Ядерные ракетные двигатели и ядерные ракетные электродвигательные установки

Ядерные ракетные двигатели и ядерные ракетные электродвигательные установки

Часто в общеобразовательных публикациях о космонавтике не различают разницу между ядерным ракетным двигателем (ЯРД) и ядерной ракетной электродвигательной установкой (ЯЭДУ). Однако под этими аббревиатурами скрывается не только разница в принципах преобразования ядерной энергии в силу тяги ракеты, но и весьма драматичная история развития космонавтики.

Драматизм истории состоит в том, что если бы остановленные главным образом по экономическим причинам исследования ЯДУ и ЯЭДУ как в СССР, так и в США продолжились, то полёты человека на марс давно бы уже стали обыденным делом.

Всё начиналось с атмосферных летательных аппаратов с прямоточным ядерным двигателем

Конструкторы в США и СССР рассматривали «дышащие» ядерные установки, способные втягивать забортный воздух и разогревать его до колоссальных температур. Вероятно, этот принцип образования тяги был заимствован от прямоточных воздушно-реактивных двигателей, только вместо ракетного топлива использовалась энергия деления атомных ядер диоксида урана 235.

В США такой двигатель разрабатывался в рамках проекта Pluto[1]. Американцы сумели создать два прототипа нового двигателя — Tory-IIA и Tory-IIC, на которых даже производились включения реакторов. Мощность установки должна была составить 600 мегаватт.

Двигатели, разработанные в рамках проекта Pluto, планировалось устанавливать на крылатые ракеты, которые в 1950-х годах создавались под обозначением SLAM (Supersonic Low Altitude Missile, сверхзвуковая маловысотная ракета).

В США планировали построить ракету длинной 26,8 метра, диаметром три метра, и массой в 28 тонн. В корпусе ракеты должен был располагаться ядерный боезаряд, а также ядерная двигательная установка, имеющая длину 1,6 метра и диаметр 1,5 метра. На фоне других размеров установка выглядела весьма компактной, что и объясняет её прямоточный принцип работы.

Разработчики полагали, что, благодаря ядерному двигателю, дальность полета ракеты SLAM составит, по меньшей мере, 182 тысячи километров.

В 1964 году министерство обороны США проект закрыло. Официальной причиной послужило то, что в полете крылатая ракета с ядерным двигателем слишком сильно загрязняет все вокруг. Но на самом деле причина состояла в значительных затратах на обслуживание таких ракет, тем более к тому времени бурно развивалось ракетостроение на основе жидкостных реактивных ракетных двигателей, обслуживание которых было значительно дешевле.

СССР оставалась верной идеи создания ЯРД прямоточной конструкции значительно дольше, чем США, закрыв проект только в 1985 году [2]. Но и результаты получились значительно весомее. Так, первый и единственный советский ядерный ракетный двигатель был разработан в конструкторском бюро «Химавтоматика», Воронеж. Это РД-0410 (Индекс ГРАУ — 11Б91, известен также как «Ирбит» и «ИР-100»).

В РД-0410 был применён гетерогенный реактор на тепловых нейтронах, замедлителем служил гидрид циркония, отражатели нейтронов — из бериллия, ядерное топливо — материал на основе карбидов урана и вольфрама, с обогащением по изотопу 235 около 80 %.

Конструкция включала в себя 37 тепловыделяющих сборок, покрытых теплоизоляцией, отделявшей их от замедлителя. Проектом предусматривалось, что поток водорода вначале проходил через отражатель и замедлитель, поддерживая их температуру на уровне комнатной, а затем поступал в активную зону, где охлаждал тепловыделяющие сборки, нагреваясь при этом до 3100 К. На стенде отражатель и замедлитель охлаждались отдельным потоком водорода.

Реактор прошёл значительную серию испытаний, но ни разу не испытывался на полную длительность работы. Однако, вне реакторные узлы были отработаны полностью.

Технические характеристики РД 0410

Тяга в пустоте: 3,59 тс (35,2 кН)
Тепловая мощность реактора: 196 МВт
Удельный импульс тяги в пустоте: 910 кгс·с/кг (8927 м/с)
Число включений: 10
Ресурс работы: 1 час
Компоненты топлива: рабочее тело — жидкий водород, вспомогательное вещество — гептан
Масса с радиационной защитой: 2 тонны
Габариты двигателя: высота 3,5 м, диаметр 1,6 м.

Относительно небольшие габаритные размеры и вес, высокая температура ядерного топлива (3100 K) при эффективной системе охлаждения потоком водорода свидетельствует от том, что РД0410 является почти идеальным прототипом ЯРД для современных крылатых ракет. А, учитывая современные технологии получения самоостанавливающегося ядерного топлива, увеличение ресурса с часа до нескольких часов является вполне реальной задачей.

Конструкции ядерных ракетных двигателей

Ядерный ракетный двигатель (ЯРД) — реактивный двигатель, в котором энергия, возникающая при ядерной реакции распада или синтеза, нагревает рабочее тело (чаще всего, водород или аммиак)[3].

Существует три типа ЯРД по виду топлива для реактора:

• твердофазный;
• жидкофазный;
• газофазный.

Наиболее законченным является твердофазный вариант двигателя. На рисунке изображена схема простейшего ЯРД с реактором на твердом ядерном горючем. Рабочее тело располагается во внешнем баке. С помощью насоса оно подается в камеру двигателя. В камере рабочее тело распыляется с помощью форсунок и вступает в контакт с тепловыделяющим ядерным топливом. Нагреваясь, оно расширяется и с огромной скоростью вылетает из камеры через сопло.

В газофазных ЯРД топливо (например, уран) и рабочее тело находится в газообразном состоянии (в виде плазмы) и удерживается в рабочей зоне электромагнитным полем. Нагретая до десятков тысяч градусов урановая плазма передает тепло рабочему телу (например, водороду), которое, в свою очередь, будучи нагретым до высоких температур и образует реактивную струю.

По типу ядерной реакции различают радиоизотопный ракетный двигатель, термоядерный ракетный двигатель и собственно ядерный двигатель (используется энергия деления ядер).

Интересным вариантом также является импульсный ЯРД — в качестве источника энергии (горючего) предлагается использовать ядерный заряд. Такие установки могут быть внутреннего и внешнего типов.

Основными преимуществами ЯРД являются:

• высокий удельный импульс;
• значительный энергозапас;
• компактность двигательной установки;
• возможность получения очень большой тяги — десятки, сотни и тысячи тонн в вакууме.

Основным недостатком является высокая радиационная опасность двигательной установки:

• потоки проникающей радиации (гамма-излучение, нейтроны) при ядерных реакциях;
• вынос высокорадиоактивных соединений урана и его сплавов;
• истечение радиоактивных газов с рабочим телом.

Ядерная энергодвигательная установка

Учитывая, что какую-либо достоверную информацию о ЯЭДУ по публикациям, в том числе и из научных статей, получить невозможно, принцип работы таких установок лучше всего рассматривать на примерах открытых патентных материалов, хотя и содержащих ноу-хау.

Так, например, выдающимся российским учёным Коротеевым Анатолием Сазоновичем, автором изобретения по патенту [4], приведено техническое решение по составу оборудования для современной ЯРДУ. Далее привожу часть указанного патентного документа дословно и без комментариев.

Сущность предлагаемого технического решения поясняется схемой, представленной на чертеже. ЯЭДУ, функционирующая в двигательно-энергетическом режиме, содержит электроракетную двигательную установку (ЭРДУ) (на схеме для примера представлено два электроракетных двигателя 1 и 2 с соответствующими системами подачи 3 и 4), реакторную установку 5, турбину 6, компрессор 7, генератор 8, теплообменник-рекуператор 9, вихревую трубку Ранка-Хильша 10, холодильник-излучатель 11. При этом турбина 6, компрессор 7 и генератор 8 объединены в единый агрегат — турбогенератор-компрессор. ЯЭДУ оснащена трубопроводами 12 рабочего тела и электрическими линиями 13, соединяющими генератор 8 и ЭРДУ. Теплообменник-рекуператор 9 имеет так называемые высокотемпературный 14 и низкотемпературный 15 входы рабочего тела, а также высокотемпературный 16 и низкотемпературный 17 выходы рабочего тела.

Выход реакторной установки 5 соединен со входом турбины 6, выход турбины 6 соединен с высокотемпературным входом 14 теплообменника-рекуператора 9. Низкотемпературный выход 15 теплообменника-рекуператора 9 соединен со входом в вихревую трубку Ранка-Хильша 10. Вихревая трубка Ранка-Хильша 10 имеет два выхода, один из которых (по «горячему» рабочему телу) соединен с холодильником-излучателем 11, а другой (по «холодному» рабочему телу) соединен со входом компрессора 7. Выход холодильника-излучателя 11 также соединен со входом в компрессор 7. Выход компрессора 7 соединен с низкотемпературным 15 входом в теплообменник-рекуператор 9. Высокотемпературный выход 16 теплообменника-рекуператора 9 соединен со входом в реакторную установку 5. Таким образом, основные элементы ЯЭДУ связаны между собой единым контуром рабочего тела.

ЯЭДУ работает следующим образом. Нагретое в реакторной установке 5 рабочее тело направляется на турбину 6, которая обеспечивает работу компрессора 7 и генератора 8 турбогенератора-компрессора. Генератор 8 производит генерацию электрической энергии, которая по электрическим линиям 13 направляется к электроракетным двигателям 1 и 2 и их системам подачи 3 и 4, обеспечивая их работу. После выхода из турбины 6 рабочее тело направляется через высокотемпературный вход 14 в теплообменник-рекуператор 9, где осуществляется частичное охлаждение рабочего тела.

Затем, из низкотемпературного выхода 17 теплообменника-рекуператора 9 рабочее тело направляется в вихревую трубку Ранка-Хильша 10, внутри которой происходит разделение потока рабочего тела на «горячую» и «холодную» составляющие. «Горячая» часть рабочего тела далее следует в холодильник-излучатель 11, где происходит эффективное охлаждение этой части рабочего тела. «Холодная» часть рабочего тела следует на вход в компрессор 7, туда же следует после охлаждения часть рабочего тела, выходящая из холодильника-излучателя 11.

Компрессор 7 производит подачу охлажденного рабочего тела в теплообменник-рекуператор 9 через низкотемпературный вход 15. Это охлажденное рабочее тело в теплообменнике-рекуператоре 9 обеспечивает частичное охлаждение встречного потока рабочего тела, поступающего в теплообменник-рекуператор 9 из турбины 6 через высокотемпературный вход 14. Далее, частично подогретое рабочее тело (за счет теплообмена с встречным потоком рабочего тела из турбины 6) из теплообменника-рекуператора 9 через высокотемпературный выход 16 вновь поступает к реакторной установке 5, цикл вновь повторяется.

Таким образом, находящееся в замкнутом контуре единое рабочее тело обеспечивает непрерывную работу ЯЭДУ, причем использование в составе ЯЭДУ вихревой трубки Ранка-Хильша в соответствии с заявляемым техническим решением обеспечивает улучшение массогабаритных характеристик ЯЭДУ, повышает надежность ее работы, упрощает ее конструктивную схему и дает возможность повысить эффективность ЯЭДУ в целом.

Ядерный реактивный двигатель

Я́дерный раке́тный дви́гатель (ЯРД) — разновидность ракетного двигателя, которая использует энергию деления или синтеза ядер для создания реактивной тяги. Бывают собственно реактивными (нагрев рабочего тела в ядерном реакторе и вывод газа через сопло) и импульсными (ядерные взрывы малой мощности при равном промежутке времени).

Традиционный ЯРД в целом представляет собой конструкцию из ядерного реактора и собственно двигателя. Рабочее тело (чаще — аммиак или водород) подаётся из бака в активную зону реактора где, проходя через нагретые реакцией ядерного распада каналы, разогревается до высоких температур и затем выбрасывается через сопло, создавая реактивную тягу. Существуют различные конструкции ЯРД — твердофазный, жидкофазный и газофазный, соответственно агрегатному состоянию ядерного топлива в активной зоне реактора — твёрдое, расплав или высокотемпературный газ (либо плазма). ЯРД активно разрабатывались и испытывались в СССР и США с середины 1950-х годов. Исследования ведутся и в настоящее время.

Ядерный импульсный двигатель

Исследовались также импульсные ядерные ракетные двигатели. Ими занимались и в США и, позднее, в СССР.

Например, в США известен проект «Orion» в 1958 году фирмы «Дженерал Атомикс» (англ. «General Atomics» ).

Атомные заряды мощностью примерно в 1 килотонну на этапе взлёта должны были взрываться со скоростью один заряд в секунду. Ударная волна — расширяющееся плазменное облако — должна была приниматься «толкателем»- мощным металлическим диском с теплозащитным покрытием, и, потом, отразившись от него, создать реактивную тягу. Импульс, принятый плитой толкателя, через элементы конструкции передавался собственно кораблю. Затем, когда высота и скорость вырастут, частоту взрывов можно было уменьшить. При взлёте корабль должен был лететь строго вертикально, чтобы минимизировать площадь радиоактивного загрязнения атмосферы.

Программа развития проекта «Orion» была рассчитана на 12 лет, расчётная стоимость — 24 миллиарда долларов, что было сопоставимо с запланированными расходами на лунную программу «Аполлон» («Apollo»). Интересно, что разработчики предполагали на базе этого корабля построить самый настоящий звездолёт массой в 500 000 т. Согласно их расчётам, ядерно-импульсный звездолёт достиг бы Альфы Центавра за 130 лет. Однако приоритеты изменились. В дальнейшем финансировании проекта было отказано.

В СССР аналогичный проект разрабатывался в 1950-70-х годах (см. РД-0410).

Устройство содержало дополнительные химические реактивные двигатели, выводящие его на 30-40 км от поверхности Земли и затем предполагалось включать основной ядерно-импульсный двигатель. Основной проблемой была прочность экрана-толкателя, который не выдерживал огромных тепловых нагрузок от близких ядерных взрывов. Вместе с тем были предложены несколько технических решений, позволяющих разработать конструкцию плиты-толкателя с достаточным ресурсом. Проект не был завершён.

В США были проведены несколько испытаний модели летательного аппарата с импульсным приводом (для взрывов использовалась обычная химическая взрывчатка). Получены положительные результаты о принципиальной возможности управляемого полёта аппарата с импульсным двигателем.

Реальных испытаний импульсного ЯРД с подрывом ядерных устройств не проводилось. Дальнейшие практические разработки в области импульсных ЯРД были прекращены в конце 1960-х гг.

Новое супероружие России: что такое ядерный ракетный двигатель

Заявление, сделанное Владимиром Путиным в ходе своего послания Федеральному собранию, о наличии в России крылатой ракеты, приводимой в движение двигателем на ядерной тяге, вызвало бурный ажиотаж в обществе и СМИ. В то же время о том, что представляет собой такой двигатель, и о возможностях его использования до последнего времени было известно достаточно мало, как широкой общественности, так и специалистам.

«Ридус» попытался разобраться, о каком техническом устройстве мог вести речь президент и в чем состоит его уникальность.

Учитывая, что презентация в Манеже делалась не на аудиторию технических специалистов, а для «общей» публики, ее авторы могли допустить определенную подмену понятий, не исключает заместитель директора Института ядерной физики и технологий НИЯУ МИФИ Георгий Тихомиров.

«То, что говорил и показывал президент, специалисты называют компактными силовыми установками, эксперименты с которыми проводились изначально в авиации, а затем при освоении дальнего космоса. Это были попытки решить неразрешимую проблему достаточного запаса топлива при перелетах на неограниченные дальности. В этом смысле презентация совершенно корректна: наличие такого двигателя обеспечивает энергоснабжение систем ракеты или любого иного аппарата сколь угодно долгое время», — сказал он «Ридусу».

Работы с таким двигателем в СССР начались ровно 60 лет назад под руководством академиков М. Келдыша, И. Курчатова и С. Королева. В те же самые годы аналогичные работы велись в США, но были свернуты в 1965 году. В СССР работы продолжались еще около десятилетия, прежде чем тоже были признаны неактуальными. Возможно, поэтому в Вашингтоне не сильно передернули, заявив, что не удивлены презентацией российской ракеты.

В России идея ядерного двигателя никогда не умирала — в частности, с 2009 года ведется практическая разработка такой установки. Судя по срокам, заявленные президентом испытания вполне укладываются именно в этот совместный проект Роскосмоса и Росатома — поскольку разработчики и планировали провести полевые испытания двигателя в 2018 году. Возможно, в связи с политическими причинами они чуть поднатужились и сдвинули сроки «влево».

«Технологически это устроено так, что ядерный энергоблок нагревает газовый теплоноситель. И этот разогретый газ либо вращает турбину, либо создает реактивную тягу напрямую. Определенное лукавство в презентации ракеты, которую мы услышали, состоит в том, что дальность ее полета все-таки не бесконечна: она ограничена объемом рабочего тела — жидкого газа, который физически можно закачать в баки ракеты», — говорит специалист.

При этом у космической ракеты и крылатой ракеты принципиально разные схемы управления полетом, поскольку у них разные задачи. Первая летит в безвоздушном пространстве, ей не надо маневрировать, — достаточно придать ей первоначальный импульс, и далее она движется по расчетной баллистической траектории.

Крылатая же ракета, наоборот, должна непрерывно менять траекторию, для чего у нее должен быть достаточный запас топлива, чтобы создавать импульсы. Будет ли это топливо воспламеняться ядерной энергоустановкой или традиционной — в данном случае не принципиально. Принципиален только запас этого топлива, подчеркивает Тихомиров.

«Смысл ядерной установки при полетах в дальний космос — это наличие на борту источника энергии для питания систем аппарата неограниченно долгое время. При этом может быть не только ядерный реактор, но и радиоизотопные термоэлектрические генераторы. А смысл такой установки на ракете, полет которой не будет продолжаться долее нескольких десятков минут, мне пока не вполне ясен», — признаётся физик.

Доклад в Манеже лишь на пару недель запоздал по сравнению с заявлением NASA, сделанным 15 февраля, о том, что американцы возобновляют научно-исследовательские работы по ядерному ракетному двигателю, заброшенные ими полвека назад.

Кстати, в ноябре 2017 года уже и Китайская корпорация аэрокосмической науки и техники (CASC) сообщила, что до 2045 года в КНР будет создан космический корабль на ядерном двигателе. Поэтому сегодня можно смело говорить о том, что мировая ядерно-двигательная гонка началась.

Буксир для космоса

За таким буксиром прижилось название «Зевс», а энергетический модуль и связанные с ним ОКР решено называть «Нуклон».

Подробности, что были озвучены в публичной презентации исполнительного директора Роскосмоса по перспективным программам и науке Александра Блошенко, позволяют оценить, насколько продвинулись российские ученые и конструкторы в амбициозном проекте, стартовавшем более десяти лет назад.

Напомним: еще в 2010 году правительство России выделило первые 500 миллионов рублей на создание «космического корабля с атомным реактором». А точнее — транспортно-энергетического модуля (ТЭМ) с ядерной энергодвигательной установкой мегаваттной мощности. Такой, чтобы могла служить тяговым (или разгонным) двигателем в полете и быть при необходимости источником энергии для орбитальной станции или посадочного модуля.

К решению этой задачи официально подключились государственная корпорация «Росатом» и Федеральное космическое агентство (ныне — ГК «Роскосмос»). Как считали тогда и считают сегодня, такие двигатели, особым образом сконструированные для работы в условиях невесомости, неизбежно потребуются для длительных космических миссий — межпланетных полетов, долговременных станций на земной и лунной орбитах, а в перспективе — для стационарных баз на Луне и других объектах Солнечной системы.

Десять лет назад за создание общей концепции ТЭМ взялись специалисты Центра имени Келдыша (Роскосмос), а ядерную установку для него стали проектировать в московском НИКИЭТ (Росатом) с участием подмосковного НПО «Луч», где занялись разработкой особых видов ядерного топлива. Весь проект, рассчитанный на 9 лет, предусматривал финансирование в объеме 17 миллиардов рублей. К 2012 году обещали эскизный проект, а дальше — техническое проектирование и моделирование всей системы на суперкомпьютерах. Отработка ядерного реактора как двигательной установки для ТЭМ — 2015 год.

Время от времени в печати проскальзывали отрывочные сведения о состоянии работ, а потом под предлогом режима секретности и они перестали появляться.

Вновь об этой теме заговорили на уровне первых лиц Роскосмоса и Росатома летом-осенью 2020 года. И тогда же стало известно, что к проекту активным образом подключилось конструкторское бюро «Арсенал», расположенное в Петербурге и располагающее своей производственной базой.

Это КБ известно пилотными разработками в области космической техники с конца 60-х годов прошлого века.

Отметим, что именно в «Арсенале» созданы космические аппараты радиолокационной разведки «УС-А» с ядерной энергоустановкой. Их летно-конструкторские испытания начались в 1973 году, а в 1975-м они приняты в эксплуатацию.

Эта и другие успешно выполненные работы дали основание закрепить за КБ «Арсенал» статус головного предприятия по созданию космических комплексов наблюдения.

А в декабре 2020 года, как стало известно, с «Арсеналом» заключен контракт на участие в проекте «Зевс-Нуклон». По сведениям из неофициальных источников, контракт оценен в 4,2 миллиарда рублей и предусматривает создание аванпроекта, в котором должны быть учтены-интегрированы все наиболее значимые наработки, полученные в организациях Росатома и в Роскосмосе с 2010 года в рамках общего проекта. Оговорено, что указанные в контракте работы предстоит завершить к июлю 2024-го.

Тема ядерной энергетики для освоения космического пространства была обсуждаемой и на совещании с участием президента России, которое прошло в Самаре в знаковый день 60-летия первого полета в космос. По словам Дмитрия Рогозина, «президент очень внимательно заслушал, что у нас наработано и Центром Келдыша, и конструкторским бюро «Арсенал». Главе государства сообщили, что некоторые элементы ядерного буксира уже существуют «в железе».

А в презентации исполнительного директора по перспективным программам и науке Госкорпорации «Роскосмос» Александра Блошенко были представлены два варианта космических аппаратов с ядерным тягачом-буксиром: один — с роторным магнитоплазменным двигателем, другой — с ионными двигателями. Летом 2020-го сообщалось, что в Центре Келдыша «успешно проведены огневые стыковочные испытания нового ионного двигателя ИД-200 КР мощностью до 3 кВт с удельным импульсом тяги до 4500 секунд».

Как пояснили участники этих испытаний, ионный двигатель — одна из разновидностей электрических ракетных двигателей. Принцип его работы основан на создании реактивной тяги с помощью ионизированного газа, разогнанного до высоких скоростей в электрическом поле. Такие двигатели обладают существенно меньшей тягой по сравнению с химическими и ядерными, но зато выгодно отличаются малым расходом топлива и большой продолжительностью функционирования — в условиях космоса могут непрерывно работать на протяжении нескольких лет.

Сочетание ионных «долгожителей», пусть и слабосильных, с мегаваттной мощью ядерной установки и представляется главным ноу-хау в интегрированном проекте. Согласно озвученным ныне планам, первая миссия аппарата с ядерным буксиром может состояться в 2030 году, рассчитана на 50 месяцев и будет включать полет к Луне, потом к Венере и Юпитеру. Запуск такого аппарата со стартовым весом 22 тонны намечается с космодрома Восточный ракетой-носителем «Ангара-А5В» и разгонным блоком «Фрегат».

Идея использовать ядерные двигатели на космических аппаратах была высказана в начале 60-х. Уже тогда академики Мстислав Келдыш, Сергей Королев и Игорь Курчатов — первые лица советской космической программы и советского атомного проекта — выдвигали такие задачи. Аналогичные разработки с прицелом на создание новых вооружений велись и в США.

Советский Союз вывел с 1970 по 1988 год на различные орбиты 32 космических аппарата с термоэлектрической ядерной энергоустановкой (принцип ее работы основан на превращении энергии распада атома в электрическую энергию). Такие установки имели сравнительно небольшую мощность и ограниченный во времени срок службы, после чего сходили с орбиты, создавая головную боль — куда упадут радиоактивные обломки? — для наземных служб слежения.

В конце 80-х была заключена договоренность не запускать больше спутники с такими энергоустановками. Но сейчас, как полагают в Роскосмосе и Росатоме, в связи с подготовкой международных экспедиций к Луне и Марсу прежние запреты могут быть пересмотрены.