Межпланетный космический аппарат с ядерным двигателем

Муниципальное казенное образовательное учреждение дополнительного образования
детей Артинского городского округа «Артинский районный Центр детского творчества»
Тема проекта: Межпланетный
космический аппарат с ядерным
двигателем
Автор: Ватлин Виктор Валерьевич
Руководитель: Егорина Н.В.
Вид проекта-научно-технический
Цель: разработать космический аппарат космический аппарат для
межпланетных перелётов, способ его доставки на НОО, а также его силовую
установку (ядерный двигатель).
Задачи:
1. изучить необходимую литературу о различных космических аппаратах;
2. разработать схемы и чертежи гибридного ядерного ракетного двигателя;
3. разработать наиболее экономичный способ доставки космического аппарата
на орбиту.
Участник проекта – Ватлин Виктор
Объединение «Робототехника»
Муниципальное казенное образовательное учреждение дополнительного образования детей
Артинского городского округа
«Артинский районный Центр детского творчества»
Актуальность

В настоящее время межпланетный перелёт трудное дело, требующий
огромных финансовых и психологических затрат. Самое удалённое место, в
котором побывал человек – Луна, а ведь это очень близко даже по меркам
нашей Солнечной Системы. Полёт на Марс, ближайшую к Земле планету
Солнечной Системы, до которой «Всего» 50 млн. километров, является очень
дорогостоящим, ведь используемые сегодня химические ракетные двигатели
(хоть жидкостные (ЖРД), хоть твердотопливные (ТРД)) «съедают» очень много
топлива, при этом доставляя на орбиту меньше 5% собственной массы (3%
для РН Протон) на Низкую Опорную Орбиту (НОО). И эти 3% Массы ракеты
должен составлять КА (космический Аппарат) для межпланетных перелётов
или его часть. В моём проекте будет рассмотрен не только сам
космический аппарат для межпланетных перелётов, но и способ его
доставки на НОО, а также его силовая установка (ядерный двигатель).
АКТУАЛЬНОСТЬ

В наше время самым экономичным двигателем является Ионный,
который может работать месяцы и даже годы, но он обладает самой
малой силой тяги из всех движителей, известных человеку. Самый
мощный ионный двигатель может разогнать космический аппарат (КА)
массой всего в 200 кг до 60 км/ч за 3 дня. Его невозможно использовать
на крупных КА, а другие ракетные двигатели и близко не стояли по
эффективности рядом с ионным. Ядерный ракетный двигатель (ЯРД)
является хорошей альтернативой ионному, ведь он приближается к нему
по эффективности, но в отличие от ионного, он должен устанавливаться
на крупные корабли. Ядерный ракетный двигатель является очень
эффективным. Длительность его работы измеряется часами при
приемлемой мощности, а у самых эффективных ЖРД (жидкостных
ракетных двигателей) время работы измеряется минутами и секундами.

В 60-е годы ХХ века существовал проект «Орион», где
рассматривалась возможность использования ядерных взрывов
для взлёта и перемещения КА в пространстве. Данная концепция
была отвергнута учеными, потому что взлёт с помощью ядерных
взрывов способствовал радиоактивному загрязнению
окружающей среды. Но Ядерный двигатель (а конкретно
Импульсный ядерный ракетный двигатель (ИЯРД)) даже в
современном мире единственное средство, способное
относительно быстро доставить КА к другим звёздам. Например,
ракета на обычном ЖРД будет лететь до звезды Бернарда 10-20
тыс. лет, а на ИЯРД космический аппарат будет лететь туда 80 лет,
причём для разгона до скорости в 7-10% от скорости света
достаточно взрывать ядерную бомбу в 5 мегатонн каждые 3
секунды в течение 10 дней. Данный расчёт был произведён для
аппарата массой более 100000 тонн, длиной 27 км и радиусом 6
км, этот КА имел экипаж более 100000 человек и все условия для
их существования. Также он был цилиндрической формы. По
расчётам учёных он добрался бы до звезды Бернарда за 80 лет.
Технические характеристики
космического аппарата

Данный космический аппарат должен
обладать трёхслойной обшивкой, которая
способна выдерживать удары метеорных тел.
Материал должен быть легче стали, но
прочнее алюминия. Больше всего для этих
целей подходит титан. Масса КА должна быть
примерно 100 – 1000 тонн (малый) или 10000 –
50000 тонн (для среднего).
1. ЯДЕРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
 ЯРД
(ядерный ракетный двигатель) –
это очень эффективный двигатель
для межпланетных перелётов. Он
нагревает газообразное топливо с
помощью ядерных реакций. Во
всех ЯРД используется уран.
Существует 4 вида ЯРД
Виды ядерных ракетных
двигателей

Ядерный ракетный двигатель с жидким
водородом в качестве топлива;

Ядерный ракетный двигатель (ЯРД) со
стандартным ракетным топливом;

Импульсный ядерный ракетный двигатель;

Гибридный
ядерный ракетный двигатель.
Ядерный ракетный двигатель с
жидким водородом в качестве
топлива

Этот двигатель хорош малой массой топлива
и хорошей эффективностью, но есть и
минус, это то, что для топлива понадобится
особое хранилище, ведь водород легко
проходит через металлы. Данный ЯРД имеет
большой расход топлива, так как водород
имеет очень малую массу. Топливо для
данного ЯРД однокомпонентное.
Ядерный ракетный двигатель (ЯРД)
со стандартным ракетным
топливом

Этот ЯРД может быть намного дешевле
первого, но за всё приходится
рассчитываться. Данный вид ЯРД имеет
большую массу, чем первый
рассмотренный, а также больший расход
топлива, но это топливо легче получить и
хранить, так что его плюсы очевидны. Топливо
для этого ядерного ракетного двигателя
двухкомпонентное.
Импульсный ядерный ракетный
двигатель

Этот ядерный ракетный двигатель – наследие «Холодной
войны», использует в качестве топлива ядерные бомбы,
которые, взрываясь позади космического аппарата, создают
«парусный» эффект, который и толкает космический аппарат
вперёд. Минусы очевидны. Это, конечно же, радиация и
большая масса двигателя, но этот ядерный ракетный
двигатель способен разгонять космический аппарат до
огромных скоростей. По подсчётам учёных для корабля
огромных размеров (длина 27 км, диаметр 5 км) если каждые
3 секунды в течение 10 дней взрывать Водородную бомбу
мощностью 50 мегатонн или её эквивалента он разгонится до
скорости в 7% от скорости Света.
Гибридный ядерный ракетный
двигатель
 Этот
ЯРД является гибридом двух типов
ядерных ракетных двигателей, а именно 2 и
3 типов ЯРД. Данный тип ЯРД является
компромиссным между мощным
импульсным ядерным ракетным
двигателем и эффективным обычным
ядерным ракетным двигателем.
Вывод по выбору движителя
 Все
Ядерные ракетные двигатели обладают
достоинствами и недостатками, но для
космического аппарата подходит только
Гибридный Ядерный ракетный двигатель,
схема которого представлена далее. Его
аналогом является Ядерный ракетный
двигатель смешанного типа.
2. МЕЖПЛАНЕТНЫЙ
КОСМИЧЕСКИЙ АППАРАТ

Межпланетный КА – Космический аппарат (КА), способный на
межпланетные путешествия, и способный разогнаться хотя-бы до
параболической скорости. ЯРД является силовой установкой
(двигателем) данного космического аппарата. Он позволяет
космическому аппарату разогнаться до третьей комической
скорости и быстрее. Мощность ядерного ракетного двигателя
зависит от типа ядерного ракетного двигателя на борту.
Например, наибольшей мощностью обладает ИЯРД
(Импульсный Ядерный ракетный двигатель), но из-за этого он не
годится для орбитальных манёвров, а Ядерный ракетный
двигатель второго типа (на стандартном топливе) будет слишком
затратный во время межпланетных перелётов.

Компромиссным решением будет установка
гибридного Ядерного ракетного двигателя,
сочетающего в себе Импульсный Ядерный
ракетный двигатель и Ядерный ракетный
двигатель второго типа. Такие двигатели больше
по массе, но намного экономичнее, чем
любой из типов отдельно. Работа двигателей
данного Космического аппарата будет
примерно такая. Для манёвров на орбите будет
использован Ядерный ракетный двигатель
второго типа. Для межпланетных перелётов
будет использован Импульсный Ядерный
ракетный двигатель, также он будет использован
в качестве тормоза.
УСЛОВИЯ НА БОРТУ

Данный космический аппарат оснащён
центростремительной центрифугой диаметром в
половину длины самого космического аппарата.
Она создаёт на своём ободе ускорение свободного
падения, примерно равное Земному. Данный
элемент конструкции необходим для длительных
перелётов. На ободе этой центрифуги расположены
жилые отсеки и «кислородный» сад. Там же
расположены отсеки, в которых «выращивается»
пища для экипажа космического аппарата.

В данном космическом аппарате имеются зоны с
невесомостью. В них расположены лаборатории,
медицинский отсек и мостик управления
космическим аппаратом. Также в зоне невесомости
расположены Силовая установка и запасы топлива.
РАЗМЕРЫ

Предполагаемые размеры космического аппарата 1-2
км в длину и 0,5-1 км в диаметре (центрифуга), сам же
космический аппарат при такой длине в самом
широком месте будет 200-300 метров (щит
Импульсного ядерного ракетного двигателя), на
мостике же он в диаметре всего 20-30 метров. Также на
космическом аппарате придётся разместить
Маневровые двигатели, работающие на
монопропиленте (или другом горючем, главное, чтобы
были достаточно мощные) для осуществления
разворотов. Возможен вариант размерами в 10 раз
меньший с экипажем 20-30 человек.
ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЕ

Космический аппарат будут снабжать
энергией Ядерный реактор, частично
питающийся от двигателя, и солнечные
панели, расположенные на корпусе
космического аппарата. Центрифуга будет
приводиться в движение с помощью
электроприводов.
Другие варианты внешнего вида
космического аппарата

Возможны и такие варианты:

Аппарат может быть оснащён несколькими
центрифугами.

Он может представлять собой вращающийся
цилиндр диаметром в несколько километров
с неподвижной центральной частью.
3. СПОСОБ ДОСТАВКИ

Существует несколько способов доставки
Космического аппарата на орбиту.

Первый, и самый затратный способ доставки
космического аппарата стандартный для
сегодняшнего дня – доставка с помощью
ракеты. Данный способ самый затратный изза того, что ракета выводит на орбиту 2-3% (в
лучшем случае 5%) собственной массы.
Второй способ доставки КА на
орбиту

Второй способ не такой уж и инновационный –
доставка по типу самолёта. Самолёт, к верхней
части которого прикреплен аппарат,
предназначенный для вывода на орбиту. Аппарат
отстреливается от самолёта вертикально, хотя сам
аппарат расположен горизонтально. Аппарат
отстреливается с помощью пороховых
ускорителей. Самолёт возвращается на взлётнопосадочную полосу и проходит техосмотр, а
космический аппарат продолжает свой полёт.
Малый космический аппарат данного типа
(размер сопоставим с размером МКС)
Экипаж и система спасения экипажа

Жилые отсеки космического аппарата, изображенного на
схеме, диаметром примерно 2,5 метра (на удалении в 25–
50 см от внешней части обода находится «пол») диаметр
прохода примерно 1 метр, а диаметр модулей с
невесомостью примерно, как у МКС. Для эвакуации с
космического аппарата на борту имеются шесть
двухместных модулей, а также два космических аппарата
«Союз», в каждом запас пищи и воды на неделю, а также
топливо для возвращения. Экипаж данного космического
аппарата не должен превышать 18 человек, так как именно
на такое количество рассчитана система спасения.
Диаметр жилых отсеков не должен быть меньше 2,25 метров.
Библиографический список
1.
Википедия: свободная электронная энциклопедия: на русском
языке [Электронный ресурс] // URL: http://ru.wikipedia.org
2.
Энциклопедия для детей. Космонавтика /Глав. ред. Е. Ананьева;
отв. Ред. В. Чеснов - М,: Аванта +, 2004.
3.
Уманский С.П. «Космонавтика сегодня и завтра». Издательство
«Просвещение» 1988г.
4.
4. National Geographic: «Эвакуация земли». Документальный
фильм5
5.
http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9E%D1%80%D0%B8%D0%BE%D0%BD_(
%D0%9C%D0%9A%D0%90)
Спасибо за внимание