Технические подробности: ракета с ядерным двигателем. Импульсный 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.

Жидкостные ракетные двигатели дали возможность выйти человеку в космос - на околоземные орбиты. Но скорость истечения реактивной струи в ЖРД не превышает 4,5 км/с, а для полетов на другие планеты нужны десятки километров в секунду. Возможным выходом является использование энергии ядерных реакций.

Практическое создание ядерных ракетных двигателей (ЯРД) вели только СССР и США. В 1955 году в США началась реализация программы «Rover» по разработке ядерного ракетного двигателя для космических кораблей. Через три года, в 1958 году, проектом стало заниматься НАСА, которое поставило конкретную задачу для кораблей с ЯРД - полет на Луну и Марс. С этого времени программа стала называться NERVA, что расшифровывается как - «ядерный двигатель для установки на ракеты».

К середине 70-х годов в рамках этой программы предполагалось спроектировать ЯРД с тягой около 30 тонн (для сравнения у ЖРД этого времени характерная тяга была примерно 700 тонн), но со скоростью истечения газов - 8,1 км/с. Однако, в 1973 году программа была закрыта из-за смещения интересов США в сторону космических челноков.

В СССР проектирование первых ЯРД велось во второй половине 50-х годов. При этом советские конструкторы, вместо создания полномасштабной модели, стали делать отдельные части ЯРД. А потом эти наработки испытывались во взаимодействии со специально разработанным импульсным графитовым реактором (ИГР).

В 70-80-е годы прошлого века в КБ «Салют», КБ «Химавтоматики» и НПО «Луч» были созданы проекты космических ЯРД РД-0411 и РД-0410 с тягой 40 и 3,6 т соответственно. В течение процесса проектирования были изготовлены реактор, «холодный» двигатель и стендовый прототип для проведения испытаний.

В июле 1961 года советский академик Андрей Сахаров сообщил о проекте ядерного взрыволета на совещании ведущих атомщиков в Кремле. Взрыволет имел обычные жидкостные ракетные двигатели для взлета, в космосе же предполагалось взрывать небольшие ядерные заряды. Возникающие при взрыве продукты деления передавали свой импульс кораблю, заставляя его лететь. Однако 5 августа 1963 года в Москве был подписан договор о запрещении испытаний ядерного оружия в атмосфере, космическом пространстве и под водой. Это послужило причиной закрытия программы ядерных взрыволетов.

Возможно, что разработки ЯРД опережали свое время. Однако они не были слишком преждевременными. Ведь подготовка пилотируемого полета к другим планетам длится несколько десятилетий, и двигательные установки для него должны готовиться заранее.

Конструкция ядерного ракетного двигателя

Ядерный ракетный двигатель (ЯРД) - реактивный двигатель, в котором энергия, возникающая при ядерной реакции распада или синтеза, нагревает рабочее тело (чаще всего, водород или аммиак).

Существует три типа ЯРД по виду топлива для реактора:

• твердофазный;
• жидкофазный;
• газофазный.

Наиболее законченным является твердофазный вариант двигателя. На рисунке изображена схема простейшего ЯРД с реактором на твердом ядерном горючем. Рабочее тело располагается во внешнем баке. С помощью насоса оно подается в камеру двигателя. В камере рабочее тело распыляется с помощью форсунок и вступает в контакт с тепловыделяющим ядерным топливом. Нагреваясь, оно расширяется и с огромной скоростью вылетает из камеры через сопло.

Жидкофазный — ядерное топливо в активной зоне реактора такого двигателя находится в жидком виде. Тяговые параметры таких двигателей выше, чем у твердофазных, за счет более высокой температуры реакторе.

В газофазных ЯРД топливо (например, уран) и рабочее тело находится в газообразном состоянии (в виде плазмы) и удерживается в рабочей зоне электромагнитным полем. Нагретая до десятков тысяч градусов урановая плазма передает тепло рабочему телу (например, водороду), которое, в свою очередь, будучи нагретым до высоких температур и образует реактивную струю.

По типу ядерной реакции различают радиоизотопный ракетный двигатель, термоядерный ракетный двигатель и собственно ядерный двигатель (используется энергия деления ядер).

Интересным вариантом также является импульсный ЯРД - в качестве источника энергии (горючего) предлагается использовать ядерный заряд. Такие установки могут быть внутреннего и внешнего типов.

Основными преимуществами ЯРД являются:

• высокий удельный импульс;
• значительный энергозапас;
• компактность двигательной установки;
• возможность получения очень большой тяги - десятки, сотни и тысячи тонн в вакууме.

Основным недостатком является высокая радиоционная опасность двигательной установки:

• потоки проникающей радиации (гамма-излучение, нейтроны) при ядерных реакциях;
• вынос высокорадиоактивных соединений урана и его сплавов;
• истечение радиоактивных газов с рабочим телом.

Поэтому запуск ядерного двигателя неприемлем для стартов с поверхности Земли из-за риска радиоактивного загрязнения.

Нашёл интересную статью. Вообще атомные космические корабли меня всегда интересовали. Это будущее космонавтики. Обширные работы по этой тематике велись и в СССР. В статье как раз про них.

В космос на атомной тяге. Мечты и реальность.

доктор физико-математических наук Ю. Я. Стависский

В 1950 году я защитил диплом инженера-физика в Московском механическом институте (ММИ) Министерства боеприпасов. Пятью годами раньше, в 1945-м, там был образован инженерно-физический факультет, готовивший специалистов для новой отрасли, в задачи которой входило в основном производство ядерного боеприпаса. Факультет не имел себе равных. Наряду с фундаментальной физикой в объёме университетских курсов (методы математической физики, теория относительности, квантовая механика, электродинамика, статистическая физика и другие) нам преподавали полный набор инженерных дисциплин: химию, металловедение, сопротивление материалов, теорию механизмов и машин и пр. Созданный выдающимся советским физиком Александром Ильичём Лейпунским инженерно-физический факультет ММИ вырос со временем в Московский инженерно-физический институт (МИФИ). Другой инженерно-физический факультет, также влившийся впоследствии в МИФИ, был сформирован в Московском энергетическом институте (МЭИ), но если в ММИ основной упор делался на фундаментальную физику, то в Энергетическом — на тепло- и электрофизику.

Квантовую механику мы изучали по книге Дмитрия Ивановича Блохинцева. Каково же было моё удивление, когда при распределении меня направили к нему на работу. Я, заядлый экспериментатор (в детстве разобрал все часы в доме), и вдруг попадаю к известному теоретику. Меня охватила лёгкая паника, но по прибытии на место — „Объект В“ МВД СССР в Обнинске — сразу понял, что волновался напрасно.

К этому времени основная тематика „Объекта В“, во главе которого до июня 1950 года фактически стоял А.И. Лейпунский, уже сформировалась. Здесь создавали реакторы с расширенным воспроизводством ядерного горючего — „быстрые бридеры“. На посту директора Блохинцев инициировал развитие нового направления — создание двигателей на атомной тяге для космических полётов. Овладение космосом было давней мечтой Дмитрия Ивановича, ещё в юности он переписывался и встречался с К.Э. Циолковским. Я думаю, что понимание гигантских возможностей ядерной энергии, по теплотворной способности в миллионы раз превышающей лучшие химические топлива, и определило жизненный путь Д.И. Блохинцева.
„Лицом к лицу лица не увидать“… В те годы мы многого не понимали. Только сейчас, когда наконец-то появилась возможность сопоставить дела и судьбы выдающихся учёных Физико-энергетического института (ФЭИ) — бывшего „Объекта В“, переименованного 31 декабря 1966 года — складывается верное, как мне кажется, понимание идей, двигавших ими в то время. При всём многообразии дел, которыми приходилось заниматься институту, можно выделить приоритетные научные направления, оказавшиеся в сфере интересов его ведущих физиков.

Главный интерес АИЛа (так в институте за глаза называли Александра Ильича Лейпунского) — развитие глобальной энергетики на основе быстрых реакторов-бридеров (ядерных реакторов, не имеющих ограничений в ресурсах ядерного горючего). Трудно переоценить значение этой поистине „космической“ проблемы, которой он посвятил последние четверть века своей жизни. Немало сил Лейпунский потратил и на оборону страны, в частности на создание атомных двигателей для подводных лодок и тяжелых самолётов.

Интересы Д.И. Блохинцева (за ним закрепилось прозвище „Д. И.“) были направлены на решение проблемы использования ядерной энергии для космических полётов. К сожалению, в конце 1950-х годов он был вынужден оставить эту работу и возглавить создание международного научного центра — Объединённого института ядерных исследований в Дубне. Там он занимался импульсными быстрыми реакторами — ИБР. Это стало последним большим делом его жизни.

Одна цель — одна команда

Д.И. Блохинцев, преподававший в конце 1940-х в МГУ, приметил там, а затем пригласил на работу в Обнинск молодого физика Игоря Бондаренко, который буквально бредил космическими кораблями на атомной тяге. Первым его научным руководителем был А.И. Лейпунский, и Игорь, естественно, занимался его тематикой — быстрыми бридерами.

При Д.И. Блохинцеве вокруг Бондаренко сформировалась группа учёных, которые объединились, чтобы решить проблемы использования атомной энергии в космосе. Кроме Игоря Ильича Бондаренко в группу входили: Виктор Яковлевич Пупко, Эдвин Александрович Стумбур и автор этих строк. Главным идеологом был Игорь. Эдвин проводил экспериментальные исследования наземных моделей ядерных реакторов космических установок. Я занимался в основном ракетными двигателями „малой тяги“ (тяга в них создаётся своеобразным ускорителем — „ионным движителем“, который питается энергией от космической атомной электростанции). Мы исследовали процессы,
протекающие в ионных движителях, на наземных стендах.

На Викторе Пупко (в будущем
он стал начальником отделения космической техники ФЭИ) лежала большая организационная работа. Игорь Ильич Бондаренко был выдающимся физиком. Он тонко чувствовал эксперимент, ставил простые, изящные и весьма эффективные опыты. Я думаю, как ни один экспериментатор, да, пожалуй, и немногие теоретики, „чувствовал“ фундаментальную физику. Всегда отзывчивый, открытый и доброжелательный, Игорь был поистине душой института. До сих пор ФЭИ живёт его идеями. Бондаренко прожил неоправданно короткую жизнь. В 1964-м, в возрасте 38 лет, он трагически погиб из-за врачебной ошибки. Как будто Бог, увидев, как много человек сделал, решил, что это уже чересчур и скомандовал: „Хватит“.

Нельзя не вспомнить ещё одну уникальную личность — Владимира Александровича Малыха, технолога „от Бога“, современного лесковского Левшу. Если „продукцией“ упомянутых выше учёных были в основном идеи и расчётные оценки их реальности, то работы Малыха всегда имели выход „в металле“. Его технологический сектор, насчитывавший во времена расцвета ФЭИ более двух тысяч сотрудников, мог сделать, без преувеличения, всё. Причём ключевую роль всегда играл он сам.

В.А. Малых начинал лаборантом в НИИ ядерной физики МГУ, имея за душой три курса физфака, — доучиться не дала война. В конце 1940-х годов ему удалось создать технологию изготовления технической керамики на основе окиси бериллия — материала уникального, диэлектрика с высокой теплопроводностью. До Малыха многие безуспешно бились над этой проблемой. А топливный элемент на основе серийной нержавеющей стали и природного урана, разработанный им для первой атомной электростанции, — чудо по тем да и по нынешнем временам. Или созданный Малыхом термоэмиссионный топливный элемент реактора-электрогенератора для питания космических аппаратов — „гирлянда“. До сих пор в этой области не появилось ничего лучшего. Творения Малыха были не демонстрационными игрушками, а элементами ядерной техники. Они работали месяцы и годы. Владимир Александрович стал доктором технических наук, лауреатом Ленинской премии, Героем Социалистического Труда. В 1964 году он трагически погиб от последствий военной контузии.

Шаг за шагом

С.П. Королёв и Д.И. Блохинцев с давних пор вынашивали мечту о полёте человека в космос. Между ними установились тесные рабочие связи. Но в начале 1950-х годов, в разгар „холодной войны“, средств не жалели только на военные цели. Ракетная техника рассматривалась лишь как носитель ядерных зарядов, а о спутниках и не помышляли. Между тем Бондаренко, зная о последних достижениях ракетчиков, настойчиво выступал за создание искусственного спутника Земли. Впоследствии об этом никто и не вспомнил.

Любопытна история создания ракеты, поднявшей в космос первого космонавта планеты — Юрия Гагарина. Связана она с именем Андрея Дмитриевича Сахарова. В конце 1940-х годов он разработал комбинированный делительно-термоядерный заряд — „слойку“, видимо, независимо от „отца водородной бомбы“ Эдварда Теллера, который предложил аналогичное изделие под названием „будильник“. Однако вскоре Теллер понял, что ядерный заряд такой схемы будет иметь „ограниченную“ мощность, не более ~ 500 килотонн толового эквивалента. Для „абсолютного“ оружия этого мало, поэтому „будильник“ был заброшен. В Союзе же в 1953 году взорвали сахаровскую слойку РДС-6с.

После успешных испытаний и избрания Сахарова в академики тогдашний глава Минсредмаша В.А. Малышев пригласил его к себе и поставил задачу определить параметры бомбы следующего поколения. Андрей Дмитриевич оценил (без детальной проработки) вес нового, значительно более мощного заряда. Докладная Сахарова легла в основу постановления ЦК КПСС и Совета Министров СССР, которое обязало С.П. Королёва разработать под этот заряд баллистическую ракету-носитель. Именно такая ракета Р-7 под названием „Восток“ и вывела на орбиту искусственный спутник Земли в 1957-м и космический корабль с Юрием Гагариным в 1961-м. Использовать её как носитель тяжёлого ядерного заряда тогда уже не планировали, поскольку развитие термоядерного оружия пошло иным путём.

На начальном этапе космической ядерной программы ФЭИ совместно с КБ В.Н. Челомея разрабатывал крылатую атомную ракету. Это направление развивалось недолго и завершилось расчётами и испытанием элементов двигателя, созданного в отделении В.А. Малыха. По сути, речь шла о низколетящем беспилотном самолете с прямоточным ядерным двигателем и ядерной боеголовкой (своего рода ядерный аналог „жужжащего клопа“ — немецкой V-1). Система стартовала с помощью обычных ракетных ускорителей. После выхода на заданную скорость тяга создавалась атмосферным воздухом, нагреваемым за счёт цепной реакции деления окиси бериллия, пропитанной обогащённым ураном.

Вообще говоря, возможность выполнения ракетой той или иной задачи космонавтики определяется скоростью, которую она приобретает после использования всего запаса рабочего тела (топлива и окислителя). Её вычисляют по формуле Циолковского: V = c×lnMн/ Мк, где с — скорость истечения рабочего тела, а Мн и Мк — начальная и конечная масса ракеты. В обычных химических ракетах скорость истечения определяется температурой в камере сгорания, видом топлива и окислителя и молекулярным весом продуктов сгорания. Например, американцы для высадки астронавтов на Луну использовали в спускаемом аппарате в качестве топлива водород. Продукт его сгорания — вода, чей молекулярный вес сравнительно низок, и скорость истечения в 1,3 раза выше, чем при сжигании керосина. Этого достаточно, чтобы спускаемый аппарат с космонавтами достиг поверхности Луны и затем вернул их на орбиту её искусственного спутника. У Королёва работы с водородным топливом были приостановлены из-за аварии с человеческими жертвами. Создать лунный спускаемый аппарат для человека мы не успели.

Один из путей существенного повышения скорости истечения — создание ядерных термических ракет. У нас это были баллистические атомные ракеты (БАР) с радиусом действия несколько тысяч километров (совместный проект ОКБ-1 и ФЭИ), у американцев — аналогичные системы типа „Киви“. Двигатели испытывались на полигонах под Семипалатинском и в Неваде. Принцип их действия следующий: водород нагревается в ядерном реакторе до высоких температур, переходит в атомарное состояние и уже в таком виде истекает из ракеты. Скорость истечения при этом повышается более чем вчетверо по сравнению с химической водородной ракетой. Вопрос состоял в том, чтобы выяснить, до какой температуры можно нагреть водород в реакторе с твёрдыми топливными элементами. Расчёты давали около 3000°К.

В НИИ-1, научным руководителем которого был Мстислав Всеволодович Келдыш (тогда президент Академии наук СССР), отдел В.М. Иевлева с участием ФЭИ занимался совсем уж фантастической схемой — газофазным реактором, в котором цепная реакция протекает в газовой смеси урана и водорода. Из такого реактора водород истекает ещё раз в десять быстрее, чем из твёрдотопливного, уран же сепарируется и остаётся в активной зоне. Одна из идей предполагала использование центробежной сепарации, когда горячая газовая смесь урана и водорода „закручивается“ поступающим холодным водородом, в результате чего уран и водород разделяются, как в центрифуге. Иевлев пытался, по сути дела, прямо воспроизвести процессы в камере сгорания химической ракеты, используя в качестве источника энергии не теплоту сгорания топлива, а цепную реакцию деления. Это открывало путь к полному использованию энергоёмкости атомных ядер. Но вопрос о возможности истечения из реактора чистого водорода (без урана) так и остался нерешённым, не говоря уже о технических проблемах, связанных с удержанием высокотемпературных газовых смесей при давлениях в сотни атмосфер.

Работы ФЭИ по баллистическим атомным ракетам завершились в 1969-1970 годах „огневыми испытаниями“ на семипалатинском полигоне прототипа ядерного ракетного двигателя с твёрдыми топливными элементами. Его создавал ФЭИ в кооперации с воронежским КБ А.Д. Конопатова, московским НИИ-1 и рядом других технологических групп. Основу двигателя с тягой 3,6 т составлял ядерный реактор ИР-100 с топливными элементами из твёрдого раствора карбида урана и карбида циркония. Температура водорода достигала 3000°К при мощности реактора ~ 170 МВт.

Атомные ракеты малой тяги

До сих пор речь шла о ракетах с тягой, превышающей их вес, которые могли бы стартовать с поверхности Земли. В таких системах увеличение скорости истечения позволяет снизить запас рабочего тела, повысить полезную нагрузку и отказаться от многоступенчатости. Однако есть пути достижения практически неограниченных скоростей истечения, например ускорение вещества электромагнитными полями. Я занимался этим направлением в тесном контакте с Игорем Бондаренко почти 15 лет.

Ускорение ракеты с электрореактивным двигателем (ЭРД) определяется отношением удельной мощности установленной на них космической атомной электростанции (КАЭС) к скорости истечения. В обозримом будущем удельные мощности КАЭС, судя по всему, не превысят 1 кВт/кг. При этом возможно создание ракет с малой тягой, в десятки и сотни раз меньшей веса ракеты, и с очень малым расходом рабочего тела. Такая ракета может стартовать только с орбиты искусственного спутника Земли и, медленно ускоряясь, достигать больших скоростей.

Для полётов в пределах Солнечной системы нужны ракеты со скоростью истечения 50-500 км/с, а для полётов к звёздам — выходящие за пределы нашего воображения „фотонные ракеты“ со скоростью истечения, равной скорости света. Чтобы осуществить сколько-нибудь разумный по времени дальний космический полёт, необходимы невообразимые удельные мощности энергетических установок. Пока нельзя даже представить, на каких физических процессах они могут быть основаны.

Проведенные расчёты показали, что во время Великого противостояния, когда Земля и Марс находятся ближе всего друг к другу, можно за один год осуществить полёт ядерного космического корабля с экипажем к Марсу и возвратить его на орбиту искусственного спутника Земли. Полный вес такого корабля — около 5 т (включая запас рабочего тела — цезия, равный 1,6 т). Он определяется в основном массой КАЭС мощностью 5 МВт, а реактивная тяга — двухмегаваттным пучком ионов цезия с энергией 7 килоэлектронвольт *. Корабль стартует с орбиты искусственного спутника Земли, выходит на орбиту спутника Марса, а спускаться на его поверхность придётся уже на аппарате с водородным химическим двигателем, подобным американскому лунному.

Этому направлению, основанному на технических решениях, возможных уже сегодня, был посвящён большой цикл работ ФЭИ.

Ионные движители

В те годы обсуждались пути создания различных электрореактивных движителей для космических аппаратов, таких, как „плазменные пушки“, электростатические ускорители „пыли“ или капель жидкости. Однако ни одна из идей не имела под собой чёткой физической основы. Находкой оказалась поверхностная ионизация цезия.

Ещё в 20-е годы прошлого века американский физик Ирвинг Лэнгмюр открыл поверхностную ионизацию щелочных металлов. При испарении атома цезия с поверхности металла (в нашем случае — вольфрама), у которого работа выхода электронов больше потенциала ионизации цезия, он практически в 100% случаев теряет слабо связанный электрон и оказывается однократно заряженным ионом. Таким образом, поверхностная ионизация цезия на вольфраме и есть тот физический процесс, который позволяет создать ионный движитель с почти 100-процентным использованием рабочего тела и с энергетическим КПД, близким к единице.

Большую роль в создании моделей ионного движителя такой схемы сыграл наш коллега Сталь Яковлевич Лебедев. Своим железным упорством и настойчивостью он преодолевал все преграды. В результате удалось воспроизвести в металле плоскую трёхэлектродную схему ионного движителя. Первый электрод — пластина вольфрама размером примерно 10×10 см с потенциалом +7 кВ, второй — сетка из вольфрама с потенциалом -3 кВ, третий — сетка из торированного вольфрама с нулевым потенциалом. „Молекулярная пушка“ давала пучок паров цезия, который сквозь все сетки попадал на поверхность вольфрамовой пластины. Уравновешенная и откалиброванная металлическая пластина, так называемые весы, служила для измерения „силы“, т. е. тяги ионного пучка.

Ускоряющее напряжение до первой сетки разгоняет ионы цезия до 10 000 эВ, тормозящее напряжение до второй замедляет их до 7000 эВ. Это та энергия, с которой ионы должны покидать движитель, что соответствует скорости истечения 100 км/с. Но пучок ионов, ограниченный объёмным зарядом, не может „выйти в открытый космос“. Объёмный заряд ионов необходимо скомпенсировать электронами, чтобы образовалась квазинейтральная плазма, которая беспрепятственно распространяется в пространстве и создаёт реактивную тягу. Источником электронов для компенсации объёмного заряда ионного пучка служит нагреваемая током третья сетка (катод). Вторая, „запирающая“ сетка не даёт электронам попасть с катода на вольфрамовую пластину.

Первый опыт с моделью ионного движителя положил начало более чем десятилетним работам. Одна из последних моделей — с пористым вольфрамовым эмиттером, созданная в 1965 году, давала „тягу“ около 20 г при токе ионного пучка 20 А, имела коэффициент использования энергии около 90% и вещества — 95%.

Прямое преобразование ядерного тепла в электричество

Пути прямого преобразования энергии ядерного деления в электрическую пока не найдены. Мы ещё не можем обойтись без промежуточного звена — тепловой машины. Поскольку её КПД всегда меньше единицы, „отработанное“ тепло нужно куда-то девать. На земле, в воде и в воздухе с этим проблем нет. В космосе же существует только один путь — тепловое излучение. Таким образом, КАЭС не может обойтись без „холодильника-излучателя“. Плотность же излучения пропорциональна четвёртой степени абсолютной температуры, поэтому температура холодильника-излучателя должна быть как можно более высокой. Тогда удастся сократить площадь излучающей поверхности и соответственно массу энергетической установки. У нас появилась идея использовать „прямое“ преобразование ядерного тепла в электричество, без турбины и генератора, что казалось более надёжным при длительной работе в области высоких температур.

Из литературы мы знали о работах А.Ф. Иоффе — основателя советской школы технической физики, пионера в исследовании полупроводников в СССР. Мало кто теперь помнит о разработанных им источниках тока, применявшихся в годы Великой Отечественной войны. Тогда не один партизанский отряд имел связь с Большой землёй благодаря „керосиновым“ ТЭГам — термоэлектрогенераторам Иоффе. „Венец“ из ТЭГов (он представлял собой набор полупроводниковых элементов) надевался на керосиновую лампу, а его провода подсоединялись к радиоаппаратуре. „Горячие“ концы элементов нагревались пламенем керосиновой лампы, „холодные“ — остывали на воздухе. Поток тепла, проходя через полупроводник, порождал электродвижущую силу, которой хватало для сеанса связи, а в промежутках между ними ТЭГ заряжал аккумулятор. Когда через десять лет после Победы мы побывали на московском заводе ТЭГов, оказалось, что они ещё находят сбыт. У многих деревенских жителей были тогда экономичные радиоприемники „Родина“ на лампах прямого накала, работающие от батареи. Вместо них зачастую использовали ТЭГи.

Беда керосинового ТЭГа — его низкий КПД (всего около 3,5%) и невысокая предельная температура (350°К). Но простота и надёжность этих приборов привлекали разработчиков. Так, полупроводниковые преобразователи, разработанные группой И.Г. Гвердцители в Сухумском физико-техническом институте, нашли применение в космических установках типа „Бук“.

В свое время А.Ф. Иоффе предложил ещё один термоэмиссионный преобразователь — диод в вакууме. Принцип его действия следующий: нагретый катод испускает электроны, часть их, преодолевающая потенциал анода, совершает работу. От этого прибора ожидали значительно большего КПД (20-25%) при рабочей температуре выше 1000°К. Кроме того, в отличие от полупроводника вакуумный диод не боится нейтронного излучения, и его можно совместить с ядерным реактором. Однако оказалось, что осуществить идею „вакуумного“ преобразователя Иоффе невозможно. Как и в ионном движителе, в вакуумном преобразователе нужно избавиться от объёмного заряда, но на этот раз не ионов, а электронов. А.Ф. Иоффе предполагал использовать в вакуумном преобразователе микронные зазоры между катодом и анодом, что в условиях высоких температур и термических деформаций практически невозможно. Вот тут-то и пригодился цезий: один ион цезия, полученный за счёт поверхностной ионизации на катоде, компенсирует объёмный заряд около 500 электронов! По сути дела, цезиевый преобразователь — это „обращённый“ ионный движитель. Физические процессы в них близки.

«Гирлянды» В.А. Малыха

Одним из результатов работ ФЭИ над термоэмиссионными преобразователями были создание В.А. Малыхом и серийный выпуск в его отделении тепловыделяющих элементов из последовательно соединённых термоэмиссионных преобразователей — „гирлянд“ для реактора „Топаз“. Они давали до 30 В — раз в сто больше, чем одноэлементные преобразователи, созданные „конкурирующими организациями“ — ленинградской группой М.Б. Барабаша и позднее — Институтом атомной энергии. Это позволяло „снимать“ с реактора в десятки и сотни раз большую мощность. Однако надёжность системы, напичканной тысячами термоэмиссионных элементов, вызывала опасения. В то же время паро- и газотурбинные установки работали без сбоев, поэтому мы обратили внимание и на „машинное“ преобразование ядерного тепла в электричество.

Вся трудность заключалась в ресурсе, ведь в дальних космических полётах турбогенераторы должны работать год, два, а то и несколько лет. Чтобы уменьшить износ, „обороты“ (скорость вращения турбины) нужно сделать по возможности более низкими. С другой стороны, турбина работает эффективно, если скорость молекул газа или пара близка к скорости её лопаток. Поэтому сначала мы рассматривали применение самого тяжёлого — ртутного пара. Но нас испугала интенсивная радиационно-стимулированная коррозия железа и нержавеющей стали, которая возникала в охлаждаемом ртутью ядерном реакторе. За две недели коррозия „съела“ тепловыделяющие элементы опытного быстрого реактора „Клементина“ в Аргонской лаборатории (США, 1949 год) и реактора БР-2 в ФЭИ (СССР, Обнинск, 1956 год).

Заманчивым оказался калиевый пар. Реактор с кипящим в нём калием лёг в основу разрабатываемой нами энергетической установки космического корабля малой тяги — калиевый пар вращал турбогенератор. Такой „машинный“ способ преобразования тепла в электричество позволял рассчитывать на КПД до 40%, в то время как реальные термоэмиссионные установки давали кпд всего около 7%. Однако КАЭС с „машинным“ преобразованием ядерного тепла в электричество не получили развития. Дело завершилось выпуском подробного отчёта, по сути — „физической записки“ к техническому проекту космического корабля малой тяги для полёта с экипажем к Марсу. Сам проект так и не был разработан.

В дальнейшем, я думаю, просто пропал интерес к космическим полётам с использованием ядерных ракетных двигателей. После смерти Сергея Павловича Королёва поддержка работ ФЭИ по ионным движителям и „машинным“ ядерно-энергетическим установкам заметно ослабла. ОКБ-1 возглавил Валентин Петрович Глушко, у которого не было интереса к смелым перспективным проектам. Созданное им ОКБ „Энергия“ строило мощные химические ракеты и возвращаемый на Землю космический корабль „Буран“.

«Бук» и «Топаз» на спутниках серии «Космос»

Работы по созданию КАЭС с прямым преобразованием тепла в электричество, теперь уже в качестве источников питания для мощных радиотехнических спутников (космических радиолокационных станций и телетрансляторов), продолжались до начала перестройки. С 1970 по 1988 год в космос запустили около 30 радиолокационных спутников с ядерно-энергетическими установками „Бук“ с полупроводниковыми реакторами-преобразователями и два — с термоэмиссионными установками „Топаз“. „Бук“, по сути дела, представлял собой ТЭГ — полупроводниковый преобразователь Иоффе, только вместо керосиновой лампы в нём использовался ядерный реактор. Это был быстрый реактор мощностью до 100 кВт. Полная загрузка высокообогащённого урана составляла около 30 кг. Тепло из активной зоны передавалось жидким металлом — эвтектическим сплавом натрия с калием полупроводниковым батареям. Электрическая мощность достигала 5 кВт.

Установку „Бук“ под научным руководством ФЭИ разрабатывали специалисты ОКБ-670 М.М. Бондарюка, позднее — НПО „Красная звезда“ (главный конструктор — Г.М. Грязнов). Создать ракету-носитель для вывода спутника на орбиту поручили днепропетровскому КБ „Южмаш“ (главный конструктор — М.К. Янгель).

Время работы „Бука“ — 1-3 месяца. Если установка отказывала, спутник переводили на орбиту длительного существования высотой 1000 км. За почти 20 лет запусков было три случая падения спутника на Землю: два — в океан и один — на сушу, в Канаде, в окрестности Большого Невольничьего озера. Туда упал „Космос-954“, запущенный 24 января 1978 года. Он проработал 3,5 месяца. Урановые элементы спутника полностью сгорели в атмосфере. На земле нашли лишь остатки бериллиевого отражателя и полупроводниковых батарей. (Все эти данные приведены в совместном отчёте атомных комиссий США и Канады об операции „Утренний свет“.)

В термоэмиссионной ядерно-энергетической установке „Топаз“ использовался тепловой реактор мощностью до 150 кВт. Полная загрузка урана составляла около 12 кг — значительно меньше, чем у „Бука“. Основой реактора были тепловыделяющие элементы — „гирлянды“, разработанные и изготовленные группой Малыха. Они представляли собой цепочку термоэлементов: катод — „напёрсток“ из вольфрама или молибдена, заполненный окисью урана, анод — тонкостенная трубка из ниобия, охлаждаемая жидким натрий-калием. Температура катода достигала 1650°C. Электрическая мощность установки доходила до 10 кВт.

Первый лётный образец — спутник „Космос-1818“ с установкой „Топаз“ вышел на орбиту 2 февраля 1987 года и безотказно проработал полгода, до исчерпания запасов цезия. Второй спутник — „Космос-1876“ был запущен через год. Он отработал на орбите почти в два раза дольше. Главным разработчиком „Топаза“ было ОКБ ММЗ „Союз“, возглавляемое С.К. Туманским (бывшее КБ конструктора авиамоторов А.А. Микулина).

Это было в конце 1950-х годов, когда мы занимались ионным движителем, а он — двигателем третьей ступени, предназначавшимся для ракеты, которой предстояло облететь Луну и совершить посадку на неё. Воспоминания о мельниковской лаборатории свежи и поныне. Она располагалась в Подлипках (ныне г. Королёв), на площадке № 3 ОКБ-1. Огромный цех площадью около 3000 м2, уставленный десятками письменных столов со шлейфными осциллографами, производящими запись на 100-миллиметровой рулонной бумаге (это была ещё прошлая эпоха, сегодня хватило бы одного персонального компьютера). У передней стены цеха — стенд, где монтируется камера сгорания двигателя „лунной“ ракеты. К осциллографам идут тысячи проводов от датчиков скорости газов, давления, температуры и других параметров. День начинается в 9.00 с зажигания двигателя. Он работает несколько минут, затем сразу после остановки бригада механиков первой смены разбирает его, тщательно осматривает и измеряет камеру сгорания. Одновременно анализируются ленты осциллографов и вырабатываются рекомендации по изменениям конструкции. Вторая смена — конструкторы и рабочие мастерских вносят рекомендованные изменения. В третью смену на стенде монтируются новая камера сгорания и система диагностики. Через сутки, ровно в 9.00, — следующий сеанс. И так без выходных недели, месяцы. Более 300 вариантов двигателя за год!

Так создавались двигатели химических ракет, которым предстояло работать всего 20-30 минут. Что же говорить об испытаниях и доработках ядерно-энергетических установок — расчёт был на то, что они должны работать не один год. Это требовало поистине гигантских усилий.

Ядерный ракетный двигатель - ракетный двигатель, принцип действия которого основан на ядерной реакции или радиоактивном распаде, при этом выделяется энергия, нагревающая рабочее тело, которым могут служить продукты реакций либо какое-то другое вещество, например водород. Существует несколько разновидностей ракетных двигателей, использующих вышеописанный принцип действия: ядерный, радиоизотопный, термоядерный. Используя ядерные ракетные двигатели, можно получить значения удельного импульса значительно выше тех, которые могут дать химические ракетные двигатели. Высокое значение удельного импульса объясняется большой скоростью истечения рабочего тела - порядка 8-50 км/с. Сила тяги ядерного двигателя сравнима с показателями химических двигателей, что позволит в будущем заменить все химические двигатели на ядерные.

Основным препятствием на пути полной замены является радиоактивное загрязнение окружающей среды, которое наносят ядерные ракетные двигатели.

Их разделяют на два типа - твердо-и газофазные. В первом типе двигателей делящееся вещество размещается в сборках-стержнях с развитой поверхностью. Это позволяет эффективно нагревать газообразное рабочее тело, обычно в качестве рабочего тела выступает водород. Скорость истечения ограничена максимальной температурой рабочего тела, которая, в свою очередь, напрямую зависит от максимально допустимой температуры элементов конструкции, а она не превышает 3000 К. В газофазных ядерных ракетных двигателях делящееся вещество находится в газообразном состоянии. Его удержание в рабочей зоне осуществляется посредством воздействия электромагнитного поля. Для этого типа ядерных ракетных двигателей элементы конструкции не являются сдерживающим фактором, поэтому скорость истечения рабочего тела может превышать 30 км/с. Могут быть использованы в качестве двигателей первой ступени, невзирая на утечку делящегося вещества.

В 70-х гг. XX в. в США и Советском Союзе активно испытывались ядерные ракетные двигатели с делящимся веществом в твердой фазе. В США разрабатывалась программа по созданию опытного ядерного ракетного двигателя в рамках программы NERVA.

Американцами был разработан графитовый реактор, охлаждаемый жидким водородом, который нагревался, испарялся и выбрасывался через ракетное сопло. Выбор графита был обусловлен его температурной стойкостью. По этому проекту удельный импульс полученного двигателя должен был вдвое превышать соответствующий показатель, характерный для химических двигателей, при тяге в 1100 кН. Реактор Nerva должен был работать в составе третьей ступени ракеты-носителя «Сатурн V», но в связи с закрытием лунной программы и отсутствием других задач для ракетных двигателей этого класса реактор так и не был опробован на практике.

В настоящее время в стадии теоретической разработки находится газофазный ядерный ракетный двигатель. В газофазном ядерном двигателе подразумевается использовать плутоний, медленно движущаяся газовая струя которого окружена более быстрым потоком охлаждающего водорода. На орбитальных космических станциях МИР и МКС проводились эксперименты, которые могут дать толчок к дальнейшему развитию газофазных двигателей.

На сегодняшний день можно сказать, что Россия немного «заморозила» свои исследования в области ядерных двигательных установок. Работа российских ученых больше ориентирована на разработку и совершенствование базовых узлов и агрегатов ядерных энергодвигательных установок, а также их унификацию. Приоритетным направлением дальнейших исследований в этой области является создание ядерных энергодвигательных установок, способных работать в двух режимах. Первым является режим ядерного ракетного двигателя, а вторым - режим установки генерирующей электроэнергии для питания аппаратуры, установленной на борту космического аппарата.