Ядерные технологии в космосе. Межпланетные перелёты и ракеты на буксире

Атомные ракеты

Идея использовать ядерную энергию для межпланетных перелётов принадлежит основоположникам теоретической космонавтики. Поводом для обсуждения стало открытие радиации. Благодаря этому явлению в 1898 году супруги-физики Пьер и Мария Кюри выявили два новых химических элемента — полоний и радий. Через пять лет Константин Циолковский, оценивая перспективы применения различных видов топлива для космических ракет, предположил в своей фундаментальной статье «Исследование мировых пространств реактивными приборами», что «новооткрытые элементы» способны выделять больше энергии, чем любые горючие смеси.В 1905 году Альберт Эйнштейн опубликовал знаменитую формулу, выражающую эквивалентность массы и энергии. Основываясь на ней, Циолковский смог более уверенно заявить, что для выхода космического корабля за пределы Солнечной системы потребуется всего «щепотка радия». При этом учёный описывал систему, позднее названную атомной псевдоракетой, которая разгоняется непосредственно продуктами ядерного распада. Смущала Циолковского и других теоретиков только высокая стоимость радия — в то время один грамм по цене соответствовал 160 килограммам золота. Они ещё не понимали, что построить «псевдоракету» малореально: частицы радиоактивного вещества при движении создают температуру в миллионы градусов, из-за чего любая стенка двигателя мгновенно прогорит.

Тем не менее идея обрела поклонников среди фантастов, которые искали новые способы отправлять персонажей к другим планетам. Вероятно, первым атомную «псевдоракету» в литературе описал Александр Богданов (Малиновский), видный коммунист-революционер. В романе-утопии «Красная звезда» (1908) фигурирует этеронеф — антигравитационный аппарат, с помощью которого высокоразвитые марсиане путешествуют по Солнечной системе. До скорости 50 километров в секунду его разгоняют с помощью излучения одного из «радиирующих веществ», при этом его распад ускорен «электрохимическими приёмами». Постепенно теоретики космонавтики поняли, что овладеть атомной энергией будет не так просто, как предполагают фантасты. В апреле 1923 года видный итальянский аэродинамик Гаэтано Артуро Крокко выступил с докладом «Замечания о технике воздухоплавания». В нем он сравнивал варианты двигательных систем, применимых в том числе для космических перелётов. Учёный полагал, что межпланетные или высокоскоростные околоземные путешествия невозможны без использования атомного распада. Однако, указывал он, «прямой» способ разгона — за счёт реакции элементарных частиц — достижим только при условии, что получится создавать на летательном аппарате мощнейшие электромагнитные поля, а технически это очень сложно. Куда рациональнее прибегнуть к «непрямому» способу — превращать атомную энергию в тепловую, чтобы нагревать инертное вещество (рабочее тело), направляемое в сопло.В дальнейшем оба способа, предложенные Крокко, нашли применение в разнообразных проектах. На Первой мировой выставке межпланетных аппаратов и механизмов, которая проходила в Москве с апреля по июнь 1927 года, были представлены «Мировой корабль» Франца Улинского и «Атомо-ракетный корабль» Александра Фёдорова, где использовались «прямой» и «непрямой» способы соответственно.

Перспектива перейти от теории к практике замаячила в годы Второй мировой войны. Немецкий конструктор Вернер фон Браун, создававший баллистические ракеты А-4 («Фау-2»), узнал о существовании «урановой машины», которую разрабатывал физик Вернер Гейзенберг. Она предназначалась для обеспечения энергией подводных лодок, но теоретически её можно было использовать как реактор в составе ядерной ступени ракеты. «Машина» расщепляла бы воду на водород и кислород, после чего они поступали бы в камеру сгорания. Другой вариант — разогревать водород до высоких температур, выбрасывая его без сжигания. В 1944 году фон Браун несколько раз консультировался с Гейзенбергом, однако стало ясно, что проблема создания компактного реактора далека от разрешения.После войны, когда наиболее опытные немецкие ракетчики были перевезены в США, идея вновь стала востребованной, благо американская атомная промышленность находилась на подъёме. Вернер фон Браун начал активно популяризировать «Марс-проект», предусматривавший отправку к соседней планете шести огромных кораблей с ядерными двигателями. Некоторые его положения использовались позднее — при конструировании сверхтяжёлой ракеты-носителя Nova, которая предназначалась для доставки космического корабля на Луну. Среди прочих рассматривался вариант установить на верхнюю ступень водородный двигатель с реактором. В 1964 году проект Nova был заморожен, чтобы освободить дорогу разработке ракеты Saturn V.Однако исследования в этой области продолжились в рамках программы NERVA (Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application). Предполагалось, что двигатели будут работать на жидком водороде, который подаётся непосредственно в реактор с высокообогащенным ураном. Их планировали устанавливать на разгонные блоки межпланетных кораблей при реализации экспедиции на Марс. Специалисты построили прототипы и даже испытали их, но в январе 1973 года программу закрыли из-за изменения космической стратегии США — основная ставка была сделана на крылатые корабли Space Shuttle.

В Советском Союзе практические работы над ядерными космическими двигателями начались примерно в то же время, что и в США, — во второй половине 1950-х. Общую координацию осуществляли академики Мстислав Келдыш, Игорь Курчатов, Сергей Королёв и Валентин Глушко.По первоначальному проекту, утверждённому в декабре 1959 года, первая ступень создаваемого носителя состояла из шести блоков межконтинентальной ракеты Р-7, а вторая представляла собой реактор, разогревающий аммиак (или смесь аммиака со спиртом) и направляющий его в четыре сопла. Согласно расчётам, такой носитель мог вывести в космос 150 тонн полезного груза — целый межпланетный корабль! Поскольку ракетные блоки были уже в серийном производстве, дело оставалось за «малым» — построить реактор. Однако на это потребовалось время, и в итоге конструкторы остановились на так называемом твердофазном варианте. Жидкий водород поступал в сопловую часть двигателя, охлаждал корпус реактора и урановые тепловыделяющие сборки, а потом разворачивался и попадал внутрь сборок. Там он нагревался до 3000 К, после чего выбрасывался в сопло.Разработкой реактора ИР-20-100 для ядерной двигательной установки РД-0410 занимался Научно-исследовательский институт № 1 (НИИ-1), позднее преобразованный в Исследовательский центр имени М. В. Келдыша. Для изготовления и испытаний прототипа в период с 1966 по 1971 год была создана производственная база, а ещё через несколько лет — введён в действие стендовый комплекс «Байкал-1». На Семипалатинском полигоне построили две специальные шахты. Одна из них соединялась с подземным резервуаром сжатого газообразного водорода. При испытаниях реактор опускали в шахту с помощью козлового крана, установленного на поверхности. После запуска водород поступал снизу в реактор, раскалялся в нём и огненной струей вырывался наружу. Несмотря на незначительную радиоактивность истекающих газов, в течение суток было запрещено находиться в радиусе полутора километра от места испытаний, а к самой шахте не разрешалось подходить ещё месяц. Результаты экспериментов, проведённых с реактором в период с 1978 по 1981 год, подтвердили его работоспособность. Советский ядерный двигатель для космоса появился, но оказался в то время невостребованным. Межпланетные экспедиции отменили, а использовать РД-0410 на околоземных орбитах было и накладно, и опасно.

Однако приобретённый опыт побуждал инженеров искать новые пути для воплощения своих идей. Если ядерный двигатель не нужен, то почему бы не сделать на основе его прототипа мощную энергетическую установку, которая обеспечит работу двигателя и многочисленных систем корабля? В 1987 году ракетно-космическая корпорация «Энергия» выдвинула проект тяжёлого межпланетного корабля (ТМК), оснащённого двумя независимыми установками, каждая из которых представляла собой связку электроракетных двигателей, работающих на ксеноне, с собственным ядерным источником энергии мощностью по 7,5 МВт. Если верить расчётам, пилотируемая экспедиция к Марсу и обратно на таком корабле заняла бы 716 дней.Технически проект был вполне осуществим, поскольку в то время СССР располагал сверхтяжёлой ракетой «Энергия», которая могла бы выводить элементы корабля на околоземную орбиту. Однако после аварии на Чернобыльской атомной электростанции в мире развилась массовая радиофобия, и конструкторам пришлось отказаться от реакторов, заменив их массивными солнечными батареями. Позднее, когда Советский Союз прекратил своё существование, а отечественная ракетно-космическая отрасль оказалась в затяжном кризисе, проект ТМК был отложен и забыт. Казалось, идея применения ядерных устройств в космонавтике похоронена навсегда.

Космический буксир

В ноябре 2005 года «Роскосмос» предложил крупнейшим научным организациям страны создать перспективную транспортную систему для обслуживания Международной космической станции. Со временем система должна была заменить пилотируемые корабли «Союз» и беспилотные грузовики «Прогресс», которые, несмотря на высокую надёжность, устарели с технической точки зрения.

РКК «Энергия» представила на конкурс проект многоразового крылатого корабля «Клипер», который мог бы доставлять на МКС экипаж из шести человек. Как дополнительное средство специалисты предложили использовать межорбитальный буксир «Паром», сконструированный на основе «Прогресса». Он бы подхватывал с низкой орбиты грузовые контейнеры или корабль и в течение суток доставлял бы их к станции. «Паром» можно было бы дозаправлять топливом, увеличивая ресурс эксплуатации.Схема выведения буксиром кажется более сложной, чем прямой полёт «Союза» или «Прогресса», однако не нужно забывать, что по традиционной схеме каждый корабль снабжается собственной одноразовой двигательной установкой и оборудованием, обеспечивающим её работу, а они достаточно массивны и отнимают часть грузоподъёмности ракеты. Если их убрать, можно будет выводить корабли и контейнеры менее мощными ракетами или добавлять полезный груз на обычную ракету. То есть вся система транспортировки получится более эффективной и, следовательно, экономически выгодной. Согласно плану, первый «Паром» должен был отправиться на орбиту в 2009 году. Однако предложение отклонили, и оригинальный проект остался на бумаге.Но потом замысел предстал в новом свете. В космосе достаточно задач, которые способен решать буксир, и помимо снабжения МКС. Например, большой коммерческий потенциал есть у работы с геостационарными орбитами на высоте 35−37 тысяч километров, где размещаются коммуникационные спутники. Доставка туда аппаратов по сложности мало уступает межпланетным перелётам, причём там они остаются навечно, превращаясь в мусор после завершения срока эксплуатации. Буксир мог бы поднимать на орбиту новые спутники и убирать оттуда старые.

«Паром» для этой цели не подходил из-за малой мощности, и специалисты РКК «Энергия» взялись за разработку ядерной электроракетной двигательной установки (ЯЭДУ) на основе советского проекта ТМК. В результате была предложена транспортная система, состоящая из трёх буксиров:

• тральщика — он постоянно находится на геостационарной орбите и собирает «мусорные» аппараты;
• транспорта дальнего действия — перемещается между геостационаром и орбитой высотой 800 километров;
• транспорта ближнего действия — поднимает новые спутники с низкой опорной орбиты до высоты 800 километров.

Всё это — модификации одной конструкции, приспособленные к специфике тех районов космоса, в которых им предстоит работать. Нельзя забывать, что на высотах от 500 до 40 000 километров простираются радиационные пояса, плохо влияющие на электронику.Буксиры решили снабдить одинаковыми ЯЭДУ с реактором мощностью 150 кВт и термоэмиссионным преобразователем тепла; в качестве рабочего вещества выбрали ксенон. Предполагалось, что каждый буксир можно будет использовать в течение 5−7 лет. В ходе дальнейшей модернизации инженеры предлагали построить установки с мощностью ректора от 0,6 до 2,1 МВт (в зависимости от задач) для доставки полезных грузов к Луне, Марсу и поясу астероидов. Каждый буксир мог бы совершать до шести рейсов к цели и обратно.

Полноразмерная модель корабля «Клипер» в музее РКК «Энергия» / [CC BY-SA 3.0] / rusRaydenВ 2010 году Дмитрий Медведев, занимавший президентское кресло, поддержал концепцию и подписал распоряжение о начале проектирования транспортно-энергетического модуля (ТЭМ) с ЯЭДУ мегаваттного класса. Главным разработчиком был назначен Исследовательский центр имени М. В. Келдыша.Космические реакторы энергетического назначения мощностью порядка 1 МВт никто до тех пор не строил, и конструкторам пришлось пойти на ряд технических ухищрений. Самым революционным стало применение турбины для преобразования тепла в электричество, как на земных АЭС. Реактор будет работать при очень высоких температурах — как сбросить избыточное тепло? В пустоте нет конвекции, и избавиться от него можно только путём излучения. Самый проверенный способ — создать панели с хладагентом, который будет отбирать тепло от нагреваемых элементов и передавать его излучающей оболочке. Однако чем выше мощность, тем большего размера должны быть панели. Как альтернативу предложили компактный капельный холодильник-излучатель, где нагретый теплоноситель пропускается через открытый космос. Такую систему собираются внедрить после того, как прототип ЯЭДУ пройдёт испытания на орбите.Установка вырабатывает только электричество. Оно, в свою очередь, используется в ионном двигателе ИД-ВМ, где ксенон, разогретый до плазмы, ускоряется и создает тягу. Специалисты изготовили опытный образец двигателя ИД-500, и он прошёл стендовые испытания, продолжавшиеся 300 часов.Эскизное проектирование было завершено в 2013 году, но новации требовали большой исследовательской работы, которая заняла много времени. Постоянные срывы сроков вызвали недовольство правительства, и через пять лет «Роскосмос» передал проект на изучение сотрудникам Конструкторского бюро «Арсенал» имени М. В. Фрунзе, специализирующегося на военных разработках. После этого подробная информация о принятых технических решениях была засекречена.

Затем проект буксира под названием «Нуклон» был глубоко переработан: например, было решено всё-таки вернуться к термоэмиссионному преобразованию тепла. Определён и срок первого полёта прототипа на орбиту — в 2030 году его запустят ракетой «Ангара-А5» с космодрома Восточный. Общая стоимость реализации проекта оценивается в 13,2 миллиарда рублей.Из-за появления модуля с реактором большой мощности облик современной космонавтики изменится. Например, подсчитано, что космический корабль с ТЭМ способен добраться до Марса за сорок-пятьдесят дней вместо двухсот при движении по оптимальной инерционной траектории. Модуль можно использовать не только в межпланетных и межорбитальных полётах, но и в качестве электростанции для космического отеля. Также рассматривается возможность ввести ЯЭДУ в конструкцию пилотируемого корабля-ракетоплана.Конечно, применение «Нуклона» ограничено требованиями радиационной безопасности. Поэтому, в частности, во время испытания прототипа его выведут на орбиту высотой более 1000 километров, чтобы в случае аварии обломки не упали на Землю. Для эксплуатации стандартного модуля придумана специальная схема утилизации: после выработки ресурса его направят в дальний космос.