Ядерный ракетный двигатель
Следует разделять две принципиально разные установки: ядерные энергетические установки (ЯЭУ) на космических аппаратах и ядерные ракетные двигатели (ЯРД). Первые предназначены для выработки энергии на борту космического корабля (когда необходимое количество энергии невозможно получить другими способами, например с помощью солнечных батарей или изотопных источников энергии). Вторые обеспечивают разгон и движение самих ракет.
Вначале кратко рассмотрим историю создания ядерных энергетических установок для использования на космических аппаратах. Первым такого рода ядерным реактором стал американский SNAP-10А, созданный компанией Boeing по заказу Комиссии по атомной энергии США по программе Systems for Nuclear Auxiliary Power (SNAP). Тепловая мощность реактора составляла 40 кВт, а электрическая мощность, обеспечиваемая термоэлектрическим преобразователем энергии, составляла от 500 до 650 Вт. Реактор SNAP-10А был установлен на борту аппарата Snapshot, запущенного 3 апреля 1965 года ракетой-носителем «Атлас». Планировалось провести летные испытания реактора в течение 90 суток. Реактор успешно проработал 43 дня — до 16 мая 1965 года. В этот день был включен установленный на борту спутника ионный двигатель, запитываемый от реактора. Но работа двигателя сопровождалась многочисленными высоковольтными пробоями, нарушившими работу бортовой аппаратуры. SNAP-10A стал первым и последним космическим реактором США, запущенным в космос, хотя проектов и наземных опытных ЯЭУ различные группы в США наплодили очень немало, и продолжают разрабатывать их по настоящее время.
В конце 2017 года в США начали испытание демонстрационного прототипа реакторной энергетической установки Kilopower, предназначенной для выработки электроэнергии с выходной мощностью до 10 кВт с ресурсом 10 лет на поверхности Марса (NASA to test prototype Kilopower reactor. Портал World Nuclear News. 2017-11-17).
Первый в СССР термоэлектрический реактор-преобразователь «Ромашка» был запущен в Институте атомной энергии 14 августа 1964 года. Реактор на быстрых нейтронах имел тепловую мощность 40 кВт (топливом служил оружейный уран) и был оснащен термоэлектрическим преобразователем энергии мощностью до 800 Вт. В планы С.П.Королева входило использовать ЯЭУ «Ромашку» на космических аппаратах в сочетании с импульсными плазменными двигателями. Испытания «Ромашки» закончились в середине 1966 года, уже после смерти Королева, но реактор так никогда не побывал в космосе.
За «Ромашкой» последовала серия ядерных реакторов-преобразователей энергии «Бук» и «Топаз». «Бук» разрабатывался с 1960 года в НПО «Красная звезда» для использования на спутнике радиолокационной разведки УС-А, предназначенном для слежения за авианосцами США. Общая масса урана в реакторе составила 30 кг, обогащение по 235-му изотопу урана — до 90 %. Первый аппарат этой серии был запущен 3 октября 1970 года с Байконура («Космос-367»). На орбите находился в течение 8 лет, причем планировалось сгорание ядерных твэлов реактора при схождении с орбиты. Однако этого не произошло вследствие неудачного спуска, завершившегося ядерным заражением местности разрушившимся «Буком». Поэтому в последующих модификациях «Бука» был запланирован принудительный сброс твэлов специальным газовым исполнительным механизмом (Демидов А.С., Конструкция энергосиловых установок космических аппаратов. — М.: МАИ, 2011.).
Следующей советской космической ядерной энергетической установкой стала ТЭУ-5 «Тополь» или «Топаз-1». Работа над «Топазом» велась с 1960-х годов. Наземные испытания были начаты в 1970 году. Реактор имел тепловую мощность 150 кВт, причем количество 235U в реакторе было снижено до 11,5 кг по сравнению с 30 кг в БЭС-5 «Бук». «Топаз» проработал на орбите более 11 месяцев.
Последний запуск советской ЯЭУ состоялся 14 марта 1988 года. И хотя полет прошел более-менее нормально, от эксплуатации аппаратов с ЯЭУ было решено отказаться. Основной причиной этого стало давление со стороны США и международных организаций, требовавших от Советского Союза «прекратить загрязнение космоса». Но немаловажным фактором стали и сравнительно низкие технические характеристики ЯЭУ.
За все годы запусков советских ЯЭУ на орбиту было отправлено 32 установки. Одна из них не долетела до космоса, две возвратились назад, а остальные до сего дня продолжают пребывать на высоте 700-800 км от Земли. Большой резонанс вызывало известное падение остатков реактора Космос-954 на территории Канады в январе 1978 года, что привело к радиоактивному заражению и международному скандалу.
Здесь следует упомянуть доклад Генерального секретаря ООН под названием «Воздействие космической деятельности на окружающую среду» от 10 декабря 1993 года, в котором где особо отмечено, что проблема имеет международный, глобальный характер: засорение космического пространства Земли, одинаково негативно влияющее на все страны. К этому следует добавить ужесточающиеся требования ООН по ядерно-безопасным орбитам, которые запрещают запуск ядерных реакторов ниже орбиты в 800 км над поверхностью Земли. Параллельно происходит стремительный прогресс солнечных батарей, мощности которых увеличился с десятков ватт в начале 60-х до единиц киловатт к 1990 году. Их простота и изученность перекрывает путь ЯЭУ мощностью в единицы и даже десятки киловатт.
Упомяну также так называемый «каскадный эффект», который может возникнуть от взаимного столкновения объектов и частиц «космического мусора». При экстраполяции существующих условий засорения низких околоземных орбит этот эффект может в долгосрочной перспективе привести к катастрофическому росту количества объектов орбитального космического мусора и, как следствие, к практической невозможности дальнейшего освоения космоса. Вклад в создание космического мусора на 2014 г. составил: Россия — 39,7 %; США — 28,9 %; Китай — 22,8 %, остальные страны — 8,6 % (Космический мусор и его коллеги — И. Черный // «Новости космонавтики», № 10, 2014 г.).
Обращаю внимание на многочисленные происшествия и аварии при работе с энергетическими установками:
25 апреля 1973 года вследствие выхода из строя двигательной установки запуск советского спутника радиолокационной разведки с ядерной энергетической установкой на борту завершился неудачей. Аппарат не был выведен на расчетную орбиту и упал в Тихий океан.
12 декабря 1975 года сразу после выхода на орбиту вышла из строя система ориентации советского спутника радиолокационной разведки «Космос-785» с ЯЭУ на борту. Началось хаотичное вращение аппарата, что грозило его падением на Землю. Активная зона реактора была успешно отделена и переведена на орбиту захоронения, где и находится в настоящее время.
(Под эвфемизмом «орбита захоронения» понимают орбиту искусственных космических объектов, на которую осуществляется их увод после окончания активной работы для уменьшения вероятности столкновений и освобождения места на геостационарной орбите. Хотя срок жизни ЯЭУ на этих орбитах составляет порядка 2 тысяч лет, рано или поздно начиненный оружейным ураном реактор сгорает в высших слоях атмосферы со всеми вытекающими отсюда последствиями… Следует также напомнить, что период полураспада урана-235 составляет 710 миллионов (. ) лет.)
24 января 1978 года в северо-западных районах Канады упал советский спутник радиолокационной разведки «Космос-954» с ядерной энергетической установкой на борту. При прохождении плотных слоёв земной атмосферы произошло разрушение спутника и поверхности Земли достигли лишь некоторые его фрагменты. Произошло радиоактивное загрязнение поверхности.
28 апреля 1981 года на советском спутнике радиолокационной разведки «Космос-1266» с ЯЭУ на борту зафиксирован выход из строя бортового оборудования. Активная зона реактора была успешно отделена и переведена на орбиту захоронения, где и находится в настоящее время.
7 февраля 1983 года в пустынных районах Южной Атлантики упал советский спутник радиолокационной разведки «Космос-1402» с ЯЭУ на борту. Конструктивные доработки после предыдущей аварии позволили отделить активную зону от термостойкого корпуса реактора и предотвратить компактное падение обломков. Тем не менее, было зафиксировано заметное повышение естественного радиационного фона.
Апрель 1988 года — вышел из-под контроля советский спутник радиолокационной разведки «Космос-1900» с ЯЭУ на борту. Космический аппарат медленно терял высоту, постепенно приближаясь к Земле. 30 сентября, за несколько дней до расчетного момента входа в плотные слои атмосферы, сработала аварийная защитная система, и активная зона реактора была успешно отделена и переведена на орбиту захоронения.
4 июля 2008 года, согласно данным NASA, произошла фрагментация спутника «Космос-1818» на орбите. Предположительно, отделившиеся фрагменты сферической формы в количестве около 30 — капли металлического теплоносителя из разрушившегося по какой-то причине контура охлаждения реактора.
Специалисты отмечают весьма ограниченные итоги полувековых исследований по созданию ядерных энергетических реакторов на космических аппаратах и несоизмеримость практических результатов с затраченными усилиями и колоссальными средствами. Это связано со спецификой работы реакторов в космосе, их недостаточной надежностью и значительной опасностью радиационного заражения в случае аварийного падения. Отмечу, что еще в конце 1980-х была заключена договоренность не запускать больше спутники с такими энергоустановками.
Перейдем к рассмотрению проблемы ядерных ракетных двигателей, использующих энергию деления ядер не для выработки энергии, а для создания реактивной тяги. В традиционных ЯРД рабочее тело (как правило — водород) подается из бака с сжиженным газом в активную зону реактора, где разогревается до высоких температур и затем, расширяясь, выбрасывается через сверхзвуковое сопло двигателя, создавая реактивную тягу. Удельный импульс ЯРД, по оценкам, составляет 8000-9000 и даже 15000 м/с, что гораздо выше показателей наиболее совершенных химических ракетных двигателей.
В СССР постановление по созданию ЯРД было подписано в далеком 1958 году. Руководство проектом было тогда возложено на академиков М.В.Келдыша, И.В.Курчатова и С.П.Королева, а к работам были подключены десятки исследовательских, проектных, конструкторских, строительных и монтажных организаций. К концу 1970-х гг в СССР был создан и активно проходил испытания на стендовой базе в районе Семипалатинска ядерный ракетный двигатель РД-0410. Основу этого двигателя с тягой 3,6 т составлял ядерный реактор ИР-100 с топливными элементами из твердого раствора карбида урана и карбида циркония. Температура водорода достигала 3000 К при мощности реактора
В США космические разработки с использованием ЯРД осуществлялись с 1958 года в рамках проекта «Орион» по заказу ВВС США. Программа была рассчитана на 12 лет, расчетная стоимость составила 24 миллиарда долларов, что было сопоставимо с запланированными расходами на лунную программу «Аполлон» («Apollo»). Американцы создали ЯРД «NERVA», двигатель которой должен был нагреваться до температуры более 2000 °C. Реактор был готов к использованию в качестве двигателя третьей ступени ракеты-носителя «Сатурн V», однако лунную программу к этому времени закрыли, а других задач для этих ЯРД тогда не было. Космические затраты и трудности выполнения подобных проектов привели к тому, что к 1970 году подобные проекты как в США, так и в СССР, были закрыты. В феврале 2018 года появились сообщения о том, что НАСА возобновляет научно-исследовательские работы по ядерному ракетному двигателю (Даниил Ревадзе//NASA возвращается к идее ядерного двигателя для космических кораблей. Портал hightech.fm. 17 февраля 2018)
На конец 1-го десятилетия XXI в. не известно ни одного случая практического применения ядерных ракетных двигателей, несмотря на то, что основные технические проблемы создания такого двигателя были худо-бедно решены полвека тому назад. Основным препятствием на пути практического применения ЯРД являются оправданные опасения того, что авария летательного аппарата с ЯРД может создать значительное радиационное загрязнение атмосферы и некоторого участка поверхности Земли, нанеся как прямой вред, так и осложнив геополитическую ситуацию.
Здесь надо иметь в виду, что можно говорить о потенциале применении ЯРД для космолетов, где химические ракетные двигатели достигли практического предела своей эффективности и их потенциал развития весьма ограничен, то есть ЯРД представляют потенциальный интерес для создания скоростного, долговременно работающего и экономически оправданного межпланетного транспорта (скажем, при полетах на Марс). Но мне представляется безумием использовать ЯРД в ракетах военного назначения, так как сами реакторы ЯРД являются более грозным и «грязным» оружием, чем атомные заряды, поскольку разрушение реактора на земле и выброс десятков килограмм ядерного топлива далеко оставляет позади Чернобыльскую катастрофу и Фукусиму-1. (Здесь я веду речь о «крылатой ракете со сверхмощной ядерной установкой», которая, по определению, является абсурдом или плодом психопатического сознания).
В ноябре 2017 года Китайская корпорация аэрокосмической науки и техники (China Aerospace Science and Technology Corporation, CASC) опубликовала дорожную карту развития космической программы КНР на период 2017-2045 годы. Она предусматривает, в частности, создание многоразового корабля, работающего на ядерном ракетном двигателе.
С 2010 года в России начались работы над проектом ядерной электродвигательной установки (ЯЭДУ) мегаваттного класса для космических транспортных систем. 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 словам директора и генерального конструктора ОАО «НИКИЭТ» Юрия Драгунова, чье предприятие конструирует реакторную установку, согласно плану ЯЭДУ должна быть готова в 2018 году. На начало 2016 года проведены испытания корпуса реактора и испытания полномасштабных макетов радиационной защиты реакторной установки. Комментируя последнее, я заявляю, что современные военные разработки РФ — это горький плач по совку, по разрушенной военной промышленности СССР. И в заключение цитата из «Дневника писателя» Ф.М.Достоевского: «Положим, мы и есть великая держава, но я только хочу сказать, что это нам слишком дорого стоит — гораздо дороже, чем другим великим державам, а это предурной признак. Так что даже оно как бы и ненатурально выходит».
Ядерный ракетный двигатель
Я́дерный раке́тный дви́гатель (ЯРД) — разновидность ракетного двигателя, которая использует энергию деления или синтеза ядер для создания реактивной тяги. Бывают реактивными (нагрев рабочего тела в ядерном реакторе и вывод газа через сопло) и импульсными (ядерные взрывы малой мощности при равном промежутке времени).
Традиционный ЯРД в целом представляет собой конструкцию из ядерного реактора, системы подачи рабочего тела, и сопла. Рабочее тело (как правило — водород) — подаётся 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 — твёрдофазный, жидкофазный и газофазный, соответственно агрегатному состоянию ядерного топлива в активной зоне реактора — твёрдое, расплав или высокотемпературный газ (либо плазма). ЯРД активно разрабатывались и испытывались в СССР (см. РД-0410) и США (cм. NERVA) с середины 1950-х годов. Исследования ведутся и в настоящее время. [1]
Содержание
Ядерный импульсный двигатель
Атомные заряды мощностью примерно в килотонну на этапе взлёта должны были 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 передавался кораблю. Затем, когда высота и скорость вырастут, частоту взрывов можно было уменьшить. При взлёте корабль должен был лететь строго вертикально, чтобы минимизировать площадь радиоактивного загрязнения атмосферы.
В США были проведены несколько испытаний модели летательного аппарата с импульсным приводом (для взрывов использовалась обычная химическая взрывчатка). Получены положительные результаты о принципиальной возможности управляемого полёта аппарата с импульсным двигателем.
Реальных испытаний импульсного ЯРД с подрывом ядерных устройств не проводилось. Дальнейшие практические разработки в области импульсных ЯРД были прекращены в конце 1960-х гг.
Ранние разработки
В США космические разработки с использованием импульсных ядерных ракетных двигателей осуществлялись с 1958 по 1965 год в рамках проекта «Орион» (англ. Project Orion ) компанией «Дженерал Атомикс» (англ. «General Atomics» ) по заказу ВВС США.
Программа развития проекта «Орион» была рассчитана на 12 лет, расчётная стоимость — 24 миллиарда долларов, что было сопоставимо с запланированными расходами на лунную программу «Аполлон» («Apollon»). Интересно, что разработчики проводили предварительные расчеты постройки на базе этой технологии звездолёта-«ноева ковчега» с массой до 40 млн. т и экипажем до 20 000 человек [2] . Согласно их расчётам, один из уменьшенных вариантов такого ядерно-импульсного звездолёта (массой 100 тыс. т) мог бы достичь Альфы Центавра за 130 лет, разогнавшись до скорости 10 000 км/с. [3] [4] Однако приоритеты изменились и в 1965 году проект был закрыт.
В СССР аналогичный проект разрабатывался в 1950—70-х годах. [источник не указан 566 дней] Устройство содержало дополнительные химические реактивные двигатели, выводящие его на 30-40 км от поверхности Земли и 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 завершён.
В 1960-х годах США были на пути к Луне. Менее известным является тот факт, что в Зоне-25 (рядом со знаменитой Зоной-51) на полигоне Невады учёные работали над одним амбициозным проектом – полётом на Марс на ядерных двигателях. Проект был назван NERVA. Работая на полную мощность, ядерный двигатель должен был нагреваться до температуры в 2026,7 °C (2299,8° K) и охлаждаться жидким азотом. [источник не указан 395 дней]
Затем учёные из Лос-Аламоса решили узнать, что произойдёт, если контроль над одним из таких ядерных двигателей будет утерян, и он взорвётся. И тогда появился KIWI – эксперимент по намеренному взрыву одного из таких двигателей. В январе 1965 года ядерному ракетному двигателю под кодовым названием «KIWI» специально позволили перегреться. При температуре в 4 тысячи градусов по Цельсию реактор взорвался. Взрыв разметал 45 кг радиоактивного топлива на четверть мили. Учёные находились в воздухе, и измеряли количество радиации, которая оказалась в атмосфере. [источник не указан 395 дней]
Пять месяцев спустя произошла настоящая авария, когда перегрелся ядерный двигатель другой сборки, который носил кодовое название Phoebus. Он взорвался, когда случайно опустела одна из ёмкостей с жидким водородом. [источник не указан 395 дней]
Современные проекты
15 апреля 2011 года состоялось четвёртое заседание Рабочей группы по космосу Российско-Американской президентской комиссии по вопросам сотрудничества, на котором среди прочих вопросов исследования космоса обсуждался вопрос создания двигательных установок [5] .
22 апреля 2011 года на сайте российского Федерального космического агентства среди документации очередных открытых конкурсов размещена информация об объявлении конкурса на право заключения государственного контракта по разработке ядерной энергодвигательной установки большой мощности для межорбитального буксира, многофункциональной платформы на геостационарной орбите и межпланетных космических аппаратов [6] . Итоги конкурса будут объявлены 27 мая 2011 года [7] .
Использование ядерной энергоустановки мегаваттного класса предполагается в космическом корабле для дальних космических полётов. Эскизный проект ядерного двигателя должен быть готов к 2012 году, после этого на дальнейшую разработку проекта потребуется 17 миллиардов рублей [7] .
Космические полёты за лунную орбиту требуют новых технологий и единственным вариантом нового двигателя для космических кораблей является ядерная силовая установка:
«Полеты на Марс на современных двигателях займут очень много времени. Необходимо создание новой установки для сверхтяжелых ракет. Россия обладает всеми технологиями для создания двигателей подобного класса. Я надеюсь, что в 2019 году работа над двигателем должна быть закончена», — сказал глава Роскосмоса Анатолий Перминов [8] .
