их рабочие температуры ограничены максимальной температурой твердого ядра, поскольку температуры реактора не могут подняться выше самой низкой температуры плавления его компонентов .
Благодаря гораздо более высоким температурам, достигаемым газообразным ядром, оно может обеспечивать более высокий удельный импульс и тягу, чем большинство других обычных ядерных конструкций. Это означает более короткое время полета будущих астронавтов или большую долю полезной нагрузки. Также может быть возможным использовать частично ионизированную плазму из газового ядра для генерации электроэнергии магнитогидродинамическим способом , что впоследствии исключает необходимость в дополнительном источнике питания.
Все конструкции ракет с газовым реактором имеют несколько общих свойств в своих ядерных реакторах, и большинство конструкций используют одни и те же материалы. Наиболее близкой наземной концепцией конструкции является газовый реактор деления .
Расщепляющееся топливо обычно представляет собой таблетки высокообогащенного урана или содержащий уран газ ( U-235 или U-233 ). Иногда требуется тетрафторид урана из-за его химической стабильности; пропеллентом обычно является водород .
Большинство газовых реакторов окружены радиальной первой стенкой, способной выдерживать удар экстремальной среды внутри активной зоны, оболочкой давления, удерживающей все вместе, и радиальным замедлителем нейтронов, обычно состоящим из оксида бериллия . Топливо также обеспечивает замедление.
Водородное топливо охлаждает реактор и его различные структурные части. Сначала водород прокачивается через сопло, затем через стенки и обратно через область активной зоны. После того, как он проходит через область активной зоны, водород выпускается. Если охлаждения от топлива недостаточно, требуются внешние радиаторы . Внутренняя температура газового ядра в большинстве конструкций различается, но конструкции с самыми высокими удельными импульсами обычно имеют плазму делящегося газа, нагревающую маломассивное топливо. Этот нагрев происходит в основном за счет излучения.
При высоких температурах тепло передается преимущественно за счет теплового излучения (а не теплопроводности ). Однако водородный газ, используемый в качестве топлива, почти полностью прозрачен для этого излучения. Поэтому в большинстве концепций ракет с газовым реактором считается необходимым некое засеивание топлива непрозрачными твердыми или жидкими частицами. Частицы углерода [сажи] (которые являются весьма непрозрачными и остаются твердыми до 3915 К, его точки сублимации) кажутся естественным выбором; однако углерод химически нестабилен в богатой водородом среде при высоких температурах и давлениях. Таким образом, вместо углерода предпочтительны частицы пыли или жидкие капли такого материала, как вольфрам (температура плавления 3695 К, температура кипения 6203 К) или карбид тантала-гафния (температура плавления 4263 К, температура кипения неизвестна выше). Эти частицы будут составлять до 4% массы выхлопных газов, что значительно увеличит стоимость топлива и несколько снизит удельный импульс ракеты.
Однако при температурах, необходимых для достижения удельного импульса 5000-7000 с, ни один твердый или жидкий материал не выживет (требуемая температура реактора будет не менее 50 000-100 000 К), а топливо станет прозрачным; в результате большая часть тепла будет поглощаться стенками камеры. Это исключит возможность использования ядерной тепловой ракеты с таким высоким удельным импульсом, если только не будут найдены какие-либо другие способы затравки или передачи тепла топливу.
Управление может осуществляться либо путем изменения относительной или общей плотности расщепляющегося топлива и топлива, либо путем использования внешних приводов управления, перемещающих поглощающие нейтроны барабаны или радиальный замедлитель.
Существуют два основных варианта ракетных реакторов с газовым сердечником: конструкции открытого цикла , в которых топливо не содержится внутри корпуса, и конструкции замкнутого цикла , в которых газовый реакционный сердечник содержится внутри твердотельной конструкции.
Недостатком открытого цикла является то, что топливо может вытекать вместе с рабочей жидкостью через сопло до того, как оно достигнет значительных уровней выгорания. Таким образом, для конструкций открытого цикла требуется найти способ ограничить потерю топлива. Если не полагаться на внешнюю силу (например, магнитные силы, ускорение ракеты), единственный способ ограничить смешивание топлива и ракетного топлива — это гидродинамика потока . Другая проблема заключается в том, что радиоактивный истечение из сопла делает конструкцию совершенно непригодной для работы в атмосфере Земли.
Преимущество конструкции открытого цикла заключается в том, что она позволяет достигать гораздо более высоких рабочих температур, чем конструкция закрытого цикла, и не требует экзотических материалов, необходимых для подходящей конструкции замкнутого цикла.
Форма делящегося газового ядра может быть цилиндрической , тороидальной или противоточной тороидальной. Поскольку существуют проблемы, связанные с потерей делящегося топлива с цилиндрическими и тороидальными конструкциями, геометрия противоточного тороидального газового ядра является основным источником исследований. Противоточный тороид является наиболее многообещающим, поскольку он имеет лучшую стабильность и теоретически предотвращает смешивание делящегося топлива и топлива более эффективно, чем вышеупомянутые концепции. В этой конструкции делящееся топливо удерживается в основном в стабилизированном рециркуляционном пузыре базовой инжекции с помощью гидродинамического удержания. В большинстве конструкций используется цилиндрическая стенка газового ядра для простоты моделирования. Однако предыдущие испытания на холодную текучесть показали, что гидродинамическое удержание легче достигается при сферической геометрии внутренней стенки.
Формирование топливного вихря является сложным. В основном оно сводится к потоку по форме снаряда с тупым основанием. Вихрь формируется путем размещения полупористой стенки перед желаемым местоположением топливного вихря, но оставляет место по ее сторонам для водородного топлива. Затем топливо закачивается внутрь полости реактора вдоль кольцевой области впуска. Затем за полупористой стенкой образуется мертвое пространство; из-за вязких и сдвигающих сил развивается встречное тороидальное вращение. После того, как вихрь образуется, делящееся топливо может быть введено через полупористую пластину, чтобы привести реактор к критическому состоянию. Формирование и расположение топливного вихря теперь зависят от количества делящегося топлива, которое просачивается в систему через полупористую стенку. Когда больше топлива просачивается в систему через стенку, вихрь перемещается дальше вниз по потоку. Когда просачивается меньше, вихрь перемещается дальше вверх по потоку. Конечно, расположение выше по течению ограничено размещением полупористой стенки .
Закрытый цикл выгоден, поскольку его конструкция практически исключает потерю топлива, но необходимость физической стенки между топливом и ракетным топливом приводит к затруднению поиска материала с чрезвычайно оптимизированными характеристиками. Необходимо найти среду, которая будет прозрачна для широкого спектра гамма-энергий, но сможет выдерживать радиационную среду , присутствующую в реакторе, в частности бомбардировку частицами от близлежащих реакций деления. Этот шквал частиц может привести к распылению и возможной эрозии стенки.
Одна конструкция ракеты с газовым сердечником замкнутого цикла (часто называемая ядерной лампочкой ) содержит делящийся газ в кварцевом корпусе, который отделен от топлива. Сначала водородный охладитель проходит через сопло и внутри стенок кварцевого корпуса для охлаждения. Затем охладитель проходит по внешней стороне кварцевого топливного корпуса. Поскольку делящийся газ будет непосредственно контактировать со стенками, рабочая температура не такая высокая, как у других конструкций, потому что стенки в конечном итоге будут абляционными .
За исключением внешней силы, гидродинамическое удержание является единственным способом увеличить время пребывания топлива в реакторе. Однако можно спросить, почему за исключением внешней силы нельзя использовать магнитное удержание, если топливо будет сильно ионизировано (три или четыре раза ионизировано), в то время как топливо будет ионизировано лишь частично? Чтобы ответить на этот вопрос, нужно немного разобраться в магнитном удержании плазмы. Ключевым интересующим параметром для магнитного удержания является отношение кинетического давления к магнитному давлению , β.
При β<1 возможно магнитное удержание (большинство схем термоядерного синтеза имеют β, близкий к 0,05). Однако давление в ракете с газовым сердечником намного выше, чем давление в термоядерных устройствах, приблизительно 1000 атм (100 МПа ). Для этих давлений необходимая напряженность магнитного поля , необходимая для получения β=1, близка к 16 теслам . Для магнитного поля такой величины необходима сверхпроводящая технология, а добавленная масса такой системы будет пагубной. Кроме того, даже при β<1 резистивная диффузия приведет к почти немедленному коллапсу топливного ядра, если только β<<1, что потребует еще большего магнитного поля.
Однако, поскольку пропеллент и топливо могут находиться под одинаковым давлением, магнитное поле может удерживать топливо, просто препятствуя конвективному смешиванию с пропеллентом, и не будет играть никакой роли в поддержании давления в камере реактора: Давление топлива не имеет значения для расчета β. Поскольку ситуация совершенно не похожа на ситуацию удержания термоядерной плазмы в вакууме, требуемая напряженность магнитного поля для удержания топлива деления должна оцениваться на основе магнитогидродинамических соображений (в частности, подавления турбулентного перемешивания).
Другим важным аспектом GCR является влияние ускорения ракеты на удержание топлива в топливном пузыре. Ускорение ракеты всего в 0,001 g (10 мм/с²) приведет к тому, что эффекты плавучести уменьшат удержание активной зоны на 35%, если все остальные скорости потока будут поддерживаться постоянными с момента запуска при нулевой перегрузке. В конечном счете, потоки топлива-ракеты придется дросселировать, пока ракета не достигнет некоторого стационарного состояния.
Поскольку в любом таком газовом реакторе будут присутствовать крутые температурные градиенты, необходимо рассмотреть несколько последствий для нейтронной физики. Газовый реактор открытого цикла (OCGCR) обычно является тепловым/эпитермическим реактором. Большинству типов OCGCR требуется внешнее замедление из-за крутых температурных градиентов внутри газового ядра. Нейтроны, рожденные в топливной области, относительно беспрепятственно перемещаются к внешнему замедлителю, где некоторые из них термализуются и отправляются обратно в газовое ядро. Однако из-за высоких температур ядра на обратном пути нейтроны рассеиваются в топливной области, что приводит к значительному отрицательному значению реактора. Для достижения критичности этот реактор работает при очень высоком давлении, а внешняя радиальная стенка состоит из замедлителя какого-либо вида, как правило, оксида бериллия. Замедление также может происходить за счет введения замедляющих частиц в потоки топлива или топлива, но при этом преимущества нейтронной физики сводятся на нет из-за потери производительности ракеты.
Ракета с открытым газовым сердечником имеет много уникальных конструктивных особенностей, которые делают ее серьезным конкурентом другим предлагаемым двигателям для межпланетных миссий. Из-за необходимости иметь прозрачную стенку внутри реактора для концепции замкнутого цикла, преимущество перехода к газовому сердечнику от твердого ядра практически сводится на нет. Высокий удельный импульс и большая тяга, возможные для OCGCR, соответствуют более короткому времени миссии и более высоким долям полезной нагрузки. Однако технических проблем и неизвестных, присущих ее конструкции, много. Кроме того, любое испытание системы, проводимое на Земле, будет проходить под действием гравитационного поля 1 g , что приведет к возникновению эффектов плавучести внутри газообразного ядра.
Из-за невозможности проведения реальных испытаний на Земле исследования в первую очередь сосредоточены на вычислительном моделировании такой системы. Ранее упоминалось, что удельный импульс может достигать или превышать 3000 с. Однако результаты вычислительного моделирования указывают на то, что это число является несколько оптимистичным. Когда термогидравлика была смоделирована более полно для типичной базовой впрыскивающей стабилизированной рециркуляционной газовой ракеты Д. Постоном, удельный импульс упал с >3000 с до <1500 с. В концепции базовой впрыскивающей стабилизированной рециркуляционной газовой ракеты, как полагают, будет полезен некоторый дополнительный метод удержания топлива. Как упоминалось ранее, полагаться полностью на магнитное удержание топливного пузыря пока нецелесообразно. Однако магнитное поле может помочь в удержании или помочь подавить турбулентность, которая приведет к смешиванию топлива и ракетного топлива.
Поэтому основные направления будущих исследований для такого OCGCR будут сосредоточены на том, чтобы максимально предотвратить смешивание топлива и ракетного топлива. Хотя эта статья была сосредоточена на обогащенном уране для топлива и водороде для ракетного топлива, это может быть не оптимальным выбором для любого из них. Другие виды топлива, такие как плутоний, и другие ракетные топлива, включая гелий или даже гелий-3, также рассматривались и в определенных ситуациях обеспечивают преимущества.