Ядерні двигуни для космічних кораблів

Росія була і зараз залишається лідером в області ядерної космічної енергетики. Досвід проектування, будівництва, запуску та експлуатації космічних апаратів, оснащених ядерною джерелом електроенергії, мають такі організації, як РКК «Енергія» і «Роскосмос». Ядерний двигун дозволяє експлуатувати літальні апарати багато років, багато разів підвищуючи їх практичну придатність.

Історична літопис

Використання ядерної енергетики в космосі перестало бути фантастикою ще в 70-х роках минулого століття. Перші ядерні двигуни 1970-1988 запускалися в космос і успішно експлуатувалися на космічних апаратів (КА) спостереження «ВУС-А». У них застосовувалася система з термоелектричної ядерно-енергетичною установкою (ядерної енергетичної установки) «Бук» електричною потужністю 3 кВт.

У 1987-1988 два апарати «Плазма-А» з термоемісійної ядерної енергетичної установки «Топаз» потужністю 5 кВт пройшли льотно-космічні випробування, під час яких вперше було здійснено харчування электроракетных двигунів (ЕРД) від ядерного джерела енергії.

Виконаний комплекс наземних ядерно-енергетичних випробувань термоемісійної ядерною установкою «Єнісей» потужністю 5 кВт. На основі цих технологій розроблені проекти термоемісійних ядерної енергетичної установки потужністю 25-100 кВт.

МБ «Геркулес»

РКК «Енергія» в 70-х приступила до науково-практичних досліджень, метою яких було створити потужний ядерний космічний двигун для межорбитального буксира (МБ) «Геркулес». Роботи дозволили зробити заділ на багато роки в частині ядерної электроракетной рухової установки (ЯЭРДУ) з термоемісійної ядерної енергетичної установки потужністю кілька сотень кіловат і электроракетных двигунів одиничною потужністю десятки і сотні кіловат.

Проектні параметри МБ «Геркулес»:

• корисна електрична потужність ядерної енергетичної установки – 550 кВт;
• питома імпульс ЭРДУ – 30 км/с;
• тяга ЭРДУ – 26 М;
• ресурс ядерної енергетичної установки і ЭРДУ – 16 000 год;
• робоче тіло ЭРДУ – ксенон;
• маса (суха) буксира – 14,5-15,7 т, в тому числі ядерної енергетичної установки – 6,9 т.

Новітній час

У XXI столітті настав час створити новий ядерний двигун для космосу. У жовтні 2009 року на засіданні Комісії при президентові РФ з модернізації і технологічного розвитку економіки Росії був офіційно затверджений новий російський проект «Створення транспортно-енергетичного модуля з використанням ядерної энергодвигательной установки мегаватного класу». Головними розробниками є:

• Реакторної установки – ВАТ «НДІКІЕТ».
• Ядерно-енергетичної установки з газотурбінної схемою перетворення енергії, ЭРДУ на основі іонних электроракетных двигунів і ЯЭРДУ в цілому – ГНЦ «Дослідницький центр ім. М. В. Келдиша», який є також відповідальною організацією за програмою розробки транспортно-енергетичного модуля (ТЕМ) в цілому.
• РКК «Енергія» в якості генерального конструктора ТЕМ повинна розробити автоматичний апарат з цим модулем.

Характеристики нової установки

Новий ядерний двигун для космосу Росія планує запустити в комерційну експлуатацію в найближчі роки. Передбачувані характеристики газотурбінної ЯЭРДУ наступні. Як реактора використовується газоохлаждаемый реактор на швидких нейтронах, температура робочого тіла (суміш He/Xe) перед турбіною – 1500 К, ККД перетворення теплової в електричну енергію – 35%, тип холодильника-випромінювача – крапельний. Маса енергоблока (реактор, радіаційний захист і система перетворення, але без холодильника-випромінювача) – 6 800 кг.

Космічні ядерні двигуни (ядерної енергетичної установки, ядерної енергетичної установки спільно з ЭРДУ) планується використовувати:

• У складі майбутніх космічних транспортних засобів.
• Як джерел електроенергії для енергоємних комплексів та космічних апаратів.
• Для вирішення перших двох завдань у транспортно-енергетичному модулі по забезпеченню электроракетной доставки важких космічних кораблів та апаратів на робочі орбіти і подальше тривале енергопостачання їх апаратури.

Принцип роботи ядерного двигуна

Ґрунтується на синтезі ядер, або на використанні енергії ділення ядерного палива для формування реактивної тяги. Розрізняють установки імпульсно-вибухового і рідинного типів. Вибухова установка викидає в космос мініатюрні атомні бомби, які детонуючи на відстані декількох метрів, вибуховою хвилею штовхають корабель вперед. На практиці такі пристрої поки не використовуються.

Рідинні ядерні двигуни, навпаки, давно розроблені і випробувані. Ще в 60-х роках радянські фахівці сконструювали працездатну модель РД-0410. Подібні системи розроблялися і в США. Їх принцип заснований на нагріванні рідини ядерних міні-реактором, вона перетворюється в пару і формує реактивний струмінь, яка і штовхає космічний апарат. Хоча пристрій називають рідинним, в якості робочого тіла, як правило, використовують водень. Ще одне призначення космічних ядерних установок – харчування бортової електричної мережі (приладів) кораблів і супутників.

Важкі телекомунікаційні апарати глобальної космічної зв’язку

На даний момент ведуться роботи з ядерного двигуна для космосу, який планується використовувати у важких апаратах космічного зв’язку. РКК «Енергія» були виконані дослідження і проектні розробки системи глобальної космічної зв’язку економічно конкурентоспроможною з дешевою стільниковим зв’язком, що передбачалося досягти перенесенням «телефонної станції» з Землі у космос.

Передумовами до їх створення є:

• практично повне заповнення геостаціонарної орбіти (ДСО) працюючими і пасивними супутниками;
• вичерпання частотного ресурсу;
• позитивний досвід створення та комерційного використання інформаційних геостаціонарних супутників серії «Ямал».

При створенні платформи «Ямал» нові технічні рішення становили 95%, що дозволило таким апаратам стати конкурентоспроможними на світовому ринку космічних послуг.

Передбачається заміна модулів з технологічним зв’язковим обладнанням приблизно кожні сім років. Це дозволило б створювати системи з 3-4 важких багатофункціональних супутників на ДСО з збільшенням споживаної ними електричної потужності. Спочатку були спроектовані КА на основі сонячних батарей потужністю 30-80 кВт. На наступному етапі в якості джерела електроенергії планується використовувати ядерні двигуни на 400 кВт з ресурсом до одного року у транспортному режимі (для доставки базового модуля на ДСО) і 150-180 кВт в режимі тривалого функціонування (не менше 10-15 років).

Ядерні двигуни в системі антиметеоритной захисту Землі

Виконані РКК «Енергія» в кінці 90-х проектні дослідження показали, що у створенні антиметеоритной системи захисту Землі від ядер комет і астероїдів ядерно-електричні установки та ЯЭРДУ можуть бути використані для:

1. Створення системи моніторингу траєкторії астероїдів і комет, які перетинають орбіту Землі. Для цього пропонується розставити спеціальні космічні апарати, оснащені оптичної та радіолокаційної апаратурою для виявлення небезпечних об’єктів, обчислення параметрів траєкторій і первинного дослідження їх характеристик. У системі може бути задіяний ядерний космічний двигун з дворежимної термоемісійної ядерної енергетичної установки потужністю від 150 кВт. Її ресурс повинен бути не менше 10 років.
2. Випробування засобів впливу (вибух термоядерного пристрою) на полигонном безпечному астероїді. Потужність ЯЭРДУ для доставки випробувального пристрою до астероїда-полігону залежить від маси отриманого корисного вантажу (150-500 кВт).
3. Доставки штатних засобів впливу (перехоплювача сумарною масою 15-50 т) до наближається до Землі небезпечного об’єкту. Потрібно ядерний реактивний двигун потужністю 1-10 МВт для доставки до небезпечного астероїда термоядерного заряду, поверхневий вибух якого за рахунок реактивної струменя матеріалу астероїда зможе відхилити його від небезпечної траєкторії.

Доставка дослідницького обладнання в дальній космос

Доставка наукового обладнання до космічних об’єктів (далеких планет, періодичних комет, астероїдів) може здійснюватися з використанням космічних ступенів на основі РРД. Застосовувати ядерні двигуни для космічних апаратів доцільно, коли ставиться завдання виходу на орбіту супутника небесного тіла, прямого контакту з небесним тілом, відбору проб речовин і інших досліджень, які потребують збільшення маси дослідного комплексу, включення в нього посадкової та злітної ступенів.

Параметри двигунів

Ядерний двигун для космічних кораблів дослідного комплексу дозволить розширити «вікно старту» (внаслідок керованої швидкості витікання робочого тіла), що спрощує планування і знижує ціну проекту. Дослідження, виконані РКК «Енергія», показали, що ЯЭРДУ 150 кВт з ресурсом до трьох років є перспективним засобом доставки космічних модулів в пояс астероїдів.

У той же час доставки дослідницького апарату на орбіти далеких планет Сонячної системи вимагає збільшення ресурсу такої ядерної установки до 5-7 років. Доведено, що комплекс з ЯЭРДУ потужністю близько 1 МВт у складі дослідницького КА дозволить забезпечити прискорену доставку за 5-7 років на орбіти штучних супутників найбільш віддалених планет, планетоходов на поверхню природних супутників цих планет і доставку на Землю грунту з комет, астероїдів, Меркурія і супутників Юпітера і Сатурна.

Багаторазовий буксир (МБ)

Одним з найважливіших способів підвищення ефективності транспортних операцій у космосі є багаторазове використання елементів транспортної системи. Ядерний двигун для космічних кораблів потужністю не менше 500 кВт дозволяє створити багаторазовий буксир і тим самим значно підвищити ефективність багатоланковою космічної транспортної системи. Особливо корисна така система в програмі забезпечення великих річних вантажопотоків. Прикладом може стати програма освоєння Місяця з створенням та обслуговуванням постійно нарощуваною населеної бази та експериментальних технологічних і виробничих комплексів.

Розрахунок вантажообігу

Згідно з проектним проработкам РКК «Енергія», при будівництві бази на поверхню Місяця повинні доставлятися модулі масою близько 10 т, на орбіту Місяця – до 30 т. Сумарний вантажопотік з Землі при будівництві населеної місячної бази і відвідуваною місячної орбітальної станції оцінюється в 700-800 т, а річний вантажопотік для забезпечення функціонування і розвитку бази – 400-500 т.

Однак принцип роботи ядерного двигуна не дозволяє розігнати транспортник досить швидко. З-за тривалого часу транспортування і, відповідно, значного часу знаходження корисного вантажу в радіаційних поясах Землі не всі вантажі можуть бути доставлені з використанням буксирів з ядерним двигуном. Тому вантажопотік, який може бути забезпечений на основі ЯЭРДУ, оцінюється лише в 100-300 т/рік.

Економічна ефективність

В якості критерію економічної ефективності межорбитальной транспортної системи доцільно використовувати значення питомої вартості транспортування одиниці маси корисного вантажу (ПГ) з поверхні Землі на цільову орбіту. РКК «Енергія» була розроблена економіко-математична модель, що враховує основні складові витрат в транспортній системі:

• на створення і виведення на орбіту модулів буксира;
• на закупівлю робочої ядерної установки;
• експлуатаційні витрати, а також витрати на проведення НДДКР та можливі капітальні витрати.

Вартісні показники залежать від оптимальних параметрів МБ. З використанням цієї моделі була досліджена порівняльна економічна ефективність застосування багаторазового буксира на основі ЯЭРДУ потужністю близько 1 МВт і одноразового буксира на основі перспективних рідинних ракетних двигунів у програмі забезпечення доставки з Землі на орбіту Місяця висотою 100 км корисного вантажу сумарною масою 100 т/рік. При використанні однієї і тієї ж ракети-носія вантажопідйомністю, що дорівнює вантажопідйомності РН «Протон-М», і двухпусковой схеми побудови транспортної системи питома вартість доставки одиниці маси корисного вантажу з допомогою буксира на основі ядерного двигуна буде в три рази нижче, ніж при використанні одноразових буксирів на основі ракет з рідинними двигунами типу ДМ-3.

Висновок

Ефективний ядерний двигун для космосу сприяє вирішенню екологічних проблем Землі, польоту людини на Марс, створення системи бездротової передачі енергії в космосі, реалізації з підвищеною безпекою поховання в космосі особливо небезпечних радіоактивних відходів наземної атомної енергетики, створення населеної місячної бази та початку промислового освоєння Місяця, забезпечення захисту Землі від астероїдно-кометної небезпеки.