Демиург N 1 2019

Ядерные двигатели для космических аппаратов         Со времён легендарного советского конструктора С.П. Королёва в вопросе использования ракет-носителей мало что изменилось. Поскольку сам принцип остаётся прежним – реактивная тяга заставляет ракету двигаться – проблемой космических перелётов является необходимость постоянно затрачивать топливо для изменения скорости движения. Современные космические аппараты используют два типа двигательных систем.
        Классические химические реактивные двигатели позволяют быстро ускоряться, но требуют большого количества топлива и этим сильно ограничивают максимальную скорость. Поэтому двигатели включаются только для коррекции курса, а для значительного ускорения аппаратов, отправляющихся к планетам-гигантам, приходится использовать уловки вроде гравитационных маневров.
        Второй вариант – электрореактивные двигатели (ЭРД). Они могут быть ионными либо плазменными, однако суть одна. Такие двигатели имеют очень маленькую тягу и большое энергопотребление, однако используют относительно небольшое количество топлива. Ионные двигатели уже устанавливались на некоторых научно-исследовательских автоматических станциях. ЭРД удобны для дальних экспедиций тем, что позволяют увеличивать скорость в течение всего полёта. Однако для существенного приращения скорости тяжёлого аппарата потребуется много, очень много электроэнергии. Отсюда возникает идея космического буксира.
        Есть две концепции электрореактивного буксира. НАСА планирует определиться с архитектурой Solar Electric Propulsion (SEP). Согласно «дорожной карте» НАСА, подобный модуль, использующий гигантские солнечные батареи, будет иметь мощность 50 кВт на первом этапе в начале 2020-х годов. SEP планируется использовать в качестве транспортного модуля автоматической миссии ARM по захвату и доставке на орбиту Луны астероида. К концу 2020 должен появиться гибридный электрореактивно-химический буксир первого этапа. Его электрическая мощность составит 190 кВт (150 кВт для двигательной системы).
        Химические двигатели будут использоваться для торможения. Наконец, в ходе экспедиции к Марсу в 2030-х годах планируется использовать гибридный буксир второго этапа с мощностью солнечных батарей от 250 до 400 кВт и с уровнем энергоснабжения электрореактивной двигательной установки от 150 до 200 кВт. В качестве рабочего тела ЭРД будут использованы 16 тонн ксенона.
         Очевидным недостатком модуля SEP является невозможность использовать его у планет-гигантов, поскольку уже на орбите Юпитера энергия солнечного излучения падает почти в 30 раз. По всей видимости, на SEP будут установлены рекордно мощные ионные двигатели наподобие NEXT. В 2009 году были завершены испытания таких двигателей, непрерывно проработавших 5,5 лет.
        Более изящное решение может обеспечить ядерная энергетика. Ядерная энергодвигательная установка (ЯЭДУ) – совместный проект группы предприятий, направленный на создание установки мегаваттного класса, предназначенной для выработки электроэнергии для нужд космических кораблей. ЯЭДУ иногда путают с ядерным ракетным двигателем, что не совсем корректно, так как ядерный реактор в ЯЭДУ используется только для выработки электроэнергии. Она, в свою очередь, используется для запуска и питания ЭРД, а также обеспечивает электропитание бортовых систем.
        В 1955 году академик М.В. Келдыш выступил с инициативой о создании ракетного двигателя особой конструкции, в которой источником энергии выступал бы ядерный реактор. Проработку этой идеи поручили НИИ-1 министерства авиационной промышленности; руководителем работ стал В.М. Иевлев. В кратчайшие сроки специалисты проработали основные вопросы и предложили два варианта перспективного ЯРД с наилучшими характеристиками.
        Первый вариант двигателя, обозначенный как «Схема А», предлагал использование реактора с твёрдофазной активной зоной и твёрдыми поверхностями теплообмена. Второй вариант, «Схема В», предусматривал применение реактора с газофазной активной зоной – делящееся вещество должно было находиться в состоянии плазмы, а тепловая энергия передавалась рабочему телу посредством излучения. В дальнейшем вариант «А» посчитали более удачным и он дошёл до полноценных испытаний.

ЯРД типа РД0410          27 марта 1978-го состоялся энергетический пуск. 3 июля и 11 августа провели два огневых испытания с полноценной работой изделия в качестве ЯРД. В этих тестах реактор постепенно выводился на мощность 24, 33 и 42 МВт. Водород удалось нагреть до 2630°K. В начале восьмидесятых годов состоялись испытания двух других опытных образцов. Они показывали мощность до 62-63 МВт и нагревали газ до 2500°K. В ходе экспериментов были найдены оптимальные материалы для изготовления отдельных компонентов ЯРД. Удалось подтвердить принципиальную возможность получения удельного импульса порядка 850-900 с. Это давало перспективному двигателю высочайшие характеристики и существенное преимущество перед системами на химтопливе.
        Активная зона реактора представляла собой цилиндр длиной около 1 м и диаметром 50 мм. При этом предусматривалось создание 26 вариантов ТВС (тепловыделяющих сборок) с теми или иными особенностями. Основные теоретические и практические работы по тематике советского ЯРД с твёрдофазной активной зоной завершились к середине восьмидесятых годов. Промышленность могла начинать разработку разгонного блока или иной ракетно-космической техники под существующий двигатель РД0410. Однако подобные работы так и не удалось начать вовремя, а вскоре началась печально известная перестройка, поставившая крест на массе предложений и наработок. В 1988 году все работы по теме ЯРД 11Б91/РД0410 были остановлены.
        Но отечественные предприятия по-прежнему проявляют интерес к тематике ЯРД, их реализация представляется возможной в транспортно-энергетическом модуле (ТЭМ) – специальном буксире, который мог бы стыковаться с полезным грузом и перемещать его в пространстве, располагая большим энергетическим ресурсом. Такой модуль можно использовать для транзита спутников с низкой орбиты на геостационарную, для доставки тяжёлых исследовательских станций к планетам-гигантам и, наконец, для отправки экспедиций в дальний космос.
        Для проекта ЯЭДУ для ТЭМ на основе прошлого опыта и проведённых предварительных исследований был сделан выбор в пользу высокотемпературного газоохлаждаемого реактора на быстрых нейтронах. Работы по созданию такой установки были начаты в 2009 году. Особенность проекта – использование специального теплоносителя – гелий-ксеноновой смеси, труб, изготовленных из молибденового сплава, урана более высокого обогащения и температуры в реакторе до 1500 градусов.

Транспортно-энергетический модуль В качестве источника энергии ЯЭДУ использован реактор разработки Исследовательского центра им. Келдыша. Созданием двигательной системы, в которой должны быть использованы ионные двигатели ИД-ВМ с тягой 725 мН и удельным импульсом 7000 с, изначально занималась РКК «Энергия». Она была головным разработчиком проекта на первом этапе его развития. Позднее, уже в ГКНПЦ им. Хруничева, буксир претерпел существенные изменения. Мощность была уменьшена с 1 МВт до 500 кВт. Сам буксир уменьшился в размерах и по массе.

Ядерный энергоблок КБ «Салют» «Центра им. Хруничева» Конструкторским бюро «Салют», входящим в «Центр им. Хруничева», создан энергоблок для перспективной космической ядерной электростанции. Об этом сообщается в тезисах доклада специалиста данного бюро, подготовленного к «Королёвским чтениям», сообщает «Интерфакс-АВН». В документе говорится, что в рамках решения приоритетной задачи создания космической ядерной электростанции на базе ядерного реактора мегаваттного класса создан энергоблок и испытан турбомашинный электрогенератор. Кроме этого, на сегодняшний день разработан проект «увязки агрегатов в космический комплекс в виде транспортно-энергетического модуля на базе ЭРДУ».

Макет ядерного буксира был представлен на выставке МАКС-2013. Головной организацией по созданию самой энергодвигательной установки является ФГУП «Центр Келдыша». Работы финансируются главным образом из бюджета Федеральной космической программы на 2016-2025 годы. Создание ЯЭДУ предусмотрено опытно-конструкторской работой «Нуклон» (бюджет 15,84 млрд рублей), ОКР «Источник» (6,18 млрд рублей), а также НИР «Верификация» (300 млн рублей), НИР «Отработка» (400 млн рублей) и НИР «Ядро» (160 млн рублей).
Кроме того, у России в запасе возможность создания ракетного двигателя нового поколения – ядерной плазменной реактивной установки. Исследователи из новосибирского ИЯФ имени Будкера готовы в начале 2019 года провести серию экспериментов на новой установке по удержанию плазмы с параметрами, пригодными для создания ракетного двигателя.

Возможный вид нового плазменного ракетного двигателя По словам замдиректора ИЯФ А. Иванова, доказана принципиальная возможность плазменной реактивной тяги. Эксперименты показали работоспособность идеи и устройств. На данный момент подготовлено штатное оборудование на стенд и сотрудники готовы к испытаниям. Тесты покажут возможности установки, температура плазмы в которой достигнет 100 000⁰. Плазменная установка работает на совершенно новом принципе. Плазма находится в магнитной спиральной ловушке – винте Архимеда. В зависимости от направления вращения магнитного поля, плазма либо удерживается за счёт «торможения», либо ускоряется и создаёт реактивную тягу. Открытые ловушки ещё в 50-е годы предложил советский физик и основатель ИЯФ Г. Будкер. «Пробкотрон Будкера» надёжнее «токамака», а на такие «старые технологии», чтобы там ни говорил Бергер, не стыдно опереться!

«Пробкотрон Будкера».        Представитель ИЯФ также подчеркнул, что создание термоядерных установок – перспективное направление, так как появится возможность строить двигатели мегаваттной мощности, а в качестве рабочего вещества в силовых реактивных плазменных установках может использоваться вода. Их расчётные показатели значительно выше разрабатываемых сейчас ядерных электрореактивных двигателей. Создание новых двигателей стимулирует и конструирование кораблей для таких двигателей.
        На фоне активизации российских разработок ядерной электродвигательной установки (ЯЭДУ) для космических аппаратов целый ряд стран выступил в ООН с предложением пересмотреть принципы, касающиеся использования ядерных источников в космосе. В ходе работы 59-й сессии Комитета ООН по использованию космического пространства в мирных целях (проходила в Вене в июне) США, Великобритания, Германия, Франция, Япония, Италия, Испания, Австралия, Бразилия, Канада и ряд других делегаций (всего 25) выдвинули инициативу по принятию набора руководящих принципов в обеспечение «Долгосрочной устойчивости космической деятельности». Они предложили пересмотреть принципы использования ядерных источников энергии в космическом пространстве.
        «Некоторые делегации просили юридический подкомитет провести обзор рамок обеспечения безопасного использования ядерных источников энергии в космическом пространстве и содействовать принятию имеющих обязательную силу стандартов с целью обеспечения ответственного использования ядерных источников энергии», – говорится в тексте доклада, опубликованного Генеральной ассамблеей ООН по итогам сессии. Эта инициатива есть не что иное, как реакция на российский проект создания космического аппарата с ЯЭДУ к 2025 году. Ни одна другая страна сейчас не ведёт разработок в этой области – в США проекты спутников с ядерными двигателями закрыли в 1994 году. В СССР опыты продолжались до 1989 года, было построено пять ЯЭДУ.
        В той рабочей группе, где обсуждалось использование ЯЭДУ в космосе, от России работали представители «Росатома». Они подготовили доклад о нашей программе создания ядерного двигателя с акцентом на то, что современные технологии позволяют обеспечить гораздо более высокий уровень безопасности, чем в прошлом веке. Пока эта тема будет обсуждаться в рамках рабочей группы, от лица стран-инициаторов могут быть представлены какие-то документы. Вопросы использования ЯЭДУ будут обсуждены в Вене на сессии научно-технического подкомитета по мирному использованию космического пространства.
        Ядерные установки производства электроэнергии считают основными перспективными источниками энергии в космосе при планировании масштабных межпланетных экспедиций. Энерговооружённость МКС – 110 киловатт – обеспечивается работой солнечных батарей площадью 17 на 70 м. Но, Роскосмос, по словам Рогозина, намерен готовить экипажи лунных миссий к работе в гораздо более сложных условиях, чем на орбите Земли: «Сейчас все эксперименты перенацеливаем, чтобы создать технологии и подготовить экипаж к работе в гораздо менее комфортных условиях, то есть таких, когда корабль завтра не прилетит и не привезёт воды. Не дай Бог заболел или сломался аппарат в космическом корабле. Всё должно быть регенерировано, чтобы можно было на 3D-принтерах выращивать любой аппарат, что-то сломалось – сразу всё починили», – сказал Рогозин.
        По его словам, освоение Луны – новые риски. «Одно дело – ты поддерживаешь станцию с людьми на высоте 400 км, другое дело – на высоте 400 тыс. км, то есть в тысячу раз больше. Мы создаём транспортную систему, чтобы летать на Луну, не просто облететь, а выйти на лунную орбиту, работать на её поверхности», – отметил глава Роскосмоса. Для межпланетных пилотируемых миссий нужна более серьёзная энерговооружённость – одними солнечными батареями вопрос не решить.
        Обеспокоенность ряда стран российским ядерно-космическим проектом объяснима – в прежние годы испытания спутников с ЯЭДУ не всегда проходили штатно. В 1978 году советский спутник «Космос-954» вошёл в атмосферу и развалился, разбросав тысячи радиоактивных осколков на территории в 100 тыс. кв. км в северо-западных районах Канады. СССР тогда выплатил Канаде денежную компенсацию в объёме более $10 млн.
        Россия строго придерживается международных соглашений по использованию ядерной энергии. «Сегодня существующие международные регламенты, которые определяют принципы использования особо опасных веществ с точки зрения воздействия на людей и окружающую среду, достаточно чётко проработаны и действуют,– говорит Буренков,– Россия со своей стороны подписала все необходимые международные соглашения. Одна из задач – сохранение международных договоренностей, которые продолжат обеспечивать стабильность этой системы».

В оглавление