Беспилотный самолет с ядерным двигателем

Изобретение относится к области самолетостроения. Самолет выполнен по нормальной аэродинамической схеме и включает фюзеляж, высокорасположенное трехлонжеронное крыло, двухкилевое вертикальное оперение и цельноповоротный стабилизатор с дифференциальным управлением. На задней кромке каждой консоли крыла установлены закрылки, элероны и аэродинамический гребень. Шасси трехопорное. Основные стойки убираются в фюзеляж и имеют по одному колесу большого диаметра. Ядерный двигатель, выполненный в виде силовой установки, состоящей из ядерного реактора низкотемпературного ядерного синтеза, выполненного с генератором нейтронов для изотопа литий-7 в качестве реагента и производящего пар для турбины, которая связана с компрессором, в котором происходит сжатие и нагрев воздуха для сопел, где создается тяговое усилие. Изобретение направлено на расширение арсенала технических средств. 7 ил.

 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Как известно, все материальные вещества состоят из атомов и молекул. В атомных ядрах сконцентрирована огромная природная энергия, получение которой позволяет мощное развитие энергетики, экономики, оборонной промышленности и всего народного хозяйства страны. Однако получение ядерной энергии представляет сложную техническую задачу. Ученые и специалисты-ядерщики научились производить ядерную энергию путем расщепления некоторых тяжелых атомных ядер на более мелкие фрагменты. При этом выделяется часть запасенной ядерной энергии. Но препятствием на пути дальнейшего развития этой области энергетики является значительное загрязнение природной среды радиоактивными ядерными отходами.

Вторым существенным недостатком для использования ядерной энергии, реализованной на тяжелых атомных ядрах для подвижных транспортных средств, необходимость иметь тяжелые средства защиты от облучения.

Попытки овладеть управляемыми термоядерными реакциями для использования ядерной энергии в народном хозяйстве не дали пока желаемого положительного результата.

Мною предложен третий путь производства ядерной энергии, названный ”низкотемпературным ядерным синтезом”, обещающий большие перспективы (патенты №2128374, 2123730, 2163808, 2176114, 3180866, 2276286, 2292304). Предложенный способ не является ни повторением, ни продолжением исследований явления, который оказался неосуществимым, получившим название ”холодным" ядерным синтезом. Низкотемпературный ядерный синтез заключается в следующем. В специальном ядерном реакторе низкотемпературного ядерного синтеза используют в качестве мишени некоторые атомные ядра, обладающие желаемыми свойствами (например, безвредные, нерадиоактивные, дешевые и т.п.) и производят облучение этой мишени медленными нейтронами. Ядра мишени интенсивно захватывают медленные нейтроны, при этом выделяется ядерная энергия. Часть избыточных нейтронов, захваченных ядром реагента, превращаются в протоны. Образовавшийся протон внутри ядра входит в состав ядра, при этом происходит синтез, при котором увеличивается масса и электрический заряд ядра. В результате увеличивается энергия связи ядра и выделяется соответствующая ядерная энергия.

В отличие от известного ”холодного" ядерного синтеза, который является неосуществимым, предложенный способ несложно осуществить без больших затрат.

Известный ”холодный" синтез в отличие от предложенного низкотемпературного ядерного синтеза не является таковым, поскольку по существу представляет собой один из вариантов термоядерного синтеза, в результате которого предполагалось осуществить объединение ядер атомов тяжелых металлов палладия и титана с ядрами водорода при насыщении дейтерием кристаллических решеток тяжелых металлов.

Предложенный способ низкотемпературного ядерного синтеза в отличие от известного ”холодного” ядерного синтеза основан на захвате ядром мишени положительных частиц, а нейтральных частиц - нейтронов, для которых потенциальный барьер ядер мишени отсутствует.

В данном проекте предлагается вариант беспилотного самолета с ядерным двигателем, следовательно, проект относится к самолетостроению.

Из уровня техники известен беспилотный самолет с ядерным двигателем, выполненный по нормальной аэродинамической схеме и включающий фюзеляж, шасси, крыло и оперение; на задней кромке каждой консоли крыла установлены закрылки и элероны; ядерный двигатель выполнен в виде силовой установки, состоящей из ядерного реактора, производящего пар для турбины, которая связана с компрессором, в котором происходит сжатие и нагрев воздуха для сопел, где создается тяговое усилие.

(Патент США 3547380. 1970 г.)

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Беспилотный самолет с ядерным двигателем, выполненный по нормальной аэродинамической схеме и предназначенный для выполнения разведывательных и диверсионных заданий в тылу врага, включающий фюзеляж, высокорасположенное трехлонжеронное крыло, двухкилевое вертикальное оперение и цельноповоротный стабилизатор с дифференциальным управлением; на задней кромке каждой консоли крыла установлены закрылки, элероны и аэродинамический гребень; шасси трехопорное, основные стойки убираются в фюзеляж и имеют по одному колесу большого диаметра; ядерный двигатель, выполненный в виде силовой установки, состоящей из ядерного реактора низкотемпературного ядерного синтеза, выполненного с генератором нейтронов для изотопа литий-7 в качестве реагента и производящего пар для турбины, которая связана с компрессором, в котором происходит сжатие и нагрев воздуха для сопел, где создается тяговое усилие.

Теплоносителем произведенная энергия с помощью пара передается в турбину, связанную с компрессором, в котором происходит сжатие и нагрев воздуха, и в соплах двигателя создается тяговое усилие.

Самолет состоит из следующих частей и отсеков:

Фюзеляжа, крыльев, хвостового оперения, рулевой части, шасси; и отсеков: головная часть, грузовой отсек, отсек блока управления, отсек транспортной части.

Головная часть служит контейнером для дополнительного груза.

Грузовой отсек для размещения боевых зарядов, грузов и для стабилизации полета.

Отсек блока управления служит для размещения:

а) компьютеров управления полетом и выработки командных сигналов в механизмы узлов самолета,

б) системы стабилизации по углам вращения, тангажа, рыскания,

в) системы ориентации,

г) системы наведения,

д) системы контроля,

е) системы выработки командных сигналов,

ж) системы электропитания,

з) других вспомогательных и обслуживающих систем.

Отсек транспортной части

В транспортном отсеке самолета расположены: реактор, производящий ядерную энергию, рулевые и корректирующие установки, системы пуска и останова двигателей, системы охлаждения и запас ядерного горючего.

ЯДЕРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

Ядерный двигатель для беспилотного самолета состоит из ядерного реактора, генератора нейтронов, турбины, компрессора.

Ядерный реактор, предназначенный для выполнения реакций низкотемпературного ядерного синтеза, работает на тепловых нейтронах с графитовым замедлителем. Ядерным горючим (реагентом) служит стабильный изотоп литий-7, который производит ядерную энергию при облучении реагента медленными нейтронами путем радиационного захвата нейтронов ядром реагента.

В ядрах реагента, облученных медленными нейтронами, осуществляется ядерная реакция:

;

,

в результате которой образуются две положительно заряженные альфа-частицы и выделяется энергия 17,3 МэВ, излучаемая квантом гамма-излучения с энергией 2 МэВ и потоком бета-минус-излучения с энергией 15,31 МэВ, которые используются для создания тягового усилия двигателя, расходуя 1 кг реагента в сек, что соответствует расходу энергии 2,38·10¹⁴/3·10⁸=795 т·с/кг.

В результате один из нейтронов превращается в протон и заканчивается формирование второй альфа-частицы. Образовавшееся ядро бериллия-8 нестабильно и распадается на две альфа-частицы в течение 1·10^-16 с и в дальнейшей реакции не участвует.

Таким образом, 1 кг прореагировавшего исходного реагента лития-7 выделяет энергию 6·10²⁶·17,4/7=14,9·10²⁶ МэВ или 5,67·10¹⁰ ккал, что в 2,8 раз больше, чем при израсходовании 1 кг урана-235.

Это эквивалентно сжиганию 5,14 тыс. тонн бензина.

Для аналога (самолет Миг-25) запас горючего составляет 14570 кг.

Дальность полета - 1920 км, время полета - 2 ч 5 мин.

Для предложенного ядерного двигателя израсходование 1 кг исходного реагента эквивалентно сжиганию 5,14 тыс. тонн бензина, откуда имеем 5140000/14570=352,8; 1000/352,8=2,83 г. Следовательно, на 2 часа полета потребуется израсходовать всего лишь 3 грамма горючего, а на 100 часов полета будет расходоваться 150 г лития-7.

ДОСТОИНСТВА ЯДЕРНОГО ДВИГАТЕЛЯ:

1) Ядерное горючее для низкотемпературного ядерного синтеза в миллион раз калорийнее бензина.

2) Исходные материалы и продукты реакций нерадиоактивны, не опасны и безвредны, в процессе реакций не производят радиоактивные отходы, в случае аварии не загрязняют радиоактивными отходами окружающее пространство.

3) Стоимость горючего в сотни раз дешевле стоимости расщепляющихся материалов для используемых в настоящее время атомных реакторов.

4) Запасы исходных материалов для ядерных реакций практически беспредельны

и др.

В предложенном способе производства энергии путем низкотемпературного ядерного синтеза кулоновский барьер атомного ядра не подвергается предварительным силовым воздействиям, характерным для термоядерного синтеза и ”холодного” ядерного синтеза, а также атомные ядра не изменяют своего энергетического состояния. Механизм преодоления кулоновского барьера заключается в том, что один из реагентов (литий-7) выполнен в виде мишени и помещен в активную зону реактора. Второй реагент представлен в виде нейтронов, излучаемых специальным генератором. Нейтроны замедляются, облучают реагент и происходит радиационный захват нейтронов ядрами реагента. Медленные нейтроны беспрепятственно проходят через кулоновский барьер, не требуя изменения энергетического состояния или силового воздействия на кулоновский барьер. Затем захваченные ядром нейтроны превращаются частично в протоны с излучением электронов высокой энергии, сливаются с исходным ядром и образуют новое ядро бериллия-8, которое немедленно распадается на две альфа-частицы.

Проверим справедливость полученного результата.

В соответствии с законом сохранения энергии выделенная энергия в результате экзотермической ядерной реакции должна соответствовать увеличению энергии связи ядра.

Известно, что энергия связи ядра лития-7 равна 39,57 МэВ.

Энергия связи бериллия-8 равна 56,86 МэВ.

Отсюда Е_СВ=56,86-39,57=17,29 МэВ. Энергия связи изменилась на 17,29 МэВ. Здесь 0,1 МэВ соответствует энергии разлета альфа-частиц.

Таким образом, полученные результаты соответствуют расчетным.

Функционально работа реактора заключается в том, что пластины исходного реагента облучаются потоком медленных нейтронов, излучаемых генератором нейтронов. Образованные генератором нейтроны, прежде чем прореагировать, проходят через замедлитель, где замедляется скорость потока нейтронов до требуемой энергии, соответствующей максимальному сечению радиационного захвата нейтронов в ядерном реакторе, ядром исходного реагента.

Под действием радиационного захвата нейтронов в ядерном реакторе происходит низкотемпературный ядерный синтез и выделение энергии за счет увеличения энергии связи между нуклонами мишени. В процессе реакции низкотемпературного ядерного синтеза расходуются нейтроны, но новые поколения нейтронов не рождаются, как это происходит при делении тяжелых атомных ядер в реакторах современных атомных электростанций. Поставлять нейтроны вынуждены с помощью специального генератора. Одним из возможных способов получения достаточно мощного потока нейтронов, не прибегая к использованию расщепляющихся материалов с использованием тяжелых ядер, является преобразование потока протонов в нейтроны с помощью ускорителя, на что требуется затрата энергии в пределах 2 МэВ на производство одного нейтрона. Для этого используют ускоритель протонов с использованием циклотронов (Фиг.5).

Для реализации ускорителя протонов этим способом получают множество протонов, нагревая газообразный водород до температуры, при которой ядра водорода, т.е. отдельные протоны, освобождаются от их электронной оболочки. Поскольку все протоны заряжены положительно, электрическое поле будет разгонять их по прямой линии в то время, как магнитное поле изгибает пути протонов, превращая их в окружности.

Комбинируя электрическое и магнитное поля, можно ускорить протоны, движущиеся по окружности, до необходимой энергии и направить их в нужную сторону (например, с выхода блока преобразования протонов в нейтроны непрореагировавшие протоны можно вернуть на вход ускорителя протонов, ускорить их до необходимой энергии и повторить выполнение реакции многократно, увеличивая выход нейтронов). Когда протоны приобретут достаточную энергию (2,5 мэВ), их направляют на мишень, роль которой может играть пластина из лития-7, бора-11 и др. Реакция (p, n) состоит в том, что протоны и нейтроны меняются местами. Примеры реакций:

₃Li⁷(p,n)₄Be⁷; ₅B¹¹(p,n)₆C¹¹ и др.

Для увеличения выхода реакции используют цепь обратной связи (Фиг.4). Протоны, непрореагировавшие в первом цикле и потерявшие часть кинетической энергии на возбуждение электронной оболочки ядер, выделяют из блока преобразования протонов в нейтроны под действием электрического и магнитного полей и направляют их повторно на вход ускорителя, где производят их ускорение до необходимой энергии и повторно направляют в блок преобразования в нейтроны. Так повторяют многократно, что увеличивает выход реакции (см. фиг.4)

ЦИКЛОТРОН (Фиг.5)

Существенная часть циклотрона - две полые металлические коробки, называемые дуантами. Дуанты немного раздвинуты по диаметру друг от друга и подключены к радиочастотному генератору, работающему на частоте примерно 10⁶ Гц.

Дуанты помещают в эвакуированное вакуумное пространство между полюсами мощного магнита, который создает магнитное поле с индукцией до нескольких тесла. Заряженная частица вылетает из источника протонов (1) и направляется в центр между дуантами со скоростью V_o. Магнитное поле действует на частицу с силой

Применив второй закон Ньютона, получим

где m - масса частицы.

Следовательно, частица движется по полукругу радиусом z_o

Траектория частицы внутри дуантов образует некоторую раскручивающуюся спираль. Ускорение продолжается до некоторого максимального радиуса.

После этого частицу выводят из циклотрона с энергией, которая эквивалентна энергии, полученной при прохождении разности потенциалов, много большей, чем та, которая создается радиочастотным генератором при однократном ускорении частицы. Частота обращения частицы в циклотроне равна:

Она не зависит от радиуса r и от значения скорости Максимальная кинетическая энергия частицы, когда она покидает циклотрон, равна:

ЯДЕРНЫЙ РЕАКТОР НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОГО ЯДЕРНОГО СИНТЕЗА.

С выхода блока преобразования протонов в нейтроны нейтроны через тонкую мембрану, отделяющую их от протонов, поступают в область реактора, в которой находится реагент и где происходит низкотемпературный синтез.

Для уменьшения непроизводительных расходов нейтронов активная зона реактора ограничена отражателями нейтронов 8 (фиг.2), в качестве которых используют графитовые пластины и графитовую обмазку. Энергия, производимая блоком низкотемпературного ядерного синтеза энергии, производимой современными АЭС в 400-700 раз.

Охлаждение реактора и теплопередача производится по двухконтурной схеме (фиг.3). Это дополнительно гарантирует отсутствие радиоактивности, попадающей в окружающую среду. В первом контуре используется дистиллированная вода, которая прогоняется по трубкам 3 (фиг.2) с помощью насосов 18 (фиг.3), охлаждает реагент и отражатель нейтронов. Нагретая до температуры 280°С дистиллированная вода при 10 МПа поступает в теплообменник 17 (фиг.3), где отдает тепло во второй контур.

Во втором контуре вода нагревается в теплообменнике до температуры 260-270°С под давлением 1,25 МПа и испаряется. Пар проходит через сопла турбины, приводя во вращение привод компрессора. Отработавший пар конденсируется и возвращается во второй контур теплообменника.

В компрессоре происходит сжатие и нагрев потока воздуха, который создает тяговое усилие.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Журнал ”Авиация и космонавтика".

2. В.Ильин, М.Левин. Современная авиация. Истребители. М., 1996.

3. Мелькумов Т.М. и др. Ракетные двигатели.

4. Баррер и др. Ракетные двигатели. Оборонгиз, 1962, с.29.

5. У. Корлис. ”Ракетные двигатели для космических полетов". М.: Изд. ин. литературы, 1962.

6. П.Е.Колпаков. Основы ядерной физики. М., 1969.

7. Евсюков Г.А. Патент №2128374.

8. Евсюков Г.А. Патент №2123730.

9. Евсюков Г.А. Патент №2276286.

10. Патент США №3547380, 1970 г.

ПЕРЕЧЕНЬ ФИГУР, ЧЕРТЕЖЕЙ И ИНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Фиг.1 Схема самолета.

Фиг.2 Ядерный реактор.

1) Пластины исходного реагента,

2) замедлитель нейтронов,

3) трубки, по которым циркулирует теплоноситель,

4) выход генератора нейтронов,

5) управляющие стержни,

6) элементы генератора нейтронов,

7) корпус реактора,

8) отражатель нейтронов.

Фиг.3 Схема теплоносителя.

16) Ядерный реактор,

17) теплообменник,

18) циркуляционные насосы,

19) турбина,

20) конденсатор

21) заборный насос

Фиг.4 Схема преобразователя протонов в нейтроны.

31) Ускоритель протонов,

32) схема преобразования протонов в нейтроны,

33) схема выделения протонов,

34) схема обратной связи.

Фиг.5 Схема циклотронного генератора нейтронов.

51) Емкость с водородом,

52) подогреватель,

53) путь движения водорода низкой энергии,

54, 55) схема отделения электронов от ядер водорода в электрическом поле,

56) циклотрон,

57) дуанты,

58) радиочастотный генератор,

59) мишень преобразователя протонов в нейтроны,

60) отражатель протонов.

Фиг.6 Схема теплообменника.

Фиг.7 Схема турбины.

а) Схема устройства паровой турбины;

б) Расположение направляющихся лопаток (а) и рабочих лопаток (б), закрепленных на валу турбины.

СВЕДЕНИЯ, ПОДТВЕРЖДАЮЩИЕ ВОЗМОЖНОСТЬ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ БЕСПИЛОТНОГО САМОЛЕТА С ЯДЕРНЫМ ДВИГАТЕЛЕМ.

ОПИСАНИЕ КОНСТРУКЦИИ САМОЛЕТА.

Беспилотный самолет с ядерным двигателем, предназначенный для выполнения разведывательных и диверсионных заданий в тылу врага, включающий фюзеляж, выполненный по нормальной аэродинамической схеме с высокорасположенным крылом, двухкилевым вертикальным оперением и цельноповоротным стабилизатором с дифференциальным управлением; крыло-трехлонжеронное, на задней кромке установлены закрылки и элероны, на каждой консоли - аэродинамический гребень; шасси трехопорное, основные стойки убираются в фюзеляж, имеют по одному колесу большого диаметра, обеспечивающему проходимость по грунтовым аэродромам; силовая установка состоит из ядерного реактора низкотемпературного ядерного синтеза, генератора нейтронов, компрессора; ядерная энергия производится путем радиационного захвата реагентом медленных нейтронов, производимых генератором нейтронов, и преобразования части избыточных нейтронов в протоны с последующим соединением их с ядрами реагента, это обеспечивает увеличение энергии связи ядер мишени, в качестве которой используют изотоп литий-7.

Ядерный двигатель состоит из следующих конструктивных узлов:

1) Ядерного реактора (Фиг.2)

2) Схемы преобразования протонов в нейтроны (Фиг.4, 5).

В исходном состоянии все составляющие компоненты представляют собой нерадиоактивные, стабильные и безвредные вещества, не представляющие опасности обслуживающему персоналу и окружающей природе.

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ДВИГАТЕЛЯ.

Для запуска двигателя необходимо:

1. Включить электропитание электромагнитов ускоряющих циклотронов (Фиг.5).

2. Включить электропитание радиочастотного генератора 58 (Фиг.5).

3. Включить электропитание нагревателя водорода 52 (Фиг.5).

4. Включить подачу водорода в блок ускорения протонов 31 (Фиг.4).

Поток водорода нагревается до температуры, при которой протоны отделяются от электронной оболочки и разгоняются под действием электрического поля. Магнитное поле заставляет заряженные частицы двигаться по спирали. При этом энергия частицы возрастает с каждым оборотом. По достижении энергии частиц порядка 2,5 МэВ заряженные частицы направляются на мишень 59 (Фиг.5), преобразуя протоны в нейтроны. Реакция (p, n) состоит в том, что протоны и нейтроны как бы меняются местами. Примеры таких реакций:

₃Li⁷(p,n)₄Be⁷; ₅B¹¹(p,n)₆C¹¹ и др.

Для увеличения выхода реакций используется цепь обратной связи (Фиг.4). Протоны, не прореагировавшие в первом цикле и потерявшие часть эергии на возбуждение электронной оболочки ядер, имеющих кинетическую энергию ниже уровня порога реакции (p, n), выделяются схемой выделения протонов 3 (фиг.4) и под действием электрического и магнитного полей возвращаются на вход блока ускорения протонов для повторного цикла реакции (p, n), увеличивая тем выход реакции. Поток нейтронов, образовавшихся в блоке преобразования протонов в нейтроны, поступает в активную зону реактора к реагенту низкотемпературного ядерного синтеза. В активной зоне ядерного реактора (фиг.2) происходит замедление поступающих нейтронов замедлителем нейтронов 2 (фиг.2), в качестве которого используют графит, и происходит радиационный захват реагентом 1 (фиг.2) медленных нейтронов. В ядрах реагента, облученных медленными нейтронами, осуществляется ядерная реакция

в результате которой выделяются две положительно заряженные альфа-частицы и энергия 17,2 МэВ и поток β-частиц и γ-излучений, которые передают тепловую энергию с помощью теплоносителя (фиг.3) в турбину и компрессор для нагрева и сжатия захваченного заборником атмосферного воздуха, который создает в соплах тяговое усилие двигателя.

Для регулирования тягового усилия двигателя необходимо изменять поток водорода, поступающего в блок преобразования протонов в нейтроны, чем больше интенсивность потока нейтронов, поступающих в ядерный реактор, тем больше тяга двигателя.

Для выключения двигателя следует:

1. Переключить подачу водорода в схему преобразования протонов в нейтроны.

При этом немедленно прекратится ядерная реакция низкотемпературного ядерного синтеза.

2. Выключить электропитание подогревателя водорода.

3. Выключить электропитание радиочастотного генератора.

4. Выключить электропитание электромагнитов ускоряющих циклотронов.

АВАРИЙНЫЙ РЕЖИМ.

Контроль и управление мощностью двигателя производят с помощью автоматической системы, поддерживающей расход водорода в норме на заданном уровне. В случае отказа средств контроля и управления и возникновения угрожающей ситуации используют средства аварийного отключения подачи водорода. При этом прекратятся ядерные реакции.

СРАВНЕНИЕ С АНАЛОГОМ

Существующие аналоги самолетов значительно уступают ядерному двигателю, использующему низкотемпературный ядерный синтез.

Его достоинствами являются:

1. Высокая калорийность горючего материала (мишени) - литий-7, в миллион раз превосходящая калорийность химических топлив.

2. Исходные материалы и продукты ядерных реакций нерадиоактивны, не опасны и безвредны, в процессе не производят радиоактивные отходы, в случае аварии не загрязняют радиоактивными отходами окружающее пространство.

3. Стоимость горючего в сотни раз дешевле стоимости расщепляющихся материалов для используемых в настоящее время атомных реакторов.

4. Запасы исходных материалов для ядерных реакций практически беспредельны и др.

Беспилотный самолет с ядерным двигателем, выполненный по нормальной аэродинамической схеме и включающий фюзеляж, высокорасположенное трехлонжеронное крыло, двухкилевое вертикальное оперение и цельноповоротный стабилизатор с дифференциальным управлением; на задней кромке каждой консоли крыла установлены закрылки, элероны и аэродинамический гребень; шасси трехопорное, основные стойки убираются в фюзеляж и имеют по одному колесу большого диаметра, и ядерный двигатель, выполненный в виде силовой установки, состоящей из ядерного реактора низкотемпературного ядерного синтеза, выполненного с генератором нейтронов для изотопа литий-7 в качестве реагента и производящего пар для турбины, которая связана с компрессором, в котором происходит сжатие и нагрев воздуха для сопел, где создается тяговое усилие.