Как устроен ядерный двигатель для космоса. Ядерный ракетный двигатель
Осторожно 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.
Ракетные двигатели на жидком топливе дали человеку возможность выйти в космос — на околоземные орбиты. Однако подобные ракеты сжигают 99% топлива за первые несколько минут полёта. Остатка топлива может не хватить для путешествия на другие планеты, да и скорость будет настолько малой, что вояж займёт десятки или сотни лет. Решить проблему могут ядерные двигатели. Как? Будем разбираться вместе.
Принцип работы реактивного двигателя очень прост: он переводит топливо в кинетическую энергию струи (закон сохранения энергии), за счёт направления этой струи ракета движется в пространстве (закон сохранения импульса). Важно понимать, что мы не можем разогнать ракету или самолёт до скорости большей, чем скорость истечения топлива — раскалённого газа, выбрасываемого назад.
Космический аппарат New Horizons
Что же отличает эффективный двигатель от неудачного или устаревшего аналога? Прежде всего то, сколько топлива потребуется двигателю, чтобы разогнать ракету до нужной скорости. Этот важнейший параметр ракетного двигателя называется удельный импульс , который определяется как отношение общего импульса к расходу топлива: чем больше этот показатель, тем эффективнее ракетный двигатель. Если ракета практически целиком состоит из топлива (это означает, что в ней нет места для полезного груза, предельный случай), удельный импульс можно считать равным скорости истечения топлива (рабочего тела) из ракетного сопла. Запуск ракеты — крайне дорогостоящее мероприятие, учитывается каждый грамм не только полезного груза, но и топлива, которое тоже весит и занимает место. Поэтому инженеры подбирают всё более и более активное горючее, единица которой давала бы максимальную отдачу, увеличивая удельный импульс.
Подавляющее большинство ракет в истории и современности было оборудовано двигателями, использующими химическую реакцию горения (окисления) топлива.
Они позволили достичь Луны, Венеры, Марса и даже планет дальнего пояса — Юпитера, Сатурна и Нептуна. Правда, космические экспедиции заняли месяцы и годы (автоматические станции Pioneer, Voyager, New Horizons и др.). Необходимо отметить, что все подобные ракеты расходуют значительную часть топлива для отрыва от Земли, и далее продолжают полёт по инерции с редкими моментами включения двигателя.
Космический аппарат Pioneer
Подобные двигатели подходят для вывода ракет на околоземную орбиту, но, чтобы её разогнать хотя бы до четверти скорости света, понадобится невероятное количество топлива (расчёты показывают, что нужно 103200 грамм топлива, при том, что масса нашей Галактики не более 1056 грамма). Очевидно, что для достижения ближайших планет, а тем более звёзд, нам необходимы достаточно большие скорости, обеспечить которые жидкотопливные ракеты не в состоянии.
Газофазный ядерный двигатель
Дальний космос — дело совсем другое. Взять хотя бы Марс, «обжитый» фантастами вдоль и поперёк: он хорошо изучен и научно перспективен, а самое главное — близок как никто другой. Дело — за «космическим автобусом», который сможет доставить туда экипаж за разумное время, то есть, как можно быстрее. Но с межпланетным транспортом есть проблемы. Его сложно разогнать до нужной скорости, сохранив при этом приемлемые размеры и потратив разумное количество топлива.
RS-25 (Rocket System 25) — жидкостный ракетный двигатель компании Рокетдайн, США. Применялся на планере космической транспортной системы «Space Shuttle», на каждом из которых было установлено три таких двигателя. Более известен как двигатель SSME (англ. Space Shuttle Main Engine — главный двигатель космического челнока). Основными компонентами топлива являются жидкий кислород (окислитель) и водород (горючее). RS-25 использует схему закрытого цикла (с дожиганием генераторного газа).
Решением может быть «мирный атом», толкающий космические корабли. О создании лёгкого и компактного устройства, способного вывести на орбиту хотя бы самого себя, инженеры задумались ещё в конце 50‑х годов прошлого века. Главное отличие ядерных двигателей от ракет с двигателями внутреннего сгорания в том, что кинетическая энергия получается не за счёт сгорания топлива, а за счёт тепловой энергии распада радиоактивных элементов. Давайте сравним эти подходы.
Из жидкостных двигателей выходит раскалённый «коктейль» выхлопных газов (закон сохранения импульса), образующихся при реакции топлива и окислителя (закон сохранения энергии). В большинстве случаев это комбинация кислорода и водорода (результат горения водорода — обычная вода). H2O обладает гораздо большей молярной массой, чем водород или гелий, поэтому её труднее разогнать, удельный импульс для подобного двигателя 4 500 м/с.
Наземные испытания NASA новой системы запуска космических ракет, 2016 год (штат Юта, США). Эти двигатели будут установлены на космический корабль Orion, на котором планируется миссия на Марс.
В ядерных двигателях предлагается использовать только водород и разгонять (разогревать) его за счёт энергии ядерного распада. Тем самым идёт экономия на окислителе (кислороде), что уже замечательно, но не всё. Так как у водорода относительно малая удельная масса, нам проще его разогнать до более высоких скоростей. Конечно, можно использовать и другие тепловосприимчивые газы (гелий, аргон, аммиак и метан), но все они не менее чем в два раза проигрывают водороду в самом главном — достижимом удельном импульсе (более 8 км/c).
Так стоит ли его терять? Выигрыш настолько велик, что инженеров не останавливает ни сложность конструкции и управления реактором, ни его большой вес, ни даже радиационная опасность. Тем более никто и не собирается стартовать с поверхности Земли — сборка таких кораблей будет вестись на орбите.
«Летающий» реактор
Как работает ядерный двигатель? Реактор в космическом двигателе намного меньше и компактнее своих наземных аналогов, но все основные компоненты и механизмы управления принципиально те же. Реактор выступает в роли нагревателя, в который подаётся жидкий водород. Температуры в активной зоне достигают (и могут превышать) 3000 градусов. Затем разогретый газ выпускают через сопло.
Однако такие реакторы испускают вредные радиационные излучения. Для защиты экипажа и многочисленного электронного оборудования от радиации нужны основательные меры. Поэтому проекты межпланетных кораблей с атомным движком часто напоминают зонтик: двигатель располагается в экранированном отдельном блоке, соединённом с основным модулем длинной фермой или трубой.
«Камерой сгорания» ядерного двигателя служит активная зона реактора, в которой подаваемый под большим давлением водород нагревается до 3000 и более градусов. Этот предел определяется только жаропрочностью материалов реактора и свойствами топлива, хотя повышение температуры увеличивает удельный импульс.
Тепловыделяющие элементы — это жаропрочные ребристые (для повышения площади теплоотдачи) цилиндры-«стаканы», заполненные урановыми таблетками. Они «омываются» потоком газа, играющего роль и рабочего тела, и охладителя реактора. Вся конструкция изолирована бериллиевыми экранами-отражателями, не выпускающими опасное радиационное излучение наружу. Для управления выделением тепла рядом с экранами расположены специальные поворотные барабаны
Существует ряд перспективных конструкций ядерных ракетных двигателей, реализация которых ждёт своего часа. Ведь в основном они будут применяться в межпланетных путешествиях, которые, судя по всему, уже не за горами.
Проекты ядерных двигателей
Эти проекты были заморожены по разным причинам — недостаток денег, сложность конструкции или даже необходимость сборки и установки в открытом космосе.
«ОРИОН» (США, 1950–1960)
Проект пилотируемого ядерно-импульсного космического корабля («взрыволёт») для исследования межпланетного и межзвёздного пространства.
Принцип работы. Из двигателя корабля, в направлении противоположном полёту, выбрасывается ядерный заряд небольшого эквивалента и подрывается на сравнительно малой дистанции от корабля (до 100 м). Ударная сила отражается от массивной отражающей плиты в хвосте корабля, «толкая» его вперёд.
«ПРОМЕТЕЙ» (США, 2002–2005)
Проект космического агентства NASA по разработке ядерного двигателя для космических аппаратов.
Принцип работы. Двигатель космического корабля должен был состоять из ионизированных частиц, создающих тягу, и компактного ядерного реактора, обеспечивающего установку энергией. Ионный двигатель создаёт тягу порядка 60 грамм, но сможет работать постоянно. В конечном счёте, корабль постепенно сможет набрать огромную скорость — 50 км/сек, затратив минимальное количество энергии.
«ПЛУТОН» (США, 1957–1964)
Проект по разработке ядерного прямоточного воздушно-реактивного двигателя.
Принцип работы. Воздух через переднюю часть транспортного средства попадает в ядерный реактор, в котором нагревается. Горячий воздух расширяется, приобретает большую скорость и высвобождается через сопло, обеспечивая необходимую тягу.
NERVA (США, 1952–1972)
(англ. Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application) — совместная программа Комиссии по атомной энергии США и NASA по созданию ядерного ракетного двигателя.
Принцип работы. Жидкий гидрогель подаётся в специальный отсек, в котором происходит его нагревание ядерным реактором. Горячий газ расширяется и высвобождается в сопле, создавая тягу.
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.
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».
