Циклы атомных (ядерных) реактивных двигателей

Почти все типы ВРД могут работать на ядерной энергии. Нагревание рабочего тела атомного двигателя может осуществляться непосредственно в реакторе или специальных теплообменниках, в которых циркулирует теплоноситель – горячие газы или расплавленные металлы, которые отводят теплоту, выделяющуюся в реакторе.

Рис. 24.7

Двигательная установка (рис.24.7) состоит из входного конуса 1, компрессора 2, направляющего стержня 3, реактора 4, турбины 5 и реактивного сопла 6. В атомном турбореактивном двигателе в отличие от турбореактивного двигателя вместо камеры сгорания используется реактор 4. Воздух из компрессора 2 поступает в реактор 4, в котором нагревается до высокой температуры. Часть энергии нагретого воздуха отдается турбине, вращающей компрессор, а часть преобразуется в кинетическую энергию струи вытекающего воздуха, т.е. идет на образование тяги.

На рис. 24.8 приведен термодинамический цикл атомного турбореактивного двигателя:

1-2 и 2-3 – процессы сжатия воздуха в диффузоре; 3-4 – подвод теплоты в реакторе при р=соnst; 4-5 – расширение рабочего тела в турбине; 5-6 – расширение рабочего тела в сопле; 6-1 – отдача рабочим телом теплоты при р=соnst в

Рис.24.8 атмосферу. Сравнивая рис.24.2 и 24.8 видим, что цикл атомного ТРД с подводом теплоты при р=соnst аналогичен циклу ТРД. Поэтому h_t может быть определен по формуле (24.1), т.е.:

, (24.21)

где – степень повышения давления в диффузоре и компрессоре.

На рис. 24.9 приведена принципиальная схема двигательной установки с атомным ракетным двигателем. Она состоит из камеры 1 с реактором, турбонасосом агрегата 2, отсекающего клапана 3, бака 4 с рабочим телом, дренажно-предохранительного клапана 5, газового редуктора 6, электропневмоклапанов 7 и 12, баллона со сжатым газом 8, твердотопливного газогенератора 9 и выхлопного патрубка 10. Рабочее тело для привода турбины отбирается из сопла камеры сгорания по трубопроводу 11.

Рабочее тело из бака подается насосом в ядерный реактор. Реактор имеет систему регулирования, которая при запуске ЯРД приводит его в режим цепной реакции деления ядер урана-235 в активной зоне. Протекая через реактор, рабочее тело испаряется и нагревается до высокой температуры теплотой, выделяемой в активной зоне при делении ядер делящегося вещества. Процесс подвода теплоты происходит при р=const рабочего тела. Из реактора газообразное рабочее тело

Рис. 24.9 поступает в сопло с высоким давлением и температурой. В сопле рабочее тело расширяется и истекает в окружающую среду. Нетрудно видеть, что рабочий процесс ЯРД подобен рабочему процессу ЖРД на однокомпонентном топливе, только горячие газы образуются не за счет сжигания топлива, а за счет нагревания рабочего тела в каналах реактора.

Важно подчеркнуть, что в отличие от ВРД и РД, работающих на химическом топливе, в ядерных ракетных двигателях рабочее тело не является продуктом сгорания топлива. Следовательно, рабочее тело для ЯРД может быть выбрано из соображений наибольшей термодинамической целесообразности.

Из уравнения для скорости истечения идеального газа из сопла:

получаем для истечения в вакуум (давление в космическом пространстве можно считать практически равным нулю), т.е. для р₂ = 0 [Для случая адиабатного истечения в вакуум (р₂ = 0) из уравнения следует, что Т₂ = 0 К, т.е. газы на выходе из сопла имеют температуру абсолютного нуля. Это означает, что вся энтальпия газа полностью превращается в кинетическую энергию потока газа.].

или, что то же самое

Так как mR является величиной постоянной, то из этого соотношения следует, что наибольшие скорости истечения обеспечиваются в случае использования газов с малой относительной молекулярно массой m. (Поэтому самый выгодный водород).