|
РЕДАКЦИЯ ЛИТЕРАТУРЫ ПО ВОПРОСАМ ТЕХНИКИ
Последние 10 — 15 лет знаменательны стремительным развитием ракетной техники. Два года назад в СССР впервые в мире осуществлен успешный запуск искусственного спутника земли. Дальнейшие достижения в этом направлении были связаны с запуском спутников все возрастающего веса и, наконец, с запуском космических ракет в сторону Луны. Несомненно, близко то время, когда осуществится первый космический полет человека. Все это стало возможным в результате невиданного развития многих важнейших направлений науки и техники.
Известно, что наибольшей сложностью в ракетной технике отличаются проблемы создания высокоэффективной двигательной установки, задачи радиоэлектроники, связанные с навигацией и управлением ракеты, и, наконец, вопросы тепловой защиты ракетных аппаратов при их движении с большой скоростью в плотных слоях атмосферы.
Решение первой и на начальных этапах развития ракетной техники основной проблемы создания высокоэффективного двигателя велось в направлении использования химической энергии топлив. Это было исторически вполне закономерно и соответствовало уровню развития науки и техники. В настоящее время имеются огромные успехи в разработке новых высокоэффективных химических ракетных топлив, в решении многих фундаментальных проблем горения этих топлив и конструктировании мощных ракетных двигателей на химическом топливе. Дальнейшее развитие этих двигателей связано с применением ряда новых эффективных топлив, в частности топлив на основе бористых и литиевых соединений, а затем, вероятно, после решения многих очень сложных вопросов — с использованием в качестве ракетных топлив веществ, состоящих в достаточно большой степени из свободных радикалов.
Следует, однако, ясно представлять ограниченность химических источников энергии, определяющую непригодность ракет с двигателями на химическом топливе для дальних космических полетов. Не стремясь в какой-либо мере умалить значение дальнейших широких исследований в области совершенствования ракетных двигателей, работающих на химическом топливе, нужно прямо сказать, что завтрашний и при этом весьма близкий день ракетного движения связан с использованием атомной энергии.
Как известно, при соответствующей ядерной реакции энерговыделение ядерного топлива на много порядков превосходит возможное энерговыделение того же весового количества химического топлива. Это обстоятельство предопределяет колоссальные перспективы использования атомной энергии в ракетных аппаратах.
В настоящее время накоплен значительный опыт практического использования атомной энергии для энергетических целей. Можно поэтому с достаточным приближением к действительности рассмотреть возможности создания ракетного двигателя, работающего на атомной энергии.
Книга Р. Бассарда и Р. Де-Лауэра является первой оригинальной монографией, посвященной серьезному рассмотрению проблемы создания ракетного атомного двигателя. В этой книге, по-видимому, обобщен в известной мере опыт работы ведущей американской Лос-Аламосской научной атомной лаборатории. Нужно сразу же сказать, что авторы в общем хорошо справились с поставленной задачей. После краткого введения, где излагаются некоторые особенности движения ракетного аппарата, в книге последовательно в соответствующих главах изложены основные проблемные вопросы работы атомного двигателя. По каждой проблеме дается краткое и довольно систематическое изложение общих и теоретических положений, и, затем, что наиболее интересно, подробное рассмотрение специфики, обусловленной работой ракетного аппарата. Такой характер изложения делает эту книгу весьма интересной как для специалистов, так и для достаточно широкого круга читателей, занимающихся и интересующихся вопросами ракетного движения.
В основном книга посвящена рассмотрению ракетного двигателя с ядерным реактором теплообменного типа. Такой двигатель имеет принципиальную схему, в общем* подобную таковой у обычных реактивных двигателей, работающих на химическом топливе. Грубо говоря, у такого атомного двигателя вместо камеры сгорания химического топлива имеется ядерный реактор, а вместо запаса химического топлива и окислителя — запас рабочего тела, которое нагревается при прохождении через ядерный реактор и затем направляется в реактивное сопло аппарата. Такой ракетный атомный двигатель, имеющий много общего с обычными ядер-ноэнергетическими установками, а также, в известной мере, с реактивными двигателями на химическом топливе, по-видимому, будет осуществлен прежде всего.
К сожалению, в книге по существу рассмотрены лишь двигатели с ядерными реакторами на тепловых нейтронах. Представляло бы большой интерес провести соответствующее рассмотрение реактивных двигателей с ядерными реакторами на промежуточных, а также и на быстрых нейтронах. Применительно к двигательной установке с такими реакторами многие выводы авторов должны быть изменены, а материал книги следовало бы существенно дополнить описанием специфических проблемных вопросов работы таких реакторов. Следует, однако, сказать, что во многом и, в частности, методологически материал книги Бассарда и Де-Лауэра будет весьма полезен при изучении возможных ракетных атомных установок с ядерными реакторами на промежуточных и быстрых нейтронах.
Наряду со сказанным выше об основном содержании следует еще раз отметить, что главным достоинством книги является очень хорошая методическая проработка проблемы, хотя отдельные конкретные рекомендации авторов, например относительно видов рабочих тел и т. п., конечно могут и должны корректироваться. Вдумчивому читателю это несомненно ясно.
Последняя глава книги посвящена краткому описанию нескольких оригинальных схем использования атомной энергии в ракетных аппаратах. Здесь высказаны некоторые весьма общие соображения о перспективности использования термоядерной энергии и энергии радиоактивного излучения соответствующих радиоизотопов, некоторые интересные соображения об организации процесса деления ядерного топлива с тепловыделением непосредственно в рабочем теле и, наконец, рассмотрены работы так называемых газовых реакторов. В двух последних случаях отсутствует теплопередающая конструкционная поверхность и тем самым отпадает ограничение по температурам рабочего тела.
Остальные из рассмотренных в этой главе схем применения атомной энергии в реактивных двигателях носят принципиально другой характер. Здесь речь идет о создании малогабаритной легкой атомной силовой установки, производящей электроэнергию, которая затем используется для создания реактивной тяги в соответствующей электрической реактивной системе, например ионной ит. п. О какой-либо законченности этой главы не может быть и речи. Изложенный материал в основном будет полезен лишь начинающему читателю. Более глубокая проработка затронутых и сопутствующих вопросов этой главы должна быть проведена по периодической литературе.
Говоря о книге в целом, следует еще раз подчеркнуть ее несомненную ценность, она будет прочтена с большим интересом.
Перевод книги выполнен Б. И. Колтовым (гл. 1 — 4), С. В. Юсим (гл. 5), И. Б. Виханским (гл. 6), В. В. Королевым (гл. 7) и В. Я. Пупко (гл. 8 и 9).
Большая работа по подготовке русского издания книги была проведена М. В. Висковой.
Сентябрь 1959 г.
B. Кириллин А. Шейндлин
Настоящая книга ставит своей целью познакомить с относительно новой областью — атомными ракетными двигателями — инженеров и научных работников, занимающихся подобными вопросами. Проблема атомных ракетных двигателей охватывает широкий круг вопросов, включая анализ конструкций, аспекты теплопередачи, газо- и гидродинамики, термодинамики, баллистического полета, физики реакторов и защиты от излучений. В книге излагаются характерные особенности каждого из этих вопросов, присущих атомному ракетному двигателю.
В книге приводятся результаты тщательного математического анализа и обоснования физических основ этих результатов. Однако мы не стремились приводить математические доказательства, необходимые для строгого обоснования любого из окончательных рабочих уравнений и физических выводов. Эти доказательства можно найти в литературе, приводимой в каждой главе. В известном смысле, если перефразировать Итерингтона1), необходимость вникать в суть этих доказательств не обязательна для понимания данного вопроса или для того, чтобы пользоваться этой книгой. Эта книга, образно говоря, показывает лишь, который час на часах, а математически строгое изложение поясняет, каким образом часы идут. В нашем случае очень важно уметь определить, который час показывают часы, а если слишком много копаться в часовом механизме, то можно остаться и без часов. Здесь нам достаточно знать, что необходимое математическое обоснование существует.
Таким образом, эта книга представляет собой большую практическую ценность для инженеров-исследователей и конструкторов, чем для работников чистой науки. Однако мы надеемся, что она поможет научному работнику более полно оценить и понять те безмерные трудности технических задач, которые встают на пути создания конструкций в этой области.
Не следует рассматривать содержание книги как отражение каких-либо работ соответствующих организаций. Цель этой книги, в частности, заключается не в том, чтобы дать обзор современного состояния развития атомных ракетных двигателей, а, как уже говорилось выше, в том, чтобы служить введением в эту новую область. Авторы надеются, что их книга поможет всем работающим в этой
l) Etherington Н., Reactor Calculations for Amateurs, — заметки, неофициально выпущенные в Аргоннской национальной лаборатории, ст. 5 стр. 26, серия от 9 июня 1952 г.
области и смежных отраслях быть в курсе непрерывного развития применения атомной энергии в ракетных двигателях.
Немногие технические книги были написаны полностью только теми авторами, имена которых стоят на титульном листе, и данная работа не является исключением из общего правила. В создании этой книги принимало участие настолько много людей, что совершенно невозможно выразить нашу признательность всем им. Особенно ценной была поддержка Лос-Аламосской научной лаборатории в лице ее директора Н. Брэдбери и технического заместителя директора Д. Фромена.
Р. Бассард Р. Де-Лауэр
Глава 1
ВВЕДЕНИЕ
1.1. ВВЕДЕНИЕ. НАЗНАЧЕНИЕ КНИГИ
Применение атомного оружия и использование ядерной энергии в стационарных электрических станциях, в судовых и авиационных двигательных установках логически привело к изучению возможности использования ядерных источников энергии в ракетных двигателях. Ракеты на ядерном топливе (атомные ракеты) не являются чем-то новым; со времени осуществления управляемой реакции деления было предложено много проектов [1,2] использования ядерной энергии в устройствах для получения реактивной тяги. При этом достаточно подробно было показано потенциальное превосходство атомных ракет над ракетами с двигателями, работающими на химическом топливе [3,4]. Действительно, в случае успешного решения проблемы создания высокоэффективных атомНых ракетных двигателей атомные ракеты вытеснят ныне существующие ракеты, по крайней мере там, где требуется очень большая грузоподъемность и большая дальность, например для запуска и вывода на орбиту больших спутников земли. Кроме указанных применений, очевидно, что ядерная энергия открывает единственно1) возможный в настоящее время путь к осуществлению межпланетных полетов в солнечной системе.
Присущее человечеству стремление к познанию является залогом возможности осуществления путешествий в космосе. Запуск спутников с людьми, исследование Луны, экспедиции на Марс и Венеру и многие другие предсказания писателей-фантастов минувших лет несомненно станут реальностью, но для этого необходимо, чтобы усилия ученых и инженеров всего мира были направлены на решение проблем космического полета. Находясь на пороге новой эпохи исследований, следует обсудить наиболее трудную из этих проблем — проблему создания атомного двигателя для ракетного летательного аппарата.
На протяжении последнего десятилетия нейтронная физика в сочетании с инженерными проблемами привела к многочисленным
*) В настоящее время нет никаких оснований считать, что только использование ядерной энергии дает возможность осуществить межпланетные полеты. Для этой цели могут быть использованы и другие принципы создания реактивной тяги, в том числе на основе обычного горения химического топлива. — Прим. ред.
успехам в конструировании и сооружении ядерных реакторов. Но если о больших энергетических реакторах стационарного типа написано очень много [5,6]г), то проблемы создания легких реакторов с высокой энергоплотностью для летательных аппаратов пока не освещены в литературе. Решение этих проблем в большей своей части — дело инженеров, так как для создания удачных мобильных реакторов с высокой энергоплотностью необходимо прежде всего обеспечить решение таких инженерных задач, как, например, организация надлежащего выделения тепла и его отвода, распределение потоков жидкого теплоносителя (охладителя) и соответствующих режимов его течения, обеспечение прочности конструкции реактора. Одна из задач книги в связи с этим заключается в том, чтобы дать инженеру основу для понимания технических проблем подобных реакторов и показать, как на эти проблемы влияют аспекты нейтронной физики, характерные для реакторов рассматриваемого-типа, и какая связь существует между ними.
В книге большое внимание уделено общим проблемам атомных ракет2). Требования к характеристикам ракетных двигателей, использующих ядерную энергию, будут определяться требованиями к характеристике самого ракетного летательного аппарата. Поэтому в книге дается достаточно подробный анализ внутренней и внешней баллистики атомных ракет, чтобы дать возможность тем, кто еще только знакомится с ракетной техникой, и тем, кто уже работает в этой области, составить себе правильное представление по данному вопросу. Авторы не стремились рассматривать ракеты с двигателями, работающими на химическом топливе, так как по этому вопросу имеется много общедоступной литературы.
1.2. ОБЩАЯ СХЕМА РАКЕТЫ
Основное различие между обычными и атомными ракетами, рассматриваемыми в настоящей книге, заключается в способе получения энергии, необходимой для движения летательного аппарата. Обычная ракета получает энергию от сгорания или разложения топлива. В атомной ракете жидкое рабочее тело пассивно, оно нагревается за счет кинетической энергии осколков деления, образующихся в результате управляемого процесса деления в ядерном реакторе.,] Поскольку ракеты движутся, подчиняясь закону сохранения количества движения, желательно, чтобы рабочее тело выбрасывалось из атомной ракеты с возможно более высокой скоростью. Для этого необходимо, чтобы рабочее тело имело высокую, температуру и малый молекулярный вес. /В силу последнего обстоятельства атомная ракета предпочтительнее, так как рабочее тело в данном случае выбирается без учета его характеристик горения и поэтому можно использовать вещества с низким молекулярным весом, как, например, чистый водород.)
Изучая использование ядерного источника тепла в ракетном двигателе, следует рассмотреть также и применение такого двигателя в ракете. Для этой цели в книге будет использована общая схема одноступенчатой ракеты, показанная на фиг. 1.1. Не следует слишком удивляться тому, что эта схема очень похожа на схему обычной ракеты, за исключением секции, где находится атомный ракетный двигатель. Полезный груз, который несет ракета, может быть расположен в носовом отсеке перед баками с рабочим телом, для того чтобы максимально использовать рабочее тело в качестве защиты от излучения реактора и достичь наибольшей удаленности полезного груза от реактора. В состав полезного груза (см. разд. 3.1) может входить экипаж (в случае ракеты для запуска спутника с людьми), так что проблемы защиты от излучения необходимо учитывать. Баки для рабочего тела, представляющие собой тонкостенные металлические баллоны под давлением, расположены перед отсеком насосной системы подачи. Турбонасосный агрегат, реактор и система управления двигателем располагаются в хвостовом отсеке ракеты.
Для наших целей принята следующая схема действия установки в целом: рабочее тело подается в реактор центробежными насосами с турбинным приводом, как это обычно делается в ЖРД больших ракет. Жидкое рабочее тело в реакторе испаряется и нагревается до необходимой температуры, а затем выбрасывается через сверхзвуковое сопло для получения необходимой реактивной тяги, за счет которой движется ракета.
При рассмотрении обобщенной схемы ракеты необходимо учитывать требования к стартовой площадке, подготовку системы
к запуску и другие важные факторы, не влияющие непосредственно на летные характеристики летательного аппарата. Специфика систем наведения применительно к атомным ракетам здесь не рассматривается, поскольку это вопрос из другой области; предполагается, что соответствующие системы наведения могут быть разработаны. Однако некоторые частные вопросы наведения ракет, влияющие на конструкцию атомного двигателя или системы управления (например, программирование тяги), будут рассмотрены.
1.3. КРУГ ВОПРОСОВ, ОСВЕЩАЕМЫХ В КНИГЕ
Для того чтобы создать достаточно полезную книгу о такой обширной области, как атомные ракетные двигатели, необходимо исключить из рассмотрения некоторые вопросы, а также принять ориентировку на определенный уровень знаний читателя. Как уже упоминалось выше, в книге не будут рассматриваться характеристики летательных аппаратов и двигателей обычных ракет, в которых используется химическое топливо. Из рассмотрения исключены также все вопросы, связанные с конструкцией и анализом работы реакторов с низкой энергоплотностью (стационарных энергетических реакторов). Для того чтобы свести к минимуму количество элементарных сведений, предполагалось, что читатель обладает основными познаниями в физике реакторов, хорошо разбирается в гидромеханике и знаком с основными процессами теплообмена. Знакомство с особенностями работы обычных ракет будет полезно, но не является необходимым для полного понимания излагаемого материала.
Вначале излагаются основные характеристики ракеты с тем, чтобы определить параметры, которые должны характеризовать данную конструкцию собственно ракеты и двигателя. Далее выведен метод определения общей характеристики ракеты с использованием этих параметров. Применение такого метода анализа систем затем обсуждается в конкретной связи с определением тех областей значений общих характеристик, при которых использование атомных ракет представляется выгодным, и с выбором оптимальных значений различных параметров конструкции. В следующем разделе, посвященном теплообмену и течению жидкости и газа, дается обзор основ процессов переноса тепла путем конвекции и теплопроводности для теплообменников различной геометрии. Рассматриваются также вопросы, связанные с потерями давления в жидкости и стабильностью потоков. Далее рассматриваются различные материалы с точки зрения основных требований к тепловыделяющим элементам, замедлителям, конструкционным материалам, а также приводятся их физические и ядерные свойства. Кроме того, рассматриваются специальные вопросы, касающиеся температурных напряжений и деформаций, ползучести, коррозии
и эрозии. В главе, посвященной ядерной физике, сжато излагается нейтронная теория применительно к ядерным реакторам и рассматриваются случаи конкретной геометрии реакторов. Материал этой главы, так же как, впрочем, и вся книга, излагается с инженерной точки зрения. Дается анализ переходных режимов реакторов и выводятся уравнения, используемые в анализе процессов управления реакторами. Изложены проблемы нагрева под воздействием нейтронного и у-излучений, проблемы защиты от этих излучений, а также методы подхода к решению этих проблем. В разделе, посвященном управлению ядерными реакторами, излагаются вопросы запуска, стационарного режима и остановки типичных реакторов. Рассмотрены математические методы и методы моделирования, которые применяются для исследования систем управления. Далее обсуждаются некоторые проблемы испытаний атомных ракет и ракетных двигателей и дается определение соответствующих различных критериев этих испытаний. В книге также идет речь о нормальной радиации и опасности для здоровья, связанной с испытаниями реакторов, а также опасности, которая может возникнуть при аварии реактора или атомной ракеты во время испытаний. И, наконец, для того чтобы наметить перспективу в рассматриваемой области, излагаются некоторые возможности усовершенствованных систем с атомными двигателями, обладающих высокими характеристиками.
Хотя многое из изложенного в книге может показаться полетом фантазии какому-либо степенному инженеру прошлых лет, но, вероятно, уместно здесь вспомнить исполненные оптимизма слова покойного доктора Годдарда, который в 1919 г. писал: «Эти разработки, несомненно, сопряжены со многими трудностями, однако ничего невозможного в них нет».
KOHEЦ ГЛАВЫ И ФPAГMEHTA КНИГИ
|
