Радиоизотоптық қозғалтқыштар: Жұмыс принципі мен қолданылуы
Radioisotope rocket
Радиоизотоптық ракеталар: радиоактивті элементтердің ыдырауынан пайда болатын жылуды пайдаланып, қозғалыс тудырады. Ядролық технология, ғарыш саяхаты үшін жаңа әдіс!
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Радиоизотоптық зымыран немесе радиоизотоптық жылулық зымыран – радиоактивті элементтердің ыдырауынан туындайтын жылуды жұмыс сұйықтығын қыздыру үшін пайдаланатын жылулық зымыран қозғалтқышының бір түрі, ол содан кейін итеру күшін жасау үшін зымыран сопласы арқылы шығарылады. Олар NERVA сияқты ядролық жылулық зымырандармен ұқсас, бірақ олар әлдеқайда қарапайым және көбінесе жылдам қозғалатын бөліктері жоқ. Радиоизотоптар радиоизотоптық электрлік зымыранда да қолданылуы мүмкін, онда ядролық ыдыраудан алынған энергия электр жетегін қамтамасыз ету үшін қолданылатын электр энергиясын өндіруге жұмсалады. Негізгі идея – бұрыннан бар радиоизотоптық термоэлектрлік генераторлар (RTG) жүйелерін жетілдіру, онда ядролық отынның ыдырауынан туындайтын жылу энергияны өндіру үшін пайдаланылады. Зымырандық қолданыста генератор алынып тасталады, ал жұмыс сұйықтығы тікелей итеру күшін жасау үшін қолданылады. Бұл жүйеде шамамен 1500-2000 °C температураға қол жеткізуге болады, бұл шамамен 700-800 секундтық (7-8 кН·с/кг) нақты импульсқа мүмкіндік береді, бұл LH2 LOX ғарыш кемесінің негізгі қозғалтқышы сияқты ең жақсы химиялық қозғалтқыштардан екі есеге жуық. Дегенмен, мұндай жүйелердің өндіретін қуаты көбінесе өте төмен болады. Ядролық жылулық зымыранның толыққанды "белсенді" реакторлық жүйесінен бір гигаватттан астам қуат өндіруді күтуге болады, ал радиоизотоптық генератор шамамен 5 кВт қуат береді. Бұл дизайн өте тиімді болғанымен, шамамен 1.3-1.5 Н итеру күшін ғана өндіре алады, сондықтан олар тек итеру құрылдары ретінде ғана пайдалы. Орташа ұзақтықтағы миссиялар үшін қуатты арттыру мақсатында, қозғалтқыштар әдетте жартылай өмір сүру ұзақтығы қысқа отынды, мысалы, полоний-210 пайдаланады, ал әдеттегі RTG ұзақ жартылай өмір сүру ұзақтығы бар отынды, мысалы, плутоний-238 пайдаланады, бұл ұзақ мерзімде тұрақты қуатты өндіруге мүмкіндік береді. Радиоизотоптарды зымырандарда қолданудың тағы бір кемшілігі – жұмыс қуатын өзгерте алмайтындығы. Радиоизотоп тұрақты түрде жылуды өндіреді, оны отынды қыздырмаған кезде қауіпсіз түрде тарату қажет. Ал реакторларды қалауынша тоқтатуға немесе өшіруге болады.
A radioisotope rocket or radioisotope thermal rocket is a type of thermal rocket engine that uses the heat generated by the decay of radioactive elements to heat a working fluid, which is then exhausted through a rocket nozzle to produce thrust. They are similar in nature to nuclear thermal rockets such as NERVA, but are considerably simpler and often have no moving parts. Alternatively, radioisotopes may be used in a radioisotope electric rocket, in which energy from nuclear decay is used to generate the electricity used to power an electric propulsion system. The basic idea is a development of existing radioisotope thermoelectric generator, or RTG, systems, in which the heat generated by decaying nuclear fuel is used to generate power. In the rocket application the generator is removed, and the working fluid is instead used to produce thrust directly. Temperatures of about 1500 to 2000 °C are possible in this system, allowing for specific impulses of about 700 to 800 seconds (7 to 8 kN·s/kg), about double that of the best chemical engines such as the LH2 LOX Space Shuttle Main Engine. However the amount of power generated by such systems is typically fairly low. Whereas the full "active" reactor system in a nuclear thermal rocket can be expected to generate over a gigawatt, a radioisotope generator might get 5 kW. This means that the design, while highly efficient, can produce thrust levels of perhaps 1.3 to 1.5 N, making them useful only for thrusters. In order to increase the power for medium duration missions, engines would typically use fuels with a short half life such as polonium 210, as opposed to the typical RTG which would use a long half life fuel such as plutonium 238 in order to produce more constant power over longer periods of time. Another drawback to the use of radioisotopes in rockets is an inability to change the operating power. The radioisotope constantly generates heat that must be safely dissipated when it is not heating a propellant. Reactors, on the other hand, can be throttled or shut down as desired.
Технологияны дамыту
TRW 1961-1965 жылдар аралығында "Пудль" деп аталатын жақсы дамыған бағдарламаны жүргізді, ал қазіргі күні бұл жүйелер көбінесе "Пудль" итергіштері деп танылады. Атау Project Rover жобасы аясында дамытылған үлкен жүйелерге сілтеме жасады, ол NERVA-ға әкелді. 1965 жылдың сәуірінде олар сынақ қозғалтқышын шамамен 1500 °C температурада 65 сағат бойы сынап көрді, нәтижесінде 650-ден 700 секундқа дейін (6,5 - 7 кНс/кг) нақты импульсқа қол жеткізді.
TRW maintained a fairly active development program known as Poodle from 1961 to 1965, and today the systems are still often known as Poodle thrusters. The name was a play on the larger systems being developed under Project Rover, which led to NERVA. In April 1965 they ran their testbed engine for 65 hours at about 1500 °C, producing a specific impulse of 650 to 700 seconds (6.5 to 7 kN·s/kg).
Фотондар қысымы
Тіпті түтінсіз де, жылу көзі шығаратын энергияның фотондарының қысымы өте шамалы болса да, итергіш күш тудырады. Фотондар қысымының нәтижесінде ғарыш кемесінің итергіш күшін көрсететін танымал мысал – «Пионер» аномалиясы, онда борттағы радиоизотоп көзінен шыққан фотондар «Пионер» ғарыш кемесінің өте кішкентай, бірақ өлшенетін үдеуін қамтамасыз етті. Ұқсас құбылыс «New Horizons» ғарыш кемесінде де болды; RTG-ден шыққан фотондар (термиялық инфрақызыл сәуле) ғарыш кемесінің антеннасынан шағылысып, ғарыш кемесінің бағытын сәл өзгертетін өте аз итергіш күшті тудырды.
Even without an exhaust, the photon pressure of the energy emitted by a thermal source can produce thrust, although an extremely tiny amount. A famous example of spacecraft thrust due to photon pressure was the Pioneer anomaly, in which photons from the onboard radioisotope source caused a tiny but measurable acceleration of the Pioneer spacecraft. A similar phenomenon occurred on the New Horizons spacecraft; photons (thermal infrared) from the RTG, reflected from the spacecraft's antenna, produced a very small thrust which propelled the spacecraft slightly off course.