Ядерный реактор на орбите

8 ноября 2010

40 лет назад Советский Союз провёл лётные испытания ядерной энергетической установки на космическом аппарате. Тогда казалось, что человечество вот-вот проложит путь к далёким планетам.

Изотопные генераторы электроэнергии впервые в СССР были установлены на спутниках связи «Стрела‑1»

Конечно, это была старинная ядерная ракета. Точнее, ядерный планетолёт. Фотонный привод, двухслойный параболический отражатель из мезовещества, водородные двигатели. Полтора столетия назад было много таких планетолётов. Их строили для освоения планет. Солидные, неторопливые машины с пятикратным запасом прочности»… Если соотнести эти строки из научно-фантастической повести братьев Стругацких «Возвращение. Полдень, 22‑й век» с нашим временем, то получится, что ядерные космические аппараты уже должны быть столь же привычными, как атомные электростанции. И действительно — такой реактор на орбите вовсе не sciencefiction. Хотя до фотонного привода ещё ох как далеко.

НЕ ПРОСТО ФАНТАСТИКА

Аркадий и Борис Стругацкие работали над своей повестью на рубеже 1950–1960‑х годов, когда развитие атомной науки и техники позволило перенести вопрос о создании ядерного ракетного двигателя в практическую плоскость. Учёным и инженерам было ясно, что ядерная реакция способна обеспечить удельный импульс тяги в принципе не достижимый при использовании химического топлива. Идея проста. Тепловая энергия, возникающая при делении ядерного горючего, передаётся рабочему телу — им служит водород, создающий тягу при истечении из сопла. При этом сам водород практически не активируется, а потому реактивная струя у ядерной ракеты опасна не больше, чем у обычной. Такой двигатель предназначается для оснащения космических аппаратов дальнего космоса, например, для их разгона с целью вывода на орбиту Марса, торможения и коррекции орбиты и последующего разгона при возвращении на Землю. Стендовые образцы появились к концу 1960‑х. В Советском Союзе двигатель РД‑0410 успешно прошёл испытания в 1978–1981 году на Семипалатинском полигоне. Принципиально уже к 1980 году проект ядерного ракетного двигателя, имеющего реальную космическую перспективу, в нашей стране состоялся. Тут мы оказались «впереди планеты всей», и этот опыт, надо полагать, будет востребован при конструировании нового ядерного ракетного двигателя, которое поручено Росатому и Федеральному космическому агентству. А в НПО «Энергия» в те же годы создавался пилотируемый космический корабль с электро-реактивными ядерными ракетными двигателями, получивший название «Марс‑1987». Тяга возникала от нагрева рабочего тела электричеством, вырабатываемым с помощью бортового ядерного реактора. Продолжительность марсианской экспедиции на этом планетолёте оценивалась в 716 земных суток. Американцы занимались проблемой ядерного двигателя для крылатых ракет или, как раньше говорили, самолётов‑снарядов. Но это были не космические, а атмосферные летательные аппараты. В рамках проекта «Плуто» Ливерморская лаборатория выпустила два образца ядерного воздушно-реактивного двигателя «Тори‑2» для сверхзвуковой крылатой ракеты SLAM. В таком двигателе происходил «атомный подогрев» воздуха пропуском через активную зону реактора. «Тори‑2» были протестированы в наземном стендовом варианте в 1961–1964 году. Ядерная энергетика может найти применение и во вспомогательных микродвигателях космических ракет — так называемых радиоизотопных. В них создающее тягу рабочее тело нагревается при распаде искусственных изотопов. Экспериментальные модели уже есть. Кроме того, тяга может быть получена с помощью периодических ядерных взрывов — такие импульсные технологии изучались в 1958–1965 году в США по проекту «Орион». Предполагалось, что оснащённая 800 плутониевыми зарядами общей массой в полтонны ракета могла бы забросить на Луну 700 т груза. Однако дальше испытаний с использованием зарядов обычной взрывчатки дело не пошло. Впрочем, англичане в 1970‑е годы приняли к рассмотрению идею создания автоматического зонда для отправки к звезде Бернарда, обладающей планетной системой и расположенной по галактическим меркам совсем близко от нас — в каких-то 30 световых годах. Зонд хотят оснастить импульсным ядерным ракетным двигателем с частотой 250 ядерных взрывов в секунду, чего, по расчётам, достаточно для достижения скорости в половину световой. Лететь такому зонду до звезды Бернарда 50 лет. Возможно, в конце нынешнего века и получится построить этот чудесный аппарат.
А вот о времени появления столь «гипотетической» экзотики, как фотонные ядерные двигатели, братья Стругацкие сделали, конечно, слишком оптимистичный прогноз. Хотя кто знает…

КОСМИЧЕСКАЯ «ЛЕГЕНДА»

Если ядерные ракетные двигатели для космоса пока только перспектива, хотя уже и вполне реальная, то использование для электроснабжения космических летательных аппаратов термоэлектрических ЯЭУ давно освоенный этап. Изотопные генераторы работают как в ближнем, так и дальнем космосе. Например, они применялись в американской лунной программе «Аполлон», а межпланетные станции «Пионер‑10», «Пионер‑11», «Вояджер‑1» и «Вояджер‑2» с генераторами на плутонии‑238 вообще стали первыми творениями человеческого разума, покинувшими пределы Солнечной системы. Эта технология, рассчитанная на десятки лет эксплуатации, совершенно необходима на аппаратах дальнего космоса — ведь солнечные батареи теряют эффективность по мере удаления от светила. Первенство в области миниатюрных космических атомных электростанций принадлежит США. Но в 1964 году самый первый космический ядерный «блин» у них вышел комом — неудачей окончилась попытка вывода на орбиту навигационного спутника «Транзит‑5В». Изотопный генератор SNAP‑9A на плутонии‑238 должен был обеспечивать его электроэнергией в 25 Вт, но увы — тот сгорел в атмосфере. Наученные горьким опытом, весной 1965 года американцы запустили космический аппарат SNAPshot, предназначенный для лётных испытаний термоэлектрического ядерного реактора на тепловых нейтронах SNAP‑10А, работавшего на уране‑235 и охлаждаемого калий-натриевымрасплавом. Термоэлектрический преобразователь такой установки давал 500–650 Вт. Реактор исправно действовал почти полтора месяца, пока не был заглушён из-за ошибочной команды. В дальнейшем в Штатах создали более совершенные SNAP‑17 для спутников связи, SNAP‑19 для межпланетных станций и другие. В СССР спутники специальной связи «Космос‑84» и «Космос‑90» серии «Стрела‑1» с 20‑ваттными изотопными генераторами «Орион‑1» на полонии‑210 покинули нашу планету осенью 1965 года. А первый отечественный космический термоэлектрический реактор на быстрых нейтронах «Ромашка» (500 Вт) был пущен в 1964 году. Его разработал Институт атомной энергии им. Курчатова в кооперации с рядом других научно-исследовательских и проектно-конструкторских организаций. Однако он никуда не полетел, хотя и продемонстрировал превосходные эксплуатационные качества, в том числе в области безопасности и надёжности. Причина — создание в НПО «Красная Звезда» космической атомной электростанции БЭС‑5 «Бук», обеспечивав-шей гораздо более высокую электрическую мощность — 2,8 кВт. Установка «Бук» имела малогабаритный высокотемпературный реактор на быстрых нейтронах БР‑5А, созданный Физико-энергетическим институтом. Работал реактор на уране‑235, а охлаждался, передавая тепло полупроводниковому термоэлектрическому генератору, расплавом калия и натрия. Строили БЭС‑5 в условиях строгой секретности — «Буками» предстояло оснастить спутники активной радиолокационной разведки УС-А, входящие в систему морской космической разведки и целеуказания 17К114 «Легенда». Первый спутник УС-А, для любопытной мировой общественности получивший стандартное имя «Космос‑367», стартовал с космодрома Байконур вместе с ракетой-носителем «Циклон‑2» 3 октября 1970 года. Всего по 1988 год запустили 32 этих весьма передовых для своего времени космических аппарата. Правда, вплоть до 1975 года, когда «Легенду» приняли на вооружение, шли испытания — УС-А «учили летать» и доводили до ума. В связке с атомными ракетными подлодкамипроектов 949 и 949А (получившими в НАТО название «Оскар») система «Легенда», выдававшая им точные координаты и прочие параметры надводных целей, представляла собой уникальный комплекс — разведывательно-ударный, ракетно-ядерный и океанско-космический. Причём ядерным он был по всей цепочке — ядерные реакторы на субмаринах, спутниках и ядерные же боеголовки на крылатых ракетах «Гранит», которыми эти суда были вооружены.

ГОНКА РАКЕТЫ И СПУТНИКА

«Легенда» позволяла держать на мушке авианосцы США, что причиняло американцам немало беспокойства. Они хотели получить надёжное «противоядие» от советского подводно-космического комплекса. А потому на каждомсвоём корабле разместили по 24 истребителя-перехватчика F‑14 «Томкэт» — соответственно количеству «Гранитов» на каждой нашей подлодке, причём один истребитель мог обстреливать ракетами «воздух — воздух» сразу шесть целей. А чтобы «достать» ещё и спутники УС-А, в США был создан вариант истребителя F‑15 «Игл» со специальной противоспутниковой ракетой ASAT, способной поражать орбитальные объекты на высоте порядка 450 км. Но не тут-то было. В СССР «поспела» очереднаямини-АЭС для космических аппаратов — ТЭУ‑5 «Тополь» («Топаз‑1») с термоэмиссионным (катодно-анодным) преобразователем тепла в электричество. Установка, использующая диоксид урана с девяностопроцентным обогащением по урану‑235, обеспечивала 5 кВт (электрических). Благодаря более мощному источнику, питающему бортовой радар, появилась возможность существенно поднять рабочую орбиту, сделав её недоступной для ASAT. Правда, «Тополь» запустили всего пару раз: в 1987 году, на борту спутников типа «Плазма-А» — «Космос‑1818» и «Космос‑1867». В связи с прекращением холодной войны проекты с новыми термоэлектрическими установками решили не развёртывать, УС-А тоже давно не применяются. В системе «Легенда» сохранились спутники пассивной радиотехнической разведки типа УС-ПМ, питаемые электроэнергией обычных солнечных и химических батарей. А американцы, ввиду того что задача борьбы с подводными лодками — носителями крылатых ракет, исключена из числа приоритетных, сняли с атомных авианосцев не только все истребители-перехватчики F‑14 «Томкэт», но и противолодочные самолёты S‑3 «Викинг». Зато интересно вот что. В начале 1990‑х годов США приобрели в России две термоэмиссионные ядерные энергетические установки «Топаз‑2» («Енисей») — этот вариант был предназначен для использования в мирных целях, на телевизионных спутниках-ретрансляторах «Экран-АМ». «Топаз‑2» отличался принципиально новой конструкцией активной зоны реактора: привычные тепловыделяющие элементы заменили так называемыми интегральными электрогенерирующими каналами с ядерным топливом (диоксид урана), куда были помещены и термоэмиссионные элементы. Американцы намеревались использовать«Топазы‑2» в собственных космических экспериментах с ядерными энергоустановками, но после их испытаний закрыли программу. По одним сведениям, из-за бюджетных ограничений, а по другим — потому как оказались не в состоянии освоить наши технологии в этойобласти даже с «утёкшими мозгами» из бывшего СССР.

Константин ЧУПРИН, «Страна РОСАТОМ»