Вестник бури

Привет. 

Статья написана специально для SL. Пока все немного отдыхают от наплыва новостей и рынка, предлагаю окунуться во что-то иное и разобраться в интересной теме.

Disclaimer
Я не являюсь специалистом в вооружении или строителстве двигателей. 
Это бытовое описание сложных вещей, которые произошли в недавнем прошлом, сильно меняют обстановку и паритет, и в которых я хотел очень разобраться, разбор так далеко зашел, что вылелся в статью.
Разговор больше о двигателях.
Кратко отмечу, что такие разработки велись уже давно(с 50-х годов прошлого века), их я сегодня специально опускаю, а то статья станет сильно большой.
Long read

Приятного чтения.

Буревестник, вид птиц

Я хотел с вами обсудить не Орнитологию, а российский сумрачный гений, который продолжает меня поражать своей глубинной широтой Инженерной мысли находясь в таких обстоятельствах, в которых оказалась наша старана, а также преодоления старых болячек, за счет прорыров(для нашей страны) в материаловедение, особенно в тугоплавких материалах, но об этом чуть попозже, ведь связь неочевидна.

Одновременно захватывает дух и пугает(в конце)

Речь, конечно же, идет о Буревестнике, носители специальных зарядов с очень интересной особенностью, а именно использование ядерной реакции для создания двигателя, или как принято называть ЯЭУ — ядерная энергетическая установка. О чем недавно рапортовала Россия, что завершила испытания, носитель смог пролететь 14000 км.

Как мы привыкли, и многие даже знают, что атомная энергетика — это стимпанк, атомный реактор на АЭС, это просто большой паровой котел или еще проще — гигантский ядерный кипятильник воды(да простят меня профессионалы), который нагревает воду и при помощи пара крутит паровую турбину, а она в свою очередь крутит уже электродвигатель, который и вырабатывает нам электричеств в дома́  — это все Атомная электростанция.




Принципиальная схема АЭС


По такому же принципу работает и двигатель атомной подводной лодки(АПЛ) или ледокола


Принципиальная схема АПЛ


Так что же такого особенного в Вестнике бури, а то, что его двигатель приводит в движение напрямую носителя, а не косвенно, как в вышеуказанных схемах, в АЭС и АПЛ ядерная реакция действует опосредовано, для косвенного воздействия, в крылатой же ракете используется другой принцип и он начинается с двигателя ПВРД - Прямоточный Воздушно-Реактивный Двигатель, не путать с ТРД - Турбинно-реактивный двигатель, основная идея заключатеся в том, чтобы получить преимущества реактивного двигателя, но без сложны узлов в виде особенной турбины. 

Достигается это за счет физики и специального входного устройства, в который попадает воздух.


Пример воздушного входного устройства и сопла(оранжевая стрелка) на двигателях Су-57


Вот краткая работа ПВРД

1. Воздух и сжатие

Летательный аппарат (ракета, самолет, беспилотник) на большой скорости врезается в воздух.

Воздух попадает во входное устройство. Здесь происходит главный эффект: конструкция этого устройства такова, что она замедляет поток воздуха.

Далее происходит физическое явление, отталкиваясь от принципа, заложенного в уравнении Бернулли: при замедлении потока(в данном случае воздуха) его динамическая энергия преобразуется в давление. Однако, в отличие от несжимаемой жидкости, для газа (воздуха) этот процесс сопровождается значительным нагревом. Если точнее, при торможении сверхзвукового газового потока его кинетическая энергия преобразуется во внутреннюю, что приводит к резкому росту давления и температуры. Это явление называется аэродинамическим сжатием

Аналогия: Представьте, что вы едете на машине с вытянутой рукой. Если держать ладонь плашмя, вы чувствуете сильное давление. Ваша ладонь «замедляет» воздух, и его давление перед ней повышается. Входное устройство делает то же самое, но гораздо эффективнее.

2. Камера сгорания (как двигатель в машине, аналогия не точная, но похожая)
Предварительно сжатый и разогретый воздух попадает в камеру сгорания.

Сюда через форсунки впрыскивается топливо (обычно керосин). Смесь топлива с горячим воздухом самовоспламеняется (или поджигается специальными устройствами на старте).

Происходит мощный взрыв, но не разовый, а непрерывный. Температура и давление газа в камере сгорания возрастают в десятки раз.(оранжевые стрелки)

3. Сопло (Реактивное сопло)

Раскаленные газы с огромной энергией устремляются к выходу из двигателя.

Они проходят через сопло Лаваля, которое сначала сужается, а потом расширяется. (используются разные сопла, это для примера, какое стоит в Буревестнике неизвестно, предполагаю, что Лаваля)

В сужающейся части скорость газов увеличивается до скорости звука.(берюзовая стрелка)

В расширяющейся части происходит их сверхзвуковое расширение(синие стрелки) — газы разгоняются до скоростей, в несколько раз превышающих скорость звука.

Именно это истечение газов с огромной скоростью назад и создает реактивную тягу, толкающую аппарат вперед (по третьему закону Ньютона).

Двигатель с огромной силой отбрасывает назад раскаленные газы (или просто разогретый воздух, как в ПВРД).
По 3-му закону Ньютона («сила действия равна силе противодействия») возникает равная по величине, но противоположно направленная сила.
Эта сила противодействия и толкает ракету вперед.

Пример сопла

Так в чем же особенность Буревестника, а в том, что он превращается из ПВРД в ЯПВРД - Ядерный Прямоточный Воздушно-Реактивный Двигатель. Заменяя привычный двигатель на ядерный малый реактор.

Принципиальная схема работы ЯПВРД в отличии от ПВРД:

Забор воздуха. Ракета летит в атмосфере. Как и у обычного ПВРД, у нее нет компрессора(но дополдлинно неизвестно, компрессор на схеме ниже присутствует). Воздух набегает со скоростью полета и попадает во входное устройство, где тормозится, и его давление и температура растут.

Ядерный реактор вместо камеры сгорания. Здесь — главное отличие. В обычном ПВРД в сжатый воздух впрыскивается топливо (керосин), и смесь поджигается. В ЯПВРД нет горения. Вместо камеры сгорания стоит компактный ядерный реактор деления.

Активная зона такого реактора представляет собой пористую структуру или набор тепловыделяющих элементов (ТВЭЛов), через которые прокачивается захваченный воздух.

Реактор работает на уровне мегаватт тепловой мощности, непрерывно разогреваясь до температур в ~2000°C.

Нагрев рабочего тела. Поток холодного сжатого воздуха, проходя через раскаленную активную зону реактора, мгновенно нагревается до огромных температур. Он не сжигается, а просто нагревается за счет прямой теплопередачи от ядерного топлива.

Создание реактивной струи. Раскаленный воздух (теперь это газ под высоким давлением) с огромной скоростью истекает через сопло, создавая реактивную тягу по классическому принципу Ньютона.(описание выше)


Тестовый пуск Буревестника



Тактико-технические характеристики и схема работы двигателя. ПРЕДПОЛАГАЕМЫЕ



Буревестник во время испытаний



Причем тут материаловедение, выше я уже подметил, что Реактор работает на уровне мегаватт тепловой мощности, непрерывно разогреваясь до температур в ~2000°C. 

И это главный вызов и вопрос, материаловедение, тугоплавкие материалы и свехпрочные материалы.

Потому что материал — это есть ключ к пониманию главной инженерной проблемы ЯПВРД, а еще накладывается проблема ограничения технологий, изоляция, санкции и прочее для России.

Представьте, что вам нужно разжечь такой костер(без пламени) накрытый кастрюлей, и мощность этого костра должна быть такой сильной, а кастрюля должна быть такой прочной, чтобы вокруг нее мог мгновенно нагреваться воздух до 2000°C, чтобы создать ту самую тягу и при этом кастрюля осталось целой.

Это и есть активная зона реактора, которая должна отражать разнооборазным характеристикам, где и применяются тугоплавкие и сверхпрочные материалы.

В чем собственно прорыв именно для России

Способность мобилизовать научные, инженерные и производственные силы под одну, крайне сложную, национальную задачу.
Преодоление гигантского разрыва между лабораторными образцами и производством работающего изделия в условиях внешнего давления и тем более его испытание.
Создание оружия, которое, по заявлениям, способно обнулить многомиллиардные системы ПРО потенциального противника.


Хотел бы закончить на острие ножа.

Для России, стратегический пат или ядерный пат, это своего рода выйгрыш. Это инструмент, который принуждает сильнейшие державы мира к переговорам, а не стратегическому поражению России, пусть и с позиции тотальной угрозы для уничтожения всего человечества. 

Но, с точки зрения мира, победителей тут нет, все участники этого клуба находятся в ситуации постоянной разработки вооружения, контрмер, просто для одной причины, возможности существовать и отстаивать свои интересы. Право сильного, спустя много лет никуда не делось и не денется.

Именно это восхищает и пугает.



Спасибо, что дочитали. 
Мир вам и процветания.




PS. Если вам понравилась статья, вы можете поддержать автора перейдя в его семейный блог о воспитании детей и финансах для семьи