Silniki jądrowe – przegląd technologii (część I)

Zapraszamy na przegląd kilku najciekawszych koncepcji silników jądrowych, jakie proponowano dla różnych misji kosmicznych.

Autorem artykułu jest Wojciech Kasprzak – serdecznie dziękujemy za przesłanie!

Rakietowy napęd chemiczny

Chemiczne silniki rakietowe występują w trzech zasadniczych odmianach: na paliwo stałe, ciekłe i hybrydowe.

Przykładowym silnikiem na paliwo stałe jest rakieta pomocnicza SRB (Solid Rocket Booster), która była używana w pierwszej fazie startów promu kosmicznego. W tej chwili jej ulepszona wersja będzie pełnić podobną funkcję dla Space Launch System (SLS), nad którym pracuje NASA. Silniki na paliwo stałe mają stosunkowo słabą sprawność (impuls właściwy około 250 sekund). Ich główną zaletą jest ogromna siła ciągu, która umożliwia start ciężkich rakiet nośnych – do czasu gdy rakiety pomocnicze ulegną wypaleniu główne zbiorniki paliwa są na tyle opróżnione, że główne silniki są w stanie utrzymać odpowiednio wysokie przyśpieszenie. Zważywszy że paliwo i utleniacz są zatopione w jednej masie silniki na paliwo stałe niosą ze sobą ryzyko eksplozji podczas operacji naziemnych. Inną poważną niedogodnością jest fakt, że większości takich silników nie da się wyłączyć przed zużyciem całego paliwa, co ogranicza ich przydatność do sekwencji startowych i manewrów zejścia z orbity.

Silniki rakietowe na paliwo ciekłe napędzane najbardziej wydajną mieszanką ciekłego wodoru i tlenu mają dziś impuls właściwy bliski teoretycznemu maksimum (450 s w porównaniu do teoretycznego limitu około 500 s). Niewiele lepsze wyniki dają silnie toksyczne i niepraktyczne w przechowywaniu paliwa trzyskładnikowe (np. lit-fluor- wodór o Isp 540 s). Silniki na paliwo ciekłe charakteryzują się dobrą siłą ciągu przy dużej sprawności i możliwością wielu ponownych odpaleń, jak również opcją przetaczania paliwa na orbicie, co jest niezmiernie ważne dla bardziej złożonych misji. Ich słabym punktem jest zwykle bardzo wrażliwy i skomplikowany system pomp i przewodów, jak również potrzeba aktywnego chłodzenia komory spalania i dyszy.

Silniki hybrydowe korzystają z paliwa w stanie stałym i utleniacza (na przykład ciekłego tlenu). To rozwiązanie eliminuje kilka słabości pozostałych dwóch systemów. Hydraulika upraszcza się mniej więcej w połowie (pompowany jest tylko utleniacz). Ciąg silnika jest możliwy do regulowania, możliwe jest również kilkukrotne gaszenie / odpalenie poprzez kontrolę przepływu utleniacza. Ściany komory spalania są izolowane termiczne przez paliwo spalające się w centralnym kanale, przez który przepływa utleniacz. Nieszczęśliwy wypadek SpaceshipTwo pokazał, że silniki hybrydowe są bardzo bezpieczne nawet w ekstremalnych sytuacjach (silnik przetrwał katastrofę i nie eksplodował po upadku). Sprawność silników hybrydowych jest dość wysoka, porównywalna z mniej wydajnymi rakietami na paliwo ciekłe (impuls właściwy około 400 sekund). Niestety tankowanie silnika hybrydowego podczas trwania misji jest z oczywistych względów bardzo trudne.

Niewielkiej mocy silniki manewrowe, używane przez satelity lub podczas precyzyjnych manewrów przez statki kosmiczne są ze względu na wymaganą prostotę i niezawodność napędzane paliwem jednoskładnikowym. Zwykle jest to hydrazyna, spalana w obecności katalizatora. Tego typu paliwo jest wyjątkowo toksyczne i w tym roku NASA planuje misję demonstracyjną mającą przetestować alternatywne paliwo HAN, oferujące lepsze osiągi i bezpieczeństwo.

Dalsza poprawa wydajności statków kosmicznych napędzanych przez klasyczne silniki chemiczne leży w lżejszych materiałach konstrukcyjnych samych statków i komorach spalania silników mogących wytrzymać większe temperatury i ciśnienia. Przykładem tego typu zaawansowanych konstrukcji jest zasilany ciekłym metanem i tlenem silnik Raptor, mający napędzać Interplanetary Transport System (ITS) firmy SpaceX. Ma on osiągać impuls właściwy rzędu 380 sekund w porównaniu do normalnie oczekiwanego 360 s. Jest to wzrost sprawności rzędu 5%.

Można spokojnie powiedzieć, że napędy chemiczne są bardzo blisko swoich teoretycznych granic możliwości. Przeglądając studia wykonalności wypraw na Marsa sporządzone przez NASA i ESA przy założeniu korzystania z napędów chemicznych widać wyraźnie, że człowiek może tam dotrzeć, ale w spartańskich warunkach, na krótko i bardzo wiele ryzykując. Ładunek użyteczny jaki jesteśmy w stanie wysłać w kierunku Czerwonej Planety przy użyciu rakiet chemicznych jest po prostu za mały. Wystarczy na zatknięcie flagi i pośpieszny powrót do domu.

Interplanetary Transport System firmy SpaceX czy projekty typu Mars Direct Roberta Zubrina są tematem na osobny artykuł. Nie przezwyciężają wrodzonych słabości klasycznych rakiet, ale wykorzystują tę technologię do jej absolutnych granic przy istniejącej infrastrukturze.

Firma Deep Space Industries, jeden z pionierów górnictwa asteroid planuje zmienić ten stan rzeczy. Głównym jej celem jest eksploatacja bogatych w związki lotne (wodę i węglowodory) asteroid węglowych. To pozwoliłoby, między innymi, do produkcji paliwa rakietowego na orbicie. W takiej sytuacji silniki chemiczne byłyby wciąż użyteczne, przynajmniej w bliskiej przestrzeni okołoziemskiej. Jest to jednak wizja przyszłości.

Silnik jądrowy – zasada działania

Widok ogólny silnika jądrowego (NASA)

Klasyczny silnik rakietowy napędzany jest mieszanką paliwa (wodór lub węglowodory) i utleniacza (zwykle ciekły tlen). Energia chemiczna zawarta w mieszance wyzwalana jest podczas spalania w komorze silnika w bardzo wysokich temperaturach i gwałtownemu rozprężaniu spalin przez dyszę silnika.

Silnik jądrowy posiada oddzielne źródło energii – reaktor jądrowy. Zbiorniki zawierają tylko materiał pędny – w większości studiowanych przypadków ciekły wodór. Energia termiczna z reaktora jest przekazywana materiałowi pędnemu poprzez przepuszczenie go systemem przewodów przechodzących przez rdzeń. Przepływ materiału pędnego chłodzi reaktor. Rozgrzany do bardzo wysokich temperatur wodór jest rozprężany przez dyszę, tak jak w przypadku klasycznego silnika rakietowego.

Należy tu zwrócić uwagę, że materiał pędny nie wchodzi w bezpośredni kontakt z paliwem jądrowym, a wodór jest dość odporny na aktywację neutronową – proces przekształcania się stabilnego izotopu w izotop radioaktywny pod wpływem promieniowania neutronowego.

Zważywszy na bardzo niską masę atomową wodoru jego prędkość wylotowa jest około dwukrotnie większa od klasycznej mieszanki ciekłego wodoru i tlenu w klasycznym silniku. Daje to impuls właściwy rzędu 800 – 1000 sekund w porównaniu z 400-500 sekund dla napędów chemicznych.

Powyższe charakterystyki dotyczą najprostszego w konstrukcji silnika jądrowego, operującego w temperaturach wystarczająco niskich, by rdzeń nie uległ stopieniu. Istnieją bardziej zaawansowane koncepcje silników jądrowych, dopuszczające paliwo jądrowe w stanie ciekłym lub lotnym i oferujące dramatycznie wyższe sprawności. Możliwość ich realizacji jest uzależniona od rozwoju materiałów odpornych na znacznie wyższe temperatury i naprężenia niż dostępne obecnie. Z tego względu są one w tym artykule tylko wspomniane.

Idea napędu jądrowego jest niewiele młodsza od samej inżynierii jądrowej. Dwukrotnie wyższa wydajność silników jądrowych stawiała je w centrum zainteresowania inżynierów i planistów misji kosmicznych…

CDN.