Mio-tech-service.ru

Автомобильный журнал
6 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Что ядерный космический двигатель 2014

«Вечный двигатель» для покорения космоса создан в России

Человечество веками мечтало о покорении космического пространства и полетах к звездам. Однако до недавних пор не было создано двигателей для космических аппаратов и самих ракет-носителей, которые донесли бы человека до ближайших звезд не за десятки тысяч лет, а хотя бы в течение его жизни. В настоящее время проект космического корабля с ядерной энергоустановкой мегаваттного класса, который сможет осуществить планы покорения звезд, разработан Государственным научным центром ФГУП «Центр Келдыша».

Это скачок в будущее.

Мечта Сергея Королева, Вернера фон Брауна и их предшественников – получить мощную энергетику для космических полетов и длительной работы на орбите – в скором времени может осуществиться.

Этот двигатель позволит нам высадиться первыми на Марс, и вернуться назад.

Это скачок уже в 22 век, отрыв от всех остальных. Сегодня Россия пытается доминировать в космической отрасли , строятся новые космодромы и ракеты. Надеюсь, нам удастся вернуть величие некогда былой советской космонавтики”

По словам главы Роскосмоса Владимира Поповкина, опытный образец ядерной энергодвигательной установки мегаваттного класса, предназначенной для межпланетных миссий, появится в России в 2017 году. А уже через год в Сосновом Бору под Петербургом могут начаться стендовые испытания ядерного реактора для этих целей.

Напомним короткую предысторию вопроса (о более длинной – речь в конце). Два года назад, в июне 2010-го, вышло распоряжение президента России Дмитрия Медведева в поддержку проекта космического транспортно-энергетического модуля (ТЭМ) на основе ядерной энергетической установки мегаваттного класса.

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 заявлениям первых лиц “Росатома” и космической отрасли, проект развивается успешно. А как оценивают текущее положение дел его непосредственные участники? Тем более сейчас, когда только и разговоров – про неудачи и сбои, преследующие Роскосмос?

За ответом на этот вопрос корреспондент “РГ” отправился в “Центр Келдыша” и встретился с генеральным директором академиком РАН Анатолием Коротеевым.

В его лице функции формального и неформального лидера “проекта ТЭМ” органичным образом совпали: академик Коротеев является научным руководителем этого направления, и он же возглавляет межведомственную рабочую группу.

В одной упряжке

Анатолий Сазонович, давайте для начала уточним, кто и за что конкретно отвечает в этом амбициозном проекте?

Анатолий Коротеев: Головная организация, отвечающая за разработку собственно ядерного реактора, – Научно-исследовательский и конструкторский институт энергетических технологий (НИКИЭТ), входящий в систему “Росатома”. “Центр Келдыша”, которым я руковожу, назначен головным по ядерной энергодвигательной установке. А за транспортный модуль отвечает Ракетно-космическая корпорация “Энергия”.

Как я понимаю, это три “коренника”. А кого еще привлекли или собираетесь привлечь?

Анатолий Коротеев: В основе – кооперация предприятий “Росатома”, которые должны делать реактор, и Роскосмоса, где изготовят турбокомпрессоры, генераторы и сами двигатели. Надо иметь в виду, что мы ведь не в чистом поле начали этот проект. В нем использован задел, созданный в предыдущие годы.

Например, по реактору в кооперации в НИКИЭТ состоят и предлагают свои наработки Подольский научно-исследовательский технологический институт, Курчатовский центр, Обнинский физико-энергетический институт. По замкнутому контуру многое сделали “Центр Келдыша”, КБ химического машиностроения и воронежское КБ химической автоматики. По генератору подключаем Институт электромеханики.

Вы возглавляете межведомственную рабочую группу. Как часто и для каких целей она собирается?

Анатолий Коротеев: Собираемся по мере необходимости, один-два раза в месяц, бывает и чаще. Возникающие друг к другу вопросы стараемся не накапливать.

В июле на рабочей группе обсуждали плюсы и минусы различных вариантов конструкции холодильников-излучателей для отвода тепла от реакторной установки в условиях невесомости и безвоздушного пространства. В августе совещание состоялось в Сосновом Бору под Петербургом, где решено проводить натурные испытания такого реактора.

По замкнутой схеме

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.

За место на орбите

Чтобы проект осуществился в заявленный срок, требуются ли сейчас какие-то дополнительные меры организационного или финансового характера со стороны Роскосмоса и правительства РФ?

Анатолий Коротеев: На весь проект по 2018 год включительно обещано 17 млрд рублей. Декларированная сумма меньше чем хотелось бы, но, думаю, на ближайшие годы этого достаточно.

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.

Комплимент от Кроули и НАСА

Член специальной комиссии НАСА по пилотируемым полетам Эдвард Кроули (Edward Crawley, он же президент – основатель Сколковского института науки и технологий) считает, что главным технологическим вкладом России в международную экспедицию к Марсу могут быть ядерные двигатели, а также методы адаптации и сохранения здоровья космонавтов. По его мнению, ни одна страна не может в одиночку осуществить пилотируемый полет к Марсу. В этом проекте, по словам Кроули, должны соединиться интеллектуальные, технологические и финансовые возможности США, России, стран Евросоюза и, возможно, Китая. В частности, может быть востребован российский опыт в сфере разработки ядерных двигателей. “У России, – дал понять Кроули, – есть очень большой опыт как в разработке ракетных двигателей, так и в ядерных технологиях”.

Читать еще:  Что такое avcs двигателя

Транспортно-энергетический модуль на основе ЯЭДУ мегаваттного класса может обеспечить увеличенный в 30 раз (по сравнению с достигнутым) уровень энергообеспечения космических аппаратов и десятикратную (на единицу веса) экономию топлива маршевой двигательной установки. А технические решения, заложенные в концепцию ТЭМ, позволяют решать весь спектр космических задач XXI века, включая: доставку грузов на геостационарную орбиту; очистку околоземных орбит от неработающих спутников; защиту Земли от астероидной опасности; создание систем энергоснабжения Земли из космоса; программы исследования Луны; исследовательские миссии к дальним планетам.

Реплика скептика:

– Это ж охренеть получается! Две сверхдержавы за полвека противостояния не смогли ядреное двигло к ракете прикрутить, а тут Роскосмос – хрясь, и за три года выдает на-гора супер-пупер дорогу к звездам. Короче, бронирую билет на первый рейс к Альфе Шеридана.

Svargaman, опубликовано в 2012 году.

атом на орбите: к истории вопроса

Идея использовать ядерные двигатели на космических аппаратах в принципе не нова и уходит корнями в начало 1960-х. Уже тогда академики Мстислав Келдыш, Сергей Королев и Игорь Курчатов – первые лица советской космической программы и советского Атомного проекта – выдвигали такие задачи. Аналогичные разработки с прицелом на создание новых вооружений велись и в США. Но в космос ракетные ядерные двигатели так и не вышли. Хотя известно, что Советский Союз вывел с 1970 по 1988 год на различные орбиты 32 космических аппарата с термоэлектрической ядерной энергоустановкой (принцип ее работы основан на превращении энергии распада атома в электрическую энергию). Такие установки имели сравнительно небольшую мощность и ограниченный во времени срок службы, после чего сходили с орбиты, создавая головную боль, – куда упадут радиоактивные обломки? – для наземных служб слежения.

В конце 1980-х была заключена договоренность не запускать больше спутники с такими энергоустановками. Но сейчас, надеются в Роскосмосе и “Росатоме”, в связи с возможной подготовкой международной экспедиции к Луне и Марсу, прежние запреты могут быть пересмотрены. Президент РКК “Энергия” Виталий Лопота при этом замечает, что эксплуатироваться корабли и транспортные модули с такими реакторами должны лишь на орбитах, “с которых не упадут”. Он убежден, что уже в ближайшее десятилетие технически реально создать термоэмиссионные энергоустановки мощностью от 150 киловатт до мегаватта. Этого достаточно для орбитальных спутников. А для межпланетных миссий потребуется реакторная энергоустановка мощностью от одного до 6 мегаватт.

Маленькие шаги в космос

NASA также исследует создание более эффективных РИТЭГ — усовершенствованных многоцелевых РИТЭГ, или УМРИТЭГ. Но чтобы осуществить прорыв, нужно искать что-то новое. В конечном итоге понадобятся более мощные системы. Только ядерное деление может обеспечить такую мощь в краткосрочном сценарии, говорит Дэвид Постон из Национальной лаборатории Лос-Аламоса.

Посттон — главный разработчик реактора для Kilopower, прототипа реактора деления, который NASA успешно протестировало в прошлом году. Он сможет обеспечивать длинные миссией энергией, возможно даже планетарные аванпосты людей. «То, как мы воплотили это в реальности, упростило всё», говорит Постон. «У нас было много программ космических реакторов за последние 30 лет, но все они провалились. Главном образом потому, что оказались слишком дорогими». В настоящее время мощность Kilopower составляет 4 киловатта, но ученые надеются разогнать его до 10 кВт.

Ядерный ракетный двигатель строят для полетов на Марс. Чем он опасен?

NASA разработает ядерный двигатель для быстрого полета на Марс. Ракеты с ядерными двигателями будут более мощными и вдвое более эффективными, чем с химическими, которые используются сегодня. Рассказываем подробнее о разработке, как быстро она будет передвигаться и чем опасна.

Что такое ядерный ракетный двигатель?

Ядерный ракетный двигатель (ЯРД) — разновидность ракетного двигателя, которая использует энергию деления или синтеза ядер для создания реактивной тяги.

Традиционный ЯРД в целом представляет собой конструкцию из нагревательной камеры с ядерным реактором как источником тепла, системы подачи рабочего тела и сопла. Рабочее тело (как правило — водород) подается из бака в активную зону реактора, где, проходя через нагретые реакцией ядерного распада каналы, разогревается до высоких температур и затем выбрасывается через сопло, создавая реактивную тягу.

Существуют различные конструкции ЯРД: твердофазный, жидкофазный и газофазный — соответствующие агрегатному состоянию ядерного топлива в активной зоне реактора — твердое, расплав или высокотемпературный газ (либо даже плазма).

Твердофазный ядерный ракетный двигатель

В твердофазных ЯРД (ТфЯРД) делящееся вещество, как и в обычных ядерных реакторах, размещено в сборках-стержнях (ТВЭЛах) сложной формы с развитой поверхностью, что позволяет эффективно нагревать газообразное рабочее тело (обычно — водород, реже — аммиак), одновременно являющееся теплоносителем, охлаждающим элементы конструкции и сами сборки.

Температура нагрева ограничена температурой плавления элементов конструкции (не более 3000 К). Удельный импульс твердофазного ЯРД, по современным оценкам, составит 850–900 с, что более чем вдвое превышает показатели наиболее совершенных химических ракетных двигателей.

Наземные демонстраторы технологий ТфЯРД в ХХ веке были созданы и успешно испытаны на стендах (программа NERVA в США, РД-0410 в СССР).

Газофазный ядерный ракетный двигатель

Газофазный ядерный реактивный двигатель (ГЯРД) — концептуальный тип реактивного двигателя, в котором реактивная сила создаётся за счёт выброса теплоносителя (рабочего тела) из ядерного реактора, топливо в котором находится в газообразной форме или в виде плазмы. Считается, что в подобных двигателях удельный импульс составит 30–50 тыс. м/с.

Перенос тепла от топлива к теплоносителю достигается в основном за счет излучения, большей частью в ультрафиолетовой области спектра (при температурах топлива около 25 000 °C).

Ядерный импульсный двигатель

Атомные заряды мощностью примерно в килотонну на этапе взлета должны взрываться со скоростью один заряд в секунду. Ударная волна — расширяющееся плазменное облако — должна была приниматься «толкателем» — мощным металлическим диском с теплозащитным покрытием и потом, отразившись от него, создать реактивную тягу.

Импульс, принятый плитой толкателя, через элементы конструкции должен передаваться кораблю. Затем, когда высота и скорость вырастут, частоту взрывов можно будет уменьшить. При взлете корабль должен лететь строго вертикально, чтобы минимизировать площадь радиоактивного загрязнения атмосферы.

В США космические разработки с использованием импульсных ядерных ракетных двигателей осуществлялись с 1958 по 1965 год в рамках проекта «Орион» компанией «Дженерал Атомикс» по заказу ВВС США.

По проекту «Орион» проводились не только расчеты, но и натурные испытания. Летные испытания моделей летательного аппарата с импульсным приводом (для взрывов использовалась обычная химическая взрывчатка).

Были получены положительные результаты о принципиальной возможности управляемого полёта аппарата с импульсным двигателем. Также для исследования прочности тяговой плиты проведены испытания на атолле Эниветок.

Во время ядерных испытаний на этом атолле покрытые графитом стальные сферы были размещены в 9 м от эпицентра взрыва. Сферы после взрыва найдены неповрежденными, тонкий слой графита испарился (аблировал) с их поверхностей.

В СССР аналогичный проект разрабатывался в 1950–1970-х годах. Устройство содержало дополнительные химические реактивные двигатели, выводящие его на 30–40 км от поверхности Земли. Затем предполагалось включать основной ядерно-импульсный двигатель.

Основной проблемой была прочность экрана-толкателя, который не выдерживал огромных тепловых нагрузок от близких ядерных взрывов. Вместе с тем были предложены несколько технических решений, позволяющих разработать конструкцию плиты-толкателя с достаточным ресурсом. Проект не был завершен. Реальных испытаний импульсного ЯРД с подрывом ядерных устройств не проводилось.

Ядерная электродвигательная установка

Ядерная электродвигательная установка (ЯЭДУ) используется для выработки электроэнергии, которая, в свою очередь, используется для работы электрического ракетного двигателя.

Подобная программа в США (проект NERVA) была свернута в 1971 году, но в 2020 году американцы вновь вернулись к данной теме, заказав разработку ядерного теплового двигателя (Nuclear Thermal Propulsion, NTP) компании Gryphon Technologies для военных космических рейдеров на атомных двигателях для патрулирования окололунного и околоземного пространства, также с 2015 года идут работы по проекту Kilopower.

С 2010 года в России начались работы над проектом ядерной электродвигательной установки мегаваттного класса для космических транспортных систем (космический буксир «Нуклон»). На 2021 год ведется отработка макета; к 2025 году планируется создать опытные образцы данной ядерной энергоустановки; заявлена плановая дата летных испытаний космического тягача с ЯЭДУ — 2030 год.

Мощность

По оценкам А. В. Багрова, М. А. Смирнова и С. А. Смирнова, ядерный ракетный двигатель может добраться до Плутона за 2 месяца и вернуться обратно за 4 месяца с затратой 75 тонн топлива, до Альфы Центавра за 12 лет, а до Эпсилона Эридана за 24,8 года.

Ядерный двигатель опасен?

Основным недостатком является высокая радиационная 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.

Использование открытия российских ученых в гражданском секторе тесно связано с безопасностью ядерной силовой установки. Нужно было обеспечить безопасность его выхлопа.

Читать еще:  Что такое взд двигатель

Защита малогабаритного ядерного двигателя меньше, чем у большего по размерам, поэтому нейтроны будут проникать в «камеру сгорания», тем самым с некоторой вероятностью делая радиоактивным все вокруг.

Азот и кислород имеют радиоактивные изотопы с малым временем полураспада и не опасны. Радиоактивный углерод вещь долгоживущая. Но есть и хорошие новости.

Радиоактивный углерод образуется в верхних слоях атмосферы под действием космических лучей. Но главное, концентрация углекислого газа в сухом воздухе составляет всего 0,02÷0,04%.

Учитывая же, что процент углерода, становящийся радиоактивным, величина еще на несколько порядков меньшая, предварительно можно считать, что выхлоп ядерных двигателей не более опасен, чем выхлоп ТЭЦ, работающей на угле.

Собираются ли использовать ядерный двигатель для новейших полетов в космос?

Да, в начале февраля стало известно, что NASA проведет тестирование новейшего ядерного двигателя для полетов на Марс. Ожидается, что с его помощью можно будет добраться до Красной планеты всего лишь за три месяца.

В последние годы ученые и инженеры NASA и других космических агентств мира активно обсуждают планы по постройке постоянных обитаемых баз на поверхности Луны и Марса.

  • В чем его преимущества?

Главным ключом к обеспечению их автономности и удешевлению постройки специалисты NASA считают технологии трехмерной печати, позволяющие использовать воду и местные ресурсы — почву, горные породы и газы из атмосферы — для постройки зданий базы прямо на месте.

Подобные принтеры, как показывают опыты на борту МКС и на Земле, позволяют напечатать почти все необходимое для жизни колонистов на Марсе, за исключением одного, самой главного компонента базы — источника питания, чья мощность была бы достаточной для обеспечения работы самого 3D-принтера, а также питания и обогрева всей базы.

В рамках подготовки NASA к высадке на Марс в 2035 г. американская компания Ultra Safe Nuclear Technologies (USNT) из Сиэтла предложила свое решение — ядерный тепловой двигатель (NTP)

  • Каким будет ядерный двигатель?

USNT предлагает классическое решение — ядерный двигатель с использованием сжиженного водорода в качестве рабочего тела: ядерный реактор вырабатывает тепло из уранового топлива, эта энергия нагревает жидкий водород, проходящий по теплоносителям, который расширяется в газ и выбрасывается через сопло двигателя, создавая тягу.

Одна из основных проблем при создании такого типа двигателей — найти урановое топливо, которое может выдерживать резкие колебания температуры внутри двигателя. В USNT утверждают, что решили эту проблему, разработав топливо, которое может работать при температурах до 2 400 градусов Цельсия.

Топливная сборка содержит карбид кремния: этот материал, используемый в слое триструктурально-изотропного покрытия, образует газонепроницаемую преграду, препятствующую утечке радиоактивных продуктов из ядерного реактора, защищая космонавтов.

  • Безопасность

Кроме того, для защиты экипажа и на случай непредвиденных ситуаций ядерный двигатель не будет использоваться во время старта с Земли — он начнет работу уже на орбите, чтобы минимизировать возможные повреждения в случае аварии или нештатной работы.

Елизавета Приставка

Понравилась статья? Подпишитесь на канал, чтобы быть в курсе самых интересных материалов

«Взрыволеты» и реальность

О том, что на химических ракетах покорение Солнечной системы будет затруднительным, было известно еще во времена Циолковского. И варианты альтернативных видов топлива предлагались давно. Когда человек приручил мирный атом, встал вопрос о том, как применить его для обеспечения движения в космосе. Были даже идеи использовать атомные бомбы: сбрасывать их с корабля, подрывать на удалении и использовать импульс плазмы через систему амортизаторов.

Такой «взрыволет» (ядерно-импульсный космический корабль) даже проходил испытания в конце 1950-х годов в США. Метр в диаметре, 105 килограммов веса — правда, обошлось без подрыва ядерных бомб. Их заменили на килограммовые шары взрывчатки C4. Получилось как минимум интересно.

Но, конечно, тестирование и тем более запуск аппарата, который потребует нескольких тысяч ядерных взрывов в пределах атмосферы Земли, даже во времена холодной войны посчитали чересчур экстравагантной затеей. Да и потенциальных эксплуатационных проблем у «взрыволета» хватало — от эрозии толкателя до влияния электромагнитных импульсов от взрывов на наземные и орбитальные установки.

От брутальной идеи выбрасывать за борт космического корабля ядерные бомбы отказались, но те объемы энергии, которые способна дать реакция расщепления ядер, продолжали будоражить умы инженеров. Так родились уже упомянутые NERVA и РД-0410. Они предполагали нагрев с помощью ядерной энергии водорода, который и создавал бы тягу в ядерных ракетных двигателях.

Вернер фон Браун, отец американской лунной программы, вполне оптимистично полагал, что три двигательные установки NERVA на одной ракете смогут доставить американских астронавтов прямиком на Марс уже в августе 1982 года. Правда, предложенный им в 1969 году план так и не был реализован. Интерес сверхдержав к космической гонке подостыл, бюджеты сократили, и в конце 1972 года разработки в области ядерной тяги в США были остановлены.

Советский РД-0410 мог стать двигателем, который доставил бы космонавтов СССР на Марс к 1994 году. Но не срослось. Испытания его реактора проводились в конце 1970-х — начале 1980-х годов на Семипалатинском полигоне (сейчас Казахстан). Разработка была свернута в середине 1980-х.

— Существует широкий список перспективных и гипотетически возможных ядерных и даже термоядерных космических установок, — продолжает рассказ Егор. — Часть из них не разрабатываются по экологическим причинам — например, двигатели, использующие в своей основе серию ядерных взрывов, или те, в которых рабочим телом при реактивном движении является само делящееся вещество. В ядерных ракетных двигателях, использующих в качестве рабочего тела водород или иной газ, приходится запасать большие его объемы, что не проходит ввиду ограничений по массе.

Наиболее перспективными являются ядерные энергодвигательные установки (ЯЭДУ), использующие реактор лишь в качестве источника электроэнергии, движение же в них обеспечивается с помощью ионных или плазменных двигателей. Основными препятствиями при разработке мощных установок такого типа являются ограничение на массу выводимых космических аппаратов, требование высочайшей надежности элементов и отсутствие теплообмена с внешней средой.

marafonec

Бег на месте к горизонту

Дотянет ли ядерный буксир до Марса?

28.03.2016/http://lifenews.ru/news/193277
Журналист Александр Березин — о перспективах российского межпланетного буксира с ядерным двигателем.

Последние несколько месяцев одно за другим появляются сообщения о межпланетном буксире с ядерным реактором и ионным двигателем, который с 2009 года разрабатывается совместно Роскосмосом и Росатомом. 21 марта были обнародованы и данные о первой приёмке тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ) — стержней с топливом — для такого «космического» реактора.
В прессе этот проект часто подается как нечто невиданное. Как решающий прорыв, способный разрешить все проблемы человечества на пути к Марсу. Технические специалисты идут ещё дальше и говорят: «Космические ядерные энергодвигательные установки сейчас возможны только в России». Так ли это и зачем вообще нужен проект такого рода на фоне огромного количества обычных ракет, не связанных с опасностью запуска радиоактивных материалов в космос?

Сразу после первых пусков ракет на химическом топливе в 1950-х к их конструкторам по всем миру пришло понимание: далеко на таком виде транспорта в космос не забраться. Энергия, которую ракетные двигатели могут придать космическим аппаратам, связана с массой затрачиваемого топлива и квадратом скорости его истечения. «Химические» ракеты всех мыслимых типов не могут выбрасывать горящее топливо быстрее считаных километров в секунду. Поэтому в их стартовой массе топливо занимает от 95 процентов и более. Даже для полета к Луне пришлось создать ракету массой в тысячи тонн, что сделало экспедиции к ней безумно дорогими и по сути невоспроизводимыми по экономическим причинам. Более далёкие пилотируемые полёты на такой основе будут куда разорительнее.

Электрический ракетный двигатель (ЭРД) в этом плане куда перспективнее. Он способен разгонять ионизированные частицы реактивной струи до десятков километров секунду. Поэтому массу топлива, выбрасываемого в такую струю, можно понизить в десятки и более раз. Однако для работы ему требуется источник энергии, причём солнечные батареи для этого подходят слабо, поскольку их мощность падает пропорционально квадрату расстояния от Солнца и даже на орбите Марса они очень слабы. Из-за всего этого для полёта на большие расстояния логичнее сделать ставку на транспортные ядерные реакторы.

Фактически у человечества просто нет выбора: Homo Sapiens придётся или запускать в космос ядерный реактор, или отказаться от полётов на другие планеты, потому что чистая «химия» для этого технически непригодна. Вопрос стоит не в том, полетит ли корабль с ядерным реактором, а в том, когда это случится и чей флаг будет на его борту.

Всё это было достаточно очевидным уже в начале космической эры. Поэтому еще в 1960-х в СССР был проработан детальный проект межпланетного космического корабля с ядерным реактором мощностью 7 мегаватт на борту.

При помощи сверхтяжёлой ракеты на орбиту предполагалось вывести части для сборки реактора. Чтобы не перетяжелить корабль, защита от разлетающихся нейтронов планировалась только на корме двигателя, обращённой к обитаемому модулю с космонавтами («теневая защита»). Поскольку охладить реактор в космосе водой нельзя, для теплоотвода предполагалось использовать тонкие металлические радиаторы площадью в сотни метров. За реактором и радиаторами располагались модули с топливом для посадки и взлёта на другие планеты.

Читать еще:  Вода в двигателе причины таврия

Политика убила советский «марсианский» проект. После того как Кеннеди начал лунную гонку, Хрущёв приказал переориентироваться на полёт к Луне, который в итоге так и не состоялся. Портативные реакторы использовались СССР только для обеспечения питания военных спутников.

Тем не менее научный задел по межпланетным кораблям никуда не делся, и в 2006 году Российская академия космонавтики имени К.Э. Циолковского выпустила книгу «Пилотируемая экспедиция на Марс», в которой обсчитывались возможные параметры межпланетных миссий. В ней делался логичный вывод, что ядерный буксир на ЭРД — лучший выбор для таких полётов, а нужная мощность его бортового реактора должна быть не меньше 15 мегаватт. В этом случае общая масса корабля на четырёх космонавтов не превысила бы 500 тонн (чуть больше, чем у МКС).

Комиссия по модернизации при президенте России в 2009 года утвердила что-то вроде демонстрационного образца атомного буксира. Вместо 15 мегаватт его реактор будет иметь всего лишь один мегаватт мощности. Он не сможет доставить людей на другую планету, но будет вполне пригоден для буксировки космических аппаратов с низкой околоземной орбиты к Луне и обратно.

Сам реактор предполагается довольно необычным (газофазным) и будет работать на быстрых нейтронах. Тепло от стержней ТВЭЛов с высокообогащенными соединениями урана будет отводить смесь гелия и ксенона. Затем нагретый газ-теплоноситель приведёт в действие турбину, вырабатывающую электроэнергию, а остаточное низкопотенциальное тепло рассеется через панельные радиаторы. Охлаждённый газ после этого вновь поступит в реактор, и цикл повторится снова.

Главный недостаток такого решения — это то, что урана-235 в топливной смеси будет не меньше 20 процентов. В случае аварии при взлёте он неизбежно попадёт в атмосферу. Впрочем, опасность такого сценария оценивается как умеренная. Главную угрозу при авариях реакторов представляет не сам уран, а быстроделящиеся продукты распада, которых космическая транспортный реактор просто не успеет отработать. Кроме того, мегаваттный реактор попросту очень мал, чтобы содержать значительную массу радиоактивного материала. Собственно, в советскую эпоху военные спутники с реакторами на борту уже падали на Землю и катастрофического радиоактивного загрязнения из-за этого не произошло.

Кроме того, использование такого «заряженного» топлива приведёт к очень высокой рабочей температуре систем реактора. Материалы для его ТВЭЛов делают из специально созданного сплава на основе молибдена. При этом проектная стойкость нового материала позволит реактору непрерывно работать до 100 000 часов — достаточно, чтобы долететь до Плутона.

К 2017 — 2018 годах опытный образец реактора для глубокого космоса должен быть собран, а его системы испытаны в Сосновом Бору. К 2025 году проект, предположительно, будет готов к испытательному полёту.

Руководство Росатома не скрывает, что конечная цель космического буксира куда масштабнее полетов к Луне. Его глава прямо заявляет: «Сегодняшние космические установки позволяют долететь до Марса за полтора года без возможности вернуться обратно. Установка с ядерным двигателем позволит долететь до Марса за месяц-полтора и вернуться обратно». Быстрота в дальних космических полётах важна ещё и потому, что за год-два полёта космонавты, по расчётам, получат больше ионизирующей радиации, чем допускают сегодняшние нормы.

Отметим, что пока российские наработки по ядерному реактору находятся на переднем крае научно-технического развития. Американские госструктуры на данный момент испытывают трудности даже с обычными химическими ракетами. Опыты США в области ядерных космических двигателей хотя и стоили два миллиарда долларов, были свёрнуты ещё в 1970-х. На сегодня даже они не могут быть воспроизведены в сжатые сроки. Среди прочего, для этого требуется строительство масштабной инфраструктуры. С учётом типичной для США стоимости космических программ даже более скромных масштабов, трудно представить себе, что американские власти без давления извне решатся на реализацию чего-то подобного.

Хотя проект первого в истории межпланетного атомного буксира в данный момент строго укладывается в график, это, к сожалению, не гарантирует, что он когда-либо будет использован для полётов в дальний космос. Пока стоимость НИОКР по буксиру по мировым меркам ничтожна — 17 миллиардов рублей до 2018 года. США на разработку рядовой химической ракеты SLS уже потратили, по разным оценкам, от 11 до 19 миллиардов долларов.

Однако аппарат, создававшийся в контексте будущих полётов к Луне, может остаться невостребованным. На сегодняшний момент Роскосмос не планирует создания лунной базы в обозримом будущем. Остаётся полёт к Марсу, но для него требуется корабль с куда более мощным реактором. При переходе от НИОКР к постройке полномасштабного, а не экспериментального буксира расходы резко вырастут.

К тому же даже мегаваттный по мощности реактор для космического корабля и связанные с ним системы — сложное, многотонное изделие. Даже несмотря на то, что он намного дешевле любых других средств для дальних перелётов, его реализация потребует миллиардов долларов. Конечно, на фоне программы шаттлов, стоившей как полёты на Луну, эта цифра может показаться незначительной, однако и финансовые возможности России и США находятся на несоизмеримом уровне.

Практически все наблюдатели серьёзно сомневаются в том, что у России, находящейся сегодня не в лучшей экономической форме, могут найтись ресурсы для строительства и полноценного использования ядерного буксира. Напомним, сегодня Роскосмос получает в год меньше бюджетных средств, чем ФСИН. Даже в советское время, когда ситуация с финансированием космоса была несколько лучше, высшее политическое руководство так и не решилось на строительство такого аппарата.

В 2015 году вице-премьер Рогозин прямо озвучил сходную точку зрения: «Надо разобраться, зачем нам лететь на Луну и Марс. Амбиции полезны, но сейчас надо деньги экономить». Определённо, если страна, экономящая деньги, рассматривает полёт на Марс как «амбиции», а не как осмысленную научную задачу, реализации такого полёта на практике можно и не дождаться.

В момент старта программы в 2009 году затраты на неё не казались такой уж серьёзной проблемой. Один из функционеров NASA — Эдвард Кроули прямо говорил, что возможно некое сотрудничество между США и Россией, например, с целью совместного полёта к Марсу на российском ядерном буксире. Понятно, что в случае, если бы США взяли на себя значительную часть расходов, российская сторона смогла бы вывести его на орбиту и подготовить к полёту. В конце концов, именно по такой схеме («ваши деньги — наши ракеты») американские астронавты, пока не имеющие своих кораблей, попадают на МКС. Что мешает скопировать этот подход в отношении межпланетных перелётов?

К сожалению, на сегодня перспективы сотрудничества Россия — США весьма и весьма туманны. В силу известного противостояния, обострившегося с 2014 года, сейчас за океаном людей увольняют с работы просто за добрые слова о российских ракетных двигателях. Как в таких условиях можно ждать сотрудничества на куда более важном направлении, не вполне ясно.

Добавлю, что дело не только о чисто политическом противостоянии. Значительная часть американских элит считает Россию чем-то вроде огромного хуссейновского Ирака, автократией в стадии упадка и загнивания. Для нас это звучит скорее забавно, однако для западного мира это совершенно нормальная позиция. Всё это делает сомнительным тесное сотрудничество, которое необходимо для того, чтобы реализовать полёт к Марсу.

Таким образом, вполне продуманный и наиболее реалистичный из существующих проектов средств дальних космических полётов имеет серьёзный недостаток: у него не просматривается понятных источников финансирования. Россия может создать и испытать экспериментальный атомный космический буксир в запланированный срок, но хватит ли у неё после этого средств на самостоятельные дальние космические полёты — на данный момент не очевидно.

Тяжелые телекоммуникационные аппараты глобальной космической связи

На данный момент ведутся работы по ядерному двигателю для космоса, который планируется использовать в тяжелых аппаратах космической связи. РКК «Энергия» были выполнены исследования и проектные разработки системы глобальной космической связи экономически конкурентоспособной с дешевой сотовой связью, что предполагалось достичь переносом «телефонной станции» с Земли в космос. Предпосылками к их созданию являются: практически полное заполнение геостационарной орбиты (ГСО) работающими и пассивными спутниками; исчерпание частотного ресурса; положительный опыт создания и коммерческого использования информационных геостационарных спутников серии «Ямал». При создании платформы «Ямал» новые технические решения составили 95%, что и позволило таким аппаратам стать конкурентоспособными на мировом рынке космических услуг. Предполагается замена модулей с технологическим связным оборудованием примерно каждые семь лет. Это позволило бы создавать системы из 3-4 тяжелых многофункциональных спутников на ГСО с увеличением потребляемой ими электрической мощности. Первоначально были спроектированы КА на основе солнечных батарей мощностью 30-80 кВт. На следующем этапе в качестве источника электроэнергии планируется использовать ядерные двигатели на 400 кВт с ресурсом до одного года в транспортном режиме (для доставки базового модуля на ГСО) и 150-180 кВт в режиме длительного функционирования (не менее 10-15 лет).

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector