Общество

4 сентября 2019, 16:30

Создание "ядерного буксира" откроет России дорогу на Марс

Крайне амбициозная задача реализуется сегодня в России – создание уникальной ядерной энергодвигательной установки. Впервые во всех подробностях этот проект продемонстрировали на прошедшем авиакосмическом салоне МАКС. Сейчас идут испытания, и если идея будет реализована, это впервые в истории откроет России и планете Земля в целом дорогу в дальний космос.

На прошедшем в подмосковном Жуковском авиасалоне МАКС-2019 был представлен макет ядерной энергодвигательной установки мегаваттного класса. Вот уже доброе десятилетие он является одной из перспективных разработок в рамках российской космической программы. Пока что названый аппарат существует только в отдельных частях – так как общая задача создания мощного ядерного двигателя для космических полетов действительно является архисложной.

Впрочем, в любом случае успехи России в деле создания «ядерного космического буксира» выглядят значительными и инновационными. В перспективе они позволяют уйти от использования ракет на химическом топливе при выводе спутников на высокие орбиты, а также при полетах к Луне и другим планетам и спутникам в Солнечной системе.

Что такое 1 мегаватт в космосе?

Для всех нас 1 МВт (мегаватт) – это весьма абстрактная мощность. Для понимания: 1 МВт потребляет большой многоквартирный дом на 1000 квартир, если все жильцы в нем включат по максимуму осветительные приборы, телевизоры и, например, микроволновки. Мощность около 0,5 МВт имеет двигатель самого мощного серийного грузовика Volvo FH16, таким образом, два таких грузовика на шоссе – это тот же самый мегаватт мощности, который тянет с крейсерской скоростью под 100 км/час около 50 тонн груза.

Поэтому рассказ о ядерном буксире, пожалуй, стоит начать с того, зачем вообще нужна в космосе ядерная двигательная установка – и, условно, сколько тонн груза и с какой скоростью может «потянуть» 1 МВт ее мощности. Ведь в космосе, если уж на то пошло, нет многополосных шоссе, и посчитать ядерный буксир непосредственно «в грузовиках Volvo» у нас не получится.

Например, возьмем столь часто обсуждаемый сейчас пилотируемый полет на Марс.

Если идти путем Илона Маска и не сильно вкладываться в технологии, то расчеты показывают, что на миссию к Красной планете при использовании ракет на химическом топливе надо с орбиты Земли отправить пусковую сборку с начальной массой не менее 3000 тонн.

Большую часть этого космического корабля займет реактивное топливо – горючее и окислитель, например жидкий кислород и водород. Тогда в миссию к Марсу можно отправить корабль с полезной массой около 100 тонн. Причем лететь эта миссия к Марсу будет по «классической» схеме, используя так называемую гомановскую эллиптическую траекторию, по которой путь к нашему соседу по Солнечной системе занимает около 230 суток.

В 1960-х годах в США просчитывали проект пилотируемой миссии к Марсу, при которой на орбите Земли собирали 1200-тонный пусковой корабль, который приводился в движение с помощью нагретого в ядерном реакторе водорода. В рамках подготовки американской марсианской миссии по проекту NERVA на земле была испытана целая серия ядерных реакторов, которые позволили достичь удельного импульса в пределе 850–950 секунд, против 450 секунд для лучших кислород-водородных химических жидкостных ракетных двигателей (ЖРД). Именно такое увеличение удельного импульса позволило почти втрое снизить стартовую массу корабля – ведь чем быстрее двигатель выбрасывает реактивную массу, тем эффективнее идет разгон и торможение.

Мощность реактора NERVA должна была быть просто громадной – более 4000 МВт в тепловом эквиваленте. В «грузовиках Volvo» это целых восемь тысяч штук. Это позволило бы выбросить в реактивную струю весь имеющийся на борту водород в очень коротких импульсах разгона и торможения. Водород бы одновременно выступал и охладителем реактора, унося с собой избыточное тепло – но, тем не менее, активная зона реактора кратковременно нагревалась бы почти до 3000°С.

Впоследствии от идеи «ядерного ЖРД» все-таки отказались. Все дело в том, что он использует нагреваемый водород крайне неэффективно. Скорость истечения реактивной струи, которая, собственно говоря, единственно и важна для разгона или торможения космического корабля, в нем составляет всего 9–10 км/c, лишь вдвое выше, чем у лучших ЖРД.

Однако уже в 1980-х годах и в СССР, и в США появились первые работающие прототипы ионных и плазменных двигателей. Ионные двигатели имеют скорость истечения рабочего тела в пределе 20–50 км/c, а их плазменные «коллеги» (например, разрабатываемый сейчас в США двигатель VASIMR) обеспечивают скорость истечения рабочего тела в диапазоне от 30 до 300 км/c. В таком случае оказывается, что при полете к Марсу можно обойтись гораздо более скромными реакторами. Например, поставив на 100-тонный космический корабль реактор с полезной мощностью в 2 МВт и снабдив его всего лишь 50 тоннами реактивного топлива, мы будем лететь на Марс 250 дней, а если сможем поставить на 100-тонный корабль реактор с полезной мощностью в 50 МВт, то на том же топливе

полет на Марс сократится лишь до 40 дней. Это произойдет за счет спрямления начальной гомановской эллиптической траектории до практически прямого пути от планеты к планете.

Видимо, именно это и имел в виду тогдашний глава Росатома Сергей Кириенко, когда еще в 2016 году рассказывал о разработке Россией ядерной энергодвигательной установки.

«Сегодняшние космические установки позволяют долететь до Марса за полтора года без возможности вернуться обратно и без возможности маневрирования – они один раз разгоняются и далее идут по траектории», – цитировало РИА «Новости» слова Кириенко, сказанные им во время выступления в Совете Федерации. «Установка с ядерным двигателем позволит долететь до Марса за месяц-полтора и вернуться обратно, поскольку сохраняет возможность маневрирования», – отмечал тогдашний глава Росатома.

Вот такая интересная картинка: важно иметь не просто мощный реактор, но и эффективный ракетный двигатель, работающий от его энергии. Ведь получается, что при использовании ионных двигателей нам надо всего с десяток Volvo – вместо нескольких тысяч, которым была бы эквивалентна NERVA или ЖРД, на котором к Марсу хочет улететь Илон Маск.

Согласитесь – разница просто удивительная! Или почти 3000 тонн кислородно-водородной смеси, или 1000 тонн водорода и мощный ядерный реактор, или же высокоэффективные «космические» движки – и реактор мощностью в 2 МВт, снабженный всего лишь 50 тоннами рабочего тела!

Как сделать «ядерный буксир»?

Мощность в 1МВт – это уже мощность «настоящего» ядерного реактора. Такую мощность, к сожалению, нельзя обеспечить радиоизотопным источником энергии (РИТЭГ), на котором, например, работает американский марсоход «Кьюриосити» (Curiosity). В РИТЭГ «Кьюриосити» на Земле поместили 4,8 кг высокоактивного изотопа плутония-238, который выделяет около 2 кВт тепловой мощности, из которой с помощью термоэлектрического преобразования получают 125 Ватт электрической мощности. Такая низкая эффективность РИТЭГа (КПД чуть более 6%), тем не менее, является одной из лучших для термоэлектрического преобразования – распадающийся плутоний-238 в нем нагрет практически до «вишневого» цвета, в силу чего РИТЭГ на «Кьюриосити» разместили вне корпуса аппарата, а излишнее тепло с него сбрасывается через систему разветвленных радиаторов.

Впрочем,

в космос уже запускали и настоящие реакторы, в которых происходит деление ядер урана. Вершиной советского космического реакторостроения и самой мощной ядерной энергетической установкой, запущенной в космос, стал реактор «Топаз-1» (называемый еще ТЭУ-5 «Тополь»).

Он был испытан в конце 1980-х годов на спутниках «Космос-1818» и «Космос-1867» и имел электрическую мощность от 5 до 6,6 кВт при тепловой мощности в 150 кВт. Топливом в реакторе «Топаз-1» стал диоксид урана с 90-процентным обогащением по изотопу уран-235.

Нетрудно посчитать, что в «Топазе-1» КПД преобразования тепловой энергии в электрическую составил всего около 4,4% – оставшиеся 95% тепла просто приходилось сбрасывать в космос. Из-за этого советские спутники с ядерными реакторами на борту оказались очень «горячими» – их собственная температура составляла более 600°С. При такой температуре практически все металлы светятся коричнево-красным цветом.

Собственно говоря, именно это стало основным ограничителем на пути дальнейшего увеличения мощности ядерных энергетических установок на орбите. Уже для производства хотя бы 1 МВт электрической мощности пришлось бы каким-то образом рассеивать в космос целых 20 МВт тепловой энергии. Если делать это через корпус аппарата, он бы неизбежно нагрелся даже выше точки плавления конструкционных металлов, а в случае сброса такого количества энергии через радиаторы они бы приобрели поистине исполинские размеры.

Так что же делают в российских институтах?

Ядерная энергодвигательная установка мегаваттного класса (ЯЭДУ), также известная как ТЭМ (транспортно-энергетический модуль) – это совместный проект ряда предприятий, входящих в состав Роскосмоса и Росатома, который с переменным успехом развивается вот уже доброе десятилетие.

Головным исполнителем по ЯЭДУ является Исследовательский центр имени М. В. Келдыша, а изготовителем реактора выступает Научно-исследовательский и конструкторский институт энерготехники имени Н. А. Доллежаля (НИКИКЭТ). Главной особенностью предложенного проекта реактора является использование специального теплоносителя – гелий-ксеноновой смеси, которая работает в первом контуре высокотемпературного газоохлаждаемого реактора на быстрых нейтронах.

Масштабность поставленной задачи удивительна хотя бы тем, что даже в земных условиях такая модель реактора является однозначной экзотикой. До сих пор в мире испытывались лишь опытные образцы высокотемпературных газоохлаждаемых реакторов, а реакторов на быстрых нейтронах среди них не было вовсе. На сегодняшний день единственным активно развивающимся проектом газоохлаждаемого реактора на быстрых нейтронах является российско-американский проект модульного гелиевого реактора (ГТ-МГР). Проект финансируется на паритетных началах Росатомом и Департаментом энергетики и NNSA со стороны США и входит в совместную программу по утилизации оружейного плутония. По объективным причинам заморозки реализации основного «плутониевого» соглашения проект ГТ-МГР тоже пока что не пришел к стадии натурных испытаний.

Достаточно амбициозными выглядят и задачи обеспечения долговечности ЯЭДУ – согласно техническому заданию, реактор должен отработать на орбите не менее 100 тыс. часов (более 11 лет). Для сравнения, «Топазы» при гораздо более простой конструкции имели ресурс до 330 суток, то есть менее года.

Ну и наконец, очень сложным выглядит вопрос охлаждения космического реактора. До сих пор во всех материалах присутствует две схемы охлаждения аппарата – или с помощью пассивных радиаторов, или же с помощью капельной системы. Сложность в том, что

такая система также будет уникальной – ей предстоит рассеивать около 3 МВт тепловой энергии, в то время как самые мощные радиаторы, эксплуатирующиеся сейчас на МКС, позволяют станции скидывать в окружающее пространство около 70 кВт тепловой мощности с возможностью кратковременного увеличения теплового сброса еще на 14 кВт.

На этом фоне оптимистично выглядят испытания двигательной установки ЯЭДУ. Еще в 2016 году Роскосмос сообщил, что в Воронеже на испытательном комплексе конструкторского бюро химавтоматики успешно прошла серия первых огневых испытаний нового ионного электроракетного двигателя, который будет установлен на ТЭМ. По сообщениям Исследовательского центра имени М. В. Келдыша, в октябре 2018 года была испытана на земле и еще одна важная часть – капельная установка системы охлаждения. А в январе 2019 года конструкторское бюро «Салют» испытало созданный им турбомашинный электрогенератор – систему, которая должна преобразовывать тепловую энергию реактора в электроэнергию для ионных двигателей. Впрочем, есть и не столь оптимистичные новости – в июне 2019 года российские СМИ сообщили, что технический комплекс для подготовки летно-конструкторских испытаний ЯЭДУ планируется построить на космодроме Восточный не ранее 2030 года.

Судя по всему, пока что окончательного технического решения и тем более испытаний «в сборе» хотя бы на земле ЯЭДУ не проходила. Однако даже на фоне таких негативных прогнозов позиции России в деле создания первого ядерного буксира выглядят лидирующими. У остальных участников космической гонки ставка до сих пор стоит исключительно на создании ракет на химическом топливе, которые будут малопригодны даже для полноценного возвращения к лунной программе, не говоря уже об освоении дальнего космоса. 

Текст: Алексей Анпилогов

Вам может быть интересно

Исполнителей теракта в «Крокусе» приговорили к пожизненным срокам
Темы дня

Почему экстренные меры в борьбе с ценами на нефть могут не сработать

США и Международное энергетическое агентство готовятся к серьезному энергетическому кризису. В противном случае они не обсуждали бы план распечатать стратегические запасы нефти. Это экстренная мера, которая за всю историю проводилась лишь четыре раза. И это, по сути, единственное, что могут сделать западные страны в экономическом плане. Что из этого выйдет?

Минная блокада Ормуза грозит затяжным мировым кризисом

Если верить звучащим из Вашингтона заявлениям, Иран приступил к исполнению своей самой серьезной угрозы – минированию Ормузского пролива. Как он намерен ее исполнить, почему США почти бессильны в подобном случае – и какие последствия такой шаг будет иметь не только для самого Ирана и Ближнего Востока, но и для всего мира?

Кадыров осудил ответные удары Ирана

Генпрокуратура потребовала изъять имущество Александра Галицкого

Долина заявила о новом взгляде на жизнь

Новости

Вице-премьер Испании обвинила ЕС в слабости перед Трампом

Вице-премьер Испании Йоланда Диас раскритиковала руководство Евросоюза за недостаточно жёсткую позицию в ответ на военные действия США и Израиля против Ирана, подчеркнув, что подобная слабость может усилить евроскептицизм и рост правых движений, сообщает Politico.

Крупнейшие экономики мира договорись достать из резервов 400 млн баррелей нефти

Впервые в истории страны из числа крупнейших экономик мира договорились разблокировать 400 млн баррелей нефти, чтобы сдержать рост цен из-за войны в Иране.

TWZ: Спутниковые снимки раскрыли уничтожение иранских истребителей F-14

Снимки из космоса говорят в пользу того, что иранские вооруженные силы потеряли редкие боевые машины F-14 Tomcat, а также десяток других самолетов, сообщают американские СМИ.

Иран сообщил об ударе двумя ракетами Tomahawk по школе в Минабе

В иранском городе Минаб школа для девочек была поражена двумя ракетами Tomahawk, в результате чего погибли около 170 человек, многие из них дети, сообщили в МИД Ирана.

Украина отвергла даты визита инспекторов Венгрии на «Дружбу»

МИД Украины 10 марта направлял ноту в посольство Венгрии, в которой сообщил, что предложенные Будапештом даты визита делегации для инспекции приостановленного нефтепровода «Дружба» являются «неприемлемыми».

Вынесен приговор 19 фигурантам дела о теракте в «Крокусе»

Фигуранты дела о теракте в «Крокус сити холл» осуждены на сроки от 19 лет 11 месяцев до пожизненного, причем 15 из них получили максимальное наказание.

Стало известно об авиаударе США по ядерному объекту Талеган-2 в Иране

На территории объекта Талеган-2, связанного с ядерной программой Ирана, после авиаудара зафиксированы три мощных и точных воронки, что указывает на применение особо тяжелых бункерных бомб, пишет портал TMZ.

В Финляндии призвали немедленно восстановить отношения с Россией

Финляндия оказалась на грани серьезного экономического кризиса из-за закрытия Ормузского пролива, и восстановление отношений с Россией рассматривается как единственный выход, считает профессор Хельсинкского университета Туомас Малинен.

Собянин пообещал завершить весеннюю уборку Москвы к 1 мая

Масштабная весенняя уборка охватит столичные дворы, фасады зданий, детские и спортивные площадки и завершится к 1 мая при благоприятных погодных условиях, заявил мэр Москвы Сергей Собянин.

Politico: Истерика Зеленского отпугивает ключевых партнеров Киева

Глава киевского режима Владимир Зеленский перешел к открытой критике западных партнеров из-за неудач на фронте и задержек финансирования, это может стоить ему прекращения поддержки, пишут американские СМИ.

Алиев сообщил о планах расширить экспорт энергии в Европу

Азербайджан планирует существенно расширить экспорт электроэнергии в Европу, сообщил президент страны Ильхам Алиев.

Пентагон оценил расходы на первую неделю конфликта с Ираном

Первые шесть дней военной операции против Ирана обошлись бюджету США более чем в 11,3 млрд долларов, причем эта сумма еще не окончательная, сообщает The New York Times.
Мнения

Борис Джерелиевский: Наемники из ВСУ представляют опасность для всех

С наемниками иностранного легиона ВСУ проблемы стали возникать с самого начала – по причине низкой дисциплины и склонности к криминалу. Многие из них занялись контрабандой оружия и наркоторговлей, случались и внутренние разборки с убийствами.

Геворг Мирзаян: Как усадить Европу за стол переговоров

Европа в урегулировании украинского конфликта все же нужна. По той простой причине, что без нее полноценное мирное соглашение, которое устранит все первопричины конфликта, невозможно. Вопрос в том, кто именно в Европе может взять на себя эту роль.

Сергей Миркин: СВО устраняет ошибки Горбачева

Одна из главных целей СВО – недопущение натовских контингентов на Украине и размещения ракет с ядерными боеголовками под Харьковом или Одессой. А ведь этой проблемы могло и не быть, если бы в 1990 году Горбачев повел себя по-другому.
Вопрос дня

Почему замедляют Telegram в России?