Самарский портал "Технологии, компьютеры"

Глупый пингвин робко прячет, умный смело достаёт.

Николай Фоменко

На написание этого материала меня сподвигли, сами не зная того, многие люди. В первую очередь это мой институтский преподаватель Абрам Маркович Циприн, который внушал нам мысль о том, что настоящий инженер должен чувствовать конструкцию, понимать её, на глаз определять порядок величин, и только потом приступать к расчётам. Это не потеряло смысла и в нынешнюю цифровую эпоху, что я и попытаюсь доказать.

А непосредственным поводом – очередная волна сообщений в СМИ относительно ракеты «Буревестник» с ядерной силовой установкой и неограниченной дальностью полёта. Несколько лет назад я уже касался этой темы, но тогда у меня была надежда, что шум вокруг ней утихнет так же, как утих в отношении «гравицапы», поэтому я не стал заострять на ней внимание. Кстати, между ядерной силовой установкой летательного аппарата и «гравицапой» есть много общего – в обоих случаях речь идёт не только о двигателе, но и о движителе.

Думаю, последнее нуждается в пояснении. Во времена моей юности модны были анекдоты про остроумное армянское радио, и один из них звучал так.

 - Правда ли, что в Америке научились делать детей при помощи пара и электричества?

- Правда, - отвечает армянское радио, - берётся пара, выключается электричество, а дальше всё по-старому.

Удивительным образом этот анекдот имеет отношение к обсуждаемой теме. Ибо ядерные энергетические установки на транспортных средствах действительно существуют, но какую роль они там играют? Ровно такую же, как в традиционных пароходах и паровозах играла топка, в которой сжигался уголь или мазут – просто кипятят воду, «а дальше всё по-старому», пар вращает турбину, механическая энергия с которой (через преобразование в электрическую и обратно в механическую, но это не принципиально) передаётся на винт, который является движителем. Разумеется, у паровоза и парохода это не турбина, а поршни, но и это не принципиально, главное – превращение тепловой энергии в механическую через фазовый переход (жидкой) воды в пар.

И как знать, если бы ядерная реакция не сопровождалась жутко вредной радиацией и могла бы быть реализована при достаточно малых объёмах вещества, а само ядерное топливо было бы столь же дёшево как углеводороды, не пошло бы развитие технологий совсем по иному пути? Ведь зачем тогда было бы городить контактные сети железных дорог, если бы паровоз мог на щепотке ядерного топлива пересечь всю нашу огромную страну? Да и автомобиль на паровой тяге неплохо бы смотрелся – даже лучше, чем у Винтика со Шпунтиком, потому что не требовал бы ни сиропа, ни газирования воды.

Теперь рассмотрим принцип действия реактивных двигателей.

Начнём с «обычного» реактивного двигателя, или ракеты в целом. Ракета отбрасывает часть своей массы в одну сторону, благодаря чему летит в противоположную, причём эффективность ракетного двигателя напрямую зависит от той скорости, с которой удаётся отбрасывать часть массы, которой на практике являются продукты сгорания топлива.

Часто такие двигатели называют химическими, ибо эта самая часть массы в них разгоняется за счёт химической реакции горения: компоненты топлива воспламеняются, многократно увеличивают свой объём, и с большой скоростью выбрасываются из сопла. Эти двигатели бывают на твёрдом и на жидком топливе: твёрдое сгорает в корпусе, жидкое закачивается в камеру сгорания насосами. Твердотопливные (РДТТ) проще по конструкции, жидкостные (ЖРД) имеют то преимущество, что высокое давление создаётся только в камере сгорания и сопле. Это обусловило их более высокую эффективность: не требуется изготавливать прочный и тяжёлый корпус ракеты, а в камере сгорания можно обеспечить большее давление, а значит и скорость истечения газов.

В ЖРД используются два остроумных и неочевидных технических решения.

Первое – это расширяющееся сопло, изобретённое в конце XIX века для паровых турбин шведским изобретателем Густафом де Лавалем. Все знают, что для создания струи воздуха большой скорости, например, чтобы задуть свечки на торте, надо сложить губы трубочкой, уменьшив сечение «сопла», а не открывать широко рот. Однако это правило действует только для дозвуковых скоростей, а вот чтобы достичь сверхзвуковой струи, нужно наоборот, расширить сопло. Как это пришло в голову герру Лавалю, меня не перестаёт поражать до сих пор, но без этого изобретения космонавтика была бы совсем другой, если бы вообще состоялась.

Второе – материал для внутренней поверхности сопла и камеры сгорания. Это не что-то жаропрочное, а медный сплав. Дело в том, что сопло и камера сгорания имеют рубашку охлаждения, которую проходит горючее перед тем, как попасть в форсунки, и только теплопроводная медь может обеспечить необходимое охлаждение внутренних стенок. Все известные нам жаропрочные сплавы имеют низкую теплопроводность, а значит внутренние стенки, изготовленные из них, попросту прогорят. Запомните этот факт – он понадобится нам для дальнейших рассуждений.

Главное же здесь то, что чем бы мы не нагревали рабочее тело двигателя, нам всё равно придётся с ним расстаться после истечения его из сопла, а значит никакой способ нагрева не обеспечит нам его экономию. Выходит, что использование «ядерной горелки» вместо «обычной» в ракетном двигателе так же бессмысленно, как пятое колесо в телеге, а всё потому что ракетный двигатель – это энергетическая установка и движитель «в одном флаконе», как говорилось в рекламе, присутствовавшей в РФ до 2022 года.

Однако существует такое странный термин как крылатая ракета, которая на самом деле является самолётом, точнее, самолётом-снарядом. Думаю, название крылатая ракета ей дали не инженеры, а военные, и инженерам пришлось с этим смириться. Крылатая ракета получила своё название в силу того, что предусмотрено исключительно «одноразовое» её использование – никто же тогда не предполагал, что ракеты могут быть многоразовыми. Но и здесь мы попадаем в сплошные ловушки. Хотя бы потому, что первые одноразовые самолёты пилотировались людьми, которых называли камикадзе. Правда, пальму первенства здесь оспаривает союзник Японии – Германия, где технологии были более развиты, и потому их самолёт-снаряд V-1 не требовал пилота-смертника.

Все мои попытки сформулировать определение крылатой ракеты не увенчались успехом. Википедия же говорит, что Калибр – это ракета, а Герань-2, в девичестве называемая Shahed 136 – дрон-камикадзе. Интересно, что во Львове их называют роверами, и этимология этого слова заслуживает отдельного материала.

Чтобы обрести хоть какую-то почву под ногами, давайте условимся, что крылатая ракета имеет воздушно-реактивный двигатель (ВРД), рабочим телом которого является смесь атмосферного воздуха и продуктов сгорания топлива. Известны три типа таких двигателей: пульсирующий, прямоточный и турбореактивный (газотурбинный).

Пульсирующий работает почти как цилиндр двигателя внутреннего сгорания: спереди открывается клапан, через него в камеру сгорания поступает воздух и впрыскивается топливо, затем клапан закрывается, топливо воспламеняется, и горячие газы выбрасываются через сопло. Именно такой тип двигателя использовался в уже упомянутом самолёте–снаряде V-1, желающие могут пройти по ссылке и изучить подробности.

Прямоточный двигатель представляет собой трубу специальной формы, не имеющую подвижных частей. Набегающий воздушный поток сжимается в камере сгорания, и, нагретый, выбрасывается через сопло. Работать этот двигатель может только после того, как самолёт достигнет приличных скоростей, а значит ему нужен ещё один двигатель для разгона до этих скоростей. При всей кажущейся простоте конструкции (отсутствие подвижных частей – огромный плюс), этот тип двигателя тоже, что называется, «не взлетел», поскольку недостатки сильно перевесили достоинства.

Наконец, самый (фактически единственный) эксплуатируемый тип ВРД, это газотурбинный, в котором воздух сжимается компрессором 2, который приводит в действие сидящая с ним на одном валу турбина 4, а энергию обеспечивает сгорающий в камере 3 керосин.

Поскольку во всех трёх типах ВРД тяга обеспечивается нагреванием воздуха в камере сгорания, я предлагаю не гадать, какой именно тип двигателя установлен на анонсированной в РФ крылатой ракете с ядерной энергетической установкой, а сосредоточиться на одном вопросе: как вырабатываемое в реакторе тепло передать проходящему через двигатель воздуху. Однако для начала хочу отметить то, что публикуется в российских СМИ, видимо, имеющих доступ к информации.

***

Сообщение Известий от 1 марта 2018 года

Заголовок: Путин показал на видео запуск крылатой ракеты с ядерным двигателем

***

Фотографии из репортажа РИА Новости 19.07.2018: Испытания крылатой ракеты с ядерным двигателем «Буревестник»

Сообщение ТАСС от 16 февраля 2019

Заголовок: Источник: испытания ядерной энергоустановки ракеты "Буревестник" успешно завершены.

В тексте статьи: "В январе на одном из полигонов успешно завершен важнейший этап испытаний крылатой дозвуковой ракеты комплекса "Буревестник" - испытания ядерной энергетической установки", - сказал собеседник агентства.

По его словам, на испытаниях "подтверждены заявленные характеристики реактора, обеспечивающие неограниченную дальность полета ракеты".

ТАСС не располагает официальным подтверждением предоставленной источником информации.

***

Информационный портал Machinfo. Дата не указана, но, судя по HTML-коду, это ноябрь 2023 года.

Технические характеристики ракеты держат в тайне, что неудивительно

Как работает двигатель новейшей ракеты. Ядерный двигатель ракеты использует ядерное топливо. Расщепление атомов высвобождает огромное количество тепла. Этот процесс намного эффективнее горения традиционного ракетного топлива. Высвободившееся тепло нагревает рабочую среду (обычно газ) до экстремально высоких температур. Под давлением этот газ выбрасывается через сопло ракеты, создавая тягу и двигая ракету вперед.

***

РИА Новости от 13 августа 2025 года

Заголовок: В Китае заявили, что "Буревестник" может изменить расклад сил

В тексте статьи: Как заявил эксперт китайской государственной газете Global Times, комментируя появившиеся в западных СМИ сообщения о возможных скорых новых испытаниях "Буревестника", российская разработка является "уникальным оружием".

***

И, как вишенка на торте.

AmalNews — информационно-аналитический ресурс, посвящённый вопросам вооружения, военной стратегии и глобальной безопасности. Проект публикует актуальные материалы по вооружённым силам, военным технологиям и международным конфликтам, предоставляя профессиональный взгляд на ключевые аспекты общей мировой и региональной военной обстановки.

Мы предлагаем читателям объективную, глубоко проработанную информацию о современной армии, военной технике, а также анализ событий, влияющих на баланс сил в мире.

Ракета “Буревестник” с ядерным двигателем будет испытана в районе Новой Земли, опубликовано:09.08.2025

***

На этой картинке прекрасно всё. И прямоточная турбина (внимательные читатели, надеюсь, запомнили, что у прямоточного двигателя нет подвижных частей, в том числе и вращающейся турбины), и мощность воздушно-реактивного двигателя. Последнее следует пояснить особо. У «обычных» двигателей имеется вал, который разными способами передаёт мощность на движитель: автомобильные или железнодорожные колёса, гребной винт судна, воздушный винт самолёта и т.д. Мощность на валу двигателя определяется как произведение момента на угловую скорость. Реактивные же двигатели одновременно являются движителями, они сообщают движение устройству непосредственно, своей силой тяги, поэтому и характеристикой реактивного двигателя является не мощность, а тяга. Вспомните как взлетает самолёт: сначала его двигатели выводятся на взлётный режим, обеспечивающий максимальную тягу (напрягся лайнер, слышен визг турбин)… Сила есть – скорость ноль, получается и мощность ноль, что нелогично. Поэтому и нет у реактивных двигателей такой характеристики, как мощность.

Подборку сообщений российских СМИ я сделал только для того, чтобы показать фактическое отсутствие информации, а в некоторых случаях и дезинформацию (умышленную или нет – другой вопрос).

Так что давайте думать самостоятельно, заранее обещаю принимать замечания с благодарностью. Повторяю, вопрос: как вырабатываемое в реакторе тепло передать проходящему через двигатель воздуху.

Первая проблема здесь температура. У всех современных реактивных двигателей любых типов температура газа на выходе из камеры сгорания выше температуры плавления материалов деталей, которые за камерой сгорания находятся. Как такое возможно в жидкостных ракетных двигателях я рассказал ранее. В газотурбинных двигателях лопатки первых ступеней турбин имеют полости, в которые нагнетается воздух от последних ступеней компрессора и перфорацию, через который этот воздух выходит, создавая защитную плёнку.

О том, почему нам так важны высокая температура на выходе из камеры сгорания или того, чем пытаются её заменить, нам говорит формула, определяющая КПД идеального теплового двигателя, работающего по циклу Карно,

где T₁ – температура нагревателя, а T₂ – температура холодильника. Из неё следует, что чем ниже температура нагревателя, тем менее эффективно используется его тепло. Это означает, что двигатель с подводом тепла из внешнего источника через теплообменник будет заведомо менее эффективным (ибо про КПД двигателя-движителя говорить сложно), чем «двигатель внутреннего сгорания», то есть такой, тепло у которого вырабатывается непосредственно в проходящем через него потоке.

Не забудем и про закон Фурье, согласно которому вектор плотности теплового потока q будет пропорционален коэффициенту теплопроводности и градиенту температуры.

Если кого-то смущает умное слово «градиент», то на практике тепловой поток через стенку радиатора будет пропорционален перепаду температуры на его внутренней и внешней стенке. Это означает, что если мы настроены передавать большое количество тепла, то нам надо заранее смириться с тем, что внешняя стенка радиатора, обтекаемая воздухом, будет намного холоднее внутренней, к которой подводится теплоноситель от реактора.

Следующий вопрос, это материал радиатора теплообменника. Очевидно, что он должен обладать хорошей теплопроводностью. Если кому-то ближе электропроводность, то ему на помощь придёт закон Видемана-Франца, устанавливающий связь коэффициента теплопроводности ϰ с удельной электрической проводимостью σ.

где k — постоянная Больцмана,

e — заряд электрона,

T — абсолютная температура.

Кстати, надо напомнить, что и в формуле определения КПД температура тоже абсолютная, в градусах Кельвина.

Тот, кто не хочет вникать в смысл этой формулы, может поверить мне на слово: чем больше электропроводность материала, тем больше его теплоёмкость. Это значит, что отпадает не только керамика и разного рода «победиты» (карбиды вольфрама), но и жаропрочные сплавы, используемые в лопатках турбин. А остаётся только медь (не алюминий же), которая высоких температур не переносит вообще.

Наконец, последнее: перенос тепла с поверхности радиатора в поток воздуха.

Для начала хотелось бы обратиться к изобретению моих земляков Яна Зега и Яна Лукасевича. Керосиновая лампа не так проста, как кажется. Разумеется, Википедия не ошибается, когда пишет, что она работает на основе сгорания керосина, но дело в том, что спичка, опущенная в керосин, гаснет. В керосиновой лампе горит не жидкий керосин, а его пары. Керосин поднимается из резервуара по фитилю за счёт капиллярного эффекта, нагревается от пламени, испаряется, пары керосина смешиваются с воздухом и уже эта смесь возгорается. Важно то, что горение происходит не на поверхности раздела керосин-воздух, а по всему объёму. Стекло керосиновой лампе нужно не для красоты, а для организации потока воздуха, обеспечивающего процесс горения. Обратите внимание: стёкла всех керосиновых ламп, как и сопла всех ракетных двигателей, имеют одинаковую форму, обеспечивающие оптимизацию процесса.

Конечно, в воздушно-реактивных двигателях условия намного суровее, в них поток воздуха несётся с бешеной скоростью, и фитилём тут не обойдёшься. Однако задача от этого не меняется: форсунки распыляют керосин, превращая его в туман, который испаряется и сгорает, выделяя тепло одновременно по всему объёму.

Можем ли мы обеспечить нечто подобное радиатором? В принципе нет, ни один радиатор такого не умеет. Это как сравнивать разогревание куска мяса в микроволновке и на сковородке.

Итого. При разработке ВРД с ядерной энергетической установкой инженерам нужно решить минимум три задачи: создать материалы с большей теплостойкостью, чем все известные, сделать их сверхпроводимыми при высоких температурах, и наконец, обеспечить теплопередачу радиатора сравнимую с нагреванием газа по всему объёму. На мой инженерный разум решение первых двух задач хотя бы не нарушает основных законов природы, однако, если бы они были решены, то эти решения наверняка бы использовались в уже существующих конструкциях тепловых двигателей. Третью же задачу я считаю неразрешимой в принципе.

Любое изобретение — это новая комбинация известных законов природы и технических решений. Иногда в ходе разработки инженер сам делает научные открытия, иногда открытия сами просятся для того, чтобы их использовали на благо человечества в новых технических решениях, но чего точно не получится сделать ни одному инженеру – это нарушить законы природы или открыть некие секретные законы, таковых не бывает.

Перед тем, как публиковать этот материал, я решил рассказать о нём молодым людям, интересующимся этой тематикой. Реакция была однозначной: тут считать надо. Я понимаю, что мы считали на логарифмической линейке, а в их распоряжении совсем другие средства вычисления, и они привыкли не столько думать, сколько считать, да и не попался им такой преподаватель как Абрам Маркович Циприн, возможно, он вообще один такой был. Поэтому для тех, кто захочет сделать расчёты, я составил задачу. Кстати, её могут использовать и преподаватели дисциплин, связанных с теплотехникой – неплохая курсовая может получиться.

Разумеется, придётся делать серьёзные допущения. В интернете есть материалы, описывающие процессы теплообмена радиаторов отопления с учётом реальной тепловой картины.

Для того, чтобы произвести подобные подробные расчёты, придётся для начала спроектировать конкретный теплообменник – задача коллектива профессионалов на несколько месяцев, если не лет работы.

Поэтому поступим проще, не выходя за пределы теории, описанной в Википедии. Будем считать градиент постоянным по всей стенке теплообменника.

Постановка выглядит так.

Имеется некий одномоторный самолёт (крылатая ракета) с ВРД и известными характеристиками: запасом топлива, скоростью и дальностью полёта. Зная скорость и дальность, мы легко находим время, за которое он израсходует свой запас топлива, вычислив время полёта, найдём расход топлива (количество в единицу времени). Если был известен расход, значит этот шаг пропускаем.

Зная расход и теплотворную способность топлива, получаем тепловую мощность, выделяемую топливом при его сгорании. Да, там должны получиться ватты.

А теперь пробуем найти условия, при которых ту же самую тепловую мощность можно будет передать от реактора проходящему через двигатель воздуху, и при этом нагреть воздух до приемлемой температуры. «Приемлемость» - это вопрос экспертной оценки. Википедия говорит, что у двигателя ПД-14 температура газа перед турбиной (на выходе из камеры сгорания) составляет 1725°С – столько мы точно не сможем получить, значит надо договориться о каком-то нижнем пределе, при котором строительство двигателя хотя бы не потеряет смысла. Напоминаю, что снижение температуры нагревателя снижает и КПД двигателя, значит это снижение нам придётся компенсировать увеличением теплового потока.

Надо будет выбрать материал теплообменника (радиатора), толщину стенок, и с учётом всех этих вводных вычислить его площадь соприкосновения с воздухом. Если эта площадь окажется адекватной размерам двигателя, значит можно думать дальше, а если нет, значит нас учили правильно.

Корректно проведённые расчёты обещаю опубликовать и передать в alma mater.