Вестник РАН, 2021, T. 91, № 11, стр. 1041-1047

Взрыв атомной бомбы в конце Второй мировой войны изменил не только общественно-политическую жизнь человечества, но и научно-технические планы и мысли в большинстве развитых стран мира. Возможности использования ядерной энергии на какой-то период времени стали казаться беспредельными или близкими к тому. И действительно, началось быстрое внедрение ядерной энергии во многие области экономики и военно-промышленного комплекса: появились атомные электростанции, новый класс подводных лодок в Военно-морском флоте, медицинские ядерные технологии. Естественным было внимание ракетной, а впоследствии ракетно-космической промышленности к использованию ядерной энергии.

Ракетная промышленность бурно развивалась в послевоенные годы и остро нуждалась в увеличении энергетики ракет. Важнейший показатель их энергетического совершенства – уровень удельной тяги двигателя, величины, определяемой как отношение тяги к секундному массовому расходу топлива:

где R_уд – удельная тяга, м/с; R – тяга, Н; $\dot {G}$ – массовый расход топлива, кг/с; Т – температура, К; μ – молекулярная масса продуктов сгорания, г/моль.

На рисунке 1 показаны значения R_уд для жидкостного ракетного двигателя (ЖРД) ракеты “Фау-2”, послужившей отправной точкой для разработки послевоенных ракет как в СССР, так и в США, наиболее совершенных современных ЖРД и электроплазменных двигателей.

Переход на нагрев водорода в ядерных реакторах и, как следствие, отказ от больших величин μ из-за ненужности окислителя сулил достижение величин удельной тяги до R_уд ~ 9000 м/с, то есть фантастический скачок в её росте.

Были развёрнуты интенсивные работы по созданию ядерного двигателя в США и СССР, история которых изложена, в частности, в книге [1].

На рисунке 2 представлена базовая конструктивная схема ядерного ракетного двигателя (ЯРД), позволявшая реализовать нагрев водорода до Т~2500–3000 К с различными вариантами исполнения тепловыделяющих сборок. Водород проходит тепловыделяющие сборки активной зоны, составленные из высокотемпературных графитов или карбидов, после чего истекает через сопло, создавая тягу.

В течение двух десятилетий был проведён огромный комплекс научно-исследовательских, проектных и конструкторских работ, полигонные испытания опытных ЯРД, которые позволили сделать следующие выводы:

• высокие значения удельных тяг (R_уд) действительно возможны; в СССР удалось достичь R_уд = 9000 м/с, в США – R_уд = 7500 м/с;

• используемые для нагрева рабочего тела комбинации на основе графитов или карбидов с делящимся веществом не обеспечивают длительной устойчивой работы без выноса делящегося вещества вследствие активного взаимодействия с водородом;

• как следствие, ЯРД в качестве маршевого двигателя космических аппаратов в ближайшие десятилетия найти применение не сможет.

Тому немало причин: и перенесение на дальнюю перспективу представлявшихся крайне актуальными в 1960–1970-е годы задач по пилотируемым полётам к планетам Солнечной системы, и существенный прогресс, достигнутый в те же годы в разработке высокоэффективных ЖРД, и трудности с обеспечением радиационной безопасности при отработке и эксплуатации космических ядерных установок.

В середине 1960-х годов началось освоение ещё одного важного направления ядерной космической техники – разработка ядерных энергетических установок (ЯЭУ) с машинным и безмашинным преобразованием ядерной энергии в электрическую [2, 3]. На рисунке 3 представлены ЯЭУ “Бук” с термоэлектрическим преобразованием и “Тополь” с термоэмиссионным преобразованием, а в таблице 1 – результаты использования преобразования ядерной энергии в электрическую в ходе полётов на космических аппаратах серии “Космос”. Выяснилось, что без обстоятельной наземной отработки, включающей в том числе контрольно-технологические испытания с реактором, выведенным на расчётную (или близкую к ней) мощность, надеяться на надёжную, безотказную работу системы весьма проблематично. Более того, необходимо предусмотреть специальные меры по обеспечению радиационной безопасности, иными словами, соблюсти следующие принципы:

• сохранение реактора ЯЭУ в подкритичном состоянии (то есть без протекания реакции деления) до выхода космического аппарата на орбиту, в том числе в аварийных ситуациях;

• включение реактора ЯЭУ только на рабочей орбите космического аппарата;

• обязательное выключение реактора после выполнения спутником заданной программы, а также при возникновении аварийной ситуации;

• изоляция ЯЭУ от населения земли в течение времени, необходимого для снижения радиоактивности выключенного реактора до безопасного уровня;

• при невозможности изоляции – диспергирование (дробление) ЯЭУ до уровней, обеспечивающих безопасность населения на территории выпадения фрагментов установки.

В дальнейшем эти принципы были одобрены Комитетом ООН по космосу и закреплены в ныне действующем документе “Принципы, касающиеся использования ядерных источников энергии в космическом пространстве” [5], принятом в 1992 г. Генеральной Ассамблеей ООН.

Сильнейший психологический удар, потрясший мир в результате ядерной катастрофы 1986 г. на Чернобыльской АЭС, фактически заморозил работы по ядерным ракетным двигателям. До 2010 г. в основном шли научные исследования в надежде сохранить базовые предпосылки для перехода к возобновлению опытно-конструкторской разработки конкретных объектов в период, когда это станет необходимым [6].

Ядерная “спячка” прекратилась в 2009 г., когда решением Комитета при Президенте Российской Федерации по модернизации и технологическому развитию экономики России был утверждён проект “Создание транспортно-энергетического модуля на основе ядерной энергодвигательной установки мегаваттного класса” от 28 октября 2009 г. Он ориентирован на решение проблемы создания качественно новых космических средств высокой энерговооружённости на основе предложений, внесённых ГНЦ “Центр Келдыша”.

Новые принципы использования ядерной энергии в космосе направлены на существенное повышение надёжности силовой ядерной установки и полное соответствие современным международным требованиям обеспечения ядерной безопасности. Они сводились главным образом к четырём положениям:

• уход от высоких температур (3000 К → 1500 К);

• замена H₂ на инертный газ;

• замена схемы двигателя на схему “бортовая электростанция + двигатель”;

• наличие электростанции даёт возможность использования электроплазменных двигателей с существенно более высокой удельной тягой, чем любой тепловой двигатель.

Принципиальная схема ядерной энергодвигательной установки представлена на рисунке 4. Рабочее тело (ксеноно-гелиевая смесь) нагревается в реакторе до температуры 1500 К и направляется на турбину, приводящую в действие электрогенератор для выработки электрической энергии и компрессор, обеспечивающий циркуляцию по замкнутому контуру. Для повышения КПД цикла используется рекуперация.

Сброс тепла осуществляется через холодильник-излучатель. Рассматриваются два его варианта: с твёрдыми поверхностями и бескаркасные (капельные). В первом варианте рабочее тело поступает в холодильник-излучатель непосредственно после теплообменника-рекуператора, во втором в холодильник-излучатель поступает высокотемпературная жидкость, нагретая в холодильнике-теплообменнике. Жидкость циркулирует по контуру теплообменник–холодильник–насос–холодильник–излучатель. Электрическая энергия обеспечивает работу электроплазменных двигателей, создающих тягу.

Реализация проекта потребовала освоения ключевых технологий, позволяющих собирать ЯЭУ по указанной на рисунке 5 схеме и создавать следующие составные части ядерной энергетической установки:

• высокотемпературный реактор;

• турбокомпрессор с температурой ~1500 К перед турбиной;

• высокооборотный генератор на бесконтактных опорах (магнитный или газодинамический подвес);

• компактные теплообменные аппараты;

• электроплазменные двигатели;

• развёртывание крупногабаритных конструкций в космосе;

• система сброса низкопотенциального тепла.

Разработка инновационных технологий по проекту транспортного энергетического модуля с космической ядерной энергодвигательной установкой выполнялась в 2010–2018 гг. благодаря кооперации ведущих предприятий “Роскосмоса”, “Росатома” с привлечением ряда специалистов РАН и вузов.

По всем указанным технологиям были получены результаты, давшие объективную картину возможного продвижения направления. При этом одни технологии были доведены до стадии готовности немедленного внедрения (электроплазменные двигатели), по другим чётко продемонстрирована возможность их реализации и пути дальнейшего развития (реактор, система преобразования тепла в электричество).

Особое место занимают результаты работ по системе сброса тепла, которая может реализовываться, как указывалось выше, в двух вариантах: в виде элементов твёрдых поверхностей излучателей с безусловным ограничением по мощности, прямым образом определяемым используемыми ракетами-носителями, и в варианте капельных холодильников-излучателей.

Принципиальная схема капельного холодильника-излучателя приведена на рисунке 6. В простейшем случае он состоит из генератора монодисперсного потока капель с модулятором акустических колебаний, гидросборника капель, насоса и теплообменника для нагрева от рабочего тела основного контура. На пути движения капель от генератора к заборнику происходит охлаждение жидкости. Холодная жидкость собирается в гидросборнике и направляется далее в рабочий контур. К преимуществам капельного холодильника-излучателя относятся неуязвимость к метеоритному пробою, минимальное тепловое сопротивление между теплоносителем и излучающей поверхностью, низкая удельная масса.

По капельным холодильникам-излучателям проведены фундаментальные теоретические и экспериментальные исследования, включая эксперименты на космических станциях “Мир” и МКС, для изучения возможности замыкания жидкого контура в условиях невесомости и глубокого вакуума.

В результате космических экспериментов подтверждены:

• работоспособность генераторов капель в условиях микрогравитации и вакуума;

• работоспособность активного заборника капель;

• замыкание контура циркуляции теплоносителя.

Предстоит финальный эксперимент с замыканием контура через открытое космическое пространство.

Учитывая жёсткие требования по надёжности ракетно-космической техники, использующей ядерные источники энергии, предпочтительный вариант сегодняшнего этапа развития работ – создание космического аппарата с упрощённой системой отвода тепла и применение отработанной ракеты-носителя. Был найден оригинальный вариант отвода тепла, позволяющий избежать развёртывания крупногабаритных конструкций в космосе и применения отработанной ракеты-носителя, что делает возможным проведение лётных испытаний в короткие сроки. Проектный облик такого аппарата показан на рисунке 7.

Предлагаемый космический аппарат с электрической мощностью до 200 кВт обеспечивает решение нескольких перспективных и практически важных задач, в частности:

• создание системы многопозиционной локации для контроля движения малоразмерных объектов на большой площади;

• проведение эффективных транспортных операций в ближнем и дальнем космосе, в том числе вывод тяжёлых полезных нагрузок на геостационарную орбиту с меньшими финансовыми затратами, чем использование ракеты-носителя сверхтяжёлого класса (рис. 8);

• создание принципиально нового класса космических аппаратов с изменяемыми траекториями, радиолокационными и оптическими портретами;

• транспортно-энергетическое сопровождение программ исследования Луны и планет Солнечной системы.

Применение существующей ракеты-носителя тяжёлого класса “Ангара-А5” с транспортно-энергетическим модулем электрической мощностью 200 кВт позволяет сократить более чем в 3 раза стартовую массу при увеличении массы космического аппарата и его полезной нагрузки на геостационарной орбите по сравнению с вариантом использования создаваемой ракеты-носителя сверхтяжёлого класса с кислородно-водородным разгонным блоком.