Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 22 – vyšlo 17. června, ročník 14 (2016) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

22/2016

Jaderné raketové motory

Rudolf Mentzl

S pomocí dnešních mapových serverů dokážeme dosáhnout na fotografie, které by v historicky nedávné době asi byly označeny za přísně tajné a jejich držitel by byl označen za špiona. Pojďme na takovou menší špionážní výpravu a otevřeme například Google Maps nad Kennedyho vesmírným střediskemKSC – Kennedy Space Center, Kennedyho vesmírné středisko. Americká raketová základna, která byla vybudována na východním pobřeží Floridy na mysu Canaveral (poloostrov Merritt Island). Středisko patří americké NASA a letěla z něho do vesmíru většina amerických družic, sond a pilotovaných letů. Středisko má 17 000 zaměstnanců a zabírá plochu přes 500 km². na floridském poloostrově Merritt Island se slavným mysem Cape Canaveral.

Odpalovací rampy 39A, 39B a 41 na Kennedyho vesmírném středisku. Z velkých ramp 39 startovaly lodě Saturn V k Měsíci a v pozdější době raketoplány. Z menší rampy 41 startovaly lodě Titan 3, 4 a Atlas V. Nalevo je patrná přistávací dráha pro raketoplány (Shuttle Runway, SR). V dolní části je patrná montážní hala VAB. Zdroj: Google Maps, červen 2016. Střed mapy má souřadnice 28.610411, –80.659657.

KSC – Kennedy Space Center, Kennedyho vesmírné středisko. Americká raketová základna, která byla vybudována na východním pobřeží Floridy na mysu Canaveral (poloostrov Merritt Island). Středisko patří americké NASA a letěla z něho do vesmíru většina amerických družic, sond a pilotovaných letů. Středisko má 17 000 zaměstnanců a zabírá plochu přes 500 km2. VAB – Vehicle Assembly Building, dříve Vertical Assembly Building. Raketová montážní hala v Kennedyho vesmírném středisku na Floridě. Postavena byla roku 1966. Se svým půdorysem 158×218 m a výškou 160 m patří mezi největší budovy na Floridě. Vnitřní objem 3,5 milionů m3 je dostatečný k vytvoření vlastního počasí. Za vlhkých dní vznikají u stropu oblaka, ze kterých prší. JRM – jaderný raketový motor. Motor pracující na reaktivním principu. Pracovní médium (většinou vodík) je ohříváno jaderným štěpením probíhajícím v tyčích z karbidu uranu 235U. NERVA – Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application - americký jaderný raketový motor vyvíjený mezi roky 1964-1972. Specifický impulz – poměr tahu raketového motoru k množství spotřebovaného paliva za jednotku času. Tato veličina udává, jaký tah dokáže motor vyvinout po dobu jedné sekundy při spotřebování jednoho kilogramu paliva. Vyjadřuje efektivitu raketových a proudových motorů. Rozměr specifického impulzu je N·s/kg. Tah motoru se udává buď v newtonech, nebo ve starších jednotkách – kilopondech. Raketové motory mají menší specifický impulz než motory proudové, protože se do pracovní látky započítává i hmotnost okysličovadla, které vozí s sebou. Ve starší a anglosaské literatuře se specifický impulz vztahuje na normální tíhové zrychlení (jeho hodnota je vydělena g) a jeho jednotkou je sekunda.

Při zevrubném prozkoumání obrázku padne do oka podezřelá odbočka z Crawlerway směřující k rampě 39B. Nikam nevede, po několika metrech končí v poli. Uvážíme-li, kolik stojí každý metr silnice, po které se přepravují několika set tunové náklady, vypadá taková nesmyslná křižovatka jako neuvěřitelné plýtvání.

Detail odbočky na Crawlerway k původně plánované obří rampě 39C. Tato rampa nebyla nakonec postavena ani v plánovaném místě, ani v plánované velikosti. V červenci 2015 byla dokončena stavba menší rampy, která zdědila název 39C a bude od konce roku 2016 nebo počátku roku 2017 sloužit k menším letům do vesmíru. Nachází se v blízkosti pobřeží, severovýchodně od rampy 39B. Zdroj: GoogleMaps, červen 2016.

Záhad je tu více, sama montážní hala, známá Vehicle Assembly BuildingVAB – Vehicle Assembly Building, dříve Vertical Assembly Building. Raketová montážní hala v Kennedyho vesmírném středisku na Floridě. Postavena byla roku 1966. Se svým půdorysem 158×218 m a výškou 160 m patří mezi největší budovy na Floridě. Vnitřní objem 3,5 milionů m³ je dostatečný k vytvoření vlastního počasí. Za vlhkých dní vznikají u stropu oblaka, ze kterých prší. je asi o padesát metrů vyšší než raketa Saturn VSaturn V – největší nosná raketa dosud vyrobená člověkem. Raketa Saturn V byla použita v programu Apollo a bezpečně dopravila člověka na Měsíc. Později vynesla upravená verze kosmickou stanici Skylab na oběžnou dráhu Země. Jedná se o třístupňovou raketu. První stupeň (5 motorů F-1 společnosti Rocketdyne) využíval jako palivo kerosin a kapalný kyslík, hořel 150 sekund a celkový tah měl 34 MN. Druhý stupeň (5 motorů J2) měl jako palivo kapalný vodík a kyslík, hořel 360 sekund a tah měl 5 MN. Třetí stupeň měl jediný motor J2 s tahem 1 MN a zapaloval se dvakrát, poprvé na 165 sekund a podruhé na 335 sekund. Celková výška rakety byla 111 metrů, průměr měla 10 metrů, hmotnost 3 000 tun. Při 13 startech rakety nedošlo nikdy k žádné havárii. Poslední start proběhl v roce 1973.. Zadní strana budovy vyznívá poněkud nedodělaně. Jako by tu architekt počítal s možností rozšíření. To vše jsou doklady ambicí, které měla NASANASA – National Aeronautics and Space Administration, americký Národní úřad pro letectví a kosmonautiku, byl založen prezidentem Eisenhowerem 29. července 1958. Jde o instituci zodpovědnou za kosmický program USA a dlouhodobý civilní i vojenský výzkum vesmíru. K nejznámějším projektům patří mise Apollo, která v roce 1969 vyvrcholila přistáním člověka na Měsíci, mise Pioneer, Voyager, Mars Global Surveyor a dlouhá řada dalších. na počátku budování kosmodromu. Po vztyčení americké vlajky na Měsíci upustila od myšlenky osmi výrobních hal, ve kterých by se současně sestavovaly rakety převyšující Saturn V a usoudila, že dvě odpalovací rampy 39A a 39B budou stačit. Nejdéle se držela myšlenky na nový raketový motor, který by výšku rakety prodloužil o dvacet metrů a zvětšil její nosnost o 50 %.

Řeč je o jaderném raketovém motoruJRM – jaderný raketový motor. Motor pracující na reaktivním principu. Pracovní médium (většinou vodík) je ohříváno jaderným štěpením probíhajícím v tyčích z karbidu uranu ²³⁵U.. Raketový motor na jaderné palivo zní jako proprieta z fantastických románů padesátých let. Nikoho asi neudiví, že se v tomto období raketoví konstruktéři myšlenkami na jaderný pohon zabývali. Překvapující ovšem je, že nezůstalo jen u přemýšlení. Takové motory byly nejen vyvíjeny, ale i dotaženy do funkčního stavu a odzkoušeny. Je paradoxní, že motor na jaderné palivo je v principu jednodušší než klasický chemický motor. Když nic jiného, není tu třeba nádrž na okysličovadlo a s ní spojené choulostivé příslušenství.

Základní princip jaderného raketového motoru je jednoduchý. Pracovní plyn je ohříván reaktorem rozžhaveným jaderným štěpením. Dobový nákres motoru NERVA. Zdroj: Monthly Bollinger, 8. srpna 1963.

Od roku 1955 NASANASA – National Aeronautics and Space Administration, americký Národní úřad pro letectví a kosmonautiku, byl založen prezidentem Eisenhowerem 29. července 1958. Jde o instituci zodpovědnou za kosmický program USA a dlouhodobý civilní i vojenský výzkum vesmíru. K nejznámějším projektům patří mise Apollo, která v roce 1969 vyvrcholila přistáním člověka na Měsíci, mise Pioneer, Voyager, Mars Global Surveyor a dlouhá řada dalších. začala financovat projekt vývoje jaderného raketového motoru. Popudem k tomuto kroku se stala rok stará studie Roberta Bussarda. Podle ní měla být hnána pracovní látka (vodík) kolem kompaktního grafitového reaktoru, tam by se zahřála na vysokou teplotu a unikala by velkou rychlostí tryskou ven.

Během pouhých čtyř let byl zkonstruován první funkční prototyp – raketový motor Kiwi A. Ačkoli byl výzkum teprve na počátku, dosažené parametry vypadaly slibně. Při výkonu 70 MW dokázal motor běžet pět minut, aniž by některá komponenta selhala. Jako pracovní látka byl použit vodík v plynném stavu, jaderné palivo tvořil karbid uranu ²³⁵U. Tato koncepce reaktoru se ukázala velice šťastná. Karbid uranu má mnohem vyšší teplotu tání, než čistý uranUran (prvek) – radioaktivní chemický prvek, kov, patří mezi aktinoidy. Prvek objevil v roce 1789 Martin Heinrich Klaproth, v čisté formě byl uran izolován roku 1841 Eugene-Melchior Peligotem. Izotop 235 se využívá jako palivo v jaderných elektrárnách. Je pojmenován po planetě Uran.. UhlíkUhlík – Carboneum, chemický prvek, tvořící základní stavební kámen všech organismů. Sloučeniny uhlíku jsou jedním ze základů světové energetiky, kde především fosilní paliva jako zemní plyn a uhlí slouží jako energetický zdroj pro výrobu elektřiny a vytápění, produkty zpracování ropy jsou nezbytné pro pohon spalovacích motorů a silniční dopravu. Výrobky chemického průmyslu na bázi uhlíku jsou součástí našeho každodenního života ať jde o plastické hmoty, umělá vlákna, nátěrové hmoty, léčiva a mnoho dalších. navíc fungoval jako moderátor.

Slibné výsledky zkoušek a probíhající závody o dobytí MěsíceMěsíc – přirozený satelit Země, rotuje tzv. vázanou rotací (doba oběhu a rotace je shodná). Díky tomu stále vidíme přibližně jen přivrácenou polokouli Měsíce. Měsíc je prvním cizím tělesem, na kterém stanul člověk (Neil Armstrong, 1969, Apollo 11). Voda na Měsíci byla objevena v stinných částech kráterů a pod povrchem (Lunar Prospektor, 1998). Povrch Měsíce je pokryt regolitem (drobná drť s vysokým obsahem skla). Malé pevné jádro je obklopené plastickou vrstvou (v hloubce 1 000 km pod povrchem). Velké množství kráterů má rozměry od milimetrů po stovky kilometrů. Několik z nich je pojmenováno i po českých osobnostech (například kráter Anděl). zajistily finanční ventil naplno otevřený, a tak není divu, že zanedlouho přišel na svět jaderný motor Kiwi B. Výkon 1,1 GW, vysoká výtoková rychlost a nový druh pracovního média (kapalný vodík) však přinesly kvalitativně nové problémy, především nezvládnutelné vibrace, během kterých popraskaly palivové články. Odstranění nedostatků trvalo dva roky. Rok 1964 byl ve znamení zkoušek, v nichž motor obstál na výbornou. Výtoková rychlost 7,3 km/s, oproti 4 km/s u klasických chemických motorů, posunula stroj do úplně nové kategorie. Pracoval nepřetržitě osm minut, v jiných zkouškách zvládl i opakovaný start během jediného pokusu.

Motor Phoebus byl předstupněm motoru NERVA. Zde připevněn na pojízdné
konstrukci k testování činnosti v různých polohách. Zdroj: Wordpress.

Úspěšným vývojem motorů řady Kiwi skončilo období pokusů. Roku 1965 přistupuje NASA k vývoji prototypu funkčního motoru. V průběhu následujících let dostávají motory NERVANERVA – Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application - americký jaderný raketový motor vyvíjený mezi roky 1964-1972. zřetelné obrysy. Jednotlivé součásti jsou integrovány do jediného celku, výkon motoru je využit k pohonu turbočerpadla a motor je připevněn na pohyblivé plošině k simulaci různých letových režimů. Doby kontinuálního běhu se při zkouškách posunují na desítky minut až hodiny, výkon se počítá v jednotkách GW (jaderná elektrárna Temelín disponuje výkonem 2 GW), výtoková rychlost téměř 8 km/s je dvakrát vyšší než u klasických raket, pracovní teplota 2 200 °C, tah 250 kN. Z tohoto motoru měl být výhledově odvozen motor o výkonu 5 GW a tahu 900 kN. Po dobytí Měsíce však NASA ztratila zájem o pilotované lety na Mars, s tím vyschl i finanční zdroj potřebný k dokončení projektu jaderných raketových motorů.

Na druhé straně železné opony se situace vyvíjela až dojemně podobně. Stejné cíle, stejné motivy a podobné konstruktérské zázemí daly vzniknout podobným technickým řešením i podobným problémům v zákulisí. Jako jaderné palivo byly použity tyče o délce 1,5 m z karbidu uranu vložené do keramických pouzder. Pracovní médium byl opět vodík, ale tentokrát obohacený hexanem. Výkon necelých 200 MW, tah 35 kN. Motor zvládl i deset startů po sobě. Ruský projekt nakonec skončil podobně jako ten americký. Po skončení závodů o Měsíc byl zrušen.

Jaderné raketové motory byly ve své době zajímavou alternativou ke klasickým chemickým motorům. Jejich obrovské výkony však byly více než vyváženy vysokou hmotností. Na druhou stranu disponovaly velkým specifickým impulzemSpecifický impulz – poměr tahu raketového motoru k množství spotřebovaného paliva za jednotku času. Tato veličina udává, jaký tah dokáže motor vyvinout po dobu jedné sekundy při spotřebování jednoho kilogramu paliva. Vyjadřuje efektivitu raketových a proudových motorů. Rozměr specifického impulzu je N·s/kg. Tah motoru se udává buď v newtonech, nebo ve starších jednotkách – kilopondech. Raketové motory mají menší specifický impulz než motory proudové, protože se do pracovní látky započítává i hmotnost okysličovadla, které vozí s sebou. Ve starší a anglosaské literatuře se specifický impulz vztahuje na normální tíhové zrychlení (jeho hodnota je vydělena g) a jeho jednotkou je sekunda., což bylo ovšem dosaženo použitím lehkého pracovního média.

Nakonec je tu ještě otázka bezpečnosti, jmenovitě kontaminace okolí radioaktivním materiálem. Pokud vše funguje, jak má, nebezpečí prakticky nehrozí. Pracovní médium se sice dostává do blízkosti radioaktivního materiálu, ale protože se jedná o vodík, který z principu nemůže být radioaktivní, nemusíme mít ze záření obavy. Problém nastane, když dojde k selhání. V souvislosti s tímto nebezpečím zmiňme pokus, který nasimulovali technici při zkouškách motoru Kiwi. Vyzkoušeli, jak se bude chovat motor s neřízenou jadernou reakcí. Dopadl dle očekávání, vypařením radioaktivního materiálu, následnou explozí a kontaminací okolí. Raketa může havarovat i z jiných příčin. Příležitostí k úniku radioaktivního materiálu by se zajisté našlo mnoho.

Dnes už asi nikdo reálně nepočítá s nasazením jaderných motorů při startech ze Země. Myšlenka sestavení pohonné jednotky na oběžné dráze a použití motoru v otevřeném vesmíru však občas probleskne v souvislosti s hledáním cest na MarsMars – rudá planeta se dvěma malými měsíci, Phobosem a Deimosem, je v pořadí čtvrtým tělesem sluneční soustavy. Povrch planety je pokryt načervenalým pískem a prachem. Barva je způsobena vysokým obsahem železa. Načervenalá barva celé planety jí dala jméno (Mars je bůh válek). Na povrchu se nacházejí obrovské sopky, z nichž ta největší, Olympus Mons, je 24 km vysoká a její základna je 550 km široká. Na vrcholu je kráter o průměru 72 km. Pro Mars jsou charakteristické systémy kaňonů vzniklé pohybem kůry. Snímky ze sond ukazují místa, kudy dříve tekla voda. Zdá se, že Mars byl dříve vlhčí a teplejší, než je dnes. Rozpětí teplot, které na Marsu panují (zima ne větší než v Antarktidě) by bylo snesitelné pro některé primitivní formy života žijící na Zemi. Jejich existence se však dosud nepotvrdila..

A takhle si v roce 1968 představovali nasazení jaderných raketových motorů.
Zdroj: YouTube. (mp4/h264, 60 MB)

Odkazy