Крылатая ракета с ядерным двигателем. Принцип работы, фото
Нашёл интересную статью. Вообще атомные космические корабли меня всегда интересовали. Это будущее космонавтики. Обширные работы по этой тематике велись и в СССР. В статье как раз про них.
В космос на атомной тяге. Мечты и реальность.
доктор физико-математических наук Ю. Я. Стависский
В 1950 году я защитил диплом инженера-физика в Московском механическом институте (ММИ) Министерства боеприпасов. Пятью годами раньше, в 1945-м, там был образован инженерно-физический факультет, готовивший специалистов для новой отрасли, в задачи которой входило в основном производство ядерного боеприпаса. Факультет не имел себе равных. Наряду с фундаментальной физикой в объёме университетских курсов (методы математической физики, теория относительности, квантовая механика, электродинамика, статистическая физика и другие) нам преподавали полный набор инженерных дисциплин: химию, металловедение, сопротивление материалов, теорию механизмов и машин и пр. Созданный выдающимся советским физиком Александром Ильичём Лейпунским инженерно-физический факультет ММИ вырос со временем в Московский инженерно-физический институт (МИФИ). Другой инженерно-физический факультет, также влившийся впоследствии в МИФИ, был сформирован в Московском энергетическом институте (МЭИ), но если в ММИ основной упор делался на фундаментальную физику, то в Энергетическом — на тепло- и электрофизику.
Квантовую механику мы изучали по книге Дмитрия Ивановича Блохинцева. Каково же было моё удивление, когда при распределении меня направили к нему на работу. Я, заядлый экспериментатор (в детстве разобрал все часы в доме), и вдруг попадаю к известному теоретику. Меня охватила лёгкая паника, но по прибытии на место — „Объект В“ МВД СССР в Обнинске — сразу понял, что волновался напрасно.
К этому времени основная тематика „Объекта В“, во главе которого до июня 1950 года фактически стоял А.И. Лейпунский, уже сформировалась. Здесь создавали реакторы с расширенным воспроизводством ядерного горючего — „быстрые бридеры“. На посту директора Блохинцев инициировал развитие нового направления — создание двигателей на атомной тяге для космических полётов. Овладение космосом было давней мечтой Дмитрия Ивановича, ещё в юности он переписывался и встречался с К.Э. Циолковским. Я думаю, что понимание гигантских возможностей ядерной энергии, по теплотворной способности в миллионы раз превышающей лучшие химические топлива, и определило жизненный путь Д.И. Блохинцева.
„Лицом к лицу лица не увидать“… В те годы мы многого не понимали. Только сейчас, когда наконец-то появилась возможность сопоставить дела и судьбы выдающихся учёных Физико-энергетического института (ФЭИ) — бывшего „Объекта В“, переименованного 31 декабря 1966 года — складывается верное, как мне кажется, понимание идей, двигавших ими в то время. При всём многообразии дел, которыми приходилось заниматься институту, можно выделить приоритетные научные направления, оказавшиеся в сфере интересов его ведущих физиков.
Главный интерес АИЛа (так в институте за глаза называли Александра Ильича Лейпунского) — развитие глобальной энергетики на основе быстрых реакторов-бридеров (ядерных реакторов, не имеющих ограничений в ресурсах ядерного горючего). Трудно переоценить значение этой поистине „космической“ проблемы, которой он посвятил последние четверть века своей жизни. Немало сил Лейпунский потратил и на оборону страны, в частности на создание атомных двигателей для подводных лодок и тяжелых самолётов.
Интересы Д.И. Блохинцева (за ним закрепилось прозвище „Д. И.“) были направлены на решение проблемы использования ядерной энергии для космических полётов. К сожалению, в конце 1950-х годов он был вынужден оставить эту работу и возглавить создание международного научного центра — Объединённого института ядерных исследований в Дубне. Там он занимался импульсными быстрыми реакторами — ИБР. Это стало последним большим делом его жизни.
Одна цель — одна команда
Д.И. Блохинцев, преподававший в конце 1940-х в МГУ, приметил там, а затем пригласил на работу в Обнинск молодого физика Игоря Бондаренко, который буквально бредил космическими кораблями на атомной тяге. Первым его научным руководителем был А.И. Лейпунский, и Игорь, естественно, занимался его тематикой — быстрыми бридерами.
При Д.И. Блохинцеве вокруг Бондаренко сформировалась группа учёных, которые объединились, чтобы решить проблемы использования атомной энергии в космосе. Кроме Игоря Ильича Бондаренко в группу входили: Виктор Яковлевич Пупко, Эдвин Александрович Стумбур и автор этих строк. Главным идеологом был Игорь. Эдвин проводил экспериментальные исследования наземных моделей ядерных реакторов космических установок. Я занимался в основном ракетными двигателями „малой тяги“ (тяга в них создаётся своеобразным ускорителем — „ионным движителем“, который питается энергией от космической атомной электростанции). Мы исследовали процессы,
протекающие в ионных движителях, на наземных стендах.
На Викторе Пупко (в будущем
он стал начальником отделения космической техники ФЭИ) лежала большая организационная работа. Игорь Ильич Бондаренко был выдающимся физиком. Он тонко чувствовал эксперимент, ставил простые, изящные и весьма эффективные опыты. Я думаю, как ни один экспериментатор, да, пожалуй, и немногие теоретики, „чувствовал“ фундаментальную физику. Всегда отзывчивый, открытый и доброжелательный, Игорь был поистине душой института. До сих пор ФЭИ живёт его идеями. Бондаренко прожил неоправданно короткую жизнь. В 1964-м, в возрасте 38 лет, он трагически погиб из-за врачебной ошибки. Как будто Бог, увидев, как много человек сделал, решил, что это уже чересчур и скомандовал: „Хватит“.
Нельзя не вспомнить ещё одну уникальную личность — Владимира Александровича Малыха, технолога „от Бога“, современного лесковского Левшу. Если „продукцией“ упомянутых выше учёных были в основном идеи и расчётные оценки их реальности, то работы Малыха всегда имели выход „в металле“. Его технологический сектор, насчитывавший во времена расцвета ФЭИ более двух тысяч сотрудников, мог сделать, без преувеличения, всё. Причём ключевую роль всегда играл он сам.
В.А. Малых начинал лаборантом в НИИ ядерной физики МГУ, имея за душой три курса физфака, — доучиться не дала война. В конце 1940-х годов ему удалось создать технологию изготовления технической керамики на основе окиси бериллия — материала уникального, диэлектрика с высокой теплопроводностью. До Малыха многие безуспешно бились над этой проблемой. А топливный элемент на основе серийной нержавеющей стали и природного урана, разработанный им для первой атомной электростанции, — чудо по тем да и по нынешнем временам. Или созданный Малыхом термоэмиссионный топливный элемент реактора-электрогенератора для питания космических аппаратов — „гирлянда“. До сих пор в этой области не появилось ничего лучшего. Творения Малыха были не демонстрационными игрушками, а элементами ядерной техники. Они работали месяцы и годы. Владимир Александрович стал доктором технических наук, лауреатом Ленинской премии, Героем Социалистического Труда. В 1964 году он трагически погиб от последствий военной контузии.
Шаг за шагом
С.П. Королёв и Д.И. Блохинцев с давних пор вынашивали мечту о полёте человека в космос. Между ними установились тесные рабочие связи. Но в начале 1950-х годов, в разгар „холодной войны“, средств не жалели только на военные цели. Ракетная техника рассматривалась лишь как носитель ядерных зарядов, а о спутниках и не помышляли. Между тем Бондаренко, зная о последних достижениях ракетчиков, настойчиво выступал за создание искусственного спутника Земли. Впоследствии об этом никто и не вспомнил.
Любопытна история создания ракеты, поднявшей в космос первого космонавта планеты — Юрия Гагарина. Связана она с именем Андрея Дмитриевича Сахарова. В конце 1940-х годов он разработал комбинированный делительно-термоядерный заряд — „слойку“, видимо, независимо от „отца водородной бомбы“ Эдварда Теллера, который предложил аналогичное изделие под названием „будильник“. Однако вскоре Теллер понял, что ядерный заряд такой схемы будет иметь „ограниченную“ мощность, не более ~ 500 килотонн толового эквивалента. Для „абсолютного“ оружия этого мало, поэтому „будильник“ был заброшен. В Союзе же в 1953 году взорвали сахаровскую слойку РДС-6с.
После успешных испытаний и избрания Сахарова в академики тогдашний глава Минсредмаша В.А. Малышев пригласил его к себе и поставил задачу определить параметры бомбы следующего поколения. Андрей Дмитриевич оценил (без детальной проработки) вес нового, значительно более мощного заряда. Докладная Сахарова легла в основу постановления ЦК КПСС и Совета Министров СССР, которое обязало С.П. Королёва разработать под этот заряд баллистическую ракету-носитель. Именно такая ракета Р-7 под названием „Восток“ и вывела на орбиту искусственный спутник Земли в 1957-м и космический корабль с Юрием Гагариным в 1961-м. Использовать её как носитель тяжёлого ядерного заряда тогда уже не планировали, поскольку развитие термоядерного оружия пошло иным путём.
На начальном этапе космической ядерной программы ФЭИ совместно с КБ В.Н. Челомея разрабатывал крылатую атомную ракету. Это направление развивалось недолго и завершилось расчётами и испытанием элементов двигателя, созданного в отделении В.А. Малыха. По сути, речь шла о низколетящем беспилотном самолете с прямоточным ядерным двигателем и ядерной боеголовкой (своего рода ядерный аналог „жужжащего клопа“ — немецкой V-1). Система стартовала с помощью обычных ракетных ускорителей. После выхода на заданную скорость тяга создавалась атмосферным воздухом, нагреваемым за счёт цепной реакции деления окиси бериллия, пропитанной обогащённым ураном.
Вообще говоря, возможность выполнения ракетой той или иной задачи космонавтики определяется скоростью, которую она приобретает после использования всего запаса рабочего тела (топлива и окислителя). Её вычисляют по формуле Циолковского: V = c×lnMн/ Мк, где с — скорость истечения рабочего тела, а Мн и Мк — начальная и конечная масса ракеты. В обычных химических ракетах скорость истечения определяется температурой в камере сгорания, видом топлива и окислителя и молекулярным весом продуктов сгорания. Например, американцы для высадки астронавтов на Луну использовали в спускаемом аппарате в качестве топлива водород. Продукт его сгорания — вода, чей молекулярный вес сравнительно низок, и скорость истечения в 1,3 раза выше, чем при сжигании керосина. Этого достаточно, чтобы спускаемый аппарат с космонавтами достиг поверхности Луны и затем вернул их на орбиту её искусственного спутника. У Королёва работы с водородным топливом были приостановлены из-за аварии с человеческими жертвами. Создать лунный спускаемый аппарат для человека мы не успели.
Один из путей существенного повышения скорости истечения — создание ядерных термических ракет. У нас это были баллистические атомные ракеты (БАР) с радиусом действия несколько тысяч километров (совместный проект ОКБ-1 и ФЭИ), у американцев — аналогичные системы типа „Киви“. Двигатели испытывались на полигонах под Семипалатинском и в Неваде. Принцип их действия следующий: водород нагревается в ядерном реакторе до высоких температур, переходит в атомарное состояние и уже в таком виде истекает из ракеты. Скорость истечения при этом повышается более чем вчетверо по сравнению с химической водородной ракетой. Вопрос состоял в том, чтобы выяснить, до какой температуры можно нагреть водород в реакторе с твёрдыми топливными элементами. Расчёты давали около 3000°К.
В НИИ-1, научным руководителем которого был Мстислав Всеволодович Келдыш (тогда президент Академии наук СССР), отдел В.М. Иевлева с участием ФЭИ занимался совсем уж фантастической схемой — газофазным реактором, в котором цепная реакция протекает в газовой смеси урана и водорода. Из такого реактора водород истекает ещё раз в десять быстрее, чем из твёрдотопливного, уран же сепарируется и остаётся в активной зоне. Одна из идей предполагала использование центробежной сепарации, когда горячая газовая смесь урана и водорода „закручивается“ поступающим холодным водородом, в результате чего уран и водород разделяются, как в центрифуге. Иевлев пытался, по сути дела, прямо воспроизвести процессы в камере сгорания химической ракеты, используя в качестве источника энергии не теплоту сгорания топлива, а цепную реакцию деления. Это открывало путь к полному использованию энергоёмкости атомных ядер. Но вопрос о возможности истечения из реактора чистого водорода (без урана) так и остался нерешённым, не говоря уже о технических проблемах, связанных с удержанием высокотемпературных газовых смесей при давлениях в сотни атмосфер.
Работы ФЭИ по баллистическим атомным ракетам завершились в 1969-1970 годах „огневыми испытаниями“ на семипалатинском полигоне прототипа ядерного ракетного двигателя с твёрдыми топливными элементами. Его создавал ФЭИ в кооперации с воронежским КБ А.Д. Конопатова, московским НИИ-1 и рядом других технологических групп. Основу двигателя с тягой 3,6 т составлял ядерный реактор ИР-100 с топливными элементами из твёрдого раствора карбида урана и карбида циркония. Температура водорода достигала 3000°К при мощности реактора ~ 170 МВт.
Атомные ракеты малой тяги
До сих пор речь шла о ракетах с тягой, превышающей их вес, которые могли бы стартовать с поверхности Земли. В таких системах увеличение скорости истечения позволяет снизить запас рабочего тела, повысить полезную нагрузку и отказаться от многоступенчатости. Однако есть пути достижения практически неограниченных скоростей истечения, например ускорение вещества электромагнитными полями. Я занимался этим направлением в тесном контакте с Игорем Бондаренко почти 15 лет.
Ускорение ракеты с электрореактивным двигателем (ЭРД) определяется отношением удельной мощности установленной на них космической атомной электростанции (КАЭС) к скорости истечения. В обозримом будущем удельные мощности КАЭС, судя по всему, не превысят 1 кВт/кг. При этом возможно создание ракет с малой тягой, в десятки и сотни раз меньшей веса ракеты, и с очень малым расходом рабочего тела. Такая ракета может стартовать только с орбиты искусственного спутника Земли и, медленно ускоряясь, достигать больших скоростей.
Для полётов в пределах Солнечной системы нужны ракеты со скоростью истечения 50-500 км/с, а для полётов к звёздам — выходящие за пределы нашего воображения „фотонные ракеты“ со скоростью истечения, равной скорости света. Чтобы осуществить сколько-нибудь разумный по времени дальний космический полёт, необходимы невообразимые удельные мощности энергетических установок. Пока нельзя даже представить, на каких физических процессах они могут быть основаны.
Проведенные расчёты показали, что во время Великого противостояния, когда Земля и Марс находятся ближе всего друг к другу, можно за один год осуществить полёт ядерного космического корабля с экипажем к Марсу и возвратить его на орбиту искусственного спутника Земли. Полный вес такого корабля — около 5 т (включая запас рабочего тела — цезия, равный 1,6 т). Он определяется в основном массой КАЭС мощностью 5 МВт, а реактивная тяга — двухмегаваттным пучком ионов цезия с энергией 7 килоэлектронвольт *. Корабль стартует с орбиты искусственного спутника Земли, выходит на орбиту спутника Марса, а спускаться на его поверхность придётся уже на аппарате с водородным химическим двигателем, подобным американскому лунному.
Этому направлению, основанному на технических решениях, возможных уже сегодня, был посвящён большой цикл работ ФЭИ.
Ионные движители
В те годы обсуждались пути создания различных электрореактивных движителей для космических аппаратов, таких, как „плазменные пушки“, электростатические ускорители „пыли“ или капель жидкости. Однако ни одна из идей не имела под собой чёткой физической основы. Находкой оказалась поверхностная ионизация цезия.
Ещё в 20-е годы прошлого века американский физик Ирвинг Лэнгмюр открыл поверхностную ионизацию щелочных металлов. При испарении атома цезия с поверхности металла (в нашем случае — вольфрама), у которого работа выхода электронов больше потенциала ионизации цезия, он практически в 100% случаев теряет слабо связанный электрон и оказывается однократно заряженным ионом. Таким образом, поверхностная ионизация цезия на вольфраме и есть тот физический процесс, который позволяет создать ионный движитель с почти 100-процентным использованием рабочего тела и с энергетическим КПД, близким к единице.
Большую роль в создании моделей ионного движителя такой схемы сыграл наш коллега Сталь Яковлевич Лебедев. Своим железным упорством и настойчивостью он преодолевал все преграды. В результате удалось воспроизвести в металле плоскую трёхэлектродную схему ионного движителя. Первый электрод — пластина вольфрама размером примерно 10×10 см с потенциалом +7 кВ, второй — сетка из вольфрама с потенциалом -3 кВ, третий — сетка из торированного вольфрама с нулевым потенциалом. „Молекулярная пушка“ давала пучок паров цезия, который сквозь все сетки попадал на поверхность вольфрамовой пластины. Уравновешенная и откалиброванная металлическая пластина, так называемые весы, служила для измерения „силы“, т. е. тяги ионного пучка.
Ускоряющее напряжение до первой сетки разгоняет ионы цезия до 10 000 эВ, тормозящее напряжение до второй замедляет их до 7000 эВ. Это та энергия, с которой ионы должны покидать движитель, что соответствует скорости истечения 100 км/с. Но пучок ионов, ограниченный объёмным зарядом, не может „выйти в открытый космос“. Объёмный заряд ионов необходимо скомпенсировать электронами, чтобы образовалась квазинейтральная плазма, которая беспрепятственно распространяется в пространстве и создаёт реактивную тягу. Источником электронов для компенсации объёмного заряда ионного пучка служит нагреваемая током третья сетка (катод). Вторая, „запирающая“ сетка не даёт электронам попасть с катода на вольфрамовую пластину.
Первый опыт с моделью ионного движителя положил начало более чем десятилетним работам. Одна из последних моделей — с пористым вольфрамовым эмиттером, созданная в 1965 году, давала „тягу“ около 20 г при токе ионного пучка 20 А, имела коэффициент использования энергии около 90% и вещества — 95%.
Прямое преобразование ядерного тепла в электричество
Пути прямого преобразования энергии ядерного деления в электрическую пока не найдены. Мы ещё не можем обойтись без промежуточного звена — тепловой машины. Поскольку её КПД всегда меньше единицы, „отработанное“ тепло нужно куда-то девать. На земле, в воде и в воздухе с этим проблем нет. В космосе же существует только один путь — тепловое излучение. Таким образом, КАЭС не может обойтись без „холодильника-излучателя“. Плотность же излучения пропорциональна четвёртой степени абсолютной температуры, поэтому температура холодильника-излучателя должна быть как можно более высокой. Тогда удастся сократить площадь излучающей поверхности и соответственно массу энергетической установки. У нас появилась идея использовать „прямое“ преобразование ядерного тепла в электричество, без турбины и генератора, что казалось более надёжным при длительной работе в области высоких температур.
Из литературы мы знали о работах А.Ф. Иоффе — основателя советской школы технической физики, пионера в исследовании полупроводников в СССР. Мало кто теперь помнит о разработанных им источниках тока, применявшихся в годы Великой Отечественной войны. Тогда не один партизанский отряд имел связь с Большой землёй благодаря „керосиновым“ ТЭГам — термоэлектрогенераторам Иоффе. „Венец“ из ТЭГов (он представлял собой набор полупроводниковых элементов) надевался на керосиновую лампу, а его провода подсоединялись к радиоаппаратуре. „Горячие“ концы элементов нагревались пламенем керосиновой лампы, „холодные“ — остывали на воздухе. Поток тепла, проходя через полупроводник, порождал электродвижущую силу, которой хватало для сеанса связи, а в промежутках между ними ТЭГ заряжал аккумулятор. Когда через десять лет после Победы мы побывали на московском заводе ТЭГов, оказалось, что они ещё находят сбыт. У многих деревенских жителей были тогда экономичные радиоприемники „Родина“ на лампах прямого накала, работающие от батареи. Вместо них зачастую использовали ТЭГи.
Беда керосинового ТЭГа — его низкий КПД (всего около 3,5%) и невысокая предельная температура (350°К). Но простота и надёжность этих приборов привлекали разработчиков. Так, полупроводниковые преобразователи, разработанные группой И.Г. Гвердцители в Сухумском физико-техническом институте, нашли применение в космических установках типа „Бук“.
В свое время А.Ф. Иоффе предложил ещё один термоэмиссионный преобразователь — диод в вакууме. Принцип его действия следующий: нагретый катод испускает электроны, часть их, преодолевающая потенциал анода, совершает работу. От этого прибора ожидали значительно большего КПД (20-25%) при рабочей температуре выше 1000°К. Кроме того, в отличие от полупроводника вакуумный диод не боится нейтронного излучения, и его можно совместить с ядерным реактором. Однако оказалось, что осуществить идею „вакуумного“ преобразователя Иоффе невозможно. Как и в ионном движителе, в вакуумном преобразователе нужно избавиться от объёмного заряда, но на этот раз не ионов, а электронов. А.Ф. Иоффе предполагал использовать в вакуумном преобразователе микронные зазоры между катодом и анодом, что в условиях высоких температур и термических деформаций практически невозможно. Вот тут-то и пригодился цезий: один ион цезия, полученный за счёт поверхностной ионизации на катоде, компенсирует объёмный заряд около 500 электронов! По сути дела, цезиевый преобразователь — это „обращённый“ ионный движитель. Физические процессы в них близки.
«Гирлянды» В.А. Малыха
Одним из результатов работ ФЭИ над термоэмиссионными преобразователями были создание В.А. Малыхом и серийный выпуск в его отделении тепловыделяющих элементов из последовательно соединённых термоэмиссионных преобразователей — „гирлянд“ для реактора „Топаз“. Они давали до 30 В — раз в сто больше, чем одноэлементные преобразователи, созданные „конкурирующими организациями“ — ленинградской группой М.Б. Барабаша и позднее — Институтом атомной энергии. Это позволяло „снимать“ с реактора в десятки и сотни раз большую мощность. Однако надёжность системы, напичканной тысячами термоэмиссионных элементов, вызывала опасения. В то же время паро- и газотурбинные установки работали без сбоев, поэтому мы обратили внимание и на „машинное“ преобразование ядерного тепла в электричество.
Вся трудность заключалась в ресурсе, ведь в дальних космических полётах турбогенераторы должны работать год, два, а то и несколько лет. Чтобы уменьшить износ, „обороты“ (скорость вращения турбины) нужно сделать по возможности более низкими. С другой стороны, турбина работает эффективно, если скорость молекул газа или пара близка к скорости её лопаток. Поэтому сначала мы рассматривали применение самого тяжёлого — ртутного пара. Но нас испугала интенсивная радиационно-стимулированная коррозия железа и нержавеющей стали, которая возникала в охлаждаемом ртутью ядерном реакторе. За две недели коррозия „съела“ тепловыделяющие элементы опытного быстрого реактора „Клементина“ в Аргонской лаборатории (США, 1949 год) и реактора БР-2 в ФЭИ (СССР, Обнинск, 1956 год).
Заманчивым оказался калиевый пар. Реактор с кипящим в нём калием лёг в основу разрабатываемой нами энергетической установки космического корабля малой тяги — калиевый пар вращал турбогенератор. Такой „машинный“ способ преобразования тепла в электричество позволял рассчитывать на КПД до 40%, в то время как реальные термоэмиссионные установки давали кпд всего около 7%. Однако КАЭС с „машинным“ преобразованием ядерного тепла в электричество не получили развития. Дело завершилось выпуском подробного отчёта, по сути — „физической записки“ к техническому проекту космического корабля малой тяги для полёта с экипажем к Марсу. Сам проект так и не был разработан.
В дальнейшем, я думаю, просто пропал интерес к космическим полётам с использованием ядерных ракетных двигателей. После смерти Сергея Павловича Королёва поддержка работ ФЭИ по ионным движителям и „машинным“ ядерно-энергетическим установкам заметно ослабла. ОКБ-1 возглавил Валентин Петрович Глушко, у которого не было интереса к смелым перспективным проектам. Созданное им ОКБ „Энергия“ строило мощные химические ракеты и возвращаемый на Землю космический корабль „Буран“.
«Бук» и «Топаз» на спутниках серии «Космос»
Работы по созданию КАЭС с прямым преобразованием тепла в электричество, теперь уже в качестве источников питания для мощных радиотехнических спутников (космических радиолокационных станций и телетрансляторов), продолжались до начала перестройки. С 1970 по 1988 год в космос запустили около 30 радиолокационных спутников с ядерно-энергетическими установками „Бук“ с полупроводниковыми реакторами-преобразователями и два — с термоэмиссионными установками „Топаз“. „Бук“, по сути дела, представлял собой ТЭГ — полупроводниковый преобразователь Иоффе, только вместо керосиновой лампы в нём использовался ядерный реактор. Это был быстрый реактор мощностью до 100 кВт. Полная загрузка высокообогащённого урана составляла около 30 кг. Тепло из активной зоны передавалось жидким металлом — эвтектическим сплавом натрия с калием полупроводниковым батареям. Электрическая мощность достигала 5 кВт.
Установку „Бук“ под научным руководством ФЭИ разрабатывали специалисты ОКБ-670 М.М. Бондарюка, позднее — НПО „Красная звезда“ (главный конструктор — Г.М. Грязнов). Создать ракету-носитель для вывода спутника на орбиту поручили днепропетровскому КБ „Южмаш“ (главный конструктор — М.К. Янгель).
Время работы „Бука“ — 1-3 месяца. Если установка отказывала, спутник переводили на орбиту длительного существования высотой 1000 км. За почти 20 лет запусков было три случая падения спутника на Землю: два — в океан и один — на сушу, в Канаде, в окрестности Большого Невольничьего озера. Туда упал „Космос-954“, запущенный 24 января 1978 года. Он проработал 3,5 месяца. Урановые элементы спутника полностью сгорели в атмосфере. На земле нашли лишь остатки бериллиевого отражателя и полупроводниковых батарей. (Все эти данные приведены в совместном отчёте атомных комиссий США и Канады об операции „Утренний свет“.)
В термоэмиссионной ядерно-энергетической установке „Топаз“ использовался тепловой реактор мощностью до 150 кВт. Полная загрузка урана составляла около 12 кг — значительно меньше, чем у „Бука“. Основой реактора были тепловыделяющие элементы — „гирлянды“, разработанные и изготовленные группой Малыха. Они представляли собой цепочку термоэлементов: катод — „напёрсток“ из вольфрама или молибдена, заполненный окисью урана, анод — тонкостенная трубка из ниобия, охлаждаемая жидким натрий-калием. Температура катода достигала 1650°C. Электрическая мощность установки доходила до 10 кВт.
Первый лётный образец — спутник „Космос-1818“ с установкой „Топаз“ вышел на орбиту 2 февраля 1987 года и безотказно проработал полгода, до исчерпания запасов цезия. Второй спутник — „Космос-1876“ был запущен через год. Он отработал на орбите почти в два раза дольше. Главным разработчиком „Топаза“ было ОКБ ММЗ „Союз“, возглавляемое С.К. Туманским (бывшее КБ конструктора авиамоторов А.А. Микулина).
Это было в конце 1950-х годов, когда мы занимались ионным движителем, а он — двигателем третьей ступени, предназначавшимся для ракеты, которой предстояло облететь Луну и совершить посадку на неё. Воспоминания о мельниковской лаборатории свежи и поныне. Она располагалась в Подлипках (ныне г. Королёв), на площадке № 3 ОКБ-1. Огромный цех площадью около 3000 м2, уставленный десятками письменных столов со шлейфными осциллографами, производящими запись на 100-миллиметровой рулонной бумаге (это была ещё прошлая эпоха, сегодня хватило бы одного персонального компьютера). У передней стены цеха — стенд, где монтируется камера сгорания двигателя „лунной“ ракеты. К осциллографам идут тысячи проводов от датчиков скорости газов, давления, температуры и других параметров. День начинается в 9.00 с зажигания двигателя. Он работает несколько минут, затем сразу после остановки бригада механиков первой смены разбирает его, тщательно осматривает и измеряет камеру сгорания. Одновременно анализируются ленты осциллографов и вырабатываются рекомендации по изменениям конструкции. Вторая смена — конструкторы и рабочие мастерских вносят рекомендованные изменения. В третью смену на стенде монтируются новая камера сгорания и система диагностики. Через сутки, ровно в 9.00, — следующий сеанс. И так без выходных недели, месяцы. Более 300 вариантов двигателя за год!
Так создавались двигатели химических ракет, которым предстояло работать всего 20-30 минут. Что же говорить об испытаниях и доработках ядерно-энергетических установок — расчёт был на то, что они должны работать не один год. Это требовало поистине гигантских усилий.
Часто в общеобразовательных публикациях о космонавтике не различают разницу между ядерным ракетным двигателем (ЯРД) и ядерной ракетной электродвигательной установкой (ЯЭДУ). Однако под этими аббревиатурами скрывается не только разница в принципах преобразования ядерной энергии в силу тяги ракеты, но и весьма драматичная история развития космонавтики.
Драматизм истории состоит в том, что если бы остановленные главным образом по экономическим причинам исследования ЯДУ и ЯЭДУ как в СССР, так и в США продолжились, то полёты человека на марс давно бы уже стали обыденным делом.
Всё начиналось с атмосферных летательных аппаратов с прямоточным ядерным двигателем
Конструкторы в США и СССР рассматривали «дышащие» ядерные установки, способные втягивать забортный воздух и разогревать его до колоссальных температур. Вероятно, этот принцип образования тяги был заимствован от прямоточных воздушно-реактивных двигателей, только вместо ракетного топлива использовалась энергия деления атомных ядер диоксида урана 235.В США такой двигатель разрабатывался в рамках проекта Pluto. Американцы сумели создать два прототипа нового двигателя - Tory-IIA и Tory-IIC, на которых даже производились включения реакторов. Мощность установки должна была составить 600 мегаватт.
Двигатели, разработанные в рамках проекта Pluto, планировалось устанавливать на крылатые ракеты, которые в 1950-х годах создавались под обозначением SLAM (Supersonic Low Altitude Missile, сверхзвуковая маловысотная ракета).
В США планировали построить ракету длинной 26,8 метра, диаметром три метра, и массой в 28 тонн. В корпусе ракеты должен был располагаться ядерный боезаряд, а также ядерная двигательная установка, имеющая длину 1,6 метра и диаметр 1,5 метра. На фоне других размеров установка выглядела весьма компактной, что и объясняет её прямоточный принцип работы.
Разработчики полагали, что, благодаря ядерному двигателю, дальность полета ракеты SLAM составит, по меньшей мере, 182 тысячи километров.
В 1964 году министерство обороны США проект закрыло. Официальной причиной послужило то, что в полете крылатая ракета с ядерным двигателем слишком сильно загрязняет все вокруг. Но на самом деле причина состояла в значительных затратах на обслуживание таких ракет, тем более к тому времени бурно развивалось ракетостроение на основе жидкостных реактивных ракетных двигателей, обслуживание которых было значительно дешевле.
СССР оставалась верной идеи создания ЯРД прямоточной конструкции значительно дольше, чем США, закрыв проект только в 1985 году . Но и результаты получились значительно весомее. Так, первый и единственный советский ядерный ракетный двигатель был разработан в конструкторском бюро «Химавтоматика», Воронеж. Это РД-0410 (Индекс ГРАУ - 11Б91, известен также как «Ирбит» и «ИР-100»).
В РД-0410 был применён гетерогенный реактор на тепловых нейтронах, замедлителем служил гидрид циркония, отражатели нейтронов - из бериллия, ядерное топливо - материал на основе карбидов урана и вольфрама, с обогащением по изотопу 235 около 80 %.
Конструкция включала в себя 37 тепловыделяющих сборок, покрытых теплоизоляцией, отделявшей их от замедлителя. Проектом предусматривалось, что поток водорода вначале проходил через отражатель и замедлитель, поддерживая их температуру на уровне комнатной, а затем поступал в активную зону, где охлаждал тепловыделяющие сборки, нагреваясь при этом до 3100 К. На стенде отражатель и замедлитель охлаждались отдельным потоком водорода.
Реактор прошёл значительную серию испытаний, но ни разу не испытывался на полную длительность работы. Однако, вне реакторные узлы были отработаны полностью.
Технические характеристики РД 0410
Тяга в пустоте: 3,59 тс (35,2 кН)
Тепловая мощность реактора: 196 МВт
Удельный импульс тяги в пустоте: 910 кгс·с/кг (8927 м/с)
Число включений: 10
Ресурс работы: 1 час
Компоненты топлива: рабочее тело - жидкий водород, вспомогательное вещество - гептан
Масса с радиационной защитой: 2 тонны
Габариты двигателя: высота 3,5 м, диаметр 1,6 м.
Относительно небольшие габаритные размеры и вес, высокая температура ядерного топлива (3100 K) при эффективной системе охлаждения потоком водорода свидетельствует от том, что РД0410 является почти идеальным прототипом ЯРД для современных крылатых ракет. А, учитывая современные технологии получения самоостанавливающегося ядерного топлива, увеличение ресурса с часа до нескольких часов является вполне реальной задачей.
Конструкции ядерных ракетных двигателей
Ядерный ракетный двигатель (ЯРД) - реактивный двигатель, в котором энергия, возникающая при ядерной реакции распада или синтеза, нагревает рабочее тело (чаще всего, водород или аммиак).Существует три типа ЯРД по виду топлива для реактора:
- твердофазный;
- жидкофазный;
- газофазный.
В газофазных ЯРД топливо (например, уран) и рабочее тело находится в газообразном состоянии (в виде плазмы) и удерживается в рабочей зоне электромагнитным полем. Нагретая до десятков тысяч градусов урановая плазма передает тепло рабочему телу (например, водороду), которое, в свою очередь, будучи нагретым до высоких температур и образует реактивную струю.
По типу ядерной реакции различают радиоизотопный ракетный двигатель, термоядерный ракетный двигатель и собственно ядерный двигатель (используется энергия деления ядер).
Интересным вариантом также является импульсный ЯРД - в качестве источника энергии (горючего) предлагается использовать ядерный заряд. Такие установки могут быть внутреннего и внешнего типов.
Основными преимуществами ЯРД являются:
- высокий удельный импульс;
- значительный энергозапас;
- компактность двигательной установки;
- возможность получения очень большой тяги - десятки, сотни и тысячи тонн в вакууме.
- потоки проникающей радиации (гамма-излучение, нейтроны) при ядерных реакциях;
- вынос высокорадиоактивных соединений урана и его сплавов;
- истечение радиоактивных газов с рабочим телом.
Ядерная энергодвигательная установка
Учитывая, что какую-либо достоверную информацию о ЯЭДУ по публикациям, в том числе и из научных статей, получить невозможно, принцип работы таких установок лучше всего рассматривать на примерах открытых патентных материалов, хотя и содержащих ноу-хау.Так, например, выдающимся российским учёным Коротеевым Анатолием Сазоновичем, автором изобретения по патенту , приведено техническое решение по составу оборудования для современной ЯРДУ. Далее привожу часть указанного патентного документа дословно и без комментариев.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется схемой, представленной на чертеже. ЯЭДУ, функционирующая в двигательно-энергетическом режиме, содержит электроракетную двигательную установку (ЭРДУ) (на схеме для примера представлено два электроракетных двигателя 1 и 2 с соответствующими системами подачи 3 и 4), реакторную установку 5, турбину 6, компрессор 7, генератор 8, теплообменник-рекуператор 9, вихревую трубку Ранка-Хильша 10, холодильник-излучатель 11. При этом турбина 6, компрессор 7 и генератор 8 объединены в единый агрегат - турбогенератор-компрессор. ЯЭДУ оснащена трубопроводами 12 рабочего тела и электрическими линиями 13, соединяющими генератор 8 и ЭРДУ. Теплообменник-рекуператор 9 имеет так называемые высокотемпературный 14 и низкотемпературный 15 входы рабочего тела, а также высокотемпературный 16 и низкотемпературный 17 выходы рабочего тела.Ссылки:Выход реакторной установки 5 соединен со входом турбины 6, выход турбины 6 соединен с высокотемпературным входом 14 теплообменника-рекуператора 9. Низкотемпературный выход 15 теплообменника-рекуператора 9 соединен со входом в вихревую трубку Ранка-Хильша 10. Вихревая трубка Ранка-Хильша 10 имеет два выхода, один из которых (по «горячему» рабочему телу) соединен с холодильником-излучателем 11, а другой (по «холодному» рабочему телу) соединен со входом компрессора 7. Выход холодильника-излучателя 11 также соединен со входом в компрессор 7. Выход компрессора 7 соединен с низкотемпературным 15 входом в теплообменник-рекуператор 9. Высокотемпературный выход 16 теплообменника-рекуператора 9 соединен со входом в реакторную установку 5. Таким образом, основные элементы ЯЭДУ связаны между собой единым контуром рабочего тела.
ЯЭДУ работает следующим образом. Нагретое в реакторной установке 5 рабочее тело направляется на турбину 6, которая обеспечивает работу компрессора 7 и генератора 8 турбогенератора-компрессора. Генератор 8 производит генерацию электрической энергии, которая по электрическим линиям 13 направляется к электроракетным двигателям 1 и 2 и их системам подачи 3 и 4, обеспечивая их работу. После выхода из турбины 6 рабочее тело направляется через высокотемпературный вход 14 в теплообменник-рекуператор 9, где осуществляется частичное охлаждение рабочего тела.
Затем, из низкотемпературного выхода 17 теплообменника-рекуператора 9 рабочее тело направляется в вихревую трубку Ранка-Хильша 10, внутри которой происходит разделение потока рабочего тела на «горячую» и «холодную» составляющие. «Горячая» часть рабочего тела далее следует в холодильник-излучатель 11, где происходит эффективное охлаждение этой части рабочего тела. «Холодная» часть рабочего тела следует на вход в компрессор 7, туда же следует после охлаждения часть рабочего тела, выходящая из холодильника-излучателя 11.
Компрессор 7 производит подачу охлажденного рабочего тела в теплообменник-рекуператор 9 через низкотемпературный вход 15. Это охлажденное рабочее тело в теплообменнике-рекуператоре 9 обеспечивает частичное охлаждение встречного потока рабочего тела, поступающего в теплообменник-рекуператор 9 из турбины 6 через высокотемпературный вход 14. Далее, частично подогретое рабочее тело (за счет теплообмена с встречным потоком рабочего тела из турбины 6) из теплообменника-рекуператора 9 через высокотемпературный выход 16 вновь поступает к реакторной установке 5, цикл вновь повторяется.
Таким образом, находящееся в замкнутом контуре единое рабочее тело обеспечивает непрерывную работу ЯЭДУ, причем использование в составе ЯЭДУ вихревой трубки Ранка-Хильша в соответствии с заявляемым техническим решением обеспечивает улучшение массогабаритных характеристик ЯЭДУ, повышает надежность ее работы, упрощает ее конструктивную схему и дает возможность повысить эффективность ЯЭДУ в целом.
Скептики утверждают, что создание ядерного двигателя - это не значительный прогресс в области науки и техники, а лишь «модернизация парового котла», где вместо угля и дров в качестве топлива выступает уран, а в качестве рабочего тела - водород. Настолько ли бесперспективен ЯРД (ядерный реактивный двигатель)? Попробуем разобраться.
Первые ракеты
Все заслуги человечества в освоении околоземного космического пространства можно смело отнести на счет химических реактивных двигателей. В основе работы таких силовых агрегатов - преобразование энергии химической реакции сжигания топлива в окислителе в кинетическую энергию реактивной струи, и, следовательно, ракеты. В качестве топлива используются керосин, жидкий водород, гептан (для жидкотопливных ракетных двигателей (ЖТРД)) и полимеризованная смесь перхлората аммония, алюминия и оксида железа (для твердотопливных (РДТТ)).
Общеизвестно, что первые ракеты, используемые для фейерверков, появились в Китае еще во втором столетии до нашей эры. В небо они поднимались благодаря энергии пороховых газов. Теоретические изыскания немецкого оружейника Конрада Хааса (1556), польского генерала Казимира Семеновича (1650), русского генерал-лейтенанта Александра Засядко внесли существенный вклад в развитие ракетной техники.
Патент на изобретение первой ракеты с ЖТРД получил американский ученый Роберт Годдард. Его аппарат при весе 5 кг и длине около 3 м, работавший на бензине и жидком кислороде, в 1926 году за 2,5 с. пролетел 56 метров.
В погоне за скоростью
Серьезные экспериментальные работы по созданию серийных химических реактивных двигателей стартовали в 30-х годах прошлого века. В Советском Союзе пионерами ракетного двигателестроения по праву считаются В. П. Глушко и Ф. А. Цандер. С их участием были разработаны силовые агрегаты РД-107 и РД-108, обеспечившие СССР первенство в освоении космического пространства и заложившие фундамент для будущего лидерства России в области пилотируемой космонавтики.
При модернизации ЖТРД стало ясно, что теоретическая максимальная скорость реактивной струи не сможет превысить 5 км/с. Для изучения околоземного пространства этого может быть и достаточно, но вот полеты к другим планетам, а тем более звездам останутся для человечества несбыточной мечтой. Как следствие, уже в середине прошлого века стали появляться проекты альтернативных (нехимических) ракетных двигателей. Наиболее популярными и перспективными выглядели установки, использующие энергию ядерных реакций. Первые экспериментальные образцы ядерных космических двигателей (ЯРД) в Советском Союзе и США прошли тестовые испытания еще в 1970 году. Однако после Чернобыльской катастрофы под нажимом общественности работы в этой области были приостановлены (в СССР в 1988 году, в США - с 1994).
В основе функционирования ядерных силовых установок лежат те же принципы, что и у термохимических. Различие заключается лишь в том, что нагрев рабочего тела осуществляется энергией распада или синтеза ядерного горючего. Энергетическая эффективность таких двигателей значительно превосходит химические. Так например, энергия, которую может выделить 1 кг самого лучшего топлива (смесь бериллия с кислородом) - 3×107 Дж, тогда как для изотопов полония Po210 эта величина составляет 5×1011 Дж.
Высвобождаемая энергия в ядерном двигателе может использоваться различными способами:
нагревая рабочее тело, испускаемое через сопла, как в традиционном ЖРД,после преобразования в электрическую, ионизируя и разгоняя частицы рабочего тела,создания импульса непосредственно продуктами деления или синтеза.В качестве рабочего тела может выступать даже обычная вода, но гораздо эффективнее будет применение спирта, аммиака или жидкого водорода. В зависимости от агрегатного состояния топлива для реактора ядерные двигатели ракет подразделяют на твердо-, жидко- и газофазные. Наиболее проработан ЯРД с твердофазным реактором деления, использующий в качестве топлива ТВЭЛы (тепловыделяющие элементы), применяемые на атомных электростанциях. Первый такой двигатель в рамках американского проекта Nerva прошел наземные тестовые испытания в 1966 году, проработав около двух часов.
Конструктивные особенности
В основе любого ядерного космического двигателя лежит реактор, состоящий из активной зоны и бериллиевого отражателя, размещенных в силовом корпусе. В активной зоне и происходит деление атомов горючего вещества, как правило, урана U238, обогащенного изотопами U235. Для придания процессу распада ядер определенных свойств, здесь же расположены и замедлители - тугоплавкие вольфрам или молибден. В случае если замедлитель включают в состав ТВЭЛов, реактор называют гомогенным, а если размещают отдельно - гетерогенным. В состав ядерного двигателя также входят блок подачи рабочего тела, органы управления, теневая радиационная защита, сопло. Конструктивные элементы и узлы реактора, испытывающие высокие термические нагрузки, охлаждаются рабочим телом, которое затем турбонасосным агрегатом нагнетается в тепловыделяющие сборки. Здесь происходит его нагрев почти до 3 000˚С. Истекая через сопло, рабочее тело создает реактивную тягу.
Типичными органами управления реактором служат регулирующие стержни и поворотные барабаны, выполненные из вещества, поглощающего нейтроны (бора или кадмия). Стержни размещают непосредственно в активной зоне или в специальных нишах отражателя, а поворотные барабаны - на периферии реактора. Перемещением стержней или поворотом барабанов изменяют количество делящихся ядер в единицу времени, регулируя уровень энерговыделения реактора, и, следовательно, его тепловую мощность.
Для снижения интенсивности нейтронного и гамма-излучения, опасного для всего живого, в силовом корпусе размещают элементы первичной реакторной защиты.
Повышение эффективности
Жидкофазный ядерный двигатель принципом работы и устройством аналогичен твердофазным, но жидкообразное состояние топлива позволяет увеличить температуру протекания реакции, а, следовательно, тягу силового агрегата. Так если для химических агрегатов (ЖТРД и РДТТ) максимальный удельный импульс (скорость истечения реактивной струи) - 5 420 м/с, для твердофазных ядерных и 10 000м/с - далеко не предел, то среднее значение этого показателя для газофазных ЯРД лежит в диапазоне 30 000 - 50 000 м/с.
Существуют проекты газофазного ядерного двигателя двух типов:
Открытого цикла, при котором ядерная реакция протекает внутри плазменного облака из рабочего тела, удерживаемого электромагнитным полем и поглощающего все образовавшееся тепло. Температура может достигать нескольких десятков тысяч градусов. В этом случае активную область окружает термостойкое вещество (например, кварц) - ядерная лампа, свободно пропускающая излучаемую энергию.В установках второго типа температура протекания реакции будет ограничена температурой плавления материала колбы. При этом энергетическая эффективность ядерного космического двигателя несколько снижается (удельный импульс до 15 000 м/с), но повышается экономичность и радиационная безопасность.
Практические достижения
Формально, изобретателем силовой установки на атомной энергии принято считать американского ученого и физика Ричарда Фейнмана. Старт масштабных работ по разработке и созданию ядерных двигателей для космических кораблей в рамках программы Rover был дан в научно-исследовательском центре Лос-Аламос (США) в 1955 году. Американские изобретатели отдали предпочтение установкам с гомогенным ядерным реактором. Первый экспериментальный образец «Киви-А» был собран на заводе при атомном центре в Альбукерке (Нью-Мексико, США) и испытан в 1959 году. Реактор располагался на стенде вертикально соплом вверх. В ходе испытаний нагретая струя отработанного водорода выбрасывалась непосредственно в атмосферу. И хотя ректор проработал на малой мощности всего лишь около 5 минут, успех вдохновил разработчиков.
В Советском Союзе мощный импульс подобным исследованиям придала состоявшаяся в 1959 году в Институте атомной энергии встреча «трех великих К» - создателя атомной бомбы И. В. Курчатова, главного теоретика отечественной космонавтики М. В. Келдыша и генерального конструктора советских ракет С. П. Королева. В отличие от американского образца советский двигатель РД-0410, разработанный в конструкторском бюро объединения «Химавтоматика» (Воронеж), имел гетерогенный реактор. Огневые испытания состоялись на полигоне вблизи г. Семипалатинска в 1978 году.
Стоит отметить, что теоретических проектов было создано довольно много, но до практической реализации дело так и не дошло. Причинами тому послужило наличие огромного количества проблем в материаловедении, нехватка человеческих и финансовых ресурсов.
Для заметки: важным практическим достижением стало проведение летных испытаний самолетов с ядерным двигателем. В СССР наиболее перспективным был экспериментальный стратегический бомбардировщик Ту-95ЛАЛ, в США - В-36.
Проект "Орион" или импульсные ЯРД
Для полетов в космосе ядерный двигатель импульсного действия впервые предложил использовать в 1945 году американский математик польского происхождения Станислав Улам. В последующее десятилетие идею развили и доработали Т. Тейлор и Ф. Дайсон. Суть сводится к тому, что энергия небольших ядерных зарядов, подрываемых на некотором расстоянии от толкающей платформы на днище ракеты, сообщает ей большое ускорение.
В ходе стартовавшего в 1958 году проекта «Орион» именно таким двигателем планировалось оснастить ракету, способную доставить людей на поверхность Марса или орбиту Юпитера. Экипаж, размещенный в носовом отсеке, был бы защищен от разрушительных воздействий гигантских ускорений демпфирующим устройством. Результатом детальной инженерной проработки стали маршевые испытания масштабного макета корабля для изучения устойчивости полета (вместо ядерных зарядов использовалась обычная взрывчатка). Из-за дороговизны проект был закрыт в 1965 году.
Схожие идеи создания «взрыволета» высказывал и советский академик А. Сахаров в июле 1961 года. Для вывода корабля на орбиту ученый предлагал использовать обычные ЖТРД.
Альтернативные проекты
Огромное количество проектов так и не вышли за рамки теоретических изысканий. Среди них было немало оригинальных и очень перспективных. Подтверждением служит идея силовой ядерной установки на делящихся фрагментах. Конструктивные особенности и устройство этого двигателя позволяют обходиться вообще без рабочего тела. Реактивная струя, обеспечивающая необходимые тяговые характеристики, формируется из отработанного ядерного материала. В основе реактора лежат вращающиеся диски с подкритической ядерной массой (коэффициент деления атомов меньше единицы). При вращении в секторе диска, находящегося в активной зоне, запускается цепная реакция и распадающиеся высокоэнергетические атомы направляются в сопло двигателя, образуя реактивную струю. Сохранившиеся целые атомы примут участие в реакции при следующих оборотах топливного диска.
Вполне работоспособны проекты ядерного двигателя для кораблей, выполняющих определенные задачи в околоземном пространстве, на базе РИТЭГов (радиоизотопных термоэлектрических генераторов), но для осуществления межпланетных, а тем более межзвездных перелетов такие установки малоперспективны.
Огромный потенциал у двигателей, работающих на ядерном синтезе. Уже на сегодняшнем этапе развития науки и техники вполне реализуема импульсная установка, в которой, подобно проекту «Орион», под днищем ракеты будут подрываться термоядерные заряды. Впрочем, и осуществление управляемого ядерного синтеза многие специалисты считают делом недалекого будущего.
Достоинства и недостатки ЯРД
К бесспорным преимуществам использования ядерных двигателей в качестве силовых агрегатов для космических летательных аппаратов следует отнести их высокую энергетическую эффективность, обеспечивающую высокий удельный импульс и хорошие тяговые показатели (до тысячи тонн в безвоздушном пространстве), внушительный энергозапас при автономной работе. Современный уровень научно-технического развития позволяет обеспечить сравнительную компактность такой установки.
Основной недостаток ЯРД, послуживший причиной сворачивания проектно-исследовательских работ - высокая радиационная опасность. Это особенно актуально при проведении наземных огневых тестов в результате которых возможно попадание в атмосферу вместе с рабочим телом и радиоактивных газов, соединений урана и его изотопов, и разрушающее воздействие проникающей радиации. По этим же причинам неприемлем старт космического корабля, оборудованного ядерным двигателем, непосредственно с поверхности Земли.
Настоящее и будущее
По заверениям академика РАН, генерального директора «Центра Келдыша» Анатолия Коротеева, принципиально новый тип ядерного двигателя в России будет создан уже в ближайшее время. Суть подхода заключается в том, энергия космического реактора будет направлена не на непосредственный нагрев рабочего тела и формирования реактивной струи, а для производства электричества. Роль движителя в установке отводится плазменному двигателю, удельная тяга которого в 20 раз превышает тягу существующих на сегодняшний день химических реактивных аппаратов. Головным предприятием проекта выступает подразделение госкорпорации «Росатом» АО «НИКИЭТ» (Москва).
Полномасштабные макетные тесты были успешно пройдены еще в 2015 году на базе НПО «Машиностроения» (Реутов). Датой начала летно-конструкторских испытаний ядерной энергоустановки назван ноябрь нынешнего года. Важнейшие элементы и системы должны будут пройти проверку, в том числе и на борту МКС.
Функционирование нового российского ядерного двигателя происходит по замкнутому циклу, что полностью исключает попадание радиоактивных веществ в окружающее пространство. Массовые и габаритные характеристики основных элементов энергетической установки обеспечивают ее использование с существующими отечественными ракето-носителями «Протон» и «Ангара».
Россия была и сейчас остается лидером в области ядерной космической энергетики. Опыт проектирования, строительства, запуска и эксплуатации космических аппаратов, оснащенных ядерным источником электроэнергии, имеют такие организации, как РКК «Энергия» и «Роскосмос». Ядерный двигатель позволяет эксплуатировать летательные аппараты многие годы, многократно повышая их практическую пригодность.
Историческая летопись
В то же время доставка исследовательского аппарата на орбиты дальних планет Солнечной системы требует увеличения ресурса такой ядерной установки до 5-7 лет. Доказано, что комплекс с ЯЭРДУ мощностью порядка 1 МВт в составе исследовательского КА позволит обеспечить ускоренную доставку за 5-7 лет на орбиты искусственных спутников наиболее удаленных планет, планетоходов на поверхность естественных спутников этих планет и доставку на Землю грунта с комет, астероидов, Меркурия и спутников Юпитера и Сатурна.
Многоразовый буксир (МБ)
Одним из важнейших способов повышения эффективности транспортных операций в космосе является многоразовое использование элементов транспортной системы. Ядерный двигатель для космических кораблей мощностью не менее 500 кВт позволяет создать многоразовый буксир и тем самым значительно повысить эффективность многозвенной космической транспортной системы. Особенно полезна такая система в программе обеспечения больших годовых грузопотоков. Примером может стать программа освоения Луны с созданием и обслуживанием постоянно наращиваемой обитаемой базы и экспериментальных технологических и производственных комплексов.
Расчет грузооборота
Согласно проектным проработкам РКК «Энергия», при строительстве базы на поверхность Луны должны доставляться модули массой порядка 10 т, на орбиту Луны - до 30 т. Суммарный грузопоток с Земли при строительстве обитаемой лунной базы и посещаемой лунной орбитальной станции оценивается в 700-800 т, а годовой грузопоток для обеспечения функционирования и развития базы - 400-500 т.
Однако принцип работы ядерного двигателя не позволяет разогнать транспортник достаточно быстро. Из-за длительного времени транспортировки и, соответственно, значительного времени нахождения полезного груза в радиационных поясах Земли не все грузы могут быть доставлены с использованием буксиров с ядерным двигателем. Поэтому грузопоток, который может быть обеспечен на основе ЯЭРДУ, оценивается лишь в 100-300 т/год.
Экономическая эффективность
В качестве критерия экономической эффективности межорбитальной транспортной системы целесообразно использовать значение удельной стоимости транспортировки единицы массы полезного груза (ПГ) с поверхности Земли на целевую орбиту. РКК «Энергия» была разработана экономико-математическая модель, учитывающая основные составляющие затрат в транспортной системе:
- на создание и выведение на орбиту модулей буксира;
- на закупку рабочей ядерной установки;
- эксплуатационные затраты, а также расходы на проведение НИОКР и возможные капитальные затраты.
Стоимостные показатели зависят от оптимальных параметров МБ. С использованием этой модели была исследована сравнительная экономическая эффективность применения многоразового буксира на основе ЯЭРДУ мощностью порядка 1 МВт и одноразового буксира на основе перспективных жидкостных в программе обеспечения доставки с Земли на орбиту Луны высотой 100 км полезного груза суммарной массой 100 т/год. При использовании одной и той же ракеты-носителя грузоподъемностью, равной грузоподъемности РН «Протон-М», и двухпусковой схемы построения транспортной системы удельная стоимость доставки единицы массы полезного груза с помощью буксира на основе ядерного двигателя будет в три раза ниже, чем при использовании одноразовых буксиров на основе ракет с жидкостными двигателями типа ДМ-3.
Вывод
Эффективный ядерный двигатель для космоса способствует решению экологических проблем Земли, полету человека к Марсу, созданию системы беспроводной передачи энергии в космосе, реализации с повышенной безопасностью захоронения в космосе особо опасных радиоактивных отходов наземной атомной энергетики, созданию обитаемой лунной базы и началу промышленного освоения Луны, обеспечению защиты Земли от астероидно-кометной опасности.
Уже в конце нынешнего десятилетия в России может быть создан космический корабль для межпланетных путешествий на ядерной тяге. И это резко изменит ситуацию и в околоземном пространстве, и на самой Земле.
Ядерная энергодвигательная установка (ЯЭДУ) будет готова к полету уже в 2018 году. Об этом сообщил директор Центра имени Келдыша, академик Анатолий Коротеев . «Мы должны подготовить первый образец (ядерной энергетической установки мегаваттного класса. – Прим. "Эксперта Online") к летно-конструкторским испытаниям в 2018 году. Полетит она или нет, это другое дело, там может быть очередь, но она должна быть готова к полету», – передало его слова РИА « Новости» . Сказанное означает, что один из самых амбициозных советско-российских проектов в области освоения космоса вступает в фазу непосредственной практической реализации.
Суть этого проекта, корни которого уходят еще в середину прошлого века, вот в чем. Сейчас полеты в околоземное пространство осуществляются на ракетах, которые движутся за счет сгорания в их двигателях жидкого или твердого топлива. По сути, этот тот же двигатель, что и в автомобиле. Только в автомобиле бензин, сгорая, толкает поршни в цилиндрах, передавая через них свою энергию колесам. А в ракетном двигателе сгорающие керосин или гептил непосредственно толкают ракету вперед.
За прошедшие полвека эта ракетная технология была отработана во всем мире до мелочей. Но и сами ракетостроители признают, что . Совершенствовать – да, нужно. Пытаться увеличить грузоподъемность ракет с нынешних 23 тонн до 100 и даже 150 тонн на основе «усовершенствованных» двигателей сгорания – да, нужно пытаться. Но это тупиковый путь с точки зрения эволюции. «Сколько бы специалисты всего мира по ракетным двигателям ни трудились, максимальный эффект, который мы получим, будет исчисляться долями процентов. Из существующих ракетных двигателей, будь это жидкостные или твердотопливные, грубо говоря, выжато все, и попытки увеличения тяги, удельного импульса просто бесперспективны. Ядерные же энергодвигательные установки дают увеличение в разы. На примере полета к Марсу – сейчас надо лететь полтора-два года туда и обратно, а можно будет слетать за два-четыре месяца », – оценивал в свое время ситуацию экс-глава Федерального космического агентства России Анатолий Перминов .
Поэтому ещё в 2010 году, тогдашнем президентом России, а ныне премьер-министром Дмитрием Медведевым было дано распоряжение к концу этого десятилетия создать в нашей стране космический транспортно-энергетический модуль на основе ядерной энергетической установки мегаваттного класса. На разработку этого проекта до 2018 года из средств федерального бюджета, «Роскосмоса» и «Росатома» запланировано выделить 17 млрд рублей. 7,2 млрд из этой суммы выделено госкопорации «Росатом» на создание реакторной установки (этим занимается Научно-исследовательский и конструкторский институт энерготехники имени Доллежаля), 4 млрд – Центру имени Келдыша на создание ядерной энергодвигательной установки. 5,8 млрд рублей предназначается РКК «Энергия» для создания транспортно-энергетического модуля, то есть, проще говоря, ракеты-корабля.
Естественно, все эти работы делаются не на пустом месте. С 1970 по 1988 годы в космос только СССР запустил более трех десятков спутников-шпионов, оснащенных ядерными силовыми установками малой мощности типа «Бук» и «Топаз». Они использовались при создании всепогодной системы наблюдения за надводными целями на всей акватории Мирового океана и выдачи целеуказания с передачей на носители оружия или командные пункты – система морской космической разведки и целеуказания «Легенда» (1978 год).
NASA и американские компании, производящие космические аппараты и средства их доставки, так и не смогли за это время, хоть и трижды пытались, создать ядерный реактор, который бы устойчиво работал в космосе. Поэтому в 1988 году через ООН был проведен запрет на использование космических аппаратов с ядерными энергетическими двигательными установками, и производство спутников типа УС-А с ЯЭДУ на борту в Советском Союзе было прекращено.
Параллельно в 60-70-е годы прошлого века Центр имени Келдыша вел активные работы по созданию ионного двигателя (электроплазменного двигателя), который наиболее подходит для создания двигательной установки большой мощности, работающей на ядерном топливе. Реактор выделяет тепло, оно генератором преобразуется в электричество. С помощью электричества инертный газ ксенон в таком двигателе сначала ионизируется, а затем положительно заряженные частицы (положительные ионы ксенона) ускоряются в электростатическом поле до заданной скорости и создают тягу, покидая двигатель. Вот такой принцип работы ионного двигателя, прототип которого уже создан в Центре имени Келдыша.
«В 90-х годах XX века мы в Центре Келдыша возобновили работы по ионным двигателям. Сейчас должна быть создана новая кооперация для такого мощного проекта. Уже есть прототип ионного двигателя, на котором можно отрабатывать основные технологические и конструктивные решения. А штатные изделия еще нужно создавать. У нас срок определен – к 2018 году изделие должно быть готово к летным испытаниям, а к 2015 году должна быть завершена основная отработка двигателя. Дальше – ресурсные испытания и испытания всего агрегата в целом », – отмечал в прошлом году начальник отдела электрофизики Исследовательского центра имени М.В. Келдыша, профессор факультета аэрофизики и космических исследований МФТИ Олег Горшков.
Какая практическая польза России от этих разработок? Эта польза намного превышает те 17 млрд рублей, которые государство намерено потратить до 2018 года на создание ракеты-носителя с ядерной силовой установкой на борту мощностью 1 МВт. Во-первых, это резкое расширение возможностей нашей страны и человечества вообще. Космический корабль с ядерным двигателем дает реальные возможности людям совершить и другим планетам. Сейчас многие страны таких кораблей. Возобновились они и в США в 2003 году, после того как к американцам попали два образца российских спутников с ядерными силовыми установками.
Однако, несмотря на это, член спецкомиссии NASA по пилотируемым полетам Эдвард Кроули, например, считает, что на корабле для международного полета к Марсу должны стоять российские ядерные двигатели. «Востребован российский опыт в сфере разработки ядерных двигателей. Я думаю, у России есть очень большой опыт как в разработке ракетных двигателей, так и в ядерных технологиях. У нее есть также большой опыт адаптации человека к условиям космоса, поскольку российские космонавты совершали очень долгие полеты », – сказал Кроули журналистам весной прошлого года после лекции в МГУ, посвященной американским планам пилотируемых исследований космоса.
Во-вторых , такие корабли позволяют резко активизировать деятельность и в околоземном пространстве и дают реальную возможность началу колонизации Луны (уже есть проекты строительства на спутнике Земли атомных станций). «Использование ядерных энергодвигательных установок рассматривается для больших пилотируемых систем, а не для малых космических аппаратов, которые могут летать на других типах установок, использующих ионные двигатели или энергию солнечного ветра. Использовать ЯЭДУ с ионными двигателями можно на межорбитальном многоразовом буксире. К примеру, возить грузы между низкими и высокими орбитами, осуществлять полеты к астероидам. Можно создать многоразовый лунный буксир или отправить экспедицию на Марс », – считает профессор Олег Горшков. Подобные корабли резко меняют экономику освоения космоса. По расчетам специалистов РКК «Энергия», ракета-носитель на ядерной тяге обеспечивает снижение стоимости выведения полезного груза на окололунную орбиту более чем в два раза по сравнению с жидкостными ракетными двигателями.
В-третьих , это новые материалы и технологии, которые будут созданы в ходе реализации этого проекта и затем внедрены в другие отрасли промышленности – металлургию, машиностроение и т.д. То есть это один из таких прорывных проектов, которые реально могут толкнуть вперед и российскую, и мировую экономику.