463
12 апреля 2020 в 8:00
Автор: Виталий Олехнович

На Марс полетим на ядерных кораблях? Говорим с экспертом о перспективах применения ядерной энергии

Мировые лидеры в освоении космоса опять заговорили про ядерную энергию. Она может оказаться ключом к эффективному покорению ближнего космоса, колонизации Луны и высадке человека на Марс. Так считают и в России, и в США. Вопросы о ядерной энергетике в разрезе космической отрасли, а также о перспективных разработках в этом направлении мы задали кандидату физико-математических наук, доценту Института ядерной физики и технологий Национального исследовательского ядерного университета МИФИ Егору Задебе.

Ядерные ракетные двигатели долгое время работали только на бумаге — в произведениях писателей-фантастов. Хотя и в Советском Союзе, и в США в разгар космической гонки шли активные разработки в этом направлении. В СССР они воплотились в опытный двигатель РД-0410, за океаном — в проект NERVA.

Впрочем, это не единственные реализации идеи применения ядерной энергетики в космической промышленности. О них мы поговорим позже, а пока справляемся у Егора Задебы о том, в каких сферах освоения космоса использовались столь перспективные ядерные технологии.

— С самого начала освоения космоса при проектировании космических аппаратов (КА) применялись технологии и знания, приобретенные при развитии ядерной физики. В первую очередь это касается радиационной стойкости электронных компонентов КА. На поверхности Земли мы надежно защищены от частиц солнечного ветра и космических лучей атмосферой и магнитным полем планеты. Уже на низкой околоземной орбите радиационный фон на несколько порядков выше земного, и в таких условиях обычные электронные компоненты выходят из строя за секунды. Формирование элементной базы, устойчивой к радиации, было бы невозможно без технологий, созданных и совершенствуемых в рамках исследований в области ядерной физики.

Фото из личного архива

Но наибольшую роль ядерные технологии сыграли, конечно же, в обеспечении космических аппаратов энергией. Речь идет о двух видах источников: «ядерных батарейках» РИТЭГ (радиоизотопный термоэлектрический генератор) и орбитальных ядерных реакторах.

В первом классе устройств в аппарат устанавливается радиоактивный источник, естественный распад изотопов является постоянным источником тепла (выделяемая тепловая мощность, как правило, не превышает 1 кВт), а термоэлектронный генератор переводит тепловую энергию в электрическую. Такие устройства отличаются, с одной стороны, простотой и надежностью (установленные на аппаратах «Вояджер» электрические генераторы на плутонии-238 функционируют уже почти 30 лет), а с другой — малыми мощностью и КПД (до 7%).

В тех случаях, когда космическому аппарату требуется высокая мощность, на них возможно разместить компактные атомные реакторы. Советский Союз достиг значительных успехов в разработке ядерных энергетических установок, ими было оснащено более 30 космических аппаратов (в США испытания в космосе прошел лишь один). При тепловой мощности около 100 кВт подобные установки обеспечивали свыше 5 кВт электрической. Перспективные ядерные установки мегаваттного класса станут полноценной заменой классическим ракетным двигателям и откроют путь к освоению Луны и Марса.

«Взрыволеты» и реальность

О том, что на химических ракетах покорение Солнечной системы будет затруднительным, было известно еще во времена Циолковского. И варианты альтернативных видов топлива предлагались давно. Когда человек приручил мирный атом, встал вопрос о том, как применить его для обеспечения движения в космосе. Были даже идеи использовать атомные бомбы: сбрасывать их с корабля, подрывать на удалении и использовать импульс плазмы через систему амортизаторов.

Такой «взрыволет» (ядерно-импульсный космический корабль) даже проходил испытания в конце 1950-х годов в США. Метр в диаметре, 105 килограммов веса — правда, обошлось без подрыва ядерных бомб. Их заменили на килограммовые шары взрывчатки C4. Получилось как минимум интересно.



Но, конечно, тестирование и тем более запуск аппарата, который потребует нескольких тысяч ядерных взрывов в пределах атмосферы Земли, даже во времена холодной войны посчитали чересчур экстравагантной затеей. Да и потенциальных эксплуатационных проблем у «взрыволета» хватало — от эрозии толкателя до влияния электромагнитных импульсов от взрывов на наземные и орбитальные установки.

От брутальной идеи выбрасывать за борт космического корабля ядерные бомбы отказались, но те объемы энергии, которые способна дать реакция расщепления ядер, продолжали будоражить умы инженеров. Так родились уже упомянутые NERVA и РД-0410. Они предполагали нагрев с помощью ядерной энергии водорода, который и создавал бы тягу в ядерных ракетных двигателях.

Вернер фон Браун, отец американской лунной программы, вполне оптимистично полагал, что три двигательные установки NERVA на одной ракете смогут доставить американских астронавтов прямиком на Марс уже в августе 1982 года. Правда, предложенный им в 1969 году план так и не был реализован. Интерес сверхдержав к космической гонке подостыл, бюджеты сократили, и в конце 1972 года разработки в области ядерной тяги в США были остановлены.

Советский РД-0410 мог стать двигателем, который доставил бы космонавтов СССР на Марс к 1994 году. Но не срослось. Испытания его реактора проводились в конце 1970-х — начале 1980-х годов на Семипалатинском полигоне (сейчас Казахстан). Разработка была свернута в середине 1980-х.



— Существует широкий список перспективных и гипотетически возможных ядерных и даже термоядерных космических установок, — продолжает рассказ Егор. — Часть из них не разрабатываются по экологическим причинам — например, двигатели, использующие в своей основе серию ядерных взрывов, или те, в которых рабочим телом при реактивном движении является само делящееся вещество. В ядерных ракетных двигателях, использующих в качестве рабочего тела водород или иной газ, приходится запасать большие его объемы, что не проходит ввиду ограничений по массе.

Наиболее перспективными являются ядерные энергодвигательные установки (ЯЭДУ), использующие реактор лишь в качестве источника электроэнергии, движение же в них обеспечивается с помощью ионных или плазменных двигателей. Основными препятствиями при разработке мощных установок такого типа являются ограничение на массу выводимых космических аппаратов, требование высочайшей надежности элементов и отсутствие теплообмена с внешней средой.

Ядерная электродвигательная установка мегаваттного класса

Если в описанных выше ядерных двигателях реактор непосредственно «крутил колеса» для движения, то в ЯЭДУ его задача сводится к выработке энергии для установки, которая будет «крутить колеса». Газ от реактора крутит турбину, турбина крутит генератор, генератор вырабатывает электричество для плазменного двигателя — так вкратце это работает. И, в отличие от прямоточного ядерного двигателя, никакой радиоактивной струи на выходе из двигателя.

— Если на Земле в качестве третьего контура ядерного реактора мы можем использовать крупные водные объекты, такие как озера или реки, а реактивные двигатели на основе атомных реакторов охлаждаются набегающим потоком воздуха, то в космосе аппарат находится в вакууме, теплоноситель охлаждается только за счет излучения. Это требует применения огромных холодильников-излучателей (ХИ), которые становятся самыми тяжелыми элементами ядерных установок.

Около 15 лет назад революцию в области разработки орбитальных энергоустановок сделали наши ученые, предложившие использование так называемого капельного ХИ. Это установка, похожая на душ, в которой жидкий теплоноситель второго контура не циркулирует в трубах, а распыляется наружу в виде капель прямо в открытое космическое пространство, там отдает тепло, затем улавливается и проходит цикл заново. В настоящее время эта технология только готовится к испытанию на орбите.

В России в 2009 году объявили о начале работ над ядерной энергодвигательной установкой мегаваттного класса силами предприятий «Роскосмоса» и «Росатома». Испытания макета в космосе должны были состояться 30 марта этого года, но пока о них ничего не слышно. С помощью этой установки Россия планирует начать освоение Солнечной системы.

В качестве теплоносителя в установке собираются применять гелий-ксеноновую смесь, турбомашинный электрогенератор для преобразования тепла в электричество уже испытан, еще в 2016 году прошла серия испытаний нового ионного электроракетного двигателя. Вот только основной разработчик установки — Исследовательский центр имени Келдыша — год назад был оштрафован за сорванные сроки. Согласно госконтракту, работы должны были завершиться еще 25 ноября 2018 года.

— Создание мегаваттной энергодвигательной установки должно стать колоссальным прорывом в освоении человечеством Солнечной системы. Предполагается создание ряда межпланетных челноков. Их энерговооруженность и запас хода позволят без дозаправки добраться до Марса и обратно всего за три месяца. Для сравнения: космическому кораблю с наиболее совершенным химическим двигателем до ближайшей к нам планеты придется лететь более года, но, что наиболее важно, при этом ему не хватит топлива, чтобы вернуться обратно!

Принципиальных препятствий для создания мегаваттной установки на сегодня нет. Наибольшие сложности остаются в создании трех важнейших узлов установки. Во-первых, это турбомеханический электрический генератор, работающий при температуре 1500 градусов и скорости вращения турбины в 60 тыс. оборотов в минуту. Подобные системы успешно функционируют на Земле, но не так просто подготовить генератор к долговременной эксплуатации без обслуживания в космосе, в условиях невесомости. Во-вторых, это система капельного охлаждения, описанная мной выше. Подобные системы никогда не применялись ранее, это наша уникальная разработка, протестировать которую в земных условиях практически невозможно. И, наконец, в-третьих, это нетривиальная задача компоновки и механизации космического аппарата, который должен умещаться под обтекателем ракеты-носителя, а на орбите раскрываться в огромную и сложную конструкцию, состоящую из множества мачт и экранов, а также обладающую всеми традиционными системами ориентации, маневрирования и телеметрии.

Нет сомнений, что в случае соблюдения всех позитивных условий мегаваттная установка будет создана.

Тепловая тяга на Западе

Если Россия пошла по пути создания ядерной энергодвигательной установки, то в США изучают привлекательность ядерной тепловой тяги. По мнению специалистов американского аэрокосмического агентства NASA, сегодняшние достижения в области материалов и разработки реакторов дают стимул для оценки перспективности этой технологии. Ведь ядерные двигатели на ракетах видели не только фантасты — сами специалисты NASA еще в 1961 году совместно с Комиссией по атомной энергии начали реализацию программы «Ядерный двигатель для ракетных транспортных средств» (NERVA).

Два года назад Дойс Митчелл, руководитель перспективного проекта ядерной тепловой тяги в Центре космических полетов имени Джорджа Маршалла, рассказывал, что ядерная двигательная установка способна в два раза сократить время на транзит между Марсом и Землей, и для миссии необязательно будет поджидать момент, когда обе планеты будут в наиболее благоприятных положениях друг относительно друга. Сокращение длительности полета уменьшит воздействие радиации и микрогравитации на пассажиров.

К тому же, по мнению представителей департамента энергетики США, ракеты на ядерной тепловой тяге в два раза эффективнее существующих химических ракет. Удельный импульс последней, сжигающей водород и жидкий кислород, оценивают в 450 секунд, для ядерных ракет этот показатель оценочно достигает 900 секунд.

Читайте также:

роллы, ура маки, 8 шт, 250 г, авокадо, лосось копченый, сливочный сыр, особенности: не сырая рыба

Хроника коронавируса в Беларуси и мире. Все главные новости и статьи здесь

Наш канал в Telegram. Присоединяйтесь!

Быстрая связь с редакцией: читайте паблик-чат Onliner и пишите нам в Viber!

Самые оперативные новости о пандемии и не только в новом сообществе Onliner в Viber. Подключайтесь

Перепечатка текста и фотографий Onliner без разрешения редакции запрещена. nak@onliner.by

Автор: Виталий Олехнович