Содержание
Ядерные и плазменные ракетные двигатели
Материал опубликован в журнале «Арсенал Отечества» № 3(29) за 2017 г.
Александр Лосев
Быстрое развитие ракетно-космической техники в XX веке было обусловлено военно-стратегическими, политическими и, в определенной степени, идеологическими целями и интересами двух сверхдержав — СССР и США, а все государственные космические программы являлись продолжением их военных проектов, где главной задачей была необходимость обеспечить обороноспособность и стратегический паритет с вероятным противником. Стоимость создания техники и затраты на эксплуатацию тогда не имели принципиального значения. На создание ракет-носителей и космических аппаратов выделялись колоссальные ресурсы, а 108 минут полета Юрия Гагарина в 1961 году и телетрансляция Нила Армстронга и Базза Олдрина с поверхности Луны в 1969 году были не просто триумфами научно-технической мысли, они еще рассматривались как стратегические победы в битвах «Холодной войны».
Но после того как Советский Союз распался и выбыл из гонки за мировое лидерство, у его геополитических противников, прежде всего у США, исчезла необходимость реализовывать престижные, но крайне затратные космические проекты, чтобы доказывать всему миру превосходство западной экономической системы и идеологических концепций.
В 90-х годах основные политические задачи прошлых лет утратили актуальность, блоковое противостояние сменилось глобализацией, в мире возобладал прагматизм, поэтому большинство космических программ было свернуто или отложено, от масштабных проектов прошлого осталась, как наследие, только МКС. К тому же западная демократия поставила все дорогостоящие государственные программы в зависимость от электоральных циклов.
Поддержка избирателей, необходимая для получения или сохранения власти, заставляет политиков, парламенты и правительства склоняться к популизму и решать сиюминутные задачи, поэтому траты на исследования космоса сокращаются год от года.
Большинство фундаментальных открытий было сделано еще в первой половине ХХ века, а в наши дни наука и технологии достигли определенных пределов, к тому же во всем мире снизилась популярность научных знаний, и ухудшилось качество преподавания математики, физики и других естественных наук. Это и стало причиной застоя, в том числе и в космической сфере, последних двух десятилетий.
Но сейчас становится очевидным, что мир приближается к концу очередного технологического цикла, основанного на открытиях прошлого века. Поэтому любая держава, которая будет обладать принципиально новыми перспективными технологиями в момент смены глобального технологического уклада, автоматически обеспечит себе мировое лидерство как минимум на следующие пятьдесят лет.
Принципиальное устройство ЯРД с водородом в качестве рабочего тела
Это осознают и в Соединенных Штатах, где взят курс на возрождение американского величия во всех сферах деятельности, и в Китае, бросающем вызов американской гегемонии, и в Евросоюзе, который всеми силами пытается сохранить свой вес в глобальной экономике.
Там существует промышленная политика и всерьез занимаются развитием собственного научно-технического и производственного потенциала, а космическая сфера может стать наилучшим полигоном для отработки новых технологий и для доказательства или опровержения научных гипотез, способных заложить основу для создания принципиально иной более совершенной техники будущего.
И вполне естественно ожидать, что США будет первой страной, где возобновятся проекты исследования дальнего космоса с целью создания уникальных инновационных технологий как в области вооружений, транспорта и конструкционных материалов, так и в биомедицине и в сфере телекоммуникаций
Правда, ни даже Соединенным Штатам, успех на пути создания революционных технологий не гарантирован. Есть высокий риск оказаться в тупике, совершенствуя ракетные двигатели полувековой давности на основе химического топлива, как это делает компания SpaceX Илона Маска, или, создавая системы жизнеобеспечения длительного перелета похожие на те, что уже реализованы на МКС.
Может ли Россия, чья стагнация в космической сфере с каждым годом становится заметнее, совершить рывок в гонке за будущее технологическое лидерство, чтобы оставаться в клубе сверхдержав, а не в списке развивающихся стран?
Да, безусловно, Россия может, и более того, заметный шаг вперед уже сделан в ядерной энергетике и в технологиях ядерных ракетных двигателей, несмотря на хроническое недофинансирование космической отрасли.
Будущее космонавтики — это использование ядерной энергии. Чтобы понять, как связаны ядерные технологии и космос, необходимо рассмотреть основные принципы реактивного движения.
Итак, основные типы современных космических двигателей созданы на принципах химической энергетики. Это твердотопливные ускорители и жидкостные ракетные двигатели, в их камерах сгорания компоненты топлива (горючее и окислитель) вступая в экзотермическую физико-химическую реакцию горения, формируют реактивную струю, ежесекундно выбрасывающую из сопла двигателя тонны вещества. Кинетическая энергия рабочего тела струи преобразуется в реактивную силу, достаточную для движения ракеты.
Удельный импульс (отношение создаваемой тяги к массе используемого топлива) таких химических двигателей зависит от компонентов топлива, давления и температуры в камере сгорания, а также от молекулярной массы газообразной смеси, выбрасываемой через сопло двигателя.
И чем выше температура вещества и давление внутри камеры сгорания, и чем ниже молекулярная масса газа, тем выше удельный импульс, а значит и эффективность двигателя. Удельный импульс — это количество движения, и его принято измерять в метрах в секунду, также как и скорость.
В химических двигателях наибольший удельный импульс дают топливные смеси кислород-водород и фтор-водород (4500–4700 м/с), но самыми популярными (и удобными в эксплуатации) стали ракетные двигатели, работающие на керосине и кислороде, например двигатели «Союзов» и ракет «Falcon» Маска, а также двигатели на несимметричном диметилгидразине (НДМГ) с окислителем в виде смеси тетраоксида азота и азотной кислоты (советский и российский «Протон», французский «Ариан», американский «Титан»).
Их эффективность в 1.5 раза ниже, чем у двигателей на водородном топливе, но и импульса в 3000 м/с и мощности вполне достаточно, для того, чтобы было экономически выгодно выводить тонны полезной нагрузки на околоземные орбиты.
Но полеты к другим планетам требуют намного большего размера космических кораблей, чем все, что были созданы человечеством ранее, включая модульную МКС. В этих кораблях необходимо обеспечивать и длительное автономное существование экипажей, и определенный запас топлива и ресурс работы маршевых двигателей и двигателей для маневров и коррекции орбит, предусмотреть доставку космонавтов в специальном посадочном модуле на поверхность иной планеты, и возврат их на основной транспортный корабль, а затем и возвращение экспедиции на Землю.
Накопленные инженерно-технические знания и химическая энергетика двигателей позволяют вернуться на Луну и достигнуть Марса, поэтому велика вероятность, что в следующем десятилетии человечество побывает на Красной планете.
Если опираться только на имеющиеся космические технологии, то минимальная масса обитаемого модуля для пилотируемого полета к Марсу или к спутникам Юпитера и Сатурна составит примерно 90 тонн, что в 3 раза больше, чем лунные корабли начала 1970-х, а значит, ракеты-носители для их выведения на опорные орбиты для дальнейшего полета к Марсу будут намного превосходить «Сатурн-5» (стартовая масса 2965 тонн) лунного проекта «Аполлон» или советский носитель «Энергия» (стартовая масса 2400 тонн).
Потребуется создать на орбите межпланетный комплекс массой до 500 тонн. Полет на межпланетном корабле с химическими ракетными двигателями потребует от 8 месяцев до 1 года времени только в одну сторону, потому что придется делать гравитационные маневры, используя для дополнительного разгона корабля силу притяжения планет, и колоссального запаса топлива.
Но используя химическую энергию ракетных двигателей дальше орбиты Марса или Венеры человечество не улетит. Нужны другие скорости полета космических кораблей и иная более мощная энергетика движения.
Современный проект ядерного ракетного двигателя Princeton Satellite Systems
Для освоения дальнего космоса необходимо значительно повысить тяговооруженность и эффективность ракетного двигателя, а значит увеличить его удельный импульс и ресурс работы. А для этого необходимо внутри камеры двигателя нагреть газ или вещество рабочего тела с низкой атомной массой до температур, в несколько раз превосходящих температуру химического горения традиционных топливных смесей, и сделать это можно с помощью ядерной реакции.
Если вместо обычной камеры сгорания внутрь ракетного двигателя поместить ядерный реактор, в активную зону которого будет подаваться вещество в жидком или газообразном виде, то оно, разогреваясь под большим давлением до нескольких тысяч градусов, начнет выбрасываться через канал сопла, создавая реактивную тягу. Удельный импульс такого ядерного реактивного двигателя будет в несколько раз больше, чем у обычного на химических компонентах, а значит многократно увеличится эффективность как самого двигателя, так и ракеты-носителя в целом. Окислитель для горения топлива при этом не потребуется, а в качестве вещества, создающего реактивную тягу, может быть использован легкий газ водород, мы же знаем, что чем меньше молекулярная масса газа, тем выше импульс, а это позволит намного уменьшить массу ракеты при лучших характеристиках мощности двигателя.
Ядерный двигатель будет лучше обычного, поскольку в зоне реактора легкий газ может нагреваться до температур, превышающих 9 тысяч градусов Кельвина, и струя такого перегретого газа обеспечит намного больший удельный импульс, чем могут дать обычные химические двигатели.
Но это в теории.
Опасность даже не в том, что при старте ракеты-носителя с такой ядерной установкой может произойти радиоактивное загрязнение атмосферы и пространства вокруг пусковой площадки, основная проблема, что при высоких температурах может расплавиться сам двигатель вместе с космическим кораблем. Конструкторы и инженеры это понимают и уже несколько десятилетий пытаются найти подходящие решения.
У ядерных ракетных двигателей (ЯРД) есть уже своя история создания и эксплуатации в космосе. Первые разработки ядерных двигателей начались в середине 1950-х годов, то есть еще до полета человека в космос, и практически одновременно и в СССР и в США, а сама идея использовать ядерные реакторы для нагрева рабочего вещества в ракетном двигателе родилась вместе с первыми ректорами в середине 40-х годов, то есть больше 70 лет назад.
В нашей стране инициатором создания ЯРД стал ученый-теплофизик Виталий Михайлович Иевлев. В 1947 году он представил проект, который был поддержан С. П. Королевым, И.
В. Курчатовым и М. В. Келдышем. Изначально планировалось использовать такие двигатели для крылатых ракет, а затем ставить и на баллистические ракеты. Разработкой занялись ведущие оборонные КБ Советского Союза, а также научно-исследовательские институты НИИТП, ЦИАМ, ИАЭ, ВНИИНМ.
Советский ядерный двигатель РД-0410 был собран в середине 60-х воронежском «Конструкторском бюро химавтоматики», где создавалось большинство жидкостных ракетных двигателей для космической техники.
В качестве рабочего тела в РД-0410 использовался водород, который в жидком виде проходил через «рубашку охлаждения», отводя лишнее тепло от стенок сопла и не давая ему расплавиться, а затем поступал в активную зону реактора, где нагревался до 3000К и выбрасывался через канал сопла, преобразуя, таким образом, тепловую энергию в кинетическую и создавая удельный импульс в 9100 м/с.
В США проект ЯРД был запущен в 1952 году, а первый действующий двигатель был создан в 1966 году и получил название NERVA (Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application).
В 60-х — 70-х годах Советский Союз и США старались не уступать друг другу.
Правда и наш РД-0410, и американский NERVA были твердофазными ЯРД, (ядерное топливо на основе карбидов урана находилось в реакторе в твердом состоянии), и их рабочая температура была в пределах 2300–3100К.
Чтобы увеличить температуру активной зоны без риска взрыва или расплавления стенок реактора, необходимо создать такие условия ядерной реакции, при которых топливо (уран) переходит в газообразное состояние или превращается в плазму и удерживается внутри реактора за счет сильного магнитного поля, не касаясь при этом стенок. А дальше водород, поступающий в активную зону реактора, «обтекает» находящийся в газовой фазе уран, и превращаясь в плазму, с очень высокой скоростью выбрасывается через канал сопла.
Этот тип двигателя получил название газофазного ЯРД. Температуры газообразного уранового топлива в таких ядерных двигателях могут находиться в диапазоне от 10 тысяч до 20 тысяч градусов Кельвина, а удельный импульс достигать 50000 м/с, что в 11 раз выше, чем у самых эффективных химических ракетных двигателей.
Создание и использование в космической технике газофазных ЯРД открытого и закрытого типов — это наиболее перспективное направление развития космических ракетных двигателей и именно то, что необходимо человечеству для освоения планет Солнечной системы и их спутников.
Первые исследования по проекту газофазного ЯРД начались в СССР в 1957 году в НИИ тепловых процессов (НИЦ имени М. В. Келдыша), а само 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 в Советском Союзе 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.
Советские 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 пр.
А когда для советской программы «Марс-94» первого пилотируемого полета на Марс начала создаваться ракета-носитель «Энергия», проект ядерного двигателя был отложен на неопределенный срок. Советскому Союзу не хватило совсем немного времени, а главное политической воли и эффективности экономики, чтобы осуществить высадку наших космонавтов на планету Марс в 1994 году. Это было бы бесспорным достижением и доказательством нашего лидерства в высоких технологиях в течение следующих нескольких десятилетий. Но космос, как и многое другое, был предан последним руководством СССР. Историю уже не изменить, ушедших ученых и инженеров не вернуть, а утраченные знания не восстановить. Очень многое придется создавать заново.
Но космическая ядерная энергетика не ограничивается только сферой твердо- и газофазных ЯРД. Для создания нагретого потока вещества в реактивном двигателе можно использовать электрическую энергию. Эту идею первым высказал Константин Эдуардович Циолковский еще в 1903 году в своей 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».
Принципы работы электрические ракетных двигателей могут быть различными. Обычно их принято делить на четыре типа:
- электротермические (нагревные или электродуговые). В них газ нагревается до температур 1000–5000К и выбрасывается из сопла точно также как и в ЯРД.
- электростатические двигатели (коллоидные и ионные), в которых сначала происходит ионизация рабочего вещества, а затем положительные ионы (атомы, лишенные электронов) ускоряются в электростатическом поле и также выбрасываются через канал сопла, создавая реактивную тягу. К электростатическим относятся также и стационарные плазменные двигатели.
- магнитоплазменные и магнитодинамические ракетные двигатели. Там газовая плазма ускоряется за счет силы Ампера в пересекающихся перпендикулярно магнитном и электрическом полях.
- импульсные ракетные двигатели, в которых используется энергия газов, возникающих при испарении рабочего тела в электрическом разряде.
Плюсом этих электрических ракетных двигателей является низкий расход рабочего тела, КПД до 60% и высокая скорость потока частиц, что позволяет значительно сократить массу космического аппарата, но есть и минус — малая плотность тяги, а соответственно низкая мощность, а также дороговизна рабочего тела (инертные газы или пары щелочных металлов) для создания плазмы.
Все перечисленные типы электродвигателей реализованы на практике и многократно использовались в космосе и на советских и на американских аппаратах начиная с середины 60-х годов, но из-за своей малой мощности применялись в основном в качестве двигателей коррекции орбит.
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 являлся натрий-калиевый расплав. Этот проект был закрыт в 1996 году.
Для настоящего маршевого ракетного электродвигателя требуется очень мощный источник энергии. И лучшим источником энергии для таких космических двигателей является ядерный реактор.
Ядерная энергетика — одна из высокотехнологичных отраслей, где наша страна сохраняет лидирующие позиции. И принципиально новый ракетный двигатель в России уже создается и этот проект близок к успешному завершению в 2018 году. Летные испытания намечена на 2020 год.
И если газофазный ЯРД — это тема будущих десятилетий к которой предстоит вернуться после проведения фундаментальных исследований, 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», которое на сегодняшний день является единственным в мире разработчиком и изготовителем 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 в себя высокотемпературный газоохлаждаемый ядерный реактор на быстрых нейтронах с системой турбомашинного преобразования тепловой энергии в электрическую, систему холодильников-излучателей для отвода избыточного тепла в космос, 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 обратно 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.
Планируется, что ядерная энергодвигательная установка будет применяться для многоразового космического буксира для обеспечения доставки грузов при освоении Луны или создания многоцелевых орбитальных комплексов.
Плюсом будет являться не только многоразовое использование элементов транспортной системы (чего пытается добиться Илон Маск в своих космических проектах SpaceX), 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. Особая конструкция установки делает ее безопасной для людей и окружающей среды на Земле.
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 проведены испытания имитатора корзины активной зоны реактора.
Сейчас (в 2017 году) ведутся работы по изготовлению элементов конструкции установки и тестирование узлов и агрегатов на макетах, а также автономные испытания систем турбомашинного преобразования энергии и прототипов энергоблоков. Завершение работ запланировано на конец следующего 2018 года, правда, с 2015 года начало накапливаться отставание от графика.
Итак, как только эта установка будет создана, 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. 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, где наша страна будет иметь 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.
А будущее всегда начинается с революции в энергетике. И никак иначе. Энергетика первична и именно величина энергопотребления влияет на технический прогресс, на обороноспособность и на качество жизни людей.
Экспериментальный плазменный ракетный двигатель NASA
Советский астрофизик Николай Кардашёв еще в 1964 году предложил шкалу развития цивилизаций. Согласно этой шкале уровень технологического развития цивилизаций зависит от количества энергии, которое население планеты использует для своих нужд. Так цивилизация I типа использует все доступные ресурсы, имеющиеся на планете; цивилизация II типа — получает энергию своей звезды, в системе которой находится; а цивилизация III типа пользуется доступной энергией своей галактики. Человечество пока не доросло до цивилизации I типа по этой шкале. Мы используем лишь 0.16% всего объема потенциального энергетического запаса планеты Земля. А значит, и России и всему миру есть куда расти, и эти ядерные технологии откроют нашей стране дорогу не только в космос, но и будущее экономическое процветание.
И, возможно, единственный вариант для России в научно-технической сфере — это совершить сейчас революционный прорыв в ядерных космических технологиях для того чтобы одним «прыжком» преодолеть многолетнее отставание от лидеров и оказаться сразу у истоков новой технологической революции в очередном цикле развития человеческой цивилизации.
Такой уникальный шанс выпадает той или иной 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 на смену нынешним ученым и инженерам не придет новое поколение исследователей. Геополитические и технологические вызовы, с которыми столкнется Россия уже через 10–12 лет, будут очень серьезными, сопоставимыми с угрозами середины ХХ века. Чтобы сохранить суверенитет и целостность России в будущем уже сейчас необходимо срочно начинать подготовку специалистов, способных на эти вызовы отвечать и создавать что-то принципиально новое.
Есть лишь примерно 10 лет на то, чтобы превратить Россию в мировой интеллектуально-технологический центр, и без серьезного изменения качества образования это сделать невозможно. Для научно-технологического прорыва необходимо вернуть системе образования (и школьной и ВУЗовской) системность взглядов на картину мира, научную фундаментальность и мировоззренческую целостность.
А что касается нынешнего застоя в космической отрасли, то это не страшно. 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 тысяч лет, а эпоха пара длилась почти 200 лет, и лишь в ХХ веке мир начал стремительно меняться, потому что произошла очередная научно-техническая революция, запустившая волну инноваций и смену технологических укладов, что в итоге изменило и мировую экономику и политику. Главное, оказаться у истоков этих изменений.
6.4. Возможности ракетно-космической техники . Введение в философию ненасильственного развития
Шестидесятые годы были ознаменованы весьма оптимистическими прогнозами в области перспектив освоения планет Солнечной системы, в первую очередь, Луны и Марса.
Формально свою трудовую деятельность я начал в 1965 году с участия в экспертизе трех проектов пилотируемого 3-годичного полета на Марс.
Насколько я помню, были представлены проекты ОКБ Сергея Павловича Королева, лаборатории двигателей АН СССР, которой в то время руководил, кажется, Доменик Доменикович Севрук, и проект ОКБ «Южное» Михаила Кузьмича Янгеля. Проекты Янгеля и Севрука основывались на машинном преобразовании ядерной энергии в электрическую. По массогабаритным характеристикам лидировал проект ОКБ Королева, поскольку он ориентировался на термоэмиссионное преобразование энергии. Аппарат, который должен был доставить на поверхность Марса двух космонавтов, по характеристикам был близок к американскому луннику. Во всех проектах предлагалось использовать электро-ядерные двигатели, поскольку применение химических двигателей было сопряжено с необходимостью создания на опорной орбите вблизи Земли сборки массой около 2000 тонн, что требовало примерно два года работы при использовании носителей класса Н-1 и двух стартов с периодом пуска раз в месяц. Все это приводило к совершенно немыслимым затратам и очень низкой надежности всего предприятия.
Возможность реализации проектов на основе электро-ядерных двигателей при соответствующих затратах в общем сомнения не вызывало. В Советском Союзе были созданы все элементы, необходимые для реализации подобных проектов. Об установках с термоэлектрическим преобразованием энергии (БЭС-5) мир узнал после падения спутников — разведчиков в районе Медвежьих озер в Канаде и около берегов Австралии. Термоэмиссионные установки типа «ТЭУ» были, насколько я знаю, бесплатно переданы США в период перестройки. Идею реализации Марсианской экспедиции США периодически реанимируют.
Принципиальным недостатком космических энергетических установок, во всяком случае, до времени моего ухода из ракетной отрасли, было то, что тепловыделяющие элементы активной зоны реактора изготавливались из двуокиси урана. Поэтому в случае потери управления аппаратом с такой установкой она не диспергировалась на микроскопические частицы в верхних слоях атмосферы, а падала на Землю в виде крупных фрагментов.
По-хорошему, надо было делать активную зону из металлического урана. В этом случае была полная гарантия надежной аэродинамической ликвидации объекта в верхних слоях атмосферы. Однако, поскольку Минсредмаш имел большой опыт работы именно с двуокисью урана, то и в космосе применили тот же материал. Я был экспертом по бортовой ядерной энергетической установке со стороны ракетного министерства при первом пуске спутника-разведчика с установкой БЭС-5. В своем заключении я, естественно, отметил это обстоятельство. Со стороны Минсредмаша с экспертами работали зам. министра Игорь Дмитриевич Морохов и нач. главка Юрий Иванович Данилов. Было организовано сильнейшее давление на экспертов с целью снять это замечание, поскольку оно практически зачеркивало всю разработку. Большинство экспертов поддалось давлению. Я свое замечание оставил. После того, как было потеряно управление одного из спутников с ЯЭУ (1978 г.) и стало ясно, что он упадет неконтролируемым образом в неконтролируемом месте, в дело вмешалось КГБ.
Многие пережили массу неприятных минут. Меня отпустили сразу. Напряжение было снято только тогда, когда спутник упал на севере Канады в районе Медвежьих озер, в совершенно безлюдном месте. К тому же он затонул в болоте. Американцы надавили на Канаду с целью сглаживания ее реакции, поскольку были сами заинтересованы в разработке подобных установок и, насколько я помню, они сами незадолго до этого потеряли спутник с изотопным нагревательным элементом над Африкой. После падения второго спутника у берегов Австралии, запуски с энергоустановкой БЭС-5 были заморожены. В последствии ЯЭУ использовались на разведывательных космических аппаратах серии «Космос». Американский опыт работы в космосе с ЯЭУ существенно меньше нашего. Поэтому практика работы в космосе с ЯЭУ по факту является весьма незначительной. Причина этого, на мой взгляд, связана с риском падения ЯЭУ на Землю в случае аварии с ракетой-носителем или с орбитальным объектом, оснащенным ЯЭУ.
В области электрических двигателей были также созданы работоспособные образцы, нашедшие широкое применение в космической технике.
Безусловным лидером этих работ был Алексей Иванович Морозов, сотрудник Курчатовского института. Им была предложена и доведена до практического применения так называемая схема стационарного плазменного двигателя (СПД), раскупаемого сегодня за бесценок нарасхват всеми космическими державами.
Попытки реализации марсианской экспедиции даже в простейшем виде потребовали затрат на таком уровне, что самые богатые страны мира — США и СССР, за сорок лет так и не смогли принять решение об открытии финансирования, масштабы которого привели бы к цели. Возможность серьезного развертывания работ в современных условиях вообще исключена.
Программа, о которой я рассказал, предполагала реализовать только самый начальный этап исследований Марса. Но и она столкнулась с такими финансовыми трудностями, преодолеть которые оказалось не по силам самым мощным странам. Серьезное же освоение Марса могло начаться только в результате реализации проектов, инициатором которых был Виталий Михайлович Иевлев, о котором я говорил ранее.
Им была предложена схема ядерного двигателя большой тяги со скоростью истечения рабочего тела, близкой к электрическим двигателям — так называемая схема с плазменным тепловыделяющим элементом («схема «В»). Надо отметить, что зависимость массы полезной нагрузки от скорости истечения рабочего тела определяется экспоненциальной функцией. Поэтому в случае создания такого двигателя полет на Марс был бы не намного сложнее перелета, например, на Американский континент. Без всяких ракетных ступеней, просто по самолетной схеме — взлетел, слетал, прилетел. Это явилось бы, безусловно, серьезным основанием для постановки вопроса об экспансии человечества за пределы земной атмосферы.
Однако работы не продвинулись далее поисковой стадии и создания модельных установок и захлебнулись в катастрофически нарастающих финансовых проблемах. Несмотря на то, что я работал в отделении В.М. Иевлева, я никогда не сотрудничал с ним непосредственно. Я, что называется, «спиной» чувствовал бесперспективность и, как мне казалось, бессмысленность этой работы.
Я занимался исключительно своим делом. Мне представлялось крайне важным создать универсальные средства преодоления разворачивающейся тогда в США системы противоракетной обороны. В то время я не понимал всей важности работ, которые пытался реализовать Виталий Михайлович. Я не понимал грандиозной созидательной силы отрицательного результата, полученного им. Фактически он показал, что широкая экспансия человечества за пределы Земли невозможна. Это чисто советский результат. Развитие человечества не может быть продолжено по старым схемам беспредельной пространственной экспансии. Получение этого результата — фундаментальный вклад Советского Союза, России в развитие человеческой цивилизации. Это, в конце концов, будет понято.
В связи с тем, что человечество будет оставаться на Земле, и, следовательно, вынуждено будет переходить к адекватной социальной организации, крайне важно разобраться в перспективах силового противостояния стран интеллигентного и паразитического типов.
Россия представляет грозный атомный космический буксир
Россия представляет грозный атомный космический буксир
После нескольких лет молчания известный российский разработчик военных космических аппаратов неожиданно обнародовал первые фотографии массивного атомного космического корабля, собираемого на заводе компании в Санкт-Петербурге. Конструкторское бюро КБ «Арсенал», выступающее генеральным подрядчиком проекта, известно своими атомными спутниками советской эпохи, один из которых позорно потерпел крушение в арктическом регионе Канады в 1919 году.77.
Предыдущая глава: Российские ракеты-носители и космические буксиры
Космический буксир ТЕМ выходит на орбиту.
ПОДДЕРЖИТЕ ПРОЕКТ! |
Что такое атомный космический буксир?
Серия фотографий и компьютерных изображений, которые появились в Интернете в 2020 году и были получены из КБ «Арсенал», показали очевидную последнюю версию и планируемую работу очень большого космического буксира, приводимого в движение электрическими двигателями и работающего от ядерного источника.
Проект, официально известный как Транспортно-энергетический модуль (ТЭМ), уже более десяти лет хорошо известен наблюдателям за российской космонавтикой.
Прослеживая свои корни до рассвета космической эры, концепция TEM пытается объединить ядерный реактор с электрическим ракетным двигателем. Электрические двигательные установки нагревают и ускоряют ионизированный газ для создания струи, создающей тягу, и поэтому их также называют ионными или плазменными двигателями. При измерении на единицу израсходованной массы топлива электрические двигатели более эффективны, чем традиционные жидкостные или твердотопливные ракеты, но их тяга в любой момент времени относительно мала, и для их работы требуется много электроэнергии. Из-за этого до недавнего времени практическое использование электрической тяги в космическом полете в основном ограничивалось системами корректировки орбиты на борту спутников или полетами в дальний космос, в которых космические корабли могли использовать преимущества малой тяги в течение очень длительных периодов времени.
Чтобы увеличить масштабы работы энергоемких электрических двигателей, инженеры давно рассматривали возможность замены тяжелых и громоздких солнечных панелей ядерными источниками энергии, которые могли бы обеспечивать достаточное количество электроэнергии в течение многих лет, если не десятилетий, и не зависели бы от солнечной радиации в удаленных и холодных условиях. области Солнечной системы, как показали планетарные миссии, такие как «Вояджер», «Кассини» и многие другие.
Однако разработка ядерных реакторов для космоса все же должна была происходить на Земле, где проблемы с экологией и безопасностью замедляли прогресс в этой области.
Тем не менее, к началу 21 века российские военные, по-видимому, возобновили интерес к большой мощности ядерных реакторов по обеспечению электроэнергией не только двигательных установок, но и другого оборудования на борту больших космических кораблей, такого как мощные радиолокационные антенны для целей наблюдения или противоракетной обороны.
спутниковые лазеры, способные ослеплять датчики на борту космического корабля противника.
Имея большой портфель ядерных технологий и солидный бюджет, российское министерство обороны, по-видимому, стало основным спонсором первой постсоветской попытки построить ядерную энергетическую систему для космоса. Неудивительно, что работа над реактором была в значительной степени засекречена, но в 2020 году КБ «Арсенал» опубликовало фотографии, показывающие сборку полномасштабного корабля ТЭМ или его прототипа, а также анимацию его вывода на орбиту.
КБ «Арсенал» подробно описывает атомный космический буксир, возможное военное применение
В своей корпоративной брошюре КБ «Арсенал» сообщило, что в период с 2016 по 2018 год компания провела несколько предварительных исследований, NIR, и предварительных проектов, OKR, изучая атомный космический корабль мегаваттного класса. Программа включала разработку и испытания Конструкторско-Технических Макетов, КТМ, модуля ТЭМ и его компонентов, таких как Несущая секция, ОНФ, Блок систем обеспечения, БОС, Модуль двигательной установки, МДУ, Силовая установка.
Единица, ЭБ. Эти элементы макета прошли функциональные испытания, сообщает КБ «Арсенал». Компания также опубликовала новые фотографии элементов космического корабля во время сборки и испытаний.
В 2018 и 2019 годах «Арсенал» провел исследование Yadro (Core), в ходе которого рассматривались военные и гражданские применения силового модуля мегаваттного класса, включая его предполагаемое использование в качестве противоспутникового оружия. Рассматриваемые потенциальные задачи, по определению «Арсенала», включали «дистанционное зондирование земной поверхности и воздушного пространства, электромагнитное воздействие на радиоэлектронные средства управления войсками, разведку, связь, навигацию, межорбитальные перевозки и доставку грузов». на окололунные орбиты». Предложения также включали использование модуля питания космических аппаратов-ретрансляторов данных в марсианской точке Лагранжа L1 для обеспечения связи между базой на поверхности Марса, орбитальными аппаратами Марса и Землей.
Обсуждалась и доставка ядерных энергоустановок на марсианскую надводную базу.
Натурный макет ферменно-несущей секции ОНФ во время функциональных испытаний в КБ «Арсенал».
Космический буксир ТЕМ объяснил
Космический буксир ТЭМ в сложенном состоянии.
Сердцем буксира ТЕМ является ядерный реактор, вырабатывающий тепло. Затем тепло преобразуется в электроэнергию либо с помощью механической турбины, либо с помощью так называемого метода теплового излучения, в котором не используются какие-либо движущиеся части. Хотя термоэмиссионное преобразование менее эффективно, чем турбина, но более простое и привычное для российской промышленности, оно, по-видимому, используется на борту ТЭМ, представленного в 2020 году9.0003
Избыточная тепловая энергия, неизбежно образующаяся в процессе работы реактора, выбрасывается в космос с помощью системы радиаторов, которые также могут использовать множество различных технологий для работы в невесомости и за пределами атмосферы.
Представленный автомобиль TEM, по-видимому, имел три основных и три дополнительных радиатора. Последние меньшие панели, вероятно, обслуживают традиционные потребности систем обслуживания на борту космического корабля, в то время как более крупные развертываемые и стационарные радиаторы, вероятно, предназначены исключительно для отвода тепла реактора. Анимация показала очень сложный трехэтапный процесс развертывания основного излучателя на борту модуля ТЕМ.
Однако на представленном автомобиле в панелях радиатора, по-видимому, использовалась теплоносящая охлаждающая жидкость, прокачиваемая через систему турбиной. Это менее прогрессивная технология, чем излучающая система с капиллярными тепловыми трубками, которая изначально планировалась для космического корабля и которую, как известно, Россия испытывает на борту космической станции «Мир» на рубеже XXI века.
Для защиты всех систем на борту космического корабля от вредных излучений реактор размещен за конусообразным экраном, образующим защищенную коническую «тень», свободную от опасных частиц.
Чтобы еще больше увеличить безопасную зону, реактор прикреплен к четырехсекционной телескопической стреле из легкого композитного материала. Стрела разворачивается на полную длину после отделения корабля от ракеты-носителя на орбите.
Согласно имеющимся публикациям, ядерный реактор на корабле ТЕМ будет активирован только после выхода корабля на орбиту высотой 600 или 800 километров, что достаточно далеко от разреженной атмосферы, чтобы предотвратить естественный распад и возвращение заглохшего спутника. Тем временем все системы обслуживания космического буксира и его полезная нагрузка по-прежнему могли получать питание от пары солнечных батарей, развернутых по бокам двигательного модуля сразу после выхода на орбиту.
На фотографиях, опубликованных КБ «Арсенал» в 2020 году, но, вероятно, на них показан полномасштабный макет, собранный еще в 2018 году, показаны ключевые компоненты этой очень крупной машины, включая силовой модуль, стационарные и выдвижные радиаторы, а также выдвижную стрелу, которая будет нести реактор.
Фото самого реактора не было, однако он был показан на сопроводительной анимации, датированной 2020 годом. Оказалось, что даже без полезной нагрузки российский ТЭМ будет 20- или 30-тонным аппаратом, для которого может потребоваться либо Ангара- Тяжелые ракеты 5М или Ангара-5В для выхода на начальную орбиту с космодрома Восточный. На одном изображении, созданном ГКНПЦ Хруничева примерно в 2016 году, изображена ракета «Ангара-5В» с разгонным блоком «Бриз» с ракетой ТЭМ.
(963)
Роскосмос представил атомный космический буксир
В рамках Московского авиационно-космического салона МАКС, который откроется 20 июля 2021 года на подмосковном аэродроме Жуковский, Роскосмос представил масштабную модель атомно-электрического космического буксира для комплекса «Зевс». Экспонат, как оказалось, включал первоначальную экспериментальную версию корабля, оснащенную ионными двигателями, и еще один увеличенный вариант с так называемыми роторными магнитно-плазменными двигателями.
Транспортные средства ТЕМ были показаны рядом с историческими космическими кораблями США-А с реакторами, которые были разработаны в советский период для наведения крылатых ракет на цели и, казалось, были показаны в одном масштабе с моделями Зевс, что дает общее представление об амбициях текущее усилие.
Известно, что боевой вариант космического буксира «Зевс» рассчитан на запуск на ракете «Ангара-5В», способной доставлять на низкую околоземную орбиту до 38 тонн полезного груза.
Во время военной выставки в России в августе 2021 года КБ «Арсенал» распространило листовку с логотипами компании и ее материнской государственной корпорации «Роскосмос», а также с дополнительными изображениями того, что было идентифицировано как орбитальный комплекс «Зевс». В сопроводительном тексте говорилось, что аппарат разрабатывается для запуска на 1000-километровую (круговую?) орбиту на ракете «Ангара-А5» с космодрома Восточный. Миссия космического буксира описывалась как доставка научного оборудования к Луне и планетам Солнечной системы.
Зевс добивается прогресса, упирается в бюджетную стену
Фотография, опубликованная в мае 2022 года, по всей видимости, показывает вакуумную установку для испытаний турбин в центре Келдыша.
В мае 2022 года глава Роскосмоса Дмитрий Рогозин признал, что программе «Зевс» не хватало финансирования, видимо, отражая новые реалии после эскалации войны России против Украины 24 февраля. В то же время Рогозин опубликовал фотографии термовакуумной камеры в Центре ГНЦ Келдыша в Москве, построенном для отработки работы быстроходных турбин, преобразующих тепловую энергию в электрическую. Это критический механизм для атомного электрического космического буксира, поскольку он преобразует тепловую энергию, вырабатываемую ядерным реактором, в электричество, необходимое в огромных количествах для работы плазменных двигателей большой тяги.
Экспериментальный стенд на Келдыше работал в комплексе с теплогенерирующей установкой мощностью 2 МВт, моделирующей тепловые нагрузки, создаваемые реактором.
По словам Рогозина, во время успешных испытаний опытной установки 13 мая температура рабочего тела на входе в турбину достигла 1200 кельвинов, а скорость вращения турбины достигла 34 тысяч оборотов в минуту. По словам Рогозина, последующие испытания направлены на раскрутку турбины до целевой скорости 60 000 оборотов в минуту или 1000 оборотов в секунду.
По данным центра Келдыша, на его многофункциональном стенде можно было разместить экспериментальные газовые турбины и их компоненты мощностью до 250 Киловатт. В центре имелась также криогенно-вакуумная испытательная установка для испытаний холловских и ионных двигателей мощностью до 35 киловатт.
Рогозин также описал совместную российско-белорусскую работу по разработке турбинных лопаток, способных работать при температурах 1500 Кельвинов и выше. Сообщается, что специалисты пробовали несколько материалов-кандидатов, от металлических сплавов до керамики и композитных материалов. Разработка новых лопаток с более высокой термостойкостью могла бы обеспечить более высокую температуру в турбине, что, в свою очередь, позволило бы уменьшить размеры и массу радиаторной системы для отвода избыточного тепла в космос на борту космического буксира.
Продолжение следует
6 вещей, которые вы должны знать о ядерных тепловых двигателях
Управление
Атомная энергетика
10 декабря 2021 г.
НАСА хочет отправить астронавтов на Марс, и они могли бы сделать это с помощью ядерных ракетных двигателей.
Ядерные тепловые двигательные установки (NTP) не новы, но они могут значительно сократить время полета и нести большую полезную нагрузку, чем современные химические ракеты, что дает людям отличный шанс исследовать глубокий космос.
Вот 6 вещей, которые вы должны знать о ядерных тепловых двигателях.
URL видео
» src=»https://www.youtube.com/embed/U1g2aSj9ZTc?autoplay=0&start=0&rel=0″>
Посмотрите анимацию выше, чтобы узнать о преимуществах ядерных тепловых двигателей.
Видео предоставлено Министерством энергетики
1. Системы NTP питаются от ядерного деления
Системы NTP работают, прокачивая жидкое топливо, скорее всего водород, через активную зону реактора. Атомы урана распадаются внутри ядра и выделяют тепло в результате деления. Этот физический процесс нагревает топливо и превращает его в газ, который расширяется через сопло для создания тяги.
2. Системы НТП более эффективны, чем химические ракеты
Ракеты НТП обладают большей энергоемкостью, чем химические ракеты, и в два раза эффективнее.
Инженеры измеряют эту производительность как удельный импульс, который представляет собой величину тяги, которую можно получить от определенного количества топлива. Удельный импульс химической ракеты, сжигающей жидкий водород и жидкий кислород, составляет 450 секунд, что ровно вдвое меньше, чем у начальной мишени для ядерных ракет (900 секунд).
Это связано с тем, что более легкие газы легче разогнать. Когда химические ракеты сжигаются, они производят водяной пар, гораздо более тяжелый побочный продукт, чем водород, который используется в системе NTP. Это приводит к большей эффективности и позволяет ракете лететь дальше на меньшем количестве топлива.
3. Системы NTP не будут использоваться при запуске
Системы NTP не будут использоваться на Земле. Вместо этого они будут запущены в космос химическими ракетами до того, как их запустят. Системы NTP не предназначены для создания тяги, необходимой для отрыва от поверхности Земли.
4. Системы NTP обеспечивают большую гибкость
Системы NTP обеспечивают большую гибкость для полетов в дальний космос. Они могут сократить время полета до Марса на 25% и, что более важно, ограничить воздействие космической радиации на летный экипаж. Они также могут обеспечить более широкие окна запуска, которые не зависят от выравнивания орбиты, и позволяют астронавтам прерывать миссии и при необходимости возвращаться на Землю.
Загрузите нашу инфографику по ядерным тепловым двигателям.
5. Системы NTP были разработаны при поддержке DOE
NTP не нова. Он был изучен НАСА и Комиссией по атомной энергии (ныне Министерство энергетики США) в 1960-х годах в рамках программы «Ядерный двигатель для ракетных транспортных средств». За это время ученые Лос-Аламосской национальной лаборатории помогли успешно построить и испытать ряд ядерных ракет, на которых сегодня основаны нынешние конструкции NTP.
Хотя программа завершилась в 1972 году, продолжались исследования по улучшению базовой конструкции, материалов и топлива, используемых для систем NTP.
НАСА и Министерство энергетики в настоящее время работают с промышленностью над разработкой обновленных конструкций ядерных тепловых двигательных реакторов. Три отраслевые команды выиграли конкурс проектов в 2021 году и в настоящее время продолжают разработку проектов, которые будут представлены для оценки осенью 2022 года.
6. Системы NTP сосредоточены на использовании низкообогащенного урана испытание, разработка и оценка возможности использования нового топлива, требующего меньшего обогащения урана, для систем НТП. Это топливо может быть изготовлено с использованием новых передовых технологий производства и потенциально может помочь снизить связанные с безопасностью затраты, связанные с использованием высокообогащенного топлива.
Национальная лаборатория Айдахо в настоящее время помогает НАСА разрабатывать и тестировать топливные композиты на своей установке для испытаний переходных реакторов (TREAT), чтобы изучить, как они работают при суровых температурах, необходимых для ядерных тепловых двигателей. Первоначальные испытания показали, что ядерное топливо, разрабатываемое НАСА и Министерством энергетики, способно выдерживать повышение температуры до рабочих температур ядерных тепловых двигателей без значительных повреждений.
Узнайте больше о работе НАСА по ядерным тепловым двигателям и узнайте о роли Министерства энергетики в освоении космоса.