Идея бросать за корму атомные бомбы в оказалась слишком брутальной, но объемы энергии, которые дает реакция ядерного расщепления, не говоря уже о синтезе, крайне привлекательны для космонавтики. Поэтому было создано множество не-импульсных систем, избавленных от проблем с хранением сотен ядерных бомб на борту и циклопических амортизаторов. О них сегодня мы и поговорим.
Ядерная физика на пальцах
Что такое ядерная реакция? Если объяснять очень просто, картина будет примерно следующая. Из школьной программы мы помним, что вещество состоит из молекул, молекулы из атомов, а атомы - из протонов, электронов и нейтронов (есть уровни ниже, но нам хватит и этого). Некоторые тяжелые атомы имеют интересное свойство - если в них попадает нейтрон, они распадаются на более легкие атомы и выпускают несколько нейтронов. Если эти выпущенные нейтроны попадут в находящиеся рядом другие тяжелые атомы, распад повторится, и мы получим цепную ядерную реакцию. Движение нейтронов с большой скоростью означает, что это движение превращается в тепло при замедлении нейтронов. Поэтому атомный реактор - это очень мощный нагреватель. Им можно кипятить воду, полученный пар направить на турбину, и получить атомную электростанцию. А можно нагревать водород и выбрасывать его наружу, получив ядерный реактивный двигатель. Из этой идеи родились первые двигатели - NERVA и РД-0410.
NERVA
История проекта
Формальное авторство (патент) на изобретение атомного ракетного двигателя принадлежит Ричарду Фейнману, согласно его же мемуарам "Вы, конечно же шутите, мистер Фейнман". Книга, кстати, всячески рекомендуется к прочтению. Лос-Аламосская лаборатория стала разрабатывать ядерные ракетные двигатели в 1952 году. В 1955 году Был начат проект Rover. На первом этапе проекта, KIWI, было построено 8 экспериментальных реакторов и с 1959 по 1964 год изучалась продувка рабочего тела сквозь активную зону реактора. Для временнОй привязки, проект "Орион" существовал с 1958 по 1965 год. У "Ровера" были второй и третий этапы, изучавшие реакторы большей мощности, но NERVA базировалась на KIWI из-за планов первого испытательного пуска в космосе в 1964 году - более продвинутые варианты не было времени отрабатывать. Сроки постепенно съехали и первый наземный пуск двигателя NERVA NRX/EST (EST - Engine System Test - тест двигательной системы) состоялся в 1966 году. Двигатель успешно проработал два часа, из которых 28 минут составила работа на полной тяге. Второй двигатель NERVA XE был запущен 28 раз и проработал в общей сложности 115 минут. Двигатель был признан пригодным для космической техники, а испытательный стед был готов к испытаниям новых собранных двигателей. Казалось, что NERVA ждет блестящее будущее - полёт на Марс в 1978, постоянная база на Луне в 1981, орбитальные буксиры. Но успех проекта вызвал панику в Конгрессе - лунная программа оказалась очень дорогой для США, марсианская программа оказалась бы ещё дороже. В 1969 и 1970 годах финансирование космоса серьезно сокращалось - были отменены "Аполлоны" - 18, 19 и 20, и огромные объемы денег на марсианскую программу никто бы не стал выделять. В итоге работа по проекту велась без серьезной подпитки деньгами и он был закрыт в 1972 году.Конструкция
Водород из бака поступал в реактор, нагревался там, и выбрасывался наружу, создавая реактивную тягу. Водород был выбран как рабочее тело потому, что у него легкие атомы, и их проще разогнать до большой скорости. Чем больше скорость реактивного выхлопа - тем эффективнее ракетный двигатель.
Отражатель нейтронов использовался для того, чтобы нейтроны возвращались обратно в реактор для поддержания цепной ядерной реакции.
Управляющие стержни использовались для управления реактором. Каждый такой стержень состоял из двух половин - отражателя и поглотителя нейтронов. Когда стержень поворачивался отражателем нейтронов, их поток в реакторе увеличивался и реактор повышал теплоотдачу. Когда стержень поворачивался поглотителем нейтронов, их поток в реакторе уменьшался, и реактор понижал теплоотдачу.
Водород также использовался для охлаждения сопла, а теплый водород от системы охлаждения сопла вращал турбонасос для подачи новых порций водорода.
Двигатель в работе. Водород поджигался специально на выходе из сопла во избежание угрозы взрыва, в космосе горения бы не было.
Двигатель NERVA создавал тягу 34 тонны, примерно в полтора раза меньше двигателя J-2, стоявшего на второй и третьей ступенях ракеты "Сатурн-V". Удельный импульс составлял 800-900 секунд, что было в два раза больше лучших двигателей на топливной паре "кислород-водород", но меньше ЭРД или двигателя "Ориона".
Немного о безопасности
Только что собранный и не запущенный ядерный реактор с новыми, ещё не работавшими топливными сборками достаточно чист. Уран ядовит, поэтому необходимо работать в перчатках, но не более. Никаких дистанционных манипуляторов, свинцовых стен и прочего не нужно. Вся излучающая грязь появляется уже после запуска реактора из-за разлетающихся нейтронов, "портящих" атомы корпуса, теплоносителя и т.п. Поэтому, в случае аварии ракеты с таким двигателем радиационное заражение атмосферы и поверхности было бы небольшим, и конечно же, было бы сильно меньше штатного старта "Ориона". В случае же успешного старта заражение было бы минимальным или вообще отсутствовало, потому что двигатель должен был бы запускаться в верхних слоях атмосферы или уже в космосе.РД-0410
Советский двигатель РД-0410 имеет похожую историю. Идея двигателя родилась в конце 40-х годов среди пионеров ракетной и ядерной техники. Как и в проекте Rover первоначальной идеей была атомный воздушно-реактивный двигатель для первой ступени баллистической ракеты, затем разработка перешла в космическую отрасль. РД-0410 разрабатывался медленнее, отечественные разработчики увлеклись идеей газофазного ЯРД (об этом будет ниже). Проект был начат в 1966 году и продолжался до середины 80-х годов. В качестве цели для двигателя называлась миссия "Марс-94" - пилотируемый полёт на Марс в 1994 году.
Схема РД-0410 аналогична NERVA - водород проходит через сопло и отражатели, охлаждая их, подается в активную зону реактора, нагревается там и выбрасывается.
По своим характеристикам РД-0410 был лучше NERVA - температура активной зоны реактора составляла 3000 К вместо 2000 К у NERVA, а удельный импульс превышал 900 с. РД-0410 был легче и компактней NERVA и развивал тягу в десять раз меньше.
Испытания двигателя. Боковой факел слева внизу поджигает водород во избежание взрыва.
Развитие твердофазных ЯРД
Мы помним, что чем выше температура в реакторе, тем больше скорость истечения рабочего тела и тем выше удельный импульс двигателя. Что мешает повысить температуру в NERVA или РД-0410? Дело в том, что в обоих двигателях тепловыделяющие элементы находятся в твердом состоянии. Если повысить температуру, они расплавятся и вылетят наружу вместе с водородом. Поэтому для бОльших температур необходимо придумать какой-то другой способ осуществления цепной ядерной реакции.Двигатель на солях ядерного топлива
В ядерной физике есть такое понятие как критическая масса. Вспомните цепную ядерную реакцию в начале поста. Если делящиеся атомы находятся очень близко друг к другу (например, их обжали давлением от специального взрыва), то получится атомный взрыв - очень много тепла в очень небольшие сроки. Если атомы обжаты не так плотно, но поток новых нейтронов от деления растет, получится тепловой взрыв. Обычный реактор в таких условиях выйдет из строя. А теперь представим, что мы берем водный раствор делящегося материала (например, солей урана) и подаем их непрерывно в камеру сгорания, обеспечивая там массу больше критической. Получится непрерывно горящая ядерная "свечка", тепло от которой разгоняет прореагировавшее ядерное топливо и воду.
Идея была предложена в 1991 году Робертом Зубриным и, по различным подсчетам, обещает удельный импульс от 1300 до 6700 с при тяге, измеряющейся тоннами. К сожалению, подобная схема имеет и недостатки:
- Сложность хранения топлива - необходимо избегать цепной реакции в баке, размещая топливо, например, в тонких трубках из поглотителя нейтронов, поэтому баки будут сложными, тяжелыми и дорогими.
- Большой расход ядерного топлива - дело в том, что КПД реакции (количество распавшихся/количество потраченных атомов) будет очень низким. Даже в атомной бомбе делящийся материал "сгорает" не полностью, тут же бОльшая часть ценного ядерного топлива будет выбрасываться впустую.
- Наземные тесты практически невозможны - выхлоп такого двигателя будет очень грязным, грязнее даже "Ориона".
- Есть некоторые вопросы насчет контроля ядерной реакции - не факт, что простая в словесном описании схема будет легкой в технической реализации.
Газофазные ЯРД
Следующая идея: а что, если мы создадим вихрь рабочего тела, в центре которого будет идти ядерная реакция? В этом случае высокая температура активной зоны не будет доходить до стенок, поглощаясь рабочим телом, и её можно будет поднять до десятков тысяч градусов. Так родилась идея газофазного ЯРД открытого цикла:
Газофазный ЯРД обещает удельный импульс до 3000-5000 секунд. В СССР был начат проект газофазного ЯРД (РД-600), но он не дошёл даже до стадии макета.
"Открытый цикл" означает, что ядерное топливо будет выбрасываться наружу, что, конечно, снижает КПД. Поэтому была придумана следующая идея, диалектически вернувшаяся к твердофазным ЯРД - давайте окружим область ядерной реакции достаточно термостойким веществом, которое будет пропускать излучаемое тепло. В качестве такого вещества предложили кварц, потому что при десятках тысяч градусов тепло передается излучением и материал контейнера должен быть прозрачным. Получился газофазный ЯРД закрытого цикла, или же "ядерная лампочка":
В этом случае ограничением для температуры активной зоны будет термическая прочность оболочки "лампочки". Температура плавления кварца 1700 градусов Цельсия, с активным охлаждением температуру можно повысить, но, в любом случае, удельный импульс будет ниже открытой схемы (1300-1500 с), но ядерное топливо будет расходоваться экономней, и выхлоп будет чище.
Альтернативные проекты
Кроме развития твердофазных ЯРД есть и оригинальные проекты.Двигатель на делящихся фрагментах
Идея этого двигателя заключается в отсутствии рабочего тела - им служит выбрасываемое отработанное ядерное топливо. В первом случае из делящихся материалов делаются подкритические диски, которые не запускают цепную реакцию сами по себе. Но если диск поместить в реакторную зону с отражателями нейтронов, запустится цепная реакция. А вращение диска и отсутствие рабочего тела приведет к тому, что распавшиеся высокоэнергетические атомы улетят в сопло, генерируя тягу, а не распавшиеся атомы останутся на диске и получат шанс при следующем обороте диска:
Ещё более интересная идея состоит в создании пылевой плазмы (вспомним на МКС) из делящихся материалов, в которой продукты распада наночастиц ядерного топлива ионизируются электрическим полем и выбрасываются наружу, создавая тягу:
Обещают фантастический удельный импульс в 1 000 000 секунд. Энтузиазм охлаждает тот факт, что разработка находится на уровне теоретических изысканий.
Двигатели на ядерном синтезе
В ещё более отдаленной перспективе создание двигателей на ядерном синтезе. В отличие от реакций распада ядер, где атомные реакторы были созданы почти одновременно с бомбой, термоядерные реакторы до сих пор не передвинулись из "завтра" в "сегодня" и использовать реакции синтеза можно только в стиле "Ориона" - бросаясь термоядерными бомбами.Ядерная фотонная ракета
Теоретически можно разогреть активную зону до такой степени, что тягу можно будет создавать, отражая фотоны. Несмотря на отсутствие технических ограничений, подобные двигатели на текущем уровне технологии невыгодны - тяга будет слишком маленькой.Радиоизотопная ракета
Вполне рабочим будет ракета, нагревающая рабочее тело от РИТЭГа. Но РИТЭГ выделяет сравнительно мало тепла, поэтому такой двигатель будет очень малоэффективным, хотя и очень простым.Заключение
На текущем уровне технологии можно собрать твердотельный ЯРД в стиле NERVA или РД-0410 - технологии освоены. Но такой двигатель будет проигрывать связке "атомный реактор+ЭРД" по удельному импульсу, выигрывая по тяге. А более продвинутые варианты есть пока только на бумаге. Поэтому лично мне более перспективной кажется связка "реактор+ЭРД".Источники информации
Главный источник информации - английская Википедия и ресурсы, указанные в ней как ссылки. Как ни парадоксально, но любопытные статьи по ЯРД есть на Традиции - твердофазный ЯРД и газофазный ЯРД . Статья про двигатели наОсторожно много букв.
Летный образец космического аппарата с ядерной энергодвигательной установкой (ЯЭДУ) в России планируется создать к 2025 году. Соответствующие работы заложены в проекте Федеральной космической программы на 2016–2025 годы (ФКП-25), направленной Роскосмосом на согласование в министерства.
Ядерные системы электроэнергии считают основными перспективными источниками энергии в космосе при планировании масштабных межпланетных экспедиций. Обеспечить мегаваттные мощности в космосе в перспективе позволит ЯЭДУ, созданием которой сейчас занимаются предприятия «Росатома».
Все работы по созданию ЯЭДУ идут в соответствии с запланированными сроками. Мы можем с большой долей уверенности говорить, что работы будут сданы в срок, предусмотренный целевой программой, - говорит руководитель проекта департамента коммуникаций госкорпорации «Росатом» Андрей Иванов.
За последнее время в рамках проекта пройдено два важных этапа: создана уникальная конструкция тепловыделяющего элемента, обеспечивающая работоспособность в условиях высоких температур, больших градиентов температур, высокодозного облучения. Также успешно завершены технологические испытания корпуса реактора будущего космического энергоблока. В рамках этих испытаний корпус подвергали избыточному давлению и проводили 3D-измерения в зонах основного металла, кольцевого сварного соединения и конического перехода.
Принцип действия. История создания.
С атомным реактором для космического применения нет принципиальных затруднений. В период с 1962 по 1993 год в нашей стране был накоплен богатый опыт производства аналогичных установок. Похожие работы велись и в США. С начала 1960-х годов в мире было разработано несколько типов электрореактивных двигателей: ионный, стационарный плазменный, двигатель с анодным слоем, импульсный плазменный двигатель, магнитоплазменный, магнитоплазмодинамический.
Работы по созданию ядерных двигателей для космических аппаратов активно велись в СССР и США в прошлом веке: американцы закрыли проект в 1994 году, СССР - в 1988-м. Закрытию работ во многом способствовала чернобыльская катастрофа, которая негативно настроила общественное мнение в отношении использования ядерной энергии. К тому же испытания ядерных установок в космосе не всегда проходили штатно: в 1978 году советский спутник «Космос-954» вошел в атмосферу и развалился, разбросав тысячи радиоактивных осколков на территории в 100 тыс. кв. км в северо-западных районах Канады. Советский Союз выплатил Канаде денежную компенсацию в объеме более $10 млн.
В мае 1988 года две организации - Федерация американских ученых и Комитет советских ученых за мир против ядерной угрозы - сделали совместное предложение о запрещении использования ядерной энергии в космосе. Формальных последствий то предложение не получило, однако с тех пор ни одна страна не производила запусков космических аппаратов с ядерными энергетическими установками на борту.
Большими достоинствами проекта являются практически важные эксплуатационные характеристики - высокий ресурс (10 лет эксплуатации), значительный межремонтный интервал и продолжительное время работы на одном включении.
В 2010 году были сформулированы технические предложения по проекту. С этого года началось проектирование.
ЯЭДУ содержит три главные устройства: 1) реакторную установку с рабочим телом и вспомогательными устройствами (теплообменник-рекуператор и турбогенератор-компрессор); 2) электроракетную двигательную установку; 3) холодильник-излучатель.
Реактор.
С физической точки зрения это компактный газоохлаждаемый реактор на быстрых нейтронах.
В качестве топлива используется соединение (диоксид или карбонитрид) урана, но, поскольку конструкция должна быть очень компактной, уран имеет более высокое обогащение по изотопу 235, чем в твэлах на обычных (гражданских) атомных станциях, возможно, выше 20%. А оболочка их - монокристаллический сплав тугоплавких металлов на основе молибдена.
Этому топливу придется работать при очень высоких температурах. Поэтому необходимо было выбрать такие материалы, которые смогут сдерживать негативные факторы, связанные с температурой, и в то же время позволят топливу выполнять его основную функцию - нагревать газовый теплоноситель, с помощью которого будет производиться электроэнергия.
Холодильник.
Охлаждение газа в процессе работы ядерной установки совершенно необходимо. Как же сбрасывать тепло в открытом космосе? Единственная возможность - охлаждение излучением. Нагретая поверхность в пустоте охлаждается, излучая электромагнитные волны в широком диапазоне, в том числе видимый свет. Уникальность проекта в использовании специального теплоносителя - гелий-ксеноновой смеси. В установке обеспечивается высокий коэффициент полезного действия.
Двигатель.
Принцип действия ионного двигателя следующий. В газоразрядной камере с помощью анодов и катодного блока, расположенных в магнитном поле, создается разреженная плазма. Из нее эмиссионным электродом "вытягиваются" ионы рабочего тела (ксенона или другого вещества) и ускоряются в промежутке между ним и ускоряющим электродом.
Для реализации задуманного в период с 2010 по 2018 год было обещано 17 млрд рублей. Из этих средств 7,245 млрд рублей предназначались госкорпорации "Росатом" на создание самого реактора. Другие 3,955 млрд - ФГУП "Центр Келдыша" на создание ядерной - энергодвигательной установки. Еще 5,8 млрд рублей - для РКК "Энергия", где в те же сроки предстоит сформировать рабочий облик всего транспортно-энергетического модуля.
По планам, к концу 2017 года будет осуществлена подготовка ядерной энергодвигательной установки для комплектации транспортно-энергетического модуля (перелетного межпланетного модуля). К концу 2018 года ЯЭДУ будет подготовлена к летно-конструкторским испытаниям. Финансирование проекта осуществляется за счет средств федерального бюджета.
Не секрет, что работы по созданию ядерных ракетных двигателей были начаты в США и в СССР еще в 60-х годах прошлого века. Как далеко они продвинулись? И с какими проблемами пришлось столкнуться на этом пути?
Анатолий Коротеев: Действительно, работы по использованию ядерной энергии в космосе были начаты и активно велись у нас и в США в 1960-70-е годы.
Первоначально была поставлена задача создать ракетные двигатели, которые вместо химической энергии сгорания горючего и окислителя использовали бы нагрев водорода до температуры около 3000 градусов. Но оказалось, что такой прямой путь все-таки неэффективен. Мы на короткое время получаем большие тяги, но при этом выбрасываем струю, которая в случае нештатной работы реактора может оказаться радиоактивно зараженной.
Определенный опыт был накоплен, но ни нам, ни американцам не удалось тогда создать надежных двигателей. Они работали, но мало, потому что нагреть водород до 3000 градусов в ядерном реакторе - серьезная задача. А кроме того, возникали проблемы экологического свойства во время наземных испытаний таких двигателей, поскольку радиоактивные струи выбрасывались в атмосферу. Уже не секрет, что подобные работы проводились на специально подготовленном для ядерных испытаний Семипалатинском полигоне, который остался в Казахстане.
То есть критичными оказались два параметра - запредельная температура и выбросы радиации?
Анатолий Коротеев: В общем, да. В силу этих и некоторых других причин работы у нас и в США были прекращены или приостановлены - оценивать можно по-разному. И возобновить их таким, я бы сказал, лобовым образом, чтобы сделать ядерный двигатель со всеми уже названными недостатками, нам показалось неразумным. Мы предложили совершенно иной подход. От старого он отличается тем же, чем отличается гибридный автомобиль от обычного. В обычном авто двигатель крутит колеса, а в гибридных - от двигателя вырабатывается электроэнергия, и уже это электричество крутит колеса. То есть создается некая промежуточная электростанция.
Вот и мы предложили схему, в которой космический реактор не нагревает струю, выбрасываемую из него, а вырабатывает электричество. Горячий газ от реактора крутит турбину, турбина крутит электрогенератор и компрессор, который обеспечивает циркуляцию рабочего тела по замкнутому контуру. Генератор же вырабатывает электричество для плазменного двигателя с удельной тягой в 20 раз выше, чем у химических аналогов.
Мудреная схема. По существу, это мини-АЭС в космосе. И в чем ее преимущества перед прямоточным ядерным двигателем?
Анатолий Коротеев: Главное - выходящая из нового двигателя струя не будет радиоактивной, поскольку через реактор проходит совершенно другое рабочее тело, которое содержится в замкнутом контуре.
Кроме того, нам не надо при этой схеме нагревать до запредельных значений водород: в реакторе циркулирует инертное рабочее тело, которое нагревается до 1500 градусов. Мы серьезно упрощаем себе задачу. И в итоге поднимем удельную тягу не в два раза, а в 20 раз по сравнению с химическими двигателями.
Немаловажно и другое: отпадает потребность в сложных натурных испытаниях, для которых нужна инфраструктура бывшего Семипалатинского полигона, в частности, та стендовая база, что осталась в городе Курчатове.
В нашем случае все необходимые испытания можно провести на территории России, не втягиваясь в длинные международные переговоры об использовании ядерной энергии за пределами своего государства.
Ведутся ли сейчас подобные работы в других странах?
Анатолий Коротеев: У меня была встреча с заместителем руководителя НАСА, мы обсуждали вопросы, связанные с возвращением к работам по ядерной энергии в космосе, и он заявил, что американцы проявляют к этому большой интерес.
Вполне возможно, что и Китай может ответить активными действиями со своей стороны, поэтому работать надо быстро. И не только ради того, чтобы опередить кого-то на полшага.
Работать надо быстро в первую очередь для того, чтобы в формирующейся международной кооперации, а де-факто она формируется, мы выглядели достойно.
Я не исключаю, что уже в ближайшей перспективе может быть инициирована международная программа по ядерной космической энергоустановке наподобие реализуемой сейчас программы по управляемому термоядерному синтезу.
Ракетный двигатель, рабочим телом в котором служит либо какое либо вещество (напр., водород), нагреваемое за счет энергии, выделяющейся при ядерной реакции или радиоактивном распаде, либо непосредственно продукты этих реакций. Различают… … Большой Энциклопедический словарь
Ракетный двигатель, рабочим телом в котором служит либо какое либо вещество (например, водород), нагреваемое за счёт энергии, выделяющейся при ядерной реакции или радиоактивном распаде, либо непосредственно продукты этих реакций. Находится в… … Энциклопедический словарь
ядерный ракетный двигатель - branduolinis raketinis variklis statusas T sritis Gynyba apibrėžtis Raketinis variklis, kuriame reaktyvinė trauka sudaroma vykstant branduolinei arba termobranduolinei reakcijai. Branduoliniams raketiniams varikliams sudaroma kur kas didesnė… … Artilerijos terminų žodynas
- (ЯРД) ракетный двигатель, в котором тяга создаётся за счёт энергии, выделяющейся при радиоактивном распаде или ядерной реакции. Соответственно типу происходящей в ЯРД ядерной реакции выделяют Радиоизотопный ракетный двигатель,… …
- (ЯРД) ракетный двигатель, в к ром источником энергии является ядерное топливо. В ЯРД с ядерным реак. тором теплота, выделяющаяся в результате цепной ядерной реакции, сообщается рабочему телу (напр., водороду). Активная зона ядерного реактора… …
Эту статью следует викифицировать. Пожалуйста, оформите её согласно правилам оформления статей. Ядерный ракетный двигатель на гомогенном растворе солей ядерного топлива (англ. … Википедия
Ядерный ракетный двигатель (ЯРД) разновидность ракетного двигателя, которая использует энергию деления или синтеза ядер для создания реактивной тяги. Бывают собственно реактивными (нагрев рабочего тела в ядерном реакторе и вывод газа через… … Википедия
Реактивный двигатель, источник энергии и рабочее тело которого находится в самом средстве передвижения. Ракетный двигатель единственный практически освоенный для вывода полезной нагрузки на орбиту искусственного спутника Земли и применения в… … Википедия
- (РД) Реактивный двигатель, использующий для своей работы только вещества и источники энергии, имеющиеся в запасе на перемещающемся аппарате (летательном, наземном, подводном). Т. о., в отличие от воздушно реактивных двигателей (См.… … Большая советская энциклопедия
Изотопный ракетный двигатель, ядерный ракетный двигатель, использующий энергию распада радиоактивных изотопов хим. элементов. Эта энергия служит для нагрева рабочего тела, либо же рабочим телом являются сами продукты распада, образующие… … Большой энциклопедический политехнический словарь
Безопасный способ использования ядерной энергии в космосе изобретен еще в СССР, и сейчас ведутся работы по созданию на его основе ядерной установки, сообщил генеральный директор Государственного научного центра РФ «Исследовательский центр имени Келдыша», академик Анатолий Коротеев.
«Сейчас институт активно в этом направлении работает в большой кооперации предприятий Роскосмоса и Росатома. И я надеюсь, что в установленные сроки мы здесь получим положительный эффект», – заявил А.Коротеев на ежегодных «Королевских чтениях» в МГТУ имени Баумана во вторник.
По его словам, «Центр имени Келдыша» изобрел схему безопасного использования ядерной энергии в космическом пространстве, которая позволяет обойтись без выбросов и работает по замкнутой схеме, что делает установку безопасной даже в случае отказа и падения ее на Землю.
«Эта схема в значительной степени снижает риск использования ядерной энергии, особенно с учетом того, что одним из основополагающих моментов является эксплуатация этой системы на орбитах выше 800-1000 км. Тогда, в случае отказа, время «высвечивания» такое, что оно делает безопасным возвращение через большой промежуток времени этих элементов на Землю», — уточнил ученый.
А.Коротеев сообщил, что ранее в СССР уже применялись космические аппараты, работающие на ядерной энергии, но они были потенциально опасными для Земли, и впоследствии от них пришлось отказаться. «СССР использовал ядерную энергию в космосе. В космосе было 34 космических аппарата с ядерной энергией, из которых 32 советских и два американских», — напомнил академик.
По его словам, разрабатываемая в России ядерная установка будет облегчена за счет использования бескаркасной системы охлаждения, при которой охладитель ядерного реактора будет циркулировать непосредственно в космическом пространстве без системы трубопроводов.
А ведь еще еще в начале 1960-х годов конструкторы рассматривали ядерные ракетные двигатели как единственную реальную альтернативу для путешествия к другим планетам Солнечной системы. Давайте узнаем историю этого вопроса.
Соревнование между СССР и США, в том числе и в космосе, шло в это время полным ходом, инженеры и ученые вступили в гонку по созданию ЯРД, военные тоже поддержали вначале проект ядерного ракетного двигателя. Поначалу задача казалась очень простой - нужно только сделать реактор, рассчитанный на охлаждение водородом, а не водой, пристроить к нему сопло, и - вперед, к Марсу! Американцы собирались на Марс лет через десять после Луны и не могли даже помыслить о том, что астронавты когда-нибудь его достигнут без ядерных двигателей.
Американцы очень быстро построили первый реактор-прототип и уже в июле 1959 года провели его испытания (они назывались KIWI-A). Эти испытания всего лишь показали, что реактор можно использовать для нагрева водорода. Конструкция реактора - с незащищенным топливом из оксида урана - не годилась для высоких температур, и водород нагревался всего до полутора тысяч градусов.
По мере накопления опыта конструкция реакторов для ядерного ракетного двигателя - ЯРД - усложнялась. Оксид урана был заменен на более термостойкий карбид, вдобавок его стали покрывать карбидом ниобия, но при попытках достигнуть проектной температуры реактор начинал разрушаться. Больше того, даже при отсутствии макроскопических разрушений происходила диффузия уранового топлива в охлаждающий водород, и потеря массы достигала 20% за пять часов работы реактора. Так и не был найден материал, способный работать при 2700-3000 0 С и противостоять разрушению горячим водородом.
Поэтому американцы приняли решение пожертвовать эффективностью и в проект летного двигателя заложили удельный импульс (тяга в килограммах силы, достигаемая при ежесекундном выбросе одного килограмма массы рабочего тела; единица измерений - секунда). 860 секунд. Это вдвое превышало соответствующий показатель кислород-водородных двигателей того времени. Но когда у американцев сталочто-то получаться, интерес к пилотируемым полетам уже упал, программа «Аполлон» была свернута, а в 1973 году окончательно закрыли проект «NERVA» (так назвали двигатель для пилотируемой экспедиции на Марс). Выиграв лунную гонку, американцы не захотели устраивать марсианскую.
Но уроки, извлеченные из десятка построенных реакторов и нескольких десятков проведенных испытаний, состояли в том, что американские инженеры слишком увлеклись натурными ядерными испытаниями, вместо того чтобы отрабатывать ключевые элементы без вовлечения ядерной технологии там, где этого можно избежать. А где нельзя - использовать стенды меньшего размера. Американцы почти все реакторы «гоняли» на полной мощности, но не смогли добраться до проектной температуры водорода - реактор начинал разрушаться раньше. Всего с 1955 по 1972 годы на программу ядерных ракетных двигателей было потрачено $1,4 млрд. - примерно 5% стоимости лунной программы.
Также в США был придуман проект «Орион», соединявший в себе оба варианта ЯРД (реактивный и импульсный). Сделано это было следующим образом: из хвостовой части корабля выбрасывались небольшие ядерные заряды мощностью около 100 тонн в тротиловом эквиваленте. Вслед за ними отстреливались металлические диски. На расстоянии от корабля производился подрыв заряда, диск испарялся, и вещество разлеталось в разные стороны. Часть его попадала в усиленную хвостовую часть корабля и двигала его вперед. Небольшую прибавку к тяге должно было давать испарение плиты, принимающей на себя удары. Удельная стоимость такого полета должна была быть всего 150 тогдашних долларов на килограмм полезной нагрузки.
Дошло даже до испытаний: опыт показал, что движение при помощи последовательных импульсов возможно, как и создание кормовой плиты достаточной прочности. Но проект «Орион» был закрыт в 1965 году как неперспективный. Тем не менее, это пока единственная существующая концепция, которая может позволить осуществлять экспедиции хотя бы по Солнечной системе.
В первой половине 1960-х годов советские инженеры рассматривали экспедицию на Марс как логичное продолжение разворачиваемой в то время программы полета человека на Луну. На волне воодушевления, вызванного приоритетом СССР в космосе, даже такие чрезвычайно сложные проблемы оценивались с повышенным оптимизмом.
Одной из самых главных проблем была (и остается по сей день) проблема энергодвигательного обеспечения. Было ясно, что ЖРД, даже перспективные кислородно-водородные, если и могут в принципе обеспечить пилотируемый полет на Марс, то только при огромных стартовых массах межпланетного комплекса, с большим количеством стыковок отдельных блоков на монтажной околоземной орбите.
В поисках оптимальных решений ученые и инженеры обратились к ядерной энергии, постепенно присматриваясь к этой проблеме.
В СССР исследования по проблемам использования энергии ядра в ракетно-космической технике начались во второй половине 50-х годов, еще до запуска первых ИСЗ. В нескольких научно-исследовательских институтах возникли небольшие группы энтузиастов, поставивших целью создание ракетных и космических ядерных двигателей и энергоустановок.
Конструкторы ОКБ-11 С.П.Королева совместно со специалистами НИИ-12 под руководством В.Я.Лихушина рассматривали несколько вариантов космических и боевых (!) ракет, оснащенных ядерными ракетными двигателями (ЯРД). В качестве рабочего тела оценивались вода и сжиженные газы – водород, аммиак и метан.
Перспектива была многообещающей; постепенно работы нашли понимание и финансовое обеспечение в правительстве СССР.
Уже самый первый анализ показал, что среди множества возможных схем космических ядерных энергодвигательных установок (ЯЭДУ) наибольшие перспективы имеют три:
- с твердофазным ядерным реактором;
- с газофазным ядерным реактором;
- электроядерные ракетные ЭДУ.
Схемы отличались принципиально; по каждой из них наметили несколько вариантов для развертывания теоретических и экспериментальных работ.
Наиболее близким к реализации представлялся твердофазный ЯРД. Стимулом к развертыванию работ в этом направлении послужили аналогичные разработки, проводившиеся в США с 1955 г. по программе ROVER, а также перспективы (как тогда казалось) создания отечественного межконтинентального пилотируемого самолета-бомбардировщика с ЯЭДУ.
Твердофазный ЯРД работает как прямоточный двигатель. Жидкий водород поступает в сопловую часть, охлаждает корпус реактора, тепловыделяющие сборки (ТВС), замедлитель, а далее разворачивается и попадает внутрь ТВС, где нагревается до 3000 К и выбрасывается в сопло, ускоряясь до высоких скоростей.
Принципы работы ЯРД не вызывали сомнений. Однако конструктивное выполнение (и характеристики) его во многом зависели от «сердца» двигателя – ядерного реактора и определялись, прежде всего, его «начинкой» – активной зоной.
Разработчики первых американских (и советских) ЯРД стояли за гомогенный реактор с графитовой активной зоной. Несколько особняком шли работы поисковой группы по новым видам высокотемпературного топлива, созданной в 1958 г. в лаборатории №21 (руководитель – Г.А.Меерсон) НИИ-93 (директор – А.А.Бочвар). Под влиянием развернутых в то время работ по реактору для самолета (соты из оксида бериллия) в группе предприняли попытки (опять же поисковые) получить материалы на основе карбида кремния и циркония, стойкие к окислению.
По воспоминаниям Р.Б. Котельникова, сотрудника НИИ-9, весной 1958 г. у руководителя лаборатории №21 состоялась встреча с представителем НИИ-1 В.Н.Богиным. Он рассказал, что в качестве основного материала для тепловыделяющих элементов (твэлов) реактора в их институте (кстати, в то время головном в ракетной отрасли; начальник института В.Я.Лихушин, научный руководитель М.В.Келдыш, начальник лаборатории В.М.Иевлев) применяют графит. В частности, уже научились наносить на образцы покрытия для защиты от водорода. Со стороны НИИ-9 было предложено рассмотреть возможность применения карбидов UC-ZrC как основы твэлов.
Спустя короткое время появился еще один заказчик на твэлы – ОКБ М.М.Бондарюка, которое идейно конкурировало с НИИ-1. Если последний стоял за многоканальную цельноблочную конструкцию, то ОКБ М.М.Бондарюка взяло курс на разборный пластинчатый вариант, ориентируясь на легкость механообработки графита и не смущаясь сложностью деталей – пластин миллиметровой толщины с такими же ребрышками. Карбиды обрабатываются гораздо сложнее; в то время из них невозможно было изготовить такие детали, как многоканальные блоки и пластины. Стала ясна необходимость создания какой-то иной конструкции, соответствующей специфике карбидов.
В конце 1959 г. – начале 1960 г. было найдено решающее условие для твэлов ЯРД – стержневой тип сердечника, удовлетворяющий заказчиков – НИИ Лихушина и ОКБ Бондарюка. Как основную для них обосновали схему гетерогенного реактора на тепловых нейтронах; ее основные достоинства (по сравнению с альтернативным гомогенным графитовым реактором) таковы:
- возможно использовать низкотемпературный водородосодержащий замедлитель, что позволяет создать ЯРД с высоким массовым совершенством;
- возможно разработать малоразмерный прототип ЯРД тягой порядка 30…50 кН с высокой степенью преемственности для двигателей и ЯЭДУ следующего поколения;
- возможно широко применять в твэлах и других деталях конструкции реактора тугоплавкие карбиды, что позволяет максимально увеличить температуру нагрева рабочего тела и обеспечить повышенный удельный импульс;
- возможно поэлементно автономно отработать основные узлы и системы ЯРД (ЯЭДУ), такие как тепловыделяющие сборки, замедлитель, отражатель, турбонасосный агрегат (ТНА), систему управления, сопло и др.; это позволяет проводить отработку параллельно, сокращая объем дорогостоящих комплексных испытаний энергоустановки в целом.
Примерно в 1962–1963 гг. работы по проблеме ЯРД возглавил НИИ-1, имеющий мощную экспериментальную базу и прекрасные кадры. Им не хватало только технологии по урану, а также ядерщиков. С привлечением НИИ-9, а потом и ФЭИ сложилась кооперация, которая взяла за идеологию создание минимального по тяге (около 3.6 тс), но «настоящего» летнего двигателя с «прямоточным» реактором ИР-100 (испытательный или исследовательский, мощностью 100 МВт, главный конструктор – Ю.А.Трескин). Поддержанный постановлениями правительства, НИИ-1 строил электродуговые стенды, неизменно поражавшие воображение – десятки баллонов по 6–8 м высоты, громадные горизонтальные камеры мощностью свыше 80 кВт, броневые стекла в боксах. Участников совещаний вдохновляли красочные плакаты со схемами полетов к Луне, Марсу и т.д. Предполагалось, что в процессе создания и испытаний ЯРД будут решены вопросы конструкторского, технологического, физического плана.
По мнению Р.Котельникова, дело, к сожалению, осложнялось не очень ясной позицией ракетчиков. Министерство общего машиностроения (МОМ) с большими трудностями финансировало программу испытаний и строительство стендовой базы. Казалось, что МОМ не имеет желания или возможностей продвигать программу ЯРД.
К концу 1960-х годов поддержка конкурентов НИИ-1 – ИАЭ, ПНИТИ и НИИ-8 – была значительно серьезнее. Министерство среднего машиностроения («атомщики») активно поддерживало их разработку; «петлевой» реактор ИВГ (с активной зоной и сборками центрального канала стержневого типа разработки НИИ-9) в итоге к началу 70-х годов вышел на первый план; в нем начались испытания ТВС.
Сейчас, спустя 30 лет, представляется, что линия ИАЭ была более правильной: сначала – надежная «земная» петля – отработка твэлов и сборок, а потом создание летного ЯРД нужной мощности. Но тогда казалось, что можно очень быстро сделать настоящий двигатель, пусть маленький… Однако, поскольку жизнь показала, что объективной (или даже субъективной) потребности в таком двигателе не было (к этому можно еще прибавить, что серьезность негативных моментов этого направления, например международных соглашений о ядерных устройствах в космосе, поначалу сильно недооценивалась), то соответственно более правильной и продуктивной оказалась фундаментальная программа, цели которой не были узкими и конкретными.
1 июля 1965 г. был рассмотрен эскизный проект реактора ИР-20-100. Кульминацией стал выпуск техпроекта тепловыделяющих сборок ИР-100 (1967 г.), состоящих из 100 стержней (UC-ZrC-NbC и UC-ZrC-C для входных секций и UC-ZrC-NbC для выходной). НИИ-9 был готов к выпуску крупной партии стержневых элементов будущей активной зоны ИР-100. Проект был весьма прогрессивен: спустя примерно 10 лет практически без существенных изменений он был использован в зоне аппарата 11Б91, и даже сейчас все основные решения сохраняются в сборках подобных реакторов другого назначения, уже совсем с другой степенью расчетного и экспериментального обоснования.
«Ракетная» часть первого отечественного ядерного РД-0410 была разработана в воронежском Конструкторском бюро химической автоматики (КБХА), «реакторная» (нейтронный реактор и вопросы радиационной безопасности) – Институтом физики и энергии (Обнинск) и Курчатовским институтом атомной энергии.
КБХА известно своими работами в области ЖРД для баллистических ракет, КА и РН. Здесь было разработано около 60 образцов, 30 из которых доведено до серийного производства. В КБХА к 1986 г. был создан и самый мощный в стране однокамерный кислородно-водородный двигатель РД-0120 тягой 200 тс, использованный в качестве маршевого на второй ступени комплекса «Энергия-Буран». Ядерный РД-0410 создавался совместно со многими оборонными предприятиями, КБ и НИИ.
Согласно принятой концепции, жидкие водород и гексан (ингибирующая присадка, снижающая наводораживание карбидов и увеличивающая ресурс твэлов) подавались с помощью ТНА в гетерогенный реактор на тепловых нейтронах с ТВС, окруженными замедлителем из гидрида циркония. Их оболочки охлаждались водородом. Отражатель имел приводы для поворота поглотительных элементов (цилиндров из карбида бора). ТНА включал трехступенчатый центробежный насос и одноступенчатую осевую турбину.
За пять лет, с 1966 по 1971 гг., были созданы основы технологии реакторов-двигателей, а еще через несколько лет была введена в действие мощная экспериментальная база под названием «экспедиция №10», впоследствии опытная экспедиция НПО «Луч» на Семипалатинском ядерном полигоне.
Особые трудности встретились при испытаниях. Обычные стенды для запуска полномасштабного ЯРД использовать было невозможно из-за радиации. Испытания реактора решили проводить на атомном полигоне в Семипалатинске, а «ракетной части» – в НИИхиммаш (Загорск, ныне Сергиев Посад).
Для изучения внутрикамерных процессов было выполнено более 250 испытаний на 30 «холодных двигателях» (без реактора). В качестве модельного нагревательного элемента использовалась камера сгорания кислородно-водородного ЖРД 11Д56 разработки КБхиммаш (главный конструктор – А.М.Исаев). Максимальное время наработки составило 13 тыс сек при объявленном ресурсе в 3600 сек.
Для испытаний реактора на Семипалатинском полигоне были построены две специальные шахты с подземными служебными помещениями. Одна из шахт соединялась с подземным резервуаром для сжатого газообразного водорода. От использования жидкого водорода отказались из финансовых соображений.
В 1976 г. был проведен первый энергетический пуск реактора ИВГ-1. Параллельно в ОЭ создавался стенд для испытания «двигательного» варианта реактора ИР-100, и через несколько лет были проведены его испытания на разной мощности (один из ИР-100 впоследствии был переоборудован в материаловедческий исследовательский реактор малой мощности, который работает до сих пор).
Перед экспериментальным запуском реактор опускался в шахту с помощью установленного на поверхности козлового крана. После запуска реактора водород поступал снизу в «котел», раскалялся до 3000 К и огненной струей вырывался из шахты наружу. Несмотря на незначительную радиоактивность истекающих газов, в течение суток находиться снаружи в радиусе полутора километров от места испытаний не разрешалось. К самой же шахте нельзя было подходить в течение месяца. Полуторакилометровый подземный тоннель вел из безопасной зоны сначала к одному бункеру, а из него – к другому, находящемуся возле шахт. По этим своеобразным «коридорам» и передвигались специалисты.
Иевлев Виталий Михайлович
Результаты экспериментов, проведенных с реактором в 1978– 1981 гг., подтвердили правильность конструктивных решений. В принципе ЯРД был создан. Оставалось соединить две части и провести комплексные испытания.
Примерно в 1985 году РД-0410 (по другой системе обозначений 11Б91) мог бы совершить своей первый космический полет. Но для этого нужно было разработать разгонный блок на его основе. К сожалению, эта работа не была заказана ни одному космическому КБ, и тому есть множество причин. Главная из них - так называемая Перестройка. Необдуманные шаги привели к тому, что вся космическая отрасль мгновенно оказалась «в опале» и в 1988 году работы по ЯРД в СССР (тогда еще существовал СССР) были прекращены. Произошло это не из-за технических проблем, а по сиюминутным идеологическим соображениям.А в 1990-м году умер идейный вдохновитель программ ЯРД в СССР Виталий Михайлович Иевлев…
Каких же основных успехов достигли разработчики, создавая ЯРД схемы «А»?
Проведено более полутора десятков натурных испытаний на реакторе ИВГ-1, и получены следующие результаты: максимальная температура водорода – 3100 К, удельный импульс – 925 сек, удельное тепловыделение до 10 МВт/л, общий ресурс более 4000 сек при последовательных 10 включениях реактора. Эти итоги значительно превосходят американские достижения на графитовых зонах.
Следует заметить, что за все время испытаний ЯРД, несмотря на открытый выхлоп, выход радиоактивных осколков деления не превышал допустимых норм ни на полигоне, ни за его пределами и не был зарегистрирован на территории сопредельных государств.
Важнейшим результатом работы явилось создание отечественной технологии таких реакторов, получение новых тугоплавких материалов, а факт создания реактора-двигателя породил ряд новых проектов и идей.
Хотя дальнейшее развитие таких ЯРД было приостановлено, полученные достижения являются уникальными не только в нашей стране, но и в мире. Это неоднократно подтверждено в последние годы на международных симпозиумах по космической энергетике, а также на встречах отечественных и американских специалистов (на последних было признано, что реактор-стенд ИВГ – единственный на сегодня в мире работоспособный испытательный аппарат, который может сыграть важную роль в экспериментальной отработке ТВС и атомных ЭДУ).
источники
http://newsreaders.ru
http://marsiada.ru
http://vpk-news.ru/news/14241
Александр Лосев
Быстрое развитие ракетно-космической техники в XX веке было обусловлено военно-стратегическими, политическими и, в определенной степени, идеологическими целями и интересами двух сверхдержав - СССР и США, а все государственные космические программы являлись продолжением их военных проектов, где главной задачей была необходимость обеспечить обороноспособность и стратегический паритет с вероятным противником. Стоимость создания техники и затраты на эксплуатацию тогда не имели принципиального значения. На создание ракет-носителей и космических аппаратов выделялись колоссальные ресурсы, а 108 минут полета Юрия Гагарина в 1961 году и телетрансляция Нила Армстронга и Базза Олдрина с поверхности Луны в 1969 году были не просто триумфами научно-технической мысли, они еще рассматривались как стратегические победы в битвах «Холодной войны».
Но после того как Советский Союз распался и выбыл из гонки за мировое лидерство, у его геополитических противников, прежде всего у США, исчезла необходимость реализовывать престижные, но крайне затратные космические проекты, чтобы доказывать всему миру превосходство западной экономической системы и идеологических концепций.
В 90-х годах основные политические задачи прошлых лет утратили актуальность, блоковое противостояние сменилось глобализацией, в мире возобладал прагматизм, поэтому большинство космических программ было свернуто или отложено, от масштабных проектов прошлого осталась, как наследие, только МКС. К тому же западная демократия поставила все дорогостоящие государственные программы в зависимость от электоральных циклов.
Поддержка избирателей, необходимая для получения или сохранения власти, заставляет политиков, парламенты и правительства склоняться к популизму и решать сиюминутные задачи, поэтому траты на исследования космоса сокращаются год от года.
Большинство фундаментальных открытий было сделано еще в первой половине ХХ века, а в наши дни наука и технологии достигли определенных пределов, к тому же во всем мире снизилась популярность научных знаний, и ухудшилось качество преподавания математики, физики и других естественных наук. Это и стало причиной застоя, в том числе и в космической сфере, последних двух десятилетий.
Но сейчас становится очевидным, что мир приближается к концу очередного технологического цикла, основанного на открытиях прошлого века. Поэтому любая держава, которая будет обладать принципиально новыми перспективными технологиями в момент смены глобального технологического уклада, автоматически обеспечит себе мировое лидерство как минимум на следующие пятьдесят лет.
Принципиальное устройство ЯРД с водородом в качестве рабочего тела
Это осознают и в Соединенных Штатах, где взят курс на возрождение американского величия во всех сферах деятельности, и в Китае, бросающем вызов американской гегемонии, и в Евросоюзе, который всеми силами пытается сохранить свой вес в глобальной экономике.
Там существует промышленная политика и всерьез занимаются развитием собственного научно-технического и производственного потенциала, а космическая сфера может стать наилучшим полигоном для отработки новых технологий и для доказательства или опровержения научных гипотез, способных заложить основу для создания принципиально иной более совершенной техники будущего.
И вполне естественно ожидать, что США будет первой страной, где возобновятся проекты исследования дальнего космоса с целью создания уникальных инновационных технологий как в области вооружений, транспорта и конструкционных материалов, так и в биомедицине и в сфере телекоммуникаций
Правда, ни даже Соединенным Штатам, успех на пути создания революционных технологий не гарантирован. Есть высокий риск оказаться в тупике, совершенствуя ракетные двигатели полувековой давности на основе химического топлива, как это делает компания SpaceX Илона Маска, или, создавая системы жизнеобеспечения длительного перелета похожие на те, что уже реализованы на МКС.
Может ли Россия, чья стагнация в космической сфере с каждым годом становится заметнее, совершить рывок в гонке за будущее технологическое лидерство, чтобы оставаться в клубе сверхдержав, а не в списке развивающихся стран?
Да, безусловно, Россия может, и более того, заметный шаг вперед уже сделан в ядерной энергетике и в технологиях ядерных ракетных двигателей, несмотря на хроническое недофинансирование космической отрасли.
Будущее космонавтики - это использование ядерной энергии. Чтобы понять, как связаны ядерные технологии и космос, необходимо рассмотреть основные принципы реактивного движения.
Итак, основные типы современных космических двигателей созданы на принципах химической энергетики. Это твердотопливные ускорители и жидкостные ракетные двигатели, в их камерах сгорания компоненты топлива (горючее и окислитель) вступая в экзотермическую физико-химическую реакцию горения, формируют реактивную струю, ежесекундно выбрасывающую из сопла двигателя тонны вещества. Кинетическая энергия рабочего тела струи преобразуется в реактивную силу, достаточную для движения ракеты. Удельный импульс (отношение создаваемой тяги к массе используемого топлива) таких химических двигателей зависит от компонентов топлива, давления и температуры в камере сгорания, а также от молекулярной массы газообразной смеси, выбрасываемой через сопло двигателя.
И чем выше температура вещества и давление внутри камеры сгорания, и чем ниже молекулярная масса газа, тем выше удельный импульс, а значит и эффективность двигателя. Удельный импульс - это количество движения, и его принято измерять в метрах в секунду, также как и скорость.
В химических двигателях наибольший удельный импульс дают топливные смеси кислород-водород и фтор-водород (4500–4700 м/с), но самыми популярными (и удобными в эксплуатации) стали ракетные двигатели, работающие на керосине и кислороде, например двигатели «Союзов» и ракет «Falcon» Маска, а также двигатели на несимметричном диметилгидразине (НДМГ) с окислителем в виде смеси тетраоксида азота и азотной кислоты (советский и российский «Протон», французский «Ариан», американский «Титан»). Их эффективность в 1.5 раза ниже, чем у двигателей на водородном топливе, но и импульса в 3000 м/с и мощности вполне достаточно, для того, чтобы было экономически выгодно выводить тонны полезной нагрузки на околоземные орбиты.
Но полеты к другим планетам требуют намного большего размера космических кораблей, чем все, что были созданы человечеством ранее, включая модульную МКС. В этих кораблях необходимо обеспечивать и длительное автономное существование экипажей, и определенный запас топлива и ресурс работы маршевых двигателей и двигателей для маневров и коррекции орбит, предусмотреть доставку космонавтов в специальном посадочном модуле на поверхность иной планеты, и возврат их на основной транспортный корабль, а затем и возвращение экспедиции на Землю.
Накопленные инженерно-технические знания и химическая энергетика двигателей позволяют вернуться на Луну и достигнуть Марса, поэтому велика вероятность, что в следующем десятилетии человечество побывает на Красной планете.
Если опираться только на имеющиеся космические технологии, то минимальная масса обитаемого модуля для пилотируемого полета к Марсу или к спутникам Юпитера и Сатурна составит примерно 90 тонн, что в 3 раза больше, чем лунные корабли начала 1970-х, а значит, ракеты-носители для их выведения на опорные орбиты для дальнейшего полета к Марсу будут намного превосходить «Сатурн-5» (стартовая масса 2965 тонн) лунного проекта «Аполлон» или советский носитель «Энергия» (стартовая масса 2400 тонн). Потребуется создать на орбите межпланетный комплекс массой до 500 тонн. Полет на межпланетном корабле с химическими ракетными двигателями потребует от 8 месяцев до 1 года времени только в одну сторону, потому что придется делать гравитационные маневры, используя для дополнительного разгона корабля силу притяжения планет, и колоссального запаса топлива.
Но используя химическую энергию ракетных двигателей дальше орбиты Марса или Венеры человечество не улетит. Нужны другие скорости полета космических кораблей и иная более мощная энергетика движения.
Современный проект ядерного ракетного двигателя Princeton Satellite Systems
Для освоения дальнего космоса необходимо значительно повысить тяговооруженность и эффективность ракетного двигателя, а значит увеличить его удельный импульс и ресурс работы. А для этого необходимо внутри камеры двигателя нагреть газ или вещество рабочего тела с низкой атомной массой до температур, в несколько раз превосходящих температуру химического горения традиционных топливных смесей, и сделать это можно с помощью ядерной реакции.
Если вместо обычной камеры сгорания внутрь ракетного двигателя поместить ядерный реактор, в активную зону которого будет подаваться вещество в жидком или газообразном виде, то оно, разогреваясь под большим давлением до нескольких тысяч градусов, начнет выбрасываться через канал сопла, создавая реактивную тягу. Удельный импульс такого ядерного реактивного двигателя будет в несколько раз больше, чем у обычного на химических компонентах, а значит многократно увеличится эффективность как самого двигателя, так и ракеты-носителя в целом. Окислитель для горения топлива при этом не потребуется, а в качестве вещества, создающего реактивную тягу, может быть использован легкий газ водород, мы же знаем, что чем меньше молекулярная масса газа, тем выше импульс, а это позволит намного уменьшить массу ракеты при лучших характеристиках мощности двигателя.
Ядерный двигатель будет лучше обычного, поскольку в зоне реактора легкий газ может нагреваться до температур, превышающих 9 тысяч градусов Кельвина, и струя такого перегретого газа обеспечит намного больший удельный импульс, чем могут дать обычные химические двигатели. Но это в теории.
Опасность даже не в том, что при старте ракеты-носителя с такой ядерной установкой может произойти радиоактивное загрязнение атмосферы и пространства вокруг пусковой площадки, основная проблема, что при высоких температурах может расплавиться сам двигатель вместе с космическим кораблем. Конструкторы и инженеры это понимают и уже несколько десятилетий пытаются найти подходящие решения.
У ядерных ракетных двигателей (ЯРД) есть уже своя история создания и эксплуатации в космосе. Первые разработки ядерных двигателей начались в середине 1950-х годов, то есть еще до полета человека в космос, и практически одновременно и в СССР и в США, а сама идея использовать ядерные реакторы для нагрева рабочего вещества в ракетном двигателе родилась вместе с первыми ректорами в середине 40-х годов, то есть больше 70 лет назад.
В нашей стране инициатором создания ЯРД стал ученый-теплофизик Виталий Михайлович Иевлев. В 1947 году он представил проект, который был поддержан С. П. Королевым, И. В. Курчатовым и М. В. Келдышем. Изначально планировалось использовать такие двигатели для крылатых ракет, а затем ставить и на баллистические ракеты. Разработкой занялись ведущие оборонные КБ Советского Союза, а также научно-исследовательские институты НИИТП, ЦИАМ, ИАЭ, ВНИИНМ.
Советский ядерный двигатель РД-0410 был собран в середине 60-х воронежском «Конструкторском бюро химавтоматики», где создавалось большинство жидкостных ракетных двигателей для космической техники.
В качестве рабочего тела в РД-0410 использовался водород, который в жидком виде проходил через «рубашку охлаждения», отводя лишнее тепло от стенок сопла и не давая ему расплавиться, а затем поступал в активную зону реактора, где нагревался до 3000К и выбрасывался через канал сопла, преобразуя, таким образом, тепловую энергию в кинетическую и создавая удельный импульс в 9100 м/с.
В США проект ЯРД был запущен в 1952 году, а первый действующий двигатель был создан в 1966 году и получил название NERVA (Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application). В 60-х - 70-х годах Советский Союз и США старались не уступать друг другу.
Правда и наш РД-0410, и американский NERVA были твердофазными ЯРД, (ядерное топливо на основе карбидов урана находилось в реакторе в твердом состоянии), и их рабочая температура была в пределах 2300–3100К.
Чтобы увеличить температуру активной зоны без риска взрыва или расплавления стенок реактора, необходимо создать такие условия ядерной реакции, при которых топливо (уран) переходит в газообразное состояние или превращается в плазму и удерживается внутри реактора за счет сильного магнитного поля, не касаясь при этом стенок. А дальше водород, поступающий в активную зону реактора, «обтекает» находящийся в газовой фазе уран, и превращаясь в плазму, с очень высокой скоростью выбрасывается через канал сопла.
Этот тип двигателя получил название газофазного ЯРД. Температуры газообразного уранового топлива в таких ядерных двигателях могут находиться в диапазоне от 10 тысяч до 20 тысяч градусов Кельвина, а удельный импульс достигать 50000 м/с, что в 11 раз выше, чем у самых эффективных химических ракетных двигателей.
Создание и использование в космической технике газофазных ЯРД открытого и закрытого типов - это наиболее перспективное направление развития космических ракетных двигателей и именно то, что необходимо человечеству для освоения планет Солнечной системы и их спутников.
Первые исследования по проекту газофазного ЯРД начались в СССР в 1957 году в НИИ тепловых процессов (НИЦ имени М. В. Келдыша), а само решение о разработке ядерных космических энергоустановок на основе газофазных ядерных реакторов было принято в 1963 году академиком В. П. Глушко (НПО Энергомаш), а затем утверждено постановлением ЦК КПСС и Совета министров СССР.
Разработка газофазного ЯРД велась в Советском Союзе два десятилетия, но, к сожалению, так и не была завершена из-за недостаточного финансирования и необходимости дополнительных фундаментальных исследований в области термодинамики ядерного горючего и водородной плазмы, нейтронной физики и магнитной гидродинамики.
Советские ученые-ядерщики и инженеры-конструкторы столкнулись с рядом проблем, таких как достижение критичности и обеспечение устойчивости работы газофазного ядерного реактора, снижение потерь расплавленного урана при выбросе водорода, разогретого до нескольких тысяч градусов, теплозащита сопла и генератора магнитного поля, накопление продуктов деления урана, выбор химически стойких конструкционных материалов и пр.
А когда для советской программы «Марс-94» первого пилотируемого полета на Марс начала создаваться ракета-носитель «Энергия», проект ядерного двигателя был отложен на неопределенный срок. Советскому Союзу не хватило совсем немного времени, а главное политической воли и эффективности экономики, чтобы осуществить высадку наших космонавтов на планету Марс в 1994 году. Это было бы бесспорным достижением и доказательством нашего лидерства в высоких технологиях в течение следующих нескольких десятилетий. Но космос, как и многое другое, был предан последним руководством СССР. Историю уже не изменить, ушедших ученых и инженеров не вернуть, а утраченные знания не восстановить. Очень многое придется создавать заново.
Но космическая ядерная энергетика не ограничивается только сферой твердо- и газофазных ЯРД. Для создания нагретого потока вещества в реактивном двигателе можно использовать электрическую энергию. Эту идею первым высказал Константин Эдуардович Циолковский еще в 1903 году в своей работе «Исследование мировых пространств реактивными приборами».
А первый электротермический ракетный двигатель в СССР был создан в 1930-х годах Валентином Петровичем Глушко - будущим академиком АН СССР и руководителем НПО «Энергия».
Принципы работы электрические ракетных двигателей могут быть различными. Обычно их принято делить на четыре типа:
- электротермические (нагревные или электродуговые). В них газ нагревается до температур 1000–5000К и выбрасывается из сопла точно также как и в ЯРД.
- электростатические двигатели (коллоидные и ионные), в которых сначала происходит ионизация рабочего вещества, а затем положительные ионы (атомы, лишенные электронов) ускоряются в электростатическом поле и также выбрасываются через канал сопла, создавая реактивную тягу. К электростатическим относятся также и стационарные плазменные двигатели.
- магнитоплазменные и магнитодинамические ракетные двигатели. Там газовая плазма ускоряется за счет силы Ампера в пересекающихся перпендикулярно магнитном и электрическом полях.
- импульсные ракетные двигатели, в которых используется энергия газов, возникающих при испарении рабочего тела в электрическом разряде.
Плюсом этих электрических ракетных двигателей является низкий расход рабочего тела, КПД до 60% и высокая скорость потока частиц, что позволяет значительно сократить массу космического аппарата, но есть и минус - малая плотность тяги, а соответственно низкая мощность, а также дороговизна рабочего тела (инертные газы или пары щелочных металлов) для создания плазмы.
Все перечисленные типы электродвигателей реализованы на практике и многократно использовались в космосе и на советских и на американских аппаратах начиная с середины 60-х годов, но из-за своей малой мощности применялись в основном в качестве двигателей коррекции орбит.
С 1968 по 1988 годы в СССР была запущена целая серия спутников «Космос» с ядерными установками на борту. Типы реакторов носили названия: «Бук», «Топаз» и «Енисей».
Реактор проекта «Енисей» обладал тепловой мощностью до 135 кВт и электрической мощностью порядка 5 кВт. Теплоносителем являлся натрий-калиевый расплав. Этот проект был закрыт в 1996 году.
Для настоящего маршевого ракетного электродвигателя требуется очень мощный источник энергии. И лучшим источником энергии для таких космических двигателей является ядерный реактор.
Ядерная энергетика - одна из высокотехнологичных отраслей, где наша страна сохраняет лидирующие позиции. И принципиально новый ракетный двигатель в России уже создается и этот проект близок к успешному завершению в 2018 году. Летные испытания намечена на 2020 год.
И если газофазный ЯРД - это тема будущих десятилетий к которой предстоит вернуться после проведения фундаментальных исследований, то его сегодняшняя альтернатива - это ядерная энергодвигательная установка мегаваттного класса (ЯЭДУ), и она уже создается предприятиями Росатома и Роскосмоса с 2009 года.
В создании ядерного энергодвигателя и транспортно-энергетического модуля принимают участие НПО «Красная звезда», которое на сегодняшний день является единственным в мире разработчиком и изготовителем космических ядерных энергетических установок, а также Исследовательский центр им. М. В. Келдыша, НИКИЭТ им. Н. А. Доллежаля, «НИИ НПО «Луч», «Курчатовский институт», ИРМ, ФЭИ, НИИАР и НПО Машиностроения.
Ядерная энергодвигательная установка включает в себя высокотемпературный газоохлаждаемый ядерный реактор на быстрых нейтронах с системой турбомашинного преобразования тепловой энергии в электрическую, систему холодильников-излучателей для отвода избыточного тепла в космос, приборно-агрегатный отсек, блок маршевых плазменных или ионных электродвигателей и контейнер для размещения полезной нагрузки.
В энергодвигательной установке ядерный реактор служит источником электроэнергии для работы электрических плазменных двигателей, при этом газовый теплоноситель реактора, проходящий через активную зону, попадает в турбину электрогенератора и компрессора и возвращается обратно в реактор по замкнутому контуру, а не выбрасывается в пространство как в ЯРД, что делает конструкцию более надежной и безопасной, а значит пригодной для пилотируемой космонавтики.
Планируется, что ядерная энергодвигательная установка будет применяться для многоразового космического буксира для обеспечения доставки грузов при освоении Луны или создания многоцелевых орбитальных комплексов. Плюсом будет являться не только многоразовое использование элементов транспортной системы (чего пытается добиться Илон Маск в своих космических проектах SpaceX), но и возможность доставки в три раза большей массы грузов, чем на ракетах с химическими реактивными двигателями сопоставимой мощности за счет уменьшения стартовой массы транспортной системы. Особая конструкция установки делает ее безопасной для людей и окружающей среды на Земле.
В 2014 году на ОАО «Машиностроительный завод» в г. Электросталь был собран первый тепловыделяющий элемент (твэл) штатной конструкции для этой ядерной электродвигательной установки, а в 2016 проведены испытания имитатора корзины активной зоны реактора.
Сейчас (в 2017 году) ведутся работы по изготовлению элементов конструкции установки и тестирование узлов и агрегатов на макетах, а также автономные испытания систем турбомашинного преобразования энергии и прототипов энергоблоков. Завершение работ запланировано на конец следующего 2018 года, правда, с 2015 года начало накапливаться отставание от графика.
Итак, как только эта установка будет создана, Россия станет первой в мире страной обладающей ядерными космическими технологиями, которые лягут в основу не только будущих проектов освоения Солнечной системы, но и земной и внеземной энергетики. Космические ядерные энергетические установки можно будет использовать для создания систем дистанционной передачи электроэнергии на Землю или на космические модули с помощью электромагнитного излучения. И это тоже станет передовой технологией будущего, где наша страна будет иметь лидирующие позиции.
На основе разрабатываемых плазменных электродвигателей будут созданы мощные двигательные установки для дальних полетов человека в космос и в первую очередь для освоения Марса, достичь орбиты которого можно будет всего за 1,5 месяца, а не за год с лишним, как при использовании обычных химических реактивных двигателей.
А будущее всегда начинается с революции в энергетике. И никак иначе. Энергетика первична и именно величина энергопотребления влияет на технический прогресс, на обороноспособность и на качество жизни людей.
Экспериментальный плазменный ракетный двигатель NASA
Советский астрофизик Николай Кардашёв еще в 1964 году предложил шкалу развития цивилизаций. Согласно этой шкале уровень технологического развития цивилизаций зависит от количества энергии, которое население планеты использует для своих нужд. Так цивилизация I типа использует все доступные ресурсы, имеющиеся на планете; цивилизация II типа - получает энергию своей звезды, в системе которой находится; а цивилизация III типа пользуется доступной энергией своей галактики. Человечество пока не доросло до цивилизации I типа по этой шкале. Мы используем лишь 0.16% всего объема потенциального энергетического запаса планеты Земля. А значит, и России и всему миру есть куда расти, и эти ядерные технологии откроют нашей стране дорогу не только в космос, но и будущее экономическое процветание.
И, возможно, единственный вариант для России в научно-технической сфере - это совершить сейчас революционный прорыв в ядерных космических технологиях для того чтобы одним «прыжком» преодолеть многолетнее отставание от лидеров и оказаться сразу у истоков новой технологической революции в очередном цикле развития человеческой цивилизации. Такой уникальный шанс выпадает той или иной стране лишь один раз в несколько столетий.
К сожалению, Россия, не уделявшая в последние 25 лет должного внимания фундаментальным наукам и качеству высшего и среднего образования, рискует навсегда упустить этот шанс, если программа окажется свернутой, а на смену нынешним ученым и инженерам не придет новое поколение исследователей. Геополитические и технологические вызовы, с которыми столкнется Россия уже через 10–12 лет, будут очень серьезными, сопоставимыми с угрозами середины ХХ века. Чтобы сохранить суверенитет и целостность России в будущем уже сейчас необходимо срочно начинать подготовку специалистов, способных на эти вызовы отвечать и создавать что-то принципиально новое.
Есть лишь примерно 10 лет на то, чтобы превратить Россию в мировой интеллектуально-технологический центр, и без серьезного изменения качества образования это сделать невозможно. Для научно-технологического прорыва необходимо вернуть системе образования (и школьной и ВУЗовской) системность взглядов на картину мира, научную фундаментальность и мировоззренческую целостность.
А что касается нынешнего застоя в космической отрасли, то это не страшно. Физические принципы, на которых основаны современные космические технологии будут еще долго востребованы сектором обычных спутниковых услуг. Вспомним, что человечество использовало парус на протяжении 5.5 тысяч лет, а эпоха пара длилась почти 200 лет, и лишь в ХХ веке мир начал стремительно меняться, потому что произошла очередная научно-техническая революция, запустившая волну инноваций и смену технологических укладов, что в итоге изменило и мировую экономику и политику. Главное, оказаться у истоков этих изменений.