12 апреля 2011

В дальний космос на атомном ядре

Страна Росатом

12 апреля весь мир празднует пятидесятилетие начала космической эры. Космонавтика всегда была сферой высокотехнологичной, и сегодня мы решили рассказать о перспективах использования в ней новейших атомных разработок.

Почти вся космическая техника до сих пор строится по тем концептуальным принципам, которые заложил ещё Сергей Королёв, меняются лишь детали. Грубо говоря, мы уже приближаемся к конструкционному потолку возможностей. Космонавтике необходим импульс развития. Таким импульсом может стать создание новых материалов и инновационных схем энергообеспечения космических аппаратов. И в том и в другом атомная отрасль может дать фору всем остальным отраслям промышленности.

50 лет назад впервые в истории человек побывал в космосе. Первым космонавтом стал наш соотечественник Юрий Гагарин. И до 12 апреля 1961 года и после этой даты советские, а потом российские учёные и инженеры самоотверженно, увлечённо и, самое главное, эффективно строили космическое будущее. А вот сумеем ли мы сохранить и приумножить это научно-техническое наследие – вопрос открытый.

Благодаря самым надёжным в мире космическим кораблям к услугам России по доставке людей и грузов на орбиту прибегают множество стран. Но хотим ли мы ограничиваться ролью космических «извозчиков»? Ведь, делая основную работу, мы получаем лишь доли процента от всего рынка космических услуг. Если продолжить в том же духе, есть риск довольно скоро потерять даже эти позиции. А значит, необходим прорыв.

Слияние усилий научных и технологических колоссов страны – атомной энергетики и ракетной техники – может открыть нам совершенно другой мир, в котором существует база на Марсе, работают орбитальные фабрики и электростанции на Луне.

ДВА В ОДНОМ

Несколько лет назад была принята президентская программа по разработке ядерной энергодвигательной установки мегаваттного класса (ЯЭДУ). В прошлом году мы уже писали об этом проекте. Новая установка, основные работы по созданию которой идут в одном из ведущих институтов Росатома, НИКИЭТ им. Доллежаля, должна стать одновременно электростанцией и энергоустановкой для двигателя космического корабля.

Космический реактор должен работать в таких экстремальных условиях, которые трудно себе даже представить: крайне высокая температура охладителя, жестокая космическая радиация, перегрузки. А значит, необходимы новые материалы, новое топливо, новые схемы размещения тепловыделяющих сборок. Поэтому к созданию установки были привлечены различные институты, научные центры и предприятия атомной отрасли и космической промышленности. Исследователям и конструкторам предстоит решить множество проблем, но это стоит того, ведь все наработки, которые появятся в процессе создании ядерного двигателя, найдут своё применение и в других сферах.

Участие Росатома в проекте заключается в создании реактора, блока радиационной защиты и системы управления. И задачка стоит непростая. Ведь ЯЭДУ – многоплановый реактор, так что инноваций и ноу-хау, которые, кстати, потом востребованы в других проектах, тут хватает. Это и принципиально новые топливные композиции, которые обеспечивают высокую температуру газа. Это и новые материалы с фантастическими свойствами, такие как устойчивые к высоким температурам карбидные материалы, которые станут частью ещё одного проекта – высокотемпературного газового реактора ГТ-МГР (о нём мы также писали в одном из предыдущих номеров), над которым сейчас работают специалисты ОКБМ им. Африкантова.

Во многом база для космического реактора была наработана ещё в советское время, но целый ряд вопросов по-прежнему требует решений. Одной из сложнейших проблем, заставивших разработчиков ЯЭДУ пораскинуть мозгами, стал вопрос снятия тепла. Его удалось решить благодаря оригинальной конструкции капельного холодильника, разработанного специально для космического реактора. Механизм заключается в следующем: форсунка разбрызгивает жидкость с высокой степенью энергоотдачи в специальную прозрачную камеру, где она охлаждается благодаря способности светиться (идея в том, что при достаточно большой площади поверхности жидкости в мелкодисперсном состоянии происходит максимальное «высвечивание» тепла), а затем возвращается в контур. Избытки тепла предполагается излучать в космос.

МАХНЕМ НА МАРС

Работа над созданием ЯЭДУ идёт полным ходом, но до запуска космического аппарата с готовой установкой на борту ещё довольно много времени. Эксперты сходятся во мнении, что только на создание и наземные испытания системы потребуется ещё восемь лет.

Первые миссии кораблей, которые с помощью ядерных установок устремятся в дальний космос, конечно же, будут автоматическими. Так что сначала в разведку пойдут роботы. Корабль будет стартовать с высокой радиационно безопасной орбиты (800 км) – аппарат выйдет на эту орбиту,а оттуда уже отправится к Марсу. Чтобы долететь до Марса и вернуться обратно, двигатель должен включаться всего четыре раза и работать в общей сложности 6 – 10 часов. Первый раз двигатель включается на радиационно безопасной орбите Земли, ускоряется и двигается дальше уже по инерции. Затем последует торможение у Марса, разгон к Земле и снова торможение на её орбите. Месяц туда, столько же обратно.

Двигатели, которые могут быть поставлены на космические аппараты с ЯЭДУ, также будоражат воображение. Удельная тяга первой немецкой ракеты «Фау-2» была равна 220 секундам. Сегодня самая лучшая двигательно-энергетическая система, использующая водород с кислородом, даёт удельную тягу до 450 секунд. То есть за 60 – 70 лет развития ракетной техники величина удельной тяги традиционных ракетных двигателей увеличилась всего в два раза.

А вот ионный двигатель с ЯЭДУ сможет дать удельную тягу 9 – 10 тыс. секунд. Это в 20 раз больше, чем у двигателей, использующихся в настоящее время. Максимальная скорость, которую сможет развить космический аппарат, будет настолько велика, что космонавты смогут заметить релятивистские эффекты: то есть для них время будет идти медленнее, чем для тех, кто остался на Земле.

Но создавать такие чудеса техники только для того, чтобы с ветерком прокатиться на Марс, – затея, мягко говоря, сомнительная. У проекта ЯЭДУ другие задачи. Так, если брать пилотируемые полёты к Луне или Марсу, то это должны быть миссии присутствия, а не посещения, то есть экспедиции длительного пребывания. А для этого нужны надёжные и независящие от внешних факторов источники энергии. Выбор здесь невелик – из всего инструментария, доступного человечеству на данный момент, идеально подходит лишь атомная энергетика. А значит, такими источниками энергии станут ЯЭДУ или их будущие модификации.

Базы на Луне и на высоких орбитах Земли могут использоваться для создания фабрик. Перенос на соседние планеты опасных производств или производств, где нужна невесомость, может стать главным направлением развития космической отрасли, считают эксперты.

И дело не только в космических фабриках и базах на Луне. Дело в том, что от фундаментальной науки и высоких технологий всегда есть отдача. Пусть иногда и не в том направлении, по которому первоначально шли разработки. По некоторым оценкам, один доллар, вложенный в науку, даёт на выходе семь. Вопрос только в том, что это растянуто во времени. Посмотрите вокруг – почти всё, чем мы пользуемся сейчас, – микроэлектроника, мобильная связь, множество бытовых устройств от липучки до подгузников, – изначально были частью космических технологий или стали их «побочным» продуктом.

Андрей ЩУКИН,
«Страна РОСАТОМ»

 

СПРАВКА

Основой ядерной энергодвигательной установки является реактор на быстрых нейтронах тепловой мощностью 3,5 МВт. Высота — 2 м, вес — 2,7 т вместе с защитой. Активная зона с корпусом и отражателем — 60 см в диаметре. В качестве топлива будут использоваться твэлы на основе высокообогащённого и высокоплотного урана, в качестве охладителя — газ (смесь гелия и ксенона).

Тепловая энергия первого контура идёт на четыре турбогенераторных блока (замкнутый газотурбинный цикл Брайтона), которые превращают тепло в электричество. Прокачивать газ по контуру будут компрессоры, находящиеся в газотурбинных установках. Избыточное тепло из контура заберёт холодильник-излучатель. Дальше электричество поступает в плазменный двигатель.

Этот реактор станет основой для следующего поколения установки, которая будет работать в космосе, и поможет выявить и исправить слабые места конструкции.

 

МНЕНИЯ

Владимир Путин,
председатель правительства РФ
Космическая ядерная энергетическая установка послужит ключевым элементом для реализации перспективных космических проектов. Без этой установки невозможно выполнение межпланетных полётов, освоение Луны и изучение Солнечной системы.

Анатолий Перминов,
руководитель Роскосмоса
Полёты на Марс с нынешними двигателями займут очень много времени. Необходима новая установка для сверхтяжёлых ракет. Россия обладает всеми технологиями для создания двигателя подобного класса. В 2019 году работа над ним должна быть закончена.
Транспортно-энергетический модуль не имеет мировых аналогов. Мы работаем совместно с Росатомом. Эта энергодвигательная установка большой мощности предназначается прежде всего для межорбитального корабля, направляемого для изучения дальних планет.
С существующими двигателями время полёта, например, на Марс было бы очень продолжительным, что небезопасно для человека. Да и сложно выполнить такой полёт. С ядерной же установкой длительность в десятки раз снижается.
Создание ядерной энергетической установки позволит выполнить за три месяца полёт на Марс и обратно с пребыванием космонавтов на Красной планете в течение 30 дней.

Виталий Лопота,
президент Ракетно-космической корпорации «Энергия»
Развитие космической программы потребует обязательного использования ядерных энергетических установок. Техническая сторона этой идеи давно обсуждалась. Мы готовы активно использовать ядерную энергетику.
Альтернативы ядерным двигателям для космических систем, предназначенных для полётов не на околоземную орбиту, а к Марсу и дальше, на данный момент нет.

Николай Пономарёв-Степной,
академик РАН
Две технологии позволяют России поддерживать престиж отечественной науки на мировом уровне – это ракетная и атомная. Других сейчас мы просто не можем назвать. И развитие этих технологий сегодня действительно позволит нашему государству осуществить технологический прорыв.

Иван Федик,
научный консультант ФГУП «НИИ НПО «ЛУЧ»
На рубеже веков созрело понимание, что космос может быть очень полезен, и в скором будущем понадобится мощное энергетическое обеспечение космических аппаратов. Если в ближайшие 10 – 20 лет космонавтика ещё и сможет обойтись без ядерной энергии, то рассматривать полёты дальше Марса без её использования нельзя.