Космический буксир с ядерным реактором мегаваттного класса

Роскосмос планирует в 2020 году испытать макет двигателя для космического ядерного буксира

МОСКВА, 14 сентября. /ТАСС/. Испытания макета двигателя для космического ядерного буксира, на который установят ядерную энергоустановку мегаваттного класса, планируются в 2020 году, следует из информации на сайте госзакупок.

Роскосмос заказал работы по теме «Прикладные инновационные исследования технологий создания ракетных двигателей, двигательных и энергетических установок изделий перспективной ракетно-космической техники и их ключевых элементов (НИР «Форсаж»)». Цена контракта составляет 525,6 млн рублей.

«Экспериментальное подтверждение работоспособности макета роторного магнитоплазмодинамического двигателя — 30 марта 2020 года», — говорится в документации к тендеру.

Исполнитель по контракту также должен представить предложения по проектному облику электроракетного роторного двигателя в составе ядерной энергодвигательной установки межорбитального буксира.

Ранее сообщалось о планах Росатома изготовить к 2018 году опытный образец ядерной энергодвигательной установки мегаваттного класса, предназначенной для полетов в дальнем космосе. Изначально установка проектировалась для космического аппарата с рабочим названием транспортно-энергетический модуль (ТЭМ). Работы по созданию установки были начаты в 2009 году.

Ядерная энергетика в освоении космического пространства нашей страной используется не впервые. В период с 1970 по 1988 год в СССР был осуществлен запуск 32 космических аппаратов с термоэлектрической ядерной энергоустановкой, а в период с 1960 по 1980 год разработан и прошел испытания на Семипалатинском полигоне ядерный ракетный двигатель.

Что даст России создание «ядерного буксира» для космоса

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.

Ядерные реакторы в космосе: ТЭМ

Вершиной 20 летних исследовательских и конструкторских усилий по созданию космических энергоустановок на базе ядерных реакторов в СССР стал полетевшая в 1988 году двойка спутников «Плазма-А». Эти установки базировались на отлаженной на земле технологии термоэмиссионного преобразования энергии (более 80 испытательных сборок провели в реакторах от 100 до 16000 часов). Вложенные усилия, масштаб работ и красота идеи оказались настолько мощными, что последующие 20 лет в статьях профильных организаций, проектировавших и планировавших КА с ЯЭУ вы не найдете ничего, кроме развития идей реакторов с термоэмиссионными преобразователями. 20 лет разговоров про светлое ядерно-космическое будущее оборвались в октябре 2009 года, когда финансирование получили не многочисленные проекты развития «Плазма-А», а «Транспортно-энергетический модуль» с турбомашинным преобразованием. И во главе проекта встали совсем не те люди, которые занимались этой тематикой раньше. Одну из ключевых ролей в таком развороте кроме усилий лоббистов сыграла одна техническая идея, связанная со сбросом тепла в космосе.

Американская АМС JIMO, тоже планировавшаяся с ядерным реактором на борту
Хорошо известно, что вес — это главный враг космических ЯЭУ, а холодильники для сброса паразитного тепла — самый тяжелый элемент подобных аппаратов. В варианте с термоэмиссионными преобразователями этот вопрос решается довольно элегантно — да, их КПД невелик по сравнению с турбинным циклом, но температура холодильников излучателей может быть очень высока (порядка 1000К, а сам реактор разогрет до 1650К), а как мы помним, вес холодильников зависит от температуры в степени 1/T^4. В итоге эта степенная зависимость переигрывает вчетверо больший объем тепла, который надо сбросить с термоэмиссионной ЯЭУ. Только если у вас нет революционной идеи капельного ХИ.
Идея заключается в том, что бы вместо того, что бы гонять жидкость по трубкам внутри излучающих панелей, она полетит прямо сквозь космос — от форсунок-формирователей струй до каплеуловителя. При этом, теоретически, вес ХИ можно сократить в разы, а потери на испарение в вакуум решаются подбором специальной кремнеорганической жидкости. В таком раскладе у термоэмиссионых ЯЭУ начинает играть их «родимое пятно» — невысокая плотность мощности на электрогенерирующих твэлах, ну и кпд в 5-8%.
Именно такой концепт ТЭМ — с турбомашинным преобразованием тепловой энергии и капельными холодильниками был предложен ФГУП «Центр Келдыша» в 2009 году. Новаторство идеи легло на благодатную почву пика «развития инноваций в стране» президентом Медведевым, а помноженное на силу лоббистов Росатома и главы «ИЦ Келдыша» академика Коротеева позволило смести жалкие «архаичные» проекты РКК Энергии, КБ Арсенал, ОАО «Красная звезда» с доски и получить заветное финансирование.

Первый эскизный вариант ТЭМ с 4 капельными холодильниками (бежево-коричневые полотнища). Снизу рендер в сложенном положении. (с) РКК Энергия
Для проведения НИОКР в 2010 году была начата программа стоимостью 17 миллиардов рублей, из которых 7.245 млрд руб выделялось на реактор, 3.955 на систему преобразования энергии, а около 5,8 млрд — на оставшийся космический аппарат. Ядерный реактор поручили делать институту НИКИЭТ (создателю свинцового быстровика БРЕСТ), систему преобразования энергии — ИЦ им. Келдыша, а весь космический аппарат — РКК «Энергия».
Облик первой редакции ТЭМ поражал любого инженера, знающего контекст. Сверхвысокотемпературный (1600К!) быстрый реактор, охлаждаемый газом, топливо из карбонитрида урана (перспективное, но малоизученное), турбокомпрессорные установки, работающие на 60000 оборотах в минуту c температурой на турбине 1500К непрерывно 10 лет, теплообменники, на те же 1500К. Раздвигающаяся конструкция аппарата длинной 54 метра и шириной 20, в исходном состоянии укладывающаяся под обтекателем РН. Рекордная мегаваттная космическая электросистема с напряжением 4,5 киловольта, питающая 16 ионных ЭРД мощностью по 60 киловатт (в 10 раз мощнее летавших на тот момент и в 1,5 раза мощнее лабораторных рекордсменов). Наконец сам космический аппарат, который должен был выдерживать в 10 раз большую дозу облучения, чем сегодняшний типичный уровень в 100 килорад — облучения как от реактора, так и от радиационных поясов, сквозь которые пришлось бы буксировать полезные нагрузки.

Плакат ТЭМ на МАКС-2013. За ядерным блоком слева и справа видны две основные концепции — с капельными и панельными ХИ
Проект начал развиваться, регулярно блистая перспективами и инновациями в интервью, ТВ и конференциях. Наиболее резво взялся за работу Росатом — быстро отказавшись от карбонитридного топлива в пользу знакомого оксидного был спроектирован ядерный реактор, смесь стандартного и нового. В цилиндрическом корпусе из нержавеющей стали диаметром 50 см и длинной примерно метр расположены несколько сотен цилиндрических твэлов, содержащих оксид высокообогащенного урана в оболочках из монокристаллического молибдена диаметром 4-5 мм. Общая расчетная масса топлива 80-150 кг, в зависимости от достижимого выгорания. Управление осуществляет вдвижением и выдвижением 19 поглощающих стержней системы управления из карбида бора в молибденовой оболочке. Быстрый реактор имеет тепловую мощность 3,8 мегаватта и охлаждается газовой смесью из 78% гелия и 22% ксенона при рабочем давлении в 40 атм. Температура газовой смеси на входе 1200, а на выходе 1500К (1227 С).
Модель активной зоны ТЭМ для гидравлических испытаний. Простим НИКИЭТ за плохое качество довольно уникального изображения
Ядерную установку разрабатывает несколько предприятий Росатома, в т.ч. ФЭИ, много десятилетий занимавшийся разработкой космических ЯЭУ, НПО «Луч», владеющий технологиями высокотемпературных твэлов, а внутриреакторное поведение элементов ЯЭУ ТЭМ в петле с горячей рабочей газовой смесью вел НИИАР, обладающий самым большим парком исследовательских реакторов в стране. Не смотря на уход с битьем посуды из НИКИЭТ в 2012 году главного конструктора реактора В.П. Сметанникова разработка реактора продолжается практически в графике — испытана петля с новым для ядерщиков теплоносителем и штатным твэлом, создан частичный теплогидравлический стенд, а в НИТИ в Сосновом Бору строится наземный образец ЯЭУ. Запуск этой установки планируется на 2015 год, и такой запуск будет безусловной победой ядерной инженерной науки.

Ранняя версия реактора РУГК для ЯЭУ ТЭМ. (с) Росатом
Другая кооперация из ИЦ им. Келдыша, КБХМ, КБХА и ВНИИЭМ занималась турбомашинным преобразователем. На ТЭМ планируется установить 4 одинаковых модуля мощностью по 250 киловатт. В систему входят так же AC/DC и DC/DC преобразователи, буферные аккумуляторы, дополнительные системы охлаждения оборудования. Вместе с ядерным реактором масса энергоблока должна была составить 6800 кг.

Схема и параметры ЯЭДУ ТЭМ. (с) Центр Келдыша

Кадр из ролика Центра им. Келдыша с разрезом 250 киловаттного турбогенератора ТЭМ. (с) А. Ильин
Тепловая энергия превращается в электрическую в газотурбинном цикле (Брайтона), где энергия газа, извлеченная на турбине идет как на электрический генератор, так и на вращение компрессора, поддерживающего циркуляцию газа. Через теплообменник остаточное тепло сбрасывается во второй контур, где рассеивается в космос с помощью холодильников-излучателей.

Модель 250 кВт турбогенератора ТЭМ 1:2 (с) Аник
Сложности по разработке элементов системы турбомашинного преобразования сравнимы со сложностью реактора. По отдельности все требования выполнимы: существуют газовые турбины и на большие, чем 1500К температуры, а турбонасосы ракетных двигателей, перекачивающие водород, имеют частоты вращения и окружные скорости даже выше, чем 60000 и 500 м/с. Однако собрать все сразу в сочетании с 10 летним необслуживаемым ресурсом — прыжок был явно выше головы. Например, проблемы с высокотемпературными газовыми теплообменниками в свое время зарубили очень перспективное направление регенеративных газотурбинных двигателей, а газодинамические подшипники для невесомости довольно сложно испытывать на ресурс в условиях гравитации.

Пластины опытного теплообменника ТЭМ. (с) А. Ильин
В 2013 году ИЦ им. Келдыша рапортовал об успехах по созданию прототипов всех важнейших элементов турбомашинного преобразователя — двух типов теплообменников, генератора и газотурбинной установки. Однако по последним данным НИР идут довольно туго и ресурс оборудования далек от нужного. Уже осенью 2013 постулируется факт, что капельные холодильники далековаты от инженерного воплощения, и разработать их пока не получится. Обещанные рекордные ионные ЭРД постепенно мельчают — проблемы с большеразмерными перфорированными электродами с высоким ресурсом, которые не умеет решать никто в мире остаются нерешенными.
Прототип ионного двигателя ТЭМ от Центра Келдыша. Уже помельчавших в размерах по сравнению с изначальной задумкой © А. Ильин
Вариант ТЭМ с панельными холодильниками
Кроме того, взаимодействие Центра Келдыша (входящего в Роскосмос), возглавляемого академиком Коротеевым с остальными крупными космическими предприятиями зачастую носит натянутый характер с взаимным поливанием грязью, что тоже не способствует прогрессу. ТЭМ, красиво расписанный на этапе эскизного проекта начинает рассыпаться на этапе подтверждения характеристик агрегатов.
Модель сложенного ТЭМ, лето 2013 года. Обратите внимание на ионные двигатели — их стало 24 против 15 на ранней модели. Холодильники все еще капельные
Наконец, работа предприятий во главе с РКК “Энергия” была направлена на создание собственно космического аппарата, вооруженного ядерным энергоисточником. “Энергия” вынуждена была взяться за фронт работы, который перекрывал путь ее собственной разработке буксира с термоэмиссионной ЯЭУ “Геркулес”, да и фронт проблем был шире чем у двух других основных “головняков”. Необходимо было создать тяжелый КА, имеющий на борту все традиционные элементы — системы ориентации и орбитального маневрирования на гидразиновых ЖРД, мощные солнечные батареи и телеметрию, системы причаливания к полезной нагрузке и заправки, ксеноновые баки и наконец заставить это все работать 10 лет в радиационных условиях. Еще более специфическими элементами должны были стать:
— раскладывающиеся фермы для выноса ЯЭУ от тела КА, с удлинением в космосе в 2,5 раза, с 20 до 54 метров;
— раздвигающиеся трубопроводы теплоносителя их герметизация — все это должно безотказно работать в условиях вакуума и радиации;
— раскладывающиеся панели ХИ площадью в сотни квадратных метров;
— высоковольные линии запитки ЭРД;
— раскладывающиеся крылья, несущие ЭРД и холодильники-излучатели.
Эскизный проект ТЭМ в представлении РКК-Энергия
Все это великолепие требовалось упихать в максимальные 22 тонны, которые способна выводить РН «Ангара-5». Фактически, сразу после выдачи эскиза будущего ТЭМ РКК «Энергия» начинает усиленно отгребать от проекта ТЭМ, скинув часть задач на ГКНПЦ им. Хруничева, а часть — на КБ Арсенал — создателей КА «УС-А» и «Плазма-А». Представители РКК начинает рассказывать в интервью, что буксиры на базе СБ не так и плохи. Арсенал, в свою очередь сдувает пыль со своих проектов буксиров с 300-500 кВт термоэмиссионной ЯЭУ.
Разрез реактора ТЭМ в версии технического проекта. (с) НИКИЭТ
В конце 2014 года сложная ситуация с проектом выливается в его секвестирование в рамках Федеральной космической программы на «2016-2025». В ней остается финансирование на НИР, причем в основном по линии, где есть какие-то результаты — собственно ядерный реактор и турбомашинные преобразователи. Космический запуск ТЭМ убирается из планов, и мы видим, как будущее, в котором у человечества появляются новые инструменты для освоения космоса тает, как на фотографиях в «Назад в будущее». В очередной раз, как в случае с «Геркулесом» или JIMO человечество откатывается назад, не в силах преодолеть технический барьер на пути к созданию мощных космических реакторов.

Транспортно-энергетический модуль

Важной проблемой космических перелетов является необходимость постоянно затрачивать топливо для изменения скорости движения. Современные космические аппараты используют два типа двигательных систем. Классические химические реактивные двигатели позволяют быстро ускоряться, но требуют большого количества топлива и этим сильно ограничивают максимальную скорость. Поэтому двигатели включаются только для коррекции курса, а для значительного ускорения аппаратов, отправляющихся к планетам гигантам, приходится использовать уловки вроде гравитационных маневров у планет. Второй вариант — электрореактивные двигатели. Они могут быть ионными либо плазменными, однако суть одна. Такие двигатели имеют очень маленькую тягу и большое энергопотребление, однако используют относительно небольшое количество топлива. Ионные двигатели уже устанавливались на некоторых научно-исследовательских автоматических станциях, таких как Deep Space 1 или Dawn.

Электрореактивные двигатели удобны для дальних экспедиций тем, что позволяют увеличивать скорость в течение всего полета. Однако из-за малой тяги для существенного приращения скорости тяжелого аппарата потребуется установить на него много двигателей, а много двигателей потребуют много, очень много электроэнергии. Так и родилась идея транспортно-энергетического модуля — специального буксира, который мог бы стыковаться с полезным грузом и перемещать его в пространстве. Такой модуль можно использовать для транзита спутников с низкой орбиты на геостационарную, для доставки тяжелых исследовательских станций к планетам-гигантам и, наконец, для отправки пилотируемых экспедиций в дальний космос.

Есть две концепции электрореактивного буксира. НАСА до конца 2014 года планирует определиться с архитектурой Solar Electric Propulsion (SEP). Согласно «дорожной карте» (уточненные планы) американского космического агентства, подобный модуль, использующий гигантские солнечные батареи, будет иметь мощность 50 кВт на первом этапе в начале 2020-х годов. SEP планируется использовать в качестве транспортного модуля автоматической миссии ARM по захвату и доставке на орбиту Луны астероида. Ее запуск запланирован на декабрь 2019 года. К концу 2020 должен появиться гибридный электрореактивно-химический буксир первого этапа. Его электрическая мощность составит 190 кВт (150 кВт на двигательную систему). Химические двигатели будут использоваться для торможения. Наконец, в ходе экспедиции к Марсу в 2030-х годах планируется использовать гибридный буксир второго этапа с мощностью солнечных батарей от 250 до 400 кВт и с уровнем энергоснабжения электрореактивной двигательной установки от 150 до 200 кВт. В качестве топлива ЭРДУ будут использоваться 16 тонн ксенона. Очевидным недостатком модуля на солнечных батареях является невозможность использовать его у планет-гигантов, поскольку уже на орбите Юпитера энергия солнечного излучения падает почти в 30 раз. По всей видимости, на SEP будут установлены рекордно мощные ионные двигатели наподобие NEXT. В декабре 2009 года завершились испытанния таких двигателей, в ходе которых они непрерывно работали в течение 5,5 лет.

Описание

В России с 2011 года ведется работа над ядерной электрореактивной двигательной установкой. В качестве источника энергии ЯРДУ будет использован реактор разработки Исследовательского центра им. Келдыша.

По неофициальным свидетельствам, проблемы возникли в процессе разработки «космической» части проекта и были связаны в первую очередь с отсутствием необходимой компонентной базы. Созданием двигательной системы, в которой должны быть использованы ионные двигатели ИД-ВМ с тягой 725 мН и удельным импульсом 7000 с, изначально занималась РКК «Энергия». Она же была головным разработчиком проекта на первом этапе его развития. Позднее, уже в ГКНПЦ им. Хруничева, буксир уже претерпел существенные изменения. Мощность энергоустановки была уменьшена с 1 МВт до 500 кВт (за вычетом питания собственно борта). Сам буксир уменьшился в размерах и по массе. Разработчики отказались от планов вывести его в космос отдельными пуском.

Из Центра им. Хруничева проект передали санкт-петербургскому машиностроительному заводу «Арсенал», который не имеет опыта работы с турбомашинным преобразованием энергии в реакторе. Инженеры «Арсенала» заменили турбину на термоионный преобразователь, в результате чего значительно снизилась выдаваемая полезная электрическая мощность. Фактически, сейчас аппарат не представляет интереса в качестве транспортного буксира. В таком виде он в новую Федеральную космическую программу и не попал. Теперь предполагается отрабатывать ядерный реактор в качестве источника питания для космических аппаратов на высокой орбите Земли.

Сейчас он должен выводиться в космос вместе со спутником. Аппарат будет отвечать за доставку спутника на рабочую орбиту и снабжение его энергией. И даже после такого упрощения в проекте российского транспортно-энергетического модуля осталось множество нерешенных технических проблем. Стоит отметить, что объективным недостатком ядерного буксира является маленький срок эксплуатации. Для российского буксира он, согласно техническому заданию, составляет 10 лет, однако ситуация с ресурсом ЯРДУ требует прояснения.

Замечание

В нынешнем виде российский ТЭМ выродился в одноразовый энергетический космический аппарат прикладного назначения. Использовать его в пилотируемых полетах или для отправки межпланетных станций в многолетние миссии не представляется возможным.

Новости

Макет ядерного буксира был представлен на выставке МАКС-2013 (фото). Планируется, что наземные испытания прототипа реактора начнутся в 2018 году.

В конце июня 2014 года на конференции по случаю 60-летнего юбилея пуска Обнинской АЭС глава Научно-исследовательского и конструкторского института электротехники им. Доллежаля (НИКИЭТ) Юрий Драгунов рассказал, что его предприятие проводит испытания системы управления реактором ядерной энергодвигательной установки. По его словам, работа идет по графику. На данный момент полностью испытан регулирующий орган реактора, продолжаются испытания тепловыделяющих элементов. Ядерная электродвигательная установка должна быть готова в 2018 году.

На круглом столе «Освоение ближайших планет Солнечной системы на примере поверхности Луны» в ИТАР-ТАСС 10 октября 2014 года подтвердилось, что проектная мощность буксира снижена до 550 кВт при кампании 1 год. В первом же образце будет использоваться машинное преобразование энергии, а не термоэмиссионное.

На октябрьской (2014) конференции в НИКИЭТ им. Доллежаля было объявлено, что планируемая маневренность мощности буксира составляет 1% в секунду в диапазоне 10-100%. В 2016 году возможен запуск опытного блока на стенде.

24 апреля 2015 года некоторые информационные агентства, имеющие возможность изучить новый проект Федеральной космической программы, сообщили, что Роскосмос намерен прекратить финансирование разработки ядерной электрореактивной двигательной установки. Эти заявление были опровергнуты представителем Роскосмоса. В действительности финансирование соответствующих опытно-конструкторских работ в ФКП 2016-2025 продолжится, хотя и будет сокращено. До конца 2025 года возможен запуск испытательных образцов ядерной двигательной установки и электрореактивной двигательной системы, но ядерный транспортный буксир, каким он должен был стать по первоначальной задумке, в ближайшей перспективе не появится.

Космический ядерный буксир. ТЭМ на МАКС-2019

В нашей стране продолжается разработка транспортно-энергетического модуля ТЭМ с ядерной энергодвигательной установкой мегаваттного класса (ЯЭДУ). Появление такого образца, пригодного для эксплуатации, окажет серьезное влияние на дальнейшее развитие отечественной и мировой космонавтики. Пока же ТЭМ находится на стадии проектных работ, и недавно общественности вновь показали макет такого изделия в его актуальном виде.

Новый макет ТЭМ на МАКС-2019. Фото РИА Новости / ria.ru

Экспонат МАКС-2019

В последние годы неоднократно публиковались различные материалы по ТЭМ и ЯЭДУ для него. Среди прочего, разработчики показывали рисунки с возможным обликом такого образца. В конце августа в рамках салона МАКС-2019 состоялась первая демонстрация нового макета ТЭМ, отражающего нынешние взгляды на этот проект. Макет присутствовал в павильоне «Роскосмоса» на стенде КБ «Арсенал».
Нынешний вариант облика ТЭМ заметно отличается от демонстрировавшихся ранее версий, но сохраняет определенные их черты. В частности, сохранены общие положения компоновки агрегатов и подходы к конструированию. При этом присутствует ряд характерных отличий.
Наиболее крупным элементом макетного модуля является телескопическая четырехсекционная ферма круглого сечения, являющаяся основой для монтажа агрегатов. Ее головная часть оснащена конической фермой и закрытым отсеком. На боках фермы закреплены шесть панелей системы охлаждения. Хвостовой отсек ТЭМ выполнен в виде закрытого прямоугольного корпуса. Спереди на нем закреплена основная ферма, на бортах – солнечные батареи. В корпусе помещаются ракетный двигатель нового типа и другие агрегаты.

Новое и старое

Ранее в публикациях на тему ТЭМ и ЯЭДУ фигурировали изображения с техникой иного облика. Согласно одной из поздних версий проекта, в основе транспортно-энергетического модуля должна лежать продольная раздвижная ферма квадратного сечения и большого удлинения, облегчающая вывод изделия на орбиту. В ее головной части помещается отсек с реактором, в хвостовом – электроракетный двигатель и другие системы, размещенные на раскрываемых опорах. Вдоль несущей фермы планировалось разместить средства охлаждения.

Макет от КБ «Арсенал» имеет ряд характерных черт и отличается от более старых изображений. В первую очередь, его отличают конструкция основной фермы и компоновка агрегатов. Для нового варианта ТЭМ характерна более массивная несущая ферма иной конструкции. Также он лишился Х-образных хвостовых балок, раскрываемых в полете и несущих часть приборов.
Конструкция макета позволяет предполагать изменение компоновки. Возможно, теперь крупный хвостовой корпус вмещает не только электроракетный двигатель, но и ядерный реактор с сопутствующими системами. В таком случае головной корпус меньших размеров может использоваться для размещения систем управления или иной аппаратуры.
На разных схемах ранее фигурировали отличающиеся конфигурации систем охлаждения. То же относится и к новому макету. На этот раз для излучения излишнего тепла в пространство предлагается использовать шесть панелей-излучателей, установленных вдоль фермы в виде трех параллельных «плоскостей». Ранее предлагались иные конфигурации охладителей, в т.ч. агрегаты большей площади, занимавшие едва ли не всю длину несущей фермы.
В ноябре прошлого года телестудия «Роскосмоса» опубликовала ролик, показывавший возможный облик будущего ТЭМ с ЯЭДУ. Такой вариант модуля серьезно отличался от демонстрировавшихся ранее. При сохранении линейной архитектуры на основе раздвижной фермы такой ТЭМ должен был иметь хвостовые агрегаты, выполненные в виде незамкнутого цилиндра. В таком виде следовало выполнить силовую установку, охлаждение и т.д.
Ранний вариант компоновки ТЭМ. Рисунок РКК «Энергия» / kosmolenta.com
Нетрудно заметить, что нынешний макет ТЭМ отличается и от «прошлогодней» версии облика. При этом по своему виду и конструкции он гораздо ближе более ранним версиям проекта.

Технические задачи

Проект ТЭМ отличается высочайшей технической сложностью и для его успешной реализации необходимо решить массу особых задач. Для создания такого модуля нужны новые конструкции узлов и агрегатов, новые технологии и материалы с особыми характеристиками. Необходимость решения всех этих задач привела к тому, что разработка ЯЭДУ и ТЭМ ведется целым рядом предприятий из состава «Роскосмоса» и «Росатома».
В разное время в публикуемых материалах присутствовали отличающиеся варианты ТЭМ, и причиной этого можно считать именно общую сложность проекта. Успехи в поиске решений тех или иных задач приводил к соответствующим изменениям общего облика модуля. Соответственно, последний на данный момент макет ТЭМ от КБ «Арсенал» показывает нынешние взгляды на проект.
По известным данным, в качестве основы для ЯЭДУ выбран газоохлаждаемый ядерный реактор на быстрых нейтронах. В первом контуре системы охлаждения будет применена гелий-ксеноновая смесь. В активную зону поместят топливо с повышенной степенью обогащения. Температура активной зоны будет достигать 1500°K. Планируется обеспечить высочайший ресурс конструкции, позволяющий эксплуатировать ТЭМ в течение 10-12 лет.
Ядерные энергоустановки такого рода и с такими характеристиками пока не создавались и не эксплуатировались. Для строительства подобной конструкции необходимы материалы с высокой стойкостью к тепловым и механическим нагрузкам. Также необходимо отработать саму конструкцию, чтобы при требуемой мощности она имела приемлемые габариты и массу.
Имеются сложности в сфере систем охлаждения. ЯЭДУ мегаваттного класса должна рассеивать в пространство сопоставимые объемы тепловой энергии. Современные радиаторы для космической техники пока не могут похвастать такими характеристиками. Так, система охлаждения МКС сбрасывает в пространство ок. 70 кВт тепловой энергии – это в разы меньше необходимого для ЯЭДУ и ТЭМ.
Прорабатываются разные варианты охладителей для ТЭМ, что отражается на рисунках и при сборке макетов. По-видимому, набор плоских радиаторов на макете от «Арсенала» на данный момент считается наиболее выгодной конструкцией с оптимальными характеристиками. Впрочем, вполне возможно, что и эта система не будет окончательным вариантом.
При всех сложностях, в рамках проекта ТЭМ достигнуты заметные успехи. Так, несколько лет назад начались испытания электроракетного двигателя ИД-500, созданного специально для будущей ЯЭДУ. В 2017 г. такое изделие проработало на стенде 300 часов, показав мощность 35 кВт.
ТЭМ образца 2018 г. Кадр из видео телестудии «Роскосмоса»
Регулярно выполняются сборка и испытания отдельных компонентов ЯЭДУ и ТЭМ. К примеру, в прошлом году прошли испытания макетного образца капельной системы охлаждения. Отрабатываются другие компоненты реактора, вспомогательных систем и транспортно-энергетического модуля в целом.

Транспорт отдаленного будущего

Целью нынешних проектов ЯЭДУ и ТЭМ является создание перспективного комплекса, способного обеспечить решение новых задач в космическом пространстве. Транспортно-энергетический модуль с реактором и электроракетным двигателем будет иметь важные преимущества перед ракетными системами традиционных конструкций и позволит успешно организовывать новые миссии.
Главной сферой применения ТЭМ считают полеты к другим небесным телам. ЯЭДУ показывает высочайшую эффективность по топливу и имеет уникальный удельный импульс, что упрощает полеты к Луне или Марсу. Также появляется возможность увеличить полезную нагрузку в сравнении с нынешними ракетно-космическими системами. Важной особенностью ТЭМ является возможность энергоснабжения нагрузки за счет штатных средств модуля.
Однако получение таких результатов возможно лишь в отдаленном будущем. Согласно актуальным планам, летные испытания ТЭМ в полной комплектации начнутся не ранее конца двадцатых годов. Запуск эксплуатации и привлечение модуля к реальной работе возможны только в начале тридцатых.
Работы по ТЭМ будут продолжаться еще несколько лет, и за это время проект может претерпеть заметные изменения. В связи с этим можно предположить, что макет модуля для МАКС-2019 вскоре перестанет отражать реальный облик создаваемого изделия. Однако изменение взглядов на конструкцию и ее элементы приведет к появлению новых демонстрационных материалов – уже на следующих выставках.