Наиболее интригующая тема в мировой космонавтике — создание космического аппарата с ядерной энергодвигательной установкой.
Компактная, надежная и долговечная, она способна совершить переворот в освоении космического пространства и сделать реальными относительно быстрые полеты к дальним планетам.
Россия является единственной страной в мире, имеющей опыт создания и успешной штатно-целевой эксплуатации в космосе реакторных ядерных энергоустановок. Эти наработки получены в ходе программы запуска спутников УС-А и экспериментальных научно-технологических аппаратов «Плазма-А» в 1960–1980-е годы.
Накопленный за десятилетия уровень критических технологий позволил перейти на новый уровень задач. Старт работам по созданию транспортно-энергетического модуля (ТЭМ) на базе ядерной энергодвигательной установки мегаваттного класса был дан в 2009 г. Прорывные изыскания стали одной из самых значимых инициатив Роскосмоса и Росатома.
В целом облик создаваемого аппарата определился в рамках эскизного проекта к 2012 г. С учетом имеющихся технологий и финансирования к октябрю 2018 г. успешно завершились испытания наземного прототипа установки с использованием тепловых имитаторов ядерного реактора. По ракетно-космической части была разработана конструкторская документация, автономно и в рамках кооперации испытан ряд составных частей прототипа, в том числе система преобразования энергии, турбогенераторы, теплообменные аппараты, средства сброса низкопотенциального тепла в космос и электроракетные двигатели.
Безальтернативный вариант
«Решения, которые мы закладываем, позволят доставить десятки тонн полезной нагрузки, например, к спутникам Юпитера. Вы сейчас никакими другими способами такую массу полезной нагрузки доставить не сможете. Там речь идет не о массе всего аппарата, а о массе полезной нагрузки, которая представляет собой научное оборудование, специальное зондирующее радиолокационное оборудование», — объяснил исполнительный директор по перспективным программам и науке Госкорпорации «Роскосмос» Александр Блошенко на Всероссийском форуме космонавтики и авиации «КосмоСтарт-2021».
Действительно, фокус мировой космонавтики в последнее время все активнее смещается в сторону изучения небесных тел, находящихся на значительном удалении от Земли. Мотивов для таких исследований достаточно: это и поиск следов жизни, и проработка вопросов добычи ресурсов, и попытка на примерах других планет узнать, что нас, землян, ждет в будущем.
«Золотым ключиком» для дальних путешествий как раз может стать ядерная энергетика: она позволяет получить максимальное количество энергии из минимального объема топлива. Использование систем, состоящих из ядерного источника энергии и электроракетных двигателей, открывает принципиально новые возможности для межорбитальных и межпланетных перелетов.
Речь не идет о вытеснении традиционных источников электроэнергии — химических и солнечных. Но начиная с уровня вырабатываемой мощности 500 кВт и более ядерные энергоустановки получают значительный выигрыш в массе, габаритах и возможностях. Становится возможным применение электроракетных двигателей в качестве маршевых. А для миссий за пределы орбиты Юпитера атомная энергетика и электроракетные двигатели просто безальтернативны. Время перелета будет в несколько раз меньше, чем при использовании разгонных блоков с химическими двигателями и ракет-носителей сверхтяжелого класса.
К тому же суть вопроса не только в том, чтобы долететь. Необходимо обеспечить работу научной аппаратуры и энергетику для передачи данных на Землю. Только в этом случае миссия будет иметь смысл!
Здесь надо понимать, что «аппетиты» запускаемых аппаратов в электрической мощности возрастают примерно вдвое каждые пять лет. В абсолютных цифрах потребности уже сегодня выражаются десятками киловатт. В этой «гонке» солнечные батареи выглядят аутсайдерами — ведь их площадь не может расти бесконечно.
Космическая система, построенная на ядерных технологиях, позволит многократно увеличить электрическую мощность по сравнению с конструкциями, использующими энергию солнца. Такие модули могут применяться для транспортировки тяжелых спутников с низкой околоземной орбиты на геостационарную, снабжения грузами лунных орбитальных станций, доставки оборудования для пилотируемых экспедиций на Марс, обеспечения перелетов сложных многофункциональных автоматических зондов с посещением нескольких планет одновременно.
От киловатт до мегаватт
В конце декабря 2020 г. глава Роскосмоса Дмитрий Рогозин сообщил, что транспортно-энергетический модуль будет называться «Зевс».
Основные элементы орбитальной ядерной установки:
развертываемая конструкция — силовые элементы, или, проще говоря, рама, позволяющая удалить ядерный реактор от полезной нагрузки на максимальное расстояние, измеряемое десятками метров;
газоохлаждаемый высокотемпературный компактный реактор;
система преобразования тепловой энергии в электрическую;
радиаторы-излучатели для сброса избыточного тепла в космос;
маршевая двигательная установка на основе блока электроракетных двигателей. В качестве основных рассматриваются ионные двигатели мощностью до нескольких десятков киловатт и с удельным импульсом свыше 7000 секунд.
При электрической мощности на борту аппарата в 1 МВт электроракетная двигательная установка обеспечит тягу до 20 Н. Этого вполне достаточно для эффективного ускорения в космосе многотонных объектов.
В зависимости от космической миссии полезная нагрузка может быть различной. Масса и габариты базовых элементов должны обеспечивать их размещение в космических головных частях российских ракет-носителей класса «Ангара-А5» и выше.
В широком диапазоне
Интересно, что концепция транспортной системы за годы проектирования не изменилась, но результаты позволили cделать вывод о целесообразности создания ядерных энергодвигательных систем различного уровня мощности.
Например, если нужно осуществлять какие-то межпланетные транспортировки тяжелых грузов, что требует большой энергетики, система будет иметь мощность в мегаватт и выше. Если миссия менее энергоемкая, то подойдет аппарат, вырабатывающий несколько сот киловатт.
Достигнутые материаловедческие и технологические решения помогут создавать энергодвигательные системы широкого диапазона мощности и сложности. В частности, 25 января 2022 г. генеральный конструктор РКК «Энергия» Владимир Соловьёв сообщил, что в России ведется разработка космического ядерного буксира мощностью до 6 МВт.
На дальних рубежах
В настоящее время прорабатывается следующая схема работы аппарата. Накануне межпланетной миссии модуль полностью собирается и испытывается на Земле. Затем он — с компактно сложенными под головным обтекателем ракеты-носителя раскладными элементами и при выключенном ядерном реакторе — выводится на радиационно-безопасную орбиту высотой свыше 800 км. С этой высоты модуль не способен самостоятельно упасть на Землю в течение сотен лет. Здесь его элементы раскладываются и принимают рабочее положение. После проверки включается ядерный реактор и запускается управляемая цепная реакция.
На радиационно-безопасной орбите путем стыковки с модулем полезной нагрузки с научной аппаратурой и запасом рабочего тела формируется орбитальный комплекс для выполнения задач миссии. Далее, под действием тяги электроракетных двигателей траектория полета орбитального комплекса приобретает вид раскручивающейся спирали. При достижении второй космической скорости комплекс покидает околоземное пространство и ложится на заданный курс. Если надо, разгон продолжается. При этом полезная нагрузка снабжается электроэнергией от модуля.
Расчетный ресурс ядерной энергодвигательной установки составляет десять лет. В течение этого срока модуль способен совершить несколько миссий, возвращаясь на околоземную орбиту для стыковки с очередной полезной нагрузкой и дозаправки рабочим телом для электроракетных двигателей.
После исчерпания ресурса аппарат остается на радиационно-безопасных орбитах вокруг Земли или направляется в дальний космос.
Путями неизбитыми
Реализовать ядерный буксир «Зевс» в «железе» по силам за шесть-семь лет, а летные испытания могут начаться в конце этого десятилетия, когда космический комплекс «Нуклон», включающий наземную космическую инфраструктуру и необходимые средства выведения, будет полностью готов к работе. Александр Блошенко сообщил, что первый образец орбитальной ядерной установки «Зевс» будет готов к 2030 г.
Если опираться на имеющиеся ракеты, то серьезно можно говорить только об «Ангаре-А5». И то с ее помощью можно вывести в космос систему не самой большой мощности из-за ограничений по габаритам радиаторов. Когда появится сверхтяжелая ракета, она может быть использована для запуска на орбиту установки мощностью мегаватт и выше.
Основная проблема, решение которой может занять продолжительное время, — подтверждение ресурса и надежности, доказательство, что ядерный буксир может работать так долго, как требуется. Если «железо» можно сделать вполне оперативно, то на его тестирование уйдет несколько лет. Такие испытания вполне реально провести на созданных в нашей стране уникальных стендах.
Весьма перспективным выглядит также использование цифровых методик, позволяющих имитировать работу ядерной энергодвигательной установки в широком диапазоне. Цифровое моделирование дает возможность выловить такие сочетания заданных параметров, при которых работоспособность системы не обеспечивается. Выгода здесь явная: нельзя позволить годами гонять стенды — это долго и дорого, надо использовать что-то более современное, компактное и совершенное.
Сбросить тепло
Один из ключевых вопросов, который требует решения, — отвод излишнего, так называемого низкопотенциального, тепла. В космосе это можно сделать только излучением. При этом критичным становится вопрос размеров излучателя (радиатора), когда при выработке сотен и тысяч киловатт электроэнергии необходимо сбросить огромные тепловые потоки. Для этого нужно либо поднять температуру и уменьшить размеры излучателя, либо, наоборот, при умеренных температурах увеличивать его размер. Увы, в последнем случае излучатель занимает гигантские площади — чуть ли не с футбольное поле. Оптимальный способ радиационного сброса тепла еще предстоит выбрать.
Учитывая, что транспортно-энергетический модуль должен работать в космосе долгие годы и даже десятилетия, принципиальным был вопрос ресурса механических систем, принимая во внимание трение деталей. Трудно было достичь необходимой долговечности подшипников. В итоге предпочли вариант бесконтактных (в частности, газовых и магнитных) опор, исключающих касание металлических поверхностей.
Принцип работы «ЗЕВСА»
Теплоноситель — газ — прокачивается через реактор, в котором под действием распада атомных ядер происходит выделение тепла.
Нагретый газ вращает турбину, соединенную с генератором, вырабатывающим электричество, и компрессором, который обеспечивает циркуляцию теплоносителя по замкнутому контуру.
Для сброса тепла, остающегося после выхода из турбины, теплоноситель прокачивается через теплообменные аппараты, и теплоноситель второго контура подается в радиаторы-излучатели.
Основными потребителями энергии являются полезная нагрузка и электроракетные двигатели, которые по удельному расходу рабочего тела в двадцать с лишним раз экономичнее химических аналогов.
Терминология
Транспортно-энергетический модуль — название ядерной энергодвигательной установки, данное на старте проекта в 2009 г.
«Ядерный буксир» — так окрестили энтузиасты космонавтики и СМИ космический аппарат, создаваемый на базе транспортно-энергетического модуля.
«Зевс» — такое название в честь древнегреческого бога неба, грома и молний аппарат получил в декабре 2020 г., по сообщению главы Роскосмоса Дмитрия Рогозина.
«Нуклон» — обозначение космического комплекса, в который, помимо самого транспортного модуля, входит наземная космическая инфраструктура и необходимые средства выведения.
Источник информации — Роскосмос.
