Александр Лосев

| Атомный эксперт

В глобальной космической отрасли застой. Космическая техника, основанная на идеях и принципах прошлых десятилетий, достигла пределов своей эффективности. У России есть шанс возглавить гонку за технологическим лидерством в этой сфере. Главное — его не упустить.

После того как Советский Союз распался и выбыл из борьбы за мировое лидерство, у его геополитических противников, прежде всего США, исчезла необходимость реализовывать престижные, но крайне затратные космические проекты с целью доказать превосходство своих технологий, экономических систем и идеологических доктрин. В результате в XXI веке взаимодействие государственных космических агентств и частного бизнеса пошло по пути создания сферы глобальных спутниковых услуг, для функционирования которой не нужны сверхдорогие технологии межпланетных полетов; требуются всего лишь поддержание систем запуска и контроля, а также периодическая замена аппаратов на околоземных орбитах.

Держава, которая будет обладать перспективными технологиями в момент смены глобального технологического уклада в начале этого нового цикла, автоматически обеспечит себе мировое лидерство на следующие пятьдесят лет. Это осознают в первую очередь в США, а также в Китае, который может бросить вызов глобальной гегемонии Америки. Космос — лучший полигон для отработки новых технологий, а также для доказательства или опровержения физических и других естественнонаучных гипотез. Поэтому сейчас для любой крупной державы стратегически важно обеспечить себе задел на будущее в технологиях и научных достижениях, а в США с приходом администрации Трампа курс на возрождение американского величия во всех сферах деятельности, вероятно, начнет определять направление внутреннего развития.

И вполне естественно ожидать, что США станет первой страной, где возобновятся проекты исследования дальнего космоса с целью создания инновационных технологий будущего как в области вооружений и транспорта, так и в биомедицине и телекоммуникациях.

Правда, ни одной стране, включая Соединенные Штаты, успех на пути создания революционных технологий не гарантирован. Совершенствуя ракетные двигатели на основе химического топлива и создавая системы жизнеобеспечения длительного перелета, похожие на те, что уже реализованы на МКС, мир рискует оказаться в тупике.

Технологии: отработанные и будущие

Современные космические двигатели — химические по принципам своей работы: это твердотопливные ускорители и жидкостные ракетные двигатели, в которых компоненты топлива (горючее и окислитель), вступая в физико-химическую реакцию горения, формируют реактивную струю, и ее кинетическая энергия преобразуется в реактивную силу, достаточную для движения ракеты. Удельный импульс (отношение создаваемой тяги к массе используемого топлива) таких двигателей зависит от компонентов топлива, давления и температуры в камере сгорания, а также молекулярной массы газообразной смеси, выбрасываемой через сопло двигателя.

Чем выше температура и давление внутри камеры сгорания и чем ниже молекулярная масса газа, тем выше удельный импульс, а значит, и эффективность двигателя.

Наибольший удельный импульс (4500–4700 м/с) дают топливные смеси кислород-водород и фтор-водород, но самыми популярными и технологичными стали ракетные двигатели, работающие на керосине и кислороде («Союзы»), а также на несимметричном диметилгидразине с окислителем в виде смеси тетраоксида азота и азотной кислоты (советский и российский «Протон», французский «Ариан», американский «Титан»). Их удельный импульс 3000 м/с; он меньше, чем у двигателей на водороде, но вполне достаточен для того, чтобы вывод нескольких тонн полезной нагрузки на низкие околоземные орбиты был экономически выгоден.

Однако полеты к другим планетам требуют кораблей намного большего размера, чем все созданные человечеством ранее, включая модульную МКС. В этих космических кораблях необходимо обеспечивать и длительное автономное существование экипажей, и определенный запас топлива, и ресурс работы маршевых и корректирующих двигателей, и доставку космонавтов в специальном посадочном модуле на поверхность иной планеты, и возврат их на основной транспортный корабль, а затем — возвращение на Землю.

Если опираться на привычные космические технологии, то минимальная масса космического корабля для пилотируемого полета к Марсу, спутникам Юпитера или Сатурна составит примерно 90 тонн, что в три раза больше, чем у лунных кораблей начала 1970-х годов; а значит, ракеты-носители для их выведения на опорные орбиты, имея в виду дальнейший полета к Марсу, будут намного превосходить по массе «Сатурн-5» (стартовая масса 2965 тонн) лунного проекта «Аполлон» или советский носитель «Энергия» (стартовая масса 2400 тонн). Такой полет продлится от восьми месяцев до года и потребует колоссального запаса топлива, если на межпланетном корабле будут использоваться химические ракетные двигатели.

Чтобы увеличить удельный импульс, а значит, эффективность ракетного двигателя, его ресурс и скорость полета космического корабля, необходимо внутри камеры двигателя нагреть газ или вещество с низкой атомной массой до температур, в несколько раз превосходящих температуру химического горения традиционных топливных смесей.

Это можно сделать с помощью ядерной реакции. И если вместо обычной камеры сгорания поместить внутрь ракетного двигателя ядерный реактор, в активную зону которого будет подаваться вещество, которое, в свою очередь, разогреваясь до нескольких тысяч градусов, начнет выходить через сопло, создавая реактивную тягу, то это обеспечит намного бóльшие эффективность и удельный импульс такого реактивного двигателя по сравнению с обычным химическим. Окислитель для горения топлива при этом не потребуется, а в качестве вещества, создающего реактивную тягу, может быть использован легкий водород, что позволит намного уменьшить массу ракеты при лучших характеристиках мощности двигателя.

Ядерный двигатель эффективнее обычного, поскольку в зоне реактора легкий газ может нагреваться до температур, превышающих 9000 К (градусов Кельвина), и струя такого перегретого газа обеспечит намного больший удельный импульс, чем могут дать обычные химические двигатели. Но проблема в том, что при таких высоких температурах может расплавиться сам двигатель вместе с космическим кораблем. Конструкторы и инженеры это понимают и пытаются найти решения.

Историческая справка
Первые разработки ядерных ракетных двигателей (ЯРД) начались практически одновременно в СССР и США в середине 1950-х годов, а сама идея использовать ядерные реакторы для нагрева рабочего тела ракетного двигателя родилась вместе с первыми ректорами в середине 1940-х годов, то есть больше 70 лет назад.

В СССР инициатором создания ЯРД стал ученый-теплофизик Виталий Иевлев. В 1947 году его проект был поддержан С.П. Королевым, И.В. Курчатовым, М.В. Келдышем. Планировалось ставить такие двигатели на крылатые ракеты, а затем и на баллистические. Разработкой занялись ведущие оборонные КБ, а также научно-исследовательские институты НИИТП, ЦИАМ, ИАЭ, ВНИИНМ.

Советский ядерный РД-0410 был создан в середине 1960-х годов в воронежском «Конструкторском бюро химавтоматики», где создавалось большинство жидкостных ракетных двигателей для космической техники.

В РД-0410 использовался водород, который, в жидком виде проходя через «рубашку охлаждения», отводил лишнее тепло от стенок сопла, не давая ему расплавиться, а затем поступал в активную зону реактора, где нагревался до 3000 К и выбрасывался через отверстие сопла, преобразуя таким образом тепловую энергию в кинетическую и создавая удельный импульс 9100 м/с.

В США проекты ЯРД стартовали в 1952 году, а первый действующий двигатель был создан в 1966 году и получил название NERVA (Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application — ядерный двигатель для применения в ракете-носителе). Тогда в 1960–1970-х годах Советский Союз и США шли «ноздря в ноздрю».

Но РД-0410 и NERVA были твердофазными ЯРД, и их рабочая температура находилась в пределах 2300‒3100 К.

Для того чтобы увеличить температуру активной зоны без риска взрыва двигателя или расплавления стенок реактора, необходимо создать условия реакции, при которых ядерное топливо (уран) переходит в газообразное состояние или превращается в плазму и удерживается внутри реактора за счет сильного магнитного поля, не касаясь стенок. Поступающий в активную зону реактора водород «обтекает» находящийся в газовой фазе уран, и, превращаясь в плазму, с очень высокой скоростью выбрасывается из сопла.

Такой тип двигателя получил название газофазного ЯРД. Температуры уранового топлива в таких двигателях могут находиться в диапазоне от 10000 до 20000 К, а удельный импульс — достигать 50000 м/с, что в 10 раз выше, чем у самых эффективных химических ракетных двигателей. Создание и использование в космической технике газофазных ЯРД открытого и закрытого типов – наиболее перспективное направление развития космических двигателей; это именно то, что необходимо человечеству для освоения планет Солнечной системы и их спутников.

Историческая справка

Первые исследования по проекту газофазного ЯРД начались в 1957 году в СССР, в НИИ тепловых процессов (НИЦ имени М.В. Келдыша). Решение о разработке ядерных космических энергоустановок на основе газофазных ядерных реакторов было принято в 1963 году академиком В.П. Глушко (НПО «Энергомаш»), а затем утверждено постановлением ЦК КПСС и Совета министров СССР.

Разработка газофазного ЯРД велась два десятилетия, но, к сожалению, так и не была завершена из-за недостаточного финансирования и необходимости дополнительных фундаментальных исследований в области термодинамики ядерного горючего и водородной плазмы, нейтронной физики и магнитной гидродинамики.

Ученые-ядерщики и инженеры-конструкторы столкнулись с рядом проблем, таких как достижение критичности и обеспечение устойчивости работы газофазного ядерного реактора, снижение потерь расплавленного урана при выбросе водорода, разогретого до нескольких тысяч градусов, теплозащита сопла и генератора магнитного поля, накопление продуктов деления урана, выбор химически стойких конструкционных материалов и другими.

В результате для советской программы пилотируемого полета на Марс «Марс-94» начали создавать ракету-носитель «Энергия», а проект ядерного двигателя был отложен на неопределенный срок. Советскому Союзу не хватило совсем немного времени, а главное — эффективности экономики до высадки наших космонавтов на планету Марс в 1994 году. Это стало бы бесспорным достижением и доказательством нашего лидерства в высоких технологиях в течение следующих нескольких десятилетий. Но историю уже не изменить, утраченные знания не восстановить. Очень многое придется создавать заново.

Космическая ядерная энергетика не ограничивается сферой твердо- и газофазных ЯРД. Для создания потока вещества в реактивном двигателе можно использовать электрическую энергию. Эту идею первым высказал Константин Эдуардович Циолковский в 1903 году в работе «Исследование мировых пространств реактивными приборами». А первый электротермический ракетный двигатель в СССР был создан в 1930-х годах Валентином Петровичем Глушко — будущим академиком АН СССР и руководителем НПО «Энергия».

В зависимости от принципов работы различают электрические ракетные двигатели четырех типов:

• электротермические (нагревные или электродуговые), в которых газ нагревается до температур 1000 – 5000 К и выбрасывается из сопла так же, как и в ядерных;
• электростатические (коллоидные и ионные), в которых происходит ионизация рабочего вещества, после чего положительные ионы (атомы, лишенные электронов) ускоряются в электростатическом поле и также выбрасываются из сопла, создавая реактивную тягу. К электростатическим относятся и стационарные плазменные двигатели;
• магнитоплазменные и магнитодинамические, в которых газовая плазма ускоряется за счет силы Ампера в пересекающихся перпендикулярно магнитном и электрическом полях;
• импульсные, в которых используется энергия газов, возникающих при испарении рабочего тела в электрическом разряде.

Преимуществами электрических ракетных двигателей являются низкий расход рабочего тела, КПД до 60% и высокая скорость потока частиц, что позволяет значительно сократить массу космического аппарата. Минусы: малая плотность тяги и соответственно низкая мощность, а также дороговизна рабочего тела для создания плазмы (инертные газы или пары щелочных металлов).

Все эти типы электродвигателей реализованы на практике и многократно использовались в космосе на советских и американских аппаратах начиная с середины 1960-х годов, но из-за малой мощности применялись в основном в качестве двигателей коррекции орбит. Например, с 1968 по 1988 годы в СССР была запущена целая серия спутников «Космос» с ядерными установками на борту. Типы реакторов носили названия: «Бук», «Топаз» и «Енисей». (Реактор проекта «Енисей» обладал тепловой мощностью до 135 кВт и электрической мощностью порядка 5 кВт. Теплоносителем был натрий-калиевый расплав. Проект был закрыт в 1996 году.)

Для маршевого ракетного электродвигателя требуется очень мощный источник энергии, такой как ядерный реактор. И принципиально новый ракетный двигатель в России уже создается.

ЯЭДУ: путь к освоению Солнечной системы

Если газофазный ЯРД – тема будущего, к которой предстоит вернуться, то его сегодняшняя альтернатива — это ядерная энергодвигательная установка мегаваттного класса (ЯЭДУ), и она уже создается предприятиями Росатома и Роскосмоса с 2009 года.

В создании ядерного энергодвигателя и транспортно-энергетического модуля принимают участие НПО «Красная звезда» (единственный в мире разработчик и изготовитель космических ядерных энергетических установок), а также исследовательский центр им. М.В. Келдыша, НИКИЭТ им. Н.А. Доллежаля, «НИИ НПО «Луч»», Курчатовский институт, ИРМ, ФЭИ, НИИАР и НПО Машиностроения.

Ядерная энергодвигательная установка включает высокотемпературный газоохлаждаемый ядерный реактор на быстрых нейтронах с системой турбомашинного преобразования тепловой энергии в электрическую, систему отвода лишнего тепла в космос на основе холодильников-излучателей, приборно-агрегатный отсек, блок маршевых плазменных или ионных электродвигателей и контейнер для размещения полезной нагрузки.

В энергодвигательной установке ядерный реактор служит источником электроэнергии для работы электрических плазменных двигателей; при этом газовый теплоноситель реактора, проходящий через активную зону, попадает в турбину электрогенератора и компрессора и возвращается в реактор по замкнутому контуру, а не выбрасывается в пространство, как в ЯРД, что делает конструкцию более надежной и безопасной, а значит, пригодной для пилотируемой космонавтики.

На основе ядерной энергодвигательной установки планируется сконструировать многоразовый космический буксир для обеспечения доставки грузов при освоении Луны или создания орбитальных комплексов. Его плюсами станут не только многоразовое использование элементов транспортной системы (чего пытается добиться Илон Маск в своих космических проектах), но и возможность доставки в три раза большей массы грузов, чем на ракетах с химическими реактивными двигателями сопоставимой мощности, за счет уменьшения стартовой массы транспортной системы.

В 2014 году на ОАО «Машиностроительный завод» в г. Электросталь был собран первый тепловыделяющий элемент (твэл) штатной конструкции для этой ядерной электродвигательной установки, а в 2016-м проведены испытания имитатора корзины активной зоны реактора. Завершение работ запланировано на 2018 год; к сожалению, уже началось отставание от графика.

Проект близок к успешному завершению. Если не прекратится финансирование и установка будет создана, то Россия станет первой в мире страной, обладающей ядерными космическими технологиями, которые лягут в основу не только будущих проектов освоения Солнечной системы, но и земной, и внеземной энергетики.

Кроме того, космические ядерные энергетические установки можно будет использовать для создания систем дистанционной передачи электроэнергии на Землю или на космические модули с помощью электромагнитного излучения. И это тоже станет передовой технологией будущего, в котором наша страна займет лидирующие позиции.

На основе разрабатываемых плазменных электродвигателей будут созданы мощные двигательные установки для дальних полетов человека в космос, и в первую очередь для освоения Марса, достичь орбиты которого можно будет всего за 1,5 месяца, а не за год с лишним, как при использовании обычных химических реактивных двигателей.

Заключение

Сам по себе застой в космической отрасли не страшен. Физические принципы, на которых основаны современные космические технологии, будут еще долго востребованы сектором обычных спутниковых услуг. Вспомним, что человечество использовало парус на протяжении 5,5 тыс. лет, эпоха пара длилась почти 200 лет. Лишь в ХХ веке мир начал стремительно меняться: произошла очередная научно-техническая революция, запустившая волну инноваций и смену технологических укладов, изменив мировую экономику и политику. Главное, нужно быть у истоков этих изменений.

Может ли Россия, чье отставание с каждым годом становится заметнее, ворваться в гонку за технологическим лидерством, чтобы не остаться развивающейся страной навсегда? Да, безусловно: несмотря на застой в космической отрасли, большой шаг вперед в ядерной энергетике уже сделан. Это одна из высокотехнологичных отраслей, в которой наша страна сохраняет лидирующие позиции.

Если Россия сейчас совершит революционный прорыв в ядерных космических технологиях, это позволит ей одним прыжком преодолеть многолетнее отставание от лидеров и сразу оказаться у истоков новой технологической революции в очередном цикле развития человеческой цивилизации. Такой уникальный шанс выпадает стране лишь один раз в несколько столетий.

К сожалению, Россия, не уделявшая в последние 25 лет должного внимания фундаментальным наукам и качеству высшего и среднего образования, рискует навсегда упустить этот шанс, если программа окажется свернутой, а эстафету из рук действующих ученых и инженеров не подхватит новое поколение исследователей. Ведь все начинается со школьной скамьи и популяризации естественнонаучных знаний. Но это уже тема для отдельной статьи.

Метки: бывший СССР, история, Китай, космос, Росатом, Россия, США, технологии