Ядерный ракетный двигатель
Изобретение относится к области ракетной техники, а именно к ракетным двигателям с ядерным источником нагревания рабочего тела - ядерным реактором, и может найти применение в аэрокосмических самолетах (АКС). Ядерный ракетный двигатель включает ядерный реактор, теплообменные каналы для нагревания прокачиваемого через них рабочего тела и пристыкованное к корпусу сопло. Реактор содержит корпус с заключенной в нем тепловыделяющей активной зоной. К корпусу реактора со стороны сопла пристыкована теплообменная камера с радиационно непроницаемым днищем. Через днище герметично пропущены стержневидные теплопроводящие элементы. Одни концевые участки этих элементов размещены в активной зоне реактора, а другие - в теплообменной камере с образованием теплообменных каналов для нагревания прокачиваемого через них рабочего тела. Сопло пристыковано к корпусу теплообменной камеры. Изобретение позволяет исключить радиоактивное загрязнение рабочего тела при нагревании и заражение им при истечении атмосферы. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.
Изобретение относится к области ракетной техники, а именно к ракетным двигателям с ядерным источником нагревания рабочего тела - ядерным реактором, и может найти применение в ракетно-космической области.
Наиболее эффективно использование изобретения в летательных аппаратах, предназначенных для полета в ближнем космосе и в атмосфере, например, в аэрокосмических самолетах (АКС).
Известно создание реактивной тяги в ядерном ракетном двигателе осколками деления ядерного горючего самой активной зоны реактора, выбрасываемых из сопла, в том числе с дополнительным вводом в активную зону дейтерия и гелия (Патент РФ №2151324, МКИ F03H 1/00, D21C 1/00, 1998).
Недостаток - интенсивное радиоактивное заражение окружающей среды.
Известен ядерный реактивный двигатель, содержащий реактор с газообразной активной зоной, воздухозаборником, сообщенным с полостью сопла, с установленной на борту емкостью с рабочим телом и соединенным с ней каналом, выходящим в сопло, а также дополнительно турбовентилятором для подачи воздуха (Патент РФ №2041392, МКИ F03H 1/00).
Недостаток - радиоактивное заражение окружающей среды.
Известны американские проекты ядерных ракетных двигателей (ЯРД), включающих ядерный реактор, содержащий охлаждаемый герметичный корпус с заключенной в нем того или иного вида (газообразвой, жидкостной или твердой) и типа (гомогенной, гетерогенной, комбинированной, секционированной и др.) активной зоной с проточными каналами для прохождения нагреваемого в них рабочего тела (газа) и пристыкованное к корпусу реактора сопло (Р.Бассард, Р.ДЕ Лауэр. Ядерные двигатели для самолетов и ракет. Пер. с англ. под ред. О.Н.Фаворского. М., 1967; Р.Бассард, Р.ДЕ Лауэр. Ракета с атомным двигателем. Пер. с англ. под ред. В.А.Кириллина и др. ИЛ., М., 1960).
Наиболее близким может являться известный ЯРД, включающий ядерный реактор, содержащий в герметичном корпусе активную зону с тепловыделяющими элементами (ТВЭЛами) и каналами для прокачки нагреваемого в них рабочего тела, и пристыкованное к корпусу реактора сопло Ловаля (Р.Бассард, Р.ДЕ Лауэр. Ядерные двигатели для самолетов и ракет. Пер. с англ. под ред. О.Н.Фаворского. М., 1967, стр., 9 рис.1.57-13).
Рабочее тело (газ, например водород) прокачивается через каналы активной зоны, нагревается в них до рабочей температуры (порядка 3000 градусов) и направляется в сопло Ловаля, где, расширяясь, разгоняется до сверхзвуковой скорости (порядка 3500-4000 м/сек) и выбрасывается наружу, создавая реактивную тягу.
Недостатками известного ЯРД являются:
- радиационное облучение рабочего тела в активной зоне с возможным выносом из нее радиоактивных микрочастиц ядерного горючего и материала ТВЭЛ, что ведет к радиоактивному заражению окружающей среды (атмосферы);
- интенсивное разрушение нагретых до высокой температуры каналов ТВЭЛ прокачиваемым рабочим телом, что приводит к изменению их размера и формы, разрушению и соответственно к нестабильности работы и потере работоспособности двигателя.
В своей совокупности эти недостатки прототипа делают невозможным его использование для полетов в атмосфере.
С целью устранения указанных недостатков прототипа, а именно исключения радиационного загрязнения рабочего тела, разрушения активной зоны рабочим телом с выносом из нее радиоактивных продуктов, и, как следствие, радиоактивное заражение окружающей среды, атмосферы и тем самым получения возможности использования ЯРД на самолетах для полетов в атмосфере, и предлагается данное изобретение.
Поставленная цель достигается тем, что к корпусу реактора со стороны сопла пристыкована теплообменная камера с выполненным радиационно непроницаемым днищем, через днище герметично пропущены стержневидные термостойкие теплопроводящие элементы, одни концевые участки которых размещены в активной зоне реактора, а другие - в теплообменной камере с образованием теплообменных каналов для нагрева прокачиваемого через них рабочего тела, а сопло пристыковано к корпусу этой теплообменной камеры.
При этом концевые участки теплопроводящих элементов, размещенные в активной зоне реактора, могут быть выполнены тепловыделяющими.
Кроме того, концевые участки теплопроводящих элементов, размещенные в активной зоне реактора, и концевые участки, расположенные в теплообменной камере, могут быть выполнены из разного материала, первый - из высокотермостойкого, второй - из высокоэрозионно-стойкого, но оба с максимально высокой теплопроводностью (температуропроводностью).
При этом участки теплопроводящих элементов, размещенные в теплообменной камере, выполнены с развитой теплообменной поверхностью, в частности, с тремя продольными пластинами с образованием в сборке треугольной формы теплообменных каналов.
Или же эти участки могут быть выполнены с двумя продольными пластинами, образующими в сборке ступенчатой формы щелевые теплообменные каналы для прокачиваемого через них рабочего тела.
С целью использования в качестве рабочего тела атмосферного воздуха теплообменная камера сообщена с внешним воздухозаборником (диффузором).
Выведением из активной зоны реактора нагревательных элементов с теплообменными каналами исключается возможность разрушения активной зоны, радиационного загрязнения нагреваемого и истекающего из сопла рабочего тела и соответственно радиоактивного загрязнения атмосферы.
Изобретение поясняется на следующих чертежах
На фиг.1 показана схема ЯРД известной конструкции.
На фиг.2 показана конструкция описываемого ЯРД с теплообменной камерой.
На фиг.3 показана конструкция теплопроводящего (теплоотводящего) элемента.
На фиг.4 показана конструкция сборки, состоящей из двух реберных теплопроводящих (теплоотводящих) элементов.
На фиг.5 показан отдельный фрагмент сборки.
Конструкция известного ЯРД-прототипа включает (фиг.1):
ядерный реактор 1, содержащий охлаждаемый герметичный корпус 2 с заключенной в нем активной зоной 3 с тепловыделяющими элементами (ТВЭЛами) 4 и проточными каналами 5 для прокачки (стрелки 6) и нагревания в них до высокой (порядка 3000 град.) рабочего тела, и пристыкованное к корпусу 2 реактора 1 сопло 7. Условно показаны:
8 - отражатель и замедлитель нейтронов.
9 - рубашка охлаждения корпуса 2 реактора 1
10 - направление истечения рабочего тела
11 - регулирующее реактивность реактора устройство
В описываемом ЯРД (фиг.2) к корпусу 2 реактора 1 со стороны сопла 7 пристыкована с выполненным радиационно-непроницаемым днищем 12 теплообменная камера 13 с корпусом 14. Через днище 12 герметично пропущены и закреплены стержневидные теплопроводящие (теплоотводящие) элементы 15, одни концевые участки 16 которых размещены в активной зоне 3 реактора 1 (сечение по А-А), а другие 17 - в теплообменной камере 13 с образованием теплообменных каналов 18 для нагрева прокачиваемого через них рабочего тела (сечение по Б-Б), а сопло 7 пристыковано к корпусу 14 теплообменной камеры 13.
19 - направление течения рабочего тела в каналах 18
20, 21 - коллекторы и рубашка охлаждения корпуса 14 теплообменной камеры 13 прокачиваемым рабочим телом.
В описываемом ЯРД собственно активная зона 3 по конструктивному типу и виду может быть любой, в частности гомогенной (например, выполнена в виде засыпки твердой массы ядерного горючего (гранул, капсул и т.д.)), что само по себе существенно упрощает конструкцию. При этом реактор 1 имеет собственную рубашку 9 и систему охлаждения, не контактирующую с рабочим телом.
Размещенные в активной зоне 3 концевые участки 16 теплопроводящих элементов 15 выполнены из тугоплавкого, термостойкого, с высокой теплопроводностью материала, вместе с тем минимально ухудшающего нейтронно-физические свойства активной зоны, например из графита, карбида циркония, карбида ниобия, карбида тантала, других известных металлов с необходимыми свойствами.
Вместе с тем, участки 16 могут быть выполнены тепловыделяющими, то есть вышеупомянутые материалы пропитаны известным делящимся веществом (ядерным горючим).
В другом варианте концевые участки 16 теплопроводящих элементов 15, размещенные в активной зоне 3 реактора, и концевые участки 17, расположенные в теплообменной камере 13, могут быть выполнены из разного материала, первый - из высокотермостойкого, второй - из высокоэрозионно-стойкого, но оба с максимально высокой теплопроводностью (температуропроводностью).
Участки 17, размещенные в теплообменной камере 13 и образующие теплообменные каналы 18, выполнены с развитой теплообменной поверхностью.
На фиг.3 показана конструкция теплопроводящего элемента 15 с его концевыми участками 16 и 17.
В частности, концевые участки 17 выполнены с тремя продольными ребрами (пластинами) 22 с образованием в сборке треугольной формы теплообменных каналов 23 (см. фиг.2, сечение по Б-Б).
На фиг.4 также показан вариант сборки, в которой участки 17 теплоотводящих элементов 15 выполнены с двумя продольными ребрами 24, образующими в сборке ступенчатой формы щелевые теплообменные каналы 25 для прокачиваемого через них рабочего тела.
На фиг.5 отдельно показан выделенный из сборки фиг.2 (сечение по Б-Б) увеличенный фрагмент.
Со стороны сопла 7 теплопроводящие элементы 15 хвостовиками 26 установлены в решетке 27.
Конструкция днища 12 теплообменной камеры 13 помимо термостойкости и всего прочего должна обеспечивать радиационную непроницаемость и служить радиационной защитой. В частности, днище 12 может быть выполнено состоящим из герметично и прочно скрепленных между собой и с корпусом 2 реактора 1 стенок-крышек 28 и 29 (см. фиг.3), изготовленных из тугоплавких металлов, например, со стороны активной зоны 3 - из карбида циркония, ниобия, тантала, а со стороны теплообменной камеры 13 - из вольфрама, между которыми плотно упакован порошкообразный графит 30 или другое эффективно защищающее от радиации вещества. Охлаждение днища 12 может осуществляться со стороны теплообменной камеры 13 прокачиваемым (стрелки 19) рабочим телом.
Поскольку рабочее тело не проходит через активную зону 3 реактора 1, то его радиоактивное загрязнение исключается, что дает возможность использовать в данном ЯРД в качестве рабочего тела атмосферный воздух.
В случае использования в качестве рабочего тела атмосферного воздуха теплообменная камера 13 сообщена с внешним воздухозаборником (диффузором) 31, 32 - условное сообщение.
Работа описываемого ЯРД состоит в следующем. Высокотемпературный (порядка 3000 град.) нагрев концевых участков 16 теплопроводящих элементов 15, размещенных в активной зоне 3 реактора 1, производится или, если эти участки выполнены не тепловыделяющими, только за счет тепловыделения в ней самой, или же, если они тепловыделяющие, за счет тепловыделения и в них, и в активной зоне 3.
Нагрев участков 17 теплопроводящих элементов 15, размещенных в теплообменной камере 13, и поддержание необходимой их температуры в процессе работы осуществляется исключительно путем передачи (теплоотвода) тепла за счет теплопроводности материала теплопроводящих элементов 15.
Поэтому радиационное облучение рабочего тела и тем более вынос радиоактивных продуктов из активной зоны реактора полностью исключены.
Нагрев прокачиваемого через теплообменные каналы камеры 13 рабочего тела до рабочей температуры (порядка 2700-2800 град.) осуществляется в основном за счет конвективной теплоотдачи и частично за счет излучения.
Нагретый до такой температуры рабочее тело (газ, воздух) направляется (стрелки 19) в сопло 7, где, расширяясь, разгоняется до сверхзвуковой скорости и выбрасывается наружу, создавая тягу.
Конечно, температура нагрева рабочего тела в предложенной конструкции ЯРД будет несколько ниже, чем при его нагревании непосредственно в активной зоне реактора, из-за чего удельная тяга снизится.
Однако то преимущество изобретения, что исключением радиоактивного заражения истекающим рабочим телом окружающей среды достигается возможность использования ЯРД для полетов в атмосфере, перекрывает этот его недостаток.
Эффективность изобретения может быть повышена при создании на основе нанотехнологии материалов со сверхвысокими теплопроводящими свойствами.
1. Ядерный ракетный двигатель, включающий ядерный реактор, содержащий корпус с заключенной в нем тепловыделяющей активной зоной, теплообменные каналы для нагревания прокачиваемого через них рабочего тела и пристыкованное к корпусу сопло, отличающийся тем, что, с целью исключения радиоактивного загрязнения рабочего тела при нагревании и заражения им при истечении атмосферы, к корпусу реактора со стороны сопла пристыкована теплообменная камера с радиационно-непроницаемым днищем, через днище герметично пропущены стержневидные теплопроводящие элементы, одни концевые участки которых размещены в активной зоне реактора, а другие - в теплообменной камере с образованием теплообменных каналов для нагревания прокачиваемого через них рабочего тела, а сопло пристыковано к корпусу теплообменной камеры.
2. Ядерный ракетный двигатель по п.1, отличающийся тем, что участки теплопроводящих элементов, расположенные в активной зоне реактора и в теплообменной камере, выполнены из разного материала, в том числе первые выполнены тепловыделяющими.
3. Ядерный ракетный двигатель по п.1, отличающийся тем, что участки теплопроводящих элементов, размещенные в теплообменной камере, выполнены с тремя продольными пластинами с образованием в сборке треугольной формы теплообменных каналов.
4. Ядерный ракетный двигатель по п.1, отличающийся тем, что участки теплопроводящих элементов, размещенные в теплообменной камере, выполнены с двумя продольными пластинами с образованием в сборке ступенчатой формы щелевых теплообменных каналов.
5. Ядерный ракетный двигатель по п.1, отличающийся тем, что, с целью использования в качестве рабочего тела атмосферного воздуха, теплообменная камера сообщена с внешним воздухозаборником.
